Вихревая топка

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пицуха Евгений Александрович Тюшкевич Алексей Васильевич Теплицкий Юрий Семенович Бородуля Валентин Алексеевич Новик Михаил Дмитриевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Вихревая топка, содержащая цилиндрическую топочную камеру, размещенную в ней колосниковую решетку подачи первичного воздуха, завихритель, окно подачи топлива и пережимное кольцо, отличающаяся тем, что завихритель установлен на высоте, равной диаметру цилиндрической топочной камеры от ее основания, и делит топочную камеру на камеру сжигания и камеру дожига, сам завихритель выполнен в виде дутьевого короба из жаропрочного материала и снабжен радиально расположенными на поверхности завихрителя 78532011.12.30 соплами третичного воздуха, имеющими прямоугольное сечение, направленными тангенциально, который заключен между двумя слоями огнеупорного материала, образующими форму завихрителя, причем к дутьевому коробу примыкают каналы подвода третичного воздуха, при этом угол наклона завихрителя превышает угол естественного откоса сжигаемого материала на 1-5, а диаметр проходного отверстия завихрителя составляет 0,50,6 диаметра самой топки в стенках камеры сжигания расположены сопла вторичного воздуха, направленные тангенциально, а над завихрителем в камере дожига расположены окно подачи топлива, пережимное кольцо и выходное отверстие для продуктов сгорания топлива. 2. Вихревая топка по п. 1, отличающаяся тем, что пережимное кольцо выполнено из огнеупорного материала с диаметром отверстия, составляющим 0,7-0,8 диаметра камеры дожига. 3. Вихревая топка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что колосниковая решетка выполнена из поворотных колосников.(56) 1. Патент РФ 2 350 837, МПК 23 30/00,23 3/00, 2006. Предлагаемое техническое решение относится к топочной технике и может быть использовано для сжигания твердого мелкофракционного топлива, преимущественно высокой зольности, в топках паровых и водогрейных котлов. Известна слоевая топка с вихревым дожигом (вихревая топка), принятая за прототип,содержащая цилиндрическую топочную камеру и размещенную в ней колосниковую решетку в виде усеченной пирамиды, обращенной кверху меньшим основанием, с центральным загрузочным окном для нижней подачи топлива, причем грани решетки выполнены сборными из отдельных элементов углового Г-образного профиля с отверстиями для подачи струй первичного воздуха в слой топлива навстречу друг другу, кольцевой завихритель, установленный в нижней части цилиндрической топочной камеры коаксиально колосниковой решетке, и пережимное кольцо, установленное в верхней части топочной камеры. Отверстия элементов граней решетки могут быть выполнены с осями, пересекающимися под углом 90, кольцевой завихритель может быть выполнен в форме турбинного колеса с отогнутыми под углом 3-5 к горизонтали и расположенными по всему периметру лопатками 1. Недостатками известной топки являются недостаточная технологичность конструкции, обусловленная необходимостью установки сложной системы подачи топлива и подвода первичного воздуха, а также сложность ее регулировки. С другой стороны,поставленная задача интенсификации процесса горения и уменьшения потерь с механическим недожогом в данной конструкции топки решается не в полной мере, так как создание вихря в надслоевой зоне еще не достаточно для улавливания подавляющей части недогоревшего материала. Решение этой задачи могло бы продлить время пребывания частицы в топочной камере, а значит, повысить полноту сгорания топлива. Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности предлагаемой топки за счет повышения полноты сгорания топлива и интенсификации процесса горения. Поставленная задача решается следующим образом. Известная вихревая топка содержит цилиндрическую топочную камеру, размещенную в ней колосниковую решетку подачи первичного воздуха, завихритель, окно подачи топлива и пережимное кольцо. Согласно предлагаемому техническому решению, завихритель установлен на высоте, равной диаметру цилиндрической топочной камеры от ее основания, и делит эту камеру на камеру сжигания и камеру дожига. Сам завихритель выполнен в виде дутьевого короба из 2 78532011.12.30 жаропрочного материала, заключенного между двумя слоями огнеупорного материала,образующими форму завихрителя. При этом угол наклона завихрителя превышает угол естественного откоса сжигаемого материала на 1-5, а диаметр проходного отверстия завихрителя составляет 0,5-0,6 внутреннего диаметра камеры дожига. В стенках камеры сжигания расположены сопла вторичного воздуха, направленные тангенциально, а над завихрителем в камере дожига расположены окно подачи топлива, пережимное кольцо и выходное отверстие для продуктов сгорания топлива. Кроме того, пережимное кольцо выполнено из огнеупорного материала с диаметром отверстия, составляющим 0,7-0,8 диаметра камеры дожига, а колосниковая решетка выполнена из поворотных колосников. Приведенные геометрические параметры для угла наклона завихрителя наиболее приемлемы с точки зрения технологии сжигания и экономики. При выполнении угла наклона завихрителя превышающим заданный диапазон, частицы топлива не будут задерживаться на его поверхности и, соответственно, предварительно не просушенные попадут в камеру сжигания, нарушая технологию сжигания. Если угол наклона будет меньше заявляемого,то топливо будет скапливаться на поверхности завихрителя и способствовать ее быстрому зашлаковыванию. При превышении относительного диаметра завихрителя нарушится аэродинамическая структура потоков газа и топлива в камере сжигания, в связи с этим мелкие частицы топлива будут уноситься из этой камеры, что вызовет увеличение недожога топлива. Если же относительный диаметр завихрителя будет менее заявленного, это создаст дополнительное аэродинамическое сопротивление, для преодоления которого необходима установка более энергоемких нагнетателей воздуха, что в свою очередь неэкономично. Радиальное расположение на поверхности завихрителя сопел третичного воздуха прямоугольного сечения, направленных тангенциально, обеспечивает создание в камере дожига вихревого движения газов и мелких частиц топлива, что необходимо для продления времени пребывания недогоревших частиц в камере сжигания. Эта мера способствует лучшему выгоранию топлива и, соответственно, снижает недожог, а каналы подвода третичного воздуха, примыкающие к дутьевому коробу, регулируют поток воздуха, проходящий через них, что обеспечивает возможность регулирования режима истечения воздуха из сопел третичного воздуха. Сопла вторичного воздуха, направленные тангенциально, создают вихревое движение газов и частиц топлива в камере сжигания,которое необходимо для увеличения времени пребывания мелких фракций топлива в этой камере, что способствует их лучшему выгоранию. Наличие в камере дожига окна подачи топлива обуславливает подсушивание и газификацию крупных частиц топлива до их попадания в камеру сжигания. Пережимное кольцо формирует структуру закрученного газового потока в верхней камере дожига, что обеспечивает качественное перемешивание продуктов газификации и неполного горения топлива, а выходное отверстие обеспечивает отвод продуктов сгорания. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение полноты сгорания топлива и интенсификацию процесса горения, что повышает эффективность предлагаемой вихревой топки. На фиг. 1 показана схема общего вида предлагаемой вихревой топки. На фиг. 2 показан завихритель с радиально расположенными соплами прямоугольного сечения, направленными тангенциально. На фиг. 3 показаны сопла вторичного воздуха, направленные тангенциально, расположенные в стенках камеры сжигания. На фиг. 4 - сечение дутьевого короба, заключенного между двумя слоями огнеупорного материала. Предлагаемая вихревая топка содержит цилиндрическую топочную камеру, разделенную завихрителем 1 на нижнюю камеру сжигания 2 и верхнюю камеру дожига 3. В камере сжигания 2 размещена поворотная колосниковая решетка 4, под которую подают первичный воздух. В стенках камеры сжигания 2 над пространством, занятым слоем топлива,3 78532011.12.30 расположены сопла 5 вторичного воздуха, направленные тангенциально (фиг. 3). Над соплами 5 вторичного воздуха расположен завихритель 1 на высоте, равной диаметру камеры сжигания 2, представляющий в разрезе две равнобокие трапеции, направленные меньшими основаниями в центр топочной камеры 2. Завихритель 1 состоит из дутьевого короба 6, выполненного из жаропрочного материала, который снабжен радиально расположенными на поверхности завихрителя соплами 7 третичного воздуха, имеющими прямоугольное сечение и направленными тангенциально (фиг. 2 и 4). Короб 6 помещен между двумя слоями огнеупорного материала 8 (фиг. 4), которые обеспечивают образование нужной формы завихрителя 1. В камере дожига 3 над завихрителем 1 расположено окно подачи топлива 9, через которое посредством шнекового питателя 10 подается топливо. Поступление третичного воздуха в короб 6 завихрителя 1 обеспечивает канал подвода 11, связанный с ним. В верхней части камеры дожига 3 расположено пережимное кольцо 12 из огнеупорного материала с диаметром отверстия, составляющим 0,7-0,8 диаметра камеры дожига 3, образуя горловину, обеспечивающую качественное перемешивание продуктов газификации и неполного сгорания топлива. Продукты сгорания топлива покидают объем камеры дожига 3 благодаря выходному отверстию 13. Предлагаемая топка работает следующим образом. Мелкофракционное топливо шнековым питателем 10 подают через окно подачи топлива 9, расположенное над завихрителем 1, далее топливо, попадая на его поверхность,образованную слоем огнеупорного материала 8, приобретает вращательное движение за счет того, что истекающие из сопел третичного воздуха 7 струи воздуха образуют вихрь и оказывают динамическое воздействие на частицы топлива. Создание необходимого потока воздуха осуществляется каналами подвода 11 третичного воздуха к дутьевому коробу 6 завихрителя 1. При этом на завихрителе 1 создается вращающийся слой топлива, удерживающийся за счет центробежных сил, масса которого зависит от геометрических характеристик завихрителя и режима истечения третичного воздуха. При превышении заданного диапазона изменения угла наклона завихрителя 1 частицы топлива не будут задерживаться на его поверхности и, соответственно, предварительно не просушенные попадут в камеру сжигания 2, нарушая технологию сжигания. Если угол наклона будет меньше заявляемого, то топливо будет скапливаться на поверхности завихрителя 1 и способствовать ее быстрому зашлаковыванию. При несоблюдении заявленных пределов диаметра проходного отверстия диаметра завихрителя 1 нарушится аэродинамическая структура потоков газа и топлива в камере сжигания 2. Вращающаяся масса топлива подвергается частичной сушке и газификации, воспринимая радиационную теплоту факела, формирующегося в камере сжигания 2, и через отверстие конического пережима распространяется в камеру дожига 3. Образование данного факела имеет место, так как в камеру сжигания 2 воздух подается не только через сопла 5 вторичного воздуха, но и из дутьевого короба 6, сквозь поворотную колосниковую решетку 4, где происходит дальнейшее его горение. При этом происходит процесс сепарации частиц топлива. Наиболее крупные частицы попадают на поворотную колосниковую решетку 4, формируя горящий неподвижный слой. Более мелкие частицы подхватываются восходящим закрученным потоком горячих газов, истекающих из камеры сжигания 2, продольная скорость которого в периферийной области отверстия в несколько раз превышает среднерасходную продольную скорость в объеме всей цилиндрической камеры. Далее закрученный поток, содержащий мелкие частицы топлива, раскрывается, попадая в камеру дожига 3 над завихрителем 1, и продольная скорость его снова значительно снижается. При этом подхваченные ранее частицы топлива за счет центробежного эффекта отбрасываются к периферии верхнего объема камеры дожига 3 и совершают вращательное движение, опускаясь вдоль цилиндрической стенки камеры к поверхности завихрителя 1 в силу того, что продольная скорость закрученного потока снижена и основная масса частиц не может транспортироваться потоком вверх. Таким образом, мелкие частицы опускаются обратно во вращающийся на за 4 78532011.12.30 вихрителе 1 слой топлива и цикл их движения повторяется до тех пор, пока размер частиц не станет настолько малым, что они покинут зону рециркуляции и дальнейшее их догорание будет осуществлено во вращающемся потоке выше зоны рециркуляции. Пережимное кольцо 12, расположенное в верхней части камеры дожига 3, предназначено для формирования структуры закрученного газового потока в верхней ее части с целью качественного перемешивания продуктов газификации и неполного сгорания топлива, которые покидают объем камеры дожига 3 благодаря выходному сечению топки 13. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение полноты сгорания топлива и интенсификацию процесса горения, что повышает эффективность предлагаемой вихревой топки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5