Патент на изобретение №2350838

(54) ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЦИКЛОННЫЙ РЕАКТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к области теплотехники, к технологии эффективного сжигания низкосортных топлив, а именно к установкам для полного сжигания мелкодисперсных топлив (угля, древесных отходов, горючих вторичных энергоресурсов и т.п.). Высокотемпературный циклонный реактор имеет цилиндрический вертикальный корпус, состоящий, по меньшей мере, из четырех секций цилиндрических ступеней разделения измельченного топлива на фракции, причем диаметр каждой последующей ступени в 1,3-1,5 раза больше диаметра предыдущей ступени, а верхняя ступень соединена трубами золоудаления с бункером для отвода шлака и золы. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области теплотехники, к технологии эффективного сжигания низкосортных топлив, а именно к установкам для полного сжигания мелкодисперсных топлив (угля, древесных отходов, горючих вторичных энергоресурсов и т.п.).

Известно устройство «Вихревая топка» для полного сжигания твердого топлива, преимущественно фрезерного торфа, древесных и растительных отходов (патент РФ №2126932, МПК 6 F 23 B 1/38, опубл. 27.02.1999), (аналог).

Вихревая топка содержит вертикальную вихревую камеру сгорания с газовыпускным окном, отбойный уступ, тангенциальные сопла, дополнительную решетку или золовыпускное отверстие, причем дно камеры выполнено с уклоном под углом 10-50° к дожигательной решетке, над которой расположено тангенциальное сопло.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной установки, относятся: а) конструкция топки содержит застойные зоны (например, до и после отбойного выступа), в которых скапливается зола с частицами несгоревшего топлива; б) частицы топлива, имеющие разный размер и массу, двигаются по различным траекториям, легкие частицы топлива вместе с мелкой золой уносятся дымовыми газами через газовыпускное окно. Следовательно, снижается экономичность топки и с дымовыми газами уносится повышенное количество золы.

Известно также устройство «Циклонная топка» (патент РФ 2105239, МПК 6 F 23 C 3/00, опубл. 20.02.1998), (аналог).

Циклонная топка содержит, по меньшей мере, две расположенные параллельно вихревые камеры, выполненные с взаимно встречной закруткой и сообщенные между собой посредством пересечения их контуров.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной установки, относятся: сложность регулирования процесса горения при движении потоков со встречной закруткой. Такое взаимодействие способствует возникновению концентрированных вихрей в центре вихревых камер и повышенному уносу частиц топлива и золы из топки. Такие вредные явления влияют на экономичность топки и на работу котлоагрегата в целом.

Известно также устройство «Низкоэмиссионная вихревая топка» (патент РФ 2067724, МПК 6 F 23 C 5/24, опубл. 10.10.1996), (прототип).

Вихревая топка содержит вертикальную камеру сгорания, на фронтовой стенке которой установлены по вертикали две горелки для подачи топливно-воздушной смеси. Каждая горелка выполнена в виде двух каналов для подачи топлива и окислителя. Для регулирования соотношения «топливо – воздух» каналы для подачи воздуха снабжены шиберами. Фронтовая и задняя стенки камеры сгорания в своей нижней части наклонены и образуют вместе с боковыми стенками холодную воронку призматической формы со щелевым устьем для ввода нижнего дутья. Горелки по вертикали расположены для образования в камере восстановительной и окислительной зон реакций. Топка снабжена устройством для подачи в канал каждой горелки топливозаданного фракционного состава, выполненным в виде пылеконцентратора с завихрителем потока.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной установки, относятся: а) применение нижнего дутья обогащает воздухом активную зону горения и соответственно увеличивается образование оксидов азота; б) камера содержит застойную зону – холодную воронку, в которой скапливаются топливо и зола, снижающую экономичность топки.

Задачами изобретения являются повышение качества регулирования топочного процесса и снижение выбросов в атмосферу загрязняющих веществ.

Указанные задачи достигаются тем, что высокотемпературный циклонный реактор (далее реактор) содержит вертикальный корпус, состоящий, по меньшей мере, из четырех секций цилиндрических ступеней, причем диаметр каждой последующей ступени в 1,3-1,5 раза больше диаметра предыдущей ступени, а верхняя ступень соединена трубами золоудаления с бункером для отвода шлака и золы.

Указанные задачи достигаются также тем, что диаметр верхней ступени в 1,4-1,5 раза больше диаметра предыдущей ступени.

Указанные задачи достигаются также тем, что первая ступень содержит кольцевой канал для тангенциальной подачи и перемешивания топлива и окислителя.

Указанные задачи достигаются также тем, что вторая ступень содержит, по меньшей мере, шесть каналов рециркуляции топлива для подачи его с полок третьей ступени на полки второй ступени.

Указанные задачи достигаются также тем, что третья ступень содержит в ее верхней части кольцевой канал для тангенциального подвода вторичного подогретого воздуха

Отличительные признаки по сравнению с известными установками для сжигания измельченного твердого топлива.

1. Реактор имеет, по меньшей мере, четыре ступени разделения измельченного топлива на фракции для избирательного сжигания топлива на полках ступеней, которые представляют собой цилиндрические секции, причем диаметр каждой ступени в 1,3-1,5 раза больше, чем диаметр предыдущей ступени, а размер верхней (например, четвертой) ступени больше предыдущей в 1,4-1,5 раза, а также верхняя ступень содержит трубы золоудаления для удаления мелких частиц золы из продуктов сгорания, соединяющие верхнюю ступень с бункером для отвода шлака и золы.

2. Топливо и окислитель тангенциально подаются в нижнюю, первую ступень корпуса реактора через кольцевой канал для перемешивания топлива и окислителя.

3. Реактор содержит, по меньшей мере, шесть каналов рециркуляции топлива для подачи его с полки третьей ступени на полку второй ступени.

4. Третья ступень реактора содержит в верхней части кольцевой канал тангенциального подвода вторичного подогретого воздуха с заслонками, регулирующими расход и угол закрутки входящего воздуха.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема высокотемпературного циклонного реактора; на фиг.2 – поперечное сечение А-А первой ступени и на фиг.3 – поперечное сечение Б-Б третьей ступени реактора.

Реактор содержит цилиндрический, четырехступенчатый, вертикальный корпус 1, состоящий из первой ступени 2 с кольцевым каналом 3 перемешивания топлива и окислителя и трубой 4 ввода горелки. Вторая ступень 5 диаметром в 1,3-1,5 раза больше первой содержит каналы рециркуляции топлива 6, а третья ступень 7 диаметром в 1,3-1,5 раза больше второй имеет кольцевой канал 8 для подвода вторичного воздуха с регулирующими заслонками 9. Уменьшение соотношения диаметров ступеней меньше 1,3 приводит к ухудшению эффекта сепарации. Увеличение соотношения диаметров больше 1,5 приводит к слеживанию частиц топлива на полках ступеней. Верхняя (четвертая) ступень 10 диаметром в 1,4-1,5 раза больше третьей имеет выхлопную трубу 11 и соединена трубами золоудаления 12 с бункером 13, который соединен с первой ступенью реактора шлакоотводной трубой 14. Уменьшение соотношения диаметров предыдущей и верхней ступени меньше 1,4 приводит к скатыванию золы в объем реактора, минуя трубы золоудаления. При сжигании низкосортных топлив реактор может содержать и больше четырех ступеней разделения топлива на фракции.

Устройство работает следующим образом.

Топливо и первичный воздух подают в первую ступень 2 через кольцевой канал 3 перемешивания топлива и окислителя. В кольцевом канале 3 топливо расходом М (кг/ч) смешивается с первичным воздухом расходом V₀₁ (м³/ч) и тангенциально поступает в камеру сгорания первой ступени 2 через прямоугольные сопла 3а, 3б, 3в и 3г, как показано на фиг.2. В трубу 4 вставляется горелка или плазмотрон для поддержания процесса горения при начальной стадии разжигания реактора и «подсветки» при работе. Первая ступень 2 реактора работает как газификатор при относительно низких температурах. Благодаря тангенциальному вводу 3а – 3г поток топливно-воздушной смеси приобретает вращательное движение. Цилиндрические секции ступеней образуют между собой полки, причем диаметр каждой ступени в 1,3-1,5 раза больше, чем диаметр предыдущей ступени. Под действием центробежных сил происходит сепарация частиц топлива по размерам и массе на полках ступеней. Уменьшение соотношения диаметров ступеней меньше 1,3 приводит к ухудшению эффекта сепарации. На полке второй ступени 5 происходит горение относительно крупной фракции топлива, которое из потока воздуха отбрасывается на стенку ступени центробежными силами. Увеличение соотношения диаметров больше 1,5 приводит к слеживанию частиц топлива на полках ступеней. Средняя и мелкая фракции топлива, как более легкие, пролетают вторую ступень и отбрасываются на стенки третьей ступени, теряют кинетическую энергию и частично сгорают на полке третьей ступени. Часть топлива с полки третьей ступени через каналы рециркуляции 6 поступает на полку второй ступени. Длительное время пребывания и хорошее перемешивание топлива и окислителя достигается путем организации в реакторе ряда зон рециркуляции топлива в потоке воздуха, основная из которых – центральная – образуется в центре второй 5 и третьей 7 ступеней реактора за счет каналов рециркуляции топлива 6. Газы, средне- и мелкодисперсная фракции сжигаются во второй 5 и третьей 7 ступенях реактора, в центральной рециркуляционной зоне, в условиях недостатка кислорода. При этих условиях в рециркуляционной зоне второй ступени 5 образуются оксиды азота и продукты неполного сгорания топлива (окись углерода). Взаимодействие между окислами азота и углерода в этой зоне заключается в том, что оксид углерода отбирает у оксида азота кислород и восстанавливает его до молекулярного азота. В результате реакции образуются нетоксичные двуокись углерода и молекулярный азот. В верхнюю часть третьей ступени 7 подводится подогретый воздух по кольцевому каналу 8 как добавочный окислитель и для дополнительного подкручивания потока, как показано на фиг.3. Расход V₀₂ (м³/ч) и закрутку вторичного воздуха устанавливают положением регулирующих заслонок 9. Продукты сгорания, содержащие мелкие частицы топлива и золы, поступают в верхнюю (четвертую) ступень 10. Эта ступень выполняет функции камеры сгорания и пылеуловителя, в ней остатки топлива сгорают, а зола удаляется в бункер 13 через трубы золоудаления 12. Уменьшение соотношения диаметров предыдущей и верхней ступеней меньше 1,4 приводит к скатыванию золы в объем реактора, минуя трубы золоудаления. Продукты сгорания поступают в газоходы через выхлопную трубу 11. Тангенциальный подвод через кольцевой канал 8 вторичного подогретого воздуха в третью ступень 7 реактора исключает образование бедных кислородом областей в верхней ступени 10 реактора и позволяет получить устойчивые области рециркуляции топлива для улучшения стабилизации пламени.

Регулирование отношения расходов первичного и вторичного воздуха, поступающих в первую и третью ступень реактора соответственно, позволяет получить оптимальный режим полного сжигания топлива в реакторе при минимальных выбросах в атмосферу токсичных веществ.

Заявляемый реактор позволяет достичь высокого качества регулирования топочного процесса при полном сгорании топлива и минимальных выбросах в атмосферу загрязняющих веществ.

Формула изобретения

1. Высокотемпературный циклонный реактор, содержащий вертикальный корпус, состоящий, по меньшей мере, из четырех секций цилиндрических ступеней, причем диаметр каждой последующей ступени в 1,3-1,5 раз больше диаметра предыдущей ступени, а верхняя ступень соединена трубами золоудаления с бункером для отвода шлака и золы.

2. Высокотемпературный циклонный реактор по п.1, отличающийся тем, что диаметр верхней ступени в 1,4-1,5 раз больше диаметра предыдущей ступени.

3. Высокотемпературный циклонный реактор по п.1, отличающийся тем, что первая ступень содержит кольцевой канал для тангенциальной подачи и перемешивания топлива и окислителя.

4. Высокотемпературный циклонный реактор по п.1, отличающийся тем, что вторая ступень содержит, по меньшей мере, шесть каналов рециркуляции топлива с полок третьей ступени на полки второй ступени.

5. Высокотемпературный циклонный реактор по п.1, отличающийся тем, что третья ступень содержит в ее верхней части кольцевой канал для тангенциального подвода вторичного подогретого воздуха.

РИСУНКИ