Размещено на http://www.allbest.ru/

Топочное устройство для сжигания водоугольного топлива

Д.т.н. С.В. Алексеенко, член-корр. РАН, директор, д.т.н. Л.И. Мальцев, главный научный сотрудник, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН;

И.В. Кравченко, директор, В.Е. Самборский, главный инженер, ООО «ТеплоПром», г. Новосибирск

Введение

Водоугольное топливо (ВУТ) содержит более 30% воды, и поэтому вопрос выбора топочного устройства для сжигания такого топлива исключительно важен. ВУТ, в виде капель попавшее в топку, должно пройти стадию испарения воды и сушки частиц угля, воспламенения угля и, наконец, его горения. Реактор, предназначенный для сжигания ВУТ, должен обеспечивать достаточно большое время пребывания частиц топлива в камере сгорания, интенсивное перемешивание топлива и окислителя и должен поддерживать необходимую высокую температуру во всем объеме камеры сгорания. топочный сжигание котел форсунка

В литературе известен целый ряд таких устройств. В топках, как правило, используется вихревой режим движения газов. Конструкции топок различаются формой, схемами расположения форсунок для подачи ВУТ и сопел вторичного дутья воздуха. Предлагаются и другие решения, например возврат в топку горячих дымовых газов. Естественно, что горячие дымовые газы могут способствовать прогреву и сушке ВУТ и тем самым стабилизировать его горение, а также возвратить в топку непрогоревшие частицы угля (если такое случается), однако при этом они играют роль балласта и снижают эффективность использования топлива.

Авторами предложено и опробовано новое вихревое топочное устройство, ориентированное на сжигание ВУТ в котлах малой и средней мощности. Главной отличительной особенностью этой топки является кольцевая форма камеры сгорания.

Кольцевая топка известна с давних пор. В 1956 г. в бывшем СССР был запатентован прямоточный котел с циклонной топкой, включающий внешний корпус и внутренний цилиндр меньшего радиуса, топочное устройство которого расположено в кольцевом пространстве между корпусом и внутренним цилиндром. При этом кипятильные трубы котла размещены на стенках корпуса котла и внутреннего цилиндра. Компактное расположение поверхностей нагрева уменьшает габариты котла, а также благодаря размещению топки внутри котла снижаются тепловые потери в окружающее пространство.

Конструкция топочного устройства

Предлагаемое новое топочное устройство, продольное и поперечное сечения которого показаны на рис. 1, имеет футерованную камеру сгорания 3 и экранированную кипятильными трубами 2 камеру охлаждения, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон 5.

Камера сгорания имеет форму, близкую к цилиндру с горизонтальной осью вращения и плоскими торцевыми стенками, вблизи осей симметрии которых установлены газоперепускные окна. Камера сгорания и камера охлаждения имеют общую фронтальную стенку 8, на которой смонтированы форсунки 9, осуществляющие как раздельную, так и совместную подачу ВУТ и других видов топлива и первичного окислителя, и общую нижнюю стенку, на которой установлен золоуловитель 7, выполненный в форме воронки. Внутри камеры сгорания установлены дутьевые сопла 6 с касательной подачей воздуха и центральная огнеупорная вставка 4. Главное назначение вставки - поддержание однородного температурного поля в камере сгорания.

При запуске топочного устройства в камеру сгорания через форсунки подают высокореакционное жидкое топливо (например дизельное), а через сопла вдувают окислитель. За счет тепла, выделяемого при горении топлива, происходит разогрев стенок камеры сгорания и центральной вставки. После разогрева стенок камеры до температуры 400-500 ОС к дизельному топливу добавляют в малой пропорции ВУТ. По мере дальнейшего повышения температуры внутри камеры сгорания доля дизельного топлива в подаваемой смеси уменьшается, а доля ВУТ увеличивается вплоть до выхода котла на расчетный режим работы. Создаваемая форсункой воздушно-капельная струя закручивается в кольцевом канале в вихревой поток. Дутьевой газ попадает в камеру сгорания по касательной к ее стенкам и поддерживает закрутку потока внутри камеры. Таким образом, газ поступает в камеру сгорания тангенциально к ее стенкам и уходит из камеры через газоперепускные окна, расположенные на торцевых стенках камеры сгорания вблизи их осей вращения. В результате скорости потока газа практически во всем объеме камеры имеют как тангенциальную составляющую, так и радиальную, направленную к оси симметрии камеры сгорания.

Капля ВУТ, попавшая в такой поток, под действием центробежных сил, обусловленных тангенциальными составляющими скорости потока, стремится выбраться на стенку камеры сгорания, но радиальные потоки газа препятствуют такому движению. В результате происходит расслоение потока капель ВУТ: наиболее крупные выносятся на внешние орбиты, мелкие располагаются ближе к оси камеры. За счет тепла, выделяемого при горении дизельного топлива на начальном этапе, затем при горении угля, а также за счет тепла, излучаемого разогретыми стенками камеры сгорания и внутренней вставки, происходят нагрев, сушка, воспламенение и в результате интенсивное горение частиц угля. По мере выгорания угля масса частиц уменьшается, уменьшаются центробежные силы, и частицы перемещаются на круговые орбиты с меньшим радиусом. При этом частицы с большей массой находятся в зоне горения больший интервал времени и как результат все частицы угля успевают прогореть в пределах топки.

Таким образом, в силу наличия центрального тела, вихревого режима течения газа и выхода газа из камеры сгорания через окна вблизи оси вращения камеры, частицы угля находятся в равномерно прогретой зоне горения достаточно длительное время и успевают выгореть полностью.

Важно отметить, что температура газов внутри камеры сгорания может поддерживаться на уровне до 1300 ^ОС, в силу чего в камере не образуются окислы азота.

Воронка золоуловителя на начальном этапе заполняется крупным песком. Зола от сжигания ВУТ отличается большой парусностью. Большая часть образующейся золы уносится вместе с горячими газами через перепускные окна. Крупные частицы золы центробежными силами выносятся на стенку корпуса камеры сгорания и скапливаются в нижней части камеры сгорания. По мере накопления золы сначала песок, а затем и зола удаляются через нижнее окно воронки золоуловителя.

Дополнительно следует отметить, что, несмотря на высокую дисперсность частиц угля и видимую пластичность суспензии, ВУТ - высокоэрозионный продукт. Попытки использовать в первых работах по ВУТ в качестве распылителей известные горелочные устройства потерпели неудачу: ресурс их работы не превышал 30-40 ч. В последние годы исследователи в целях повышения ресурса форсунок в большинстве случаев идут по пути выбора износоустойчивых материалов. Авторами же предложена новая оригинальная конструкция форсунки (рис. 2), в которой взаимодействие газовой и топливной струй происходит за пределами самого устройства, что значительно снижает степень разрушения его стенок.

Выходящие из сопла струи воздуха движутся вдоль стенки распылителя, образуя сходящийся поток. В результате столкновения струй, вдоль оси форсунки формируются две газовые струи - основная и возвратная. Высокоскоростная возвратная струя, внедряясь в вытекающую струю ВУТ, нарушает ее целостность и заставляет топливо тонким слоем распределяться по стенкам диффузора. На выходе из диффузора топливная струя взаимодействует с газовой, благодаря чему формируется газокапельный поток. В зоне столкновения газожидкостных струй происходит дальнейшее диспергирование и разлет капель.

Опыт применения

На предприятии ООО «Завод стеновых блоков» (г. Новосибирск) на основе данной разработки были созданы теплогенерирующие установки, которые позволили перевести на сжигание ВУТ паровые котлы тепловой мощностью 1,5; 3 и 7 МВт (последний на базе котла КЕ 10/13, показанного на рис. 3).

Испытания на разных видах углей (Кузнецкий марки Д и Г, антрацит, отходы обогатительной фабрики) показали высокую эффективность и надежность работы установок. В течение двух лет установки на ВУТ успешно обеспечивали завод тепловой энергией для обогрева производственных помещений и паром для технологических целей. К сожалению, последний год завод практически не работает из-за отсутствия сбыта продукции.

Таким образом, уже сегодня в опытно-промышленном варианте реализованы все основные компоненты технологии сжигания ВУТ. При использовании таких установок существенно уменьшается недожог угля (до 3-5%), снижается стоимость 1 Гкал тепловой энергии, улучшается экологическая обстановка как внутри котельной, так и за ее пределами (рис. 4).

Размещено на Allbest.ru