Oblast techniky

Vynález se týká plamencového kotle, majícího v kotlovém bubnu naležato umístěný plamenec, který je na jednom konci opatřen nátrubkem pro připojení hořáku. Na konci plamencového kotle je vytvořena reverzní komora, do které ústí výstup z plamence a více kouřových trubek. Tyto kouřové trubky jsou umístěny v plamencovém kotli od reverzní komory rovnoběžně s plamencem a mají vstupní otvor, který se z vnitřního průměru ve směru na reverzní komoru, do které ústí, rozšiřuje s vnitřním poloměrem zakřivení na axiální délce, rovné poloměru zakřivení.

Dosavadní stav techniky

Plamencový kotel shora uvedeného typu je známý zCH 355 554. Tento plamencový kotel má v kotlovém bubnu naležato umístěný plamenec, který je na jednom konci opatřen nátrubkem pro připojení hořáku. Nad tímto nátrubkem je vytvořena reverzní komora, ze které vystupují kouřové trubky, které jsou umístěny v kotlovém bubnu nad plamencem. Vstupní otvory plamence jsou vytvořeny v podobě trumpety. Hořák směřuje do nátrubku plamence a vyhřívá ho. Na protilehlém konci nátrubku se zplodiny obrací a proudí ve směru do reverzní komory, z níž se odvádí do kouřových trubek, do kterých vstupují s teplotou 700 °C až 1000 °C.

Tyto kotle jsou určeny pro vytápění olejem a plynem pro výrobu páry, teplé vody a podobně. Při použití uvedených paliv pracují uspokojivě.

Při vytápění prachovým tuhým palivem, obsahujícím popel, je však u některých plamencových kotlů problémem znečištění kotle. Poněvadž zvláště větší součásti paliva jsou během spalovacího procesu v těstovitém stavu, mohou se při vstupu na chladné stěny na ně při lepit, vytvrdit se a způsobit usazování strusky, jejíž odstraňování činí těžkosti. Zpravidla se přitom musí z kotle odstranit napájecí voda, takže se kotel ochladí, což způsobuje značné ztráty napájecí vody a delší prostoj. Plamencový kotel, vytápěný prachovým, popel obsahujícím, palivem, se dosud v podstatě neprosadil.

Podstata vynálezu

Vynález spočívá v úkolu vytvořit plamencový kotel vpředu uvedeného typu, který je vhodný k vytápění prachovým tuhým, popel obsahujícím, palivem bez nebezpečí zanesení.

Ke splnění tohoto úkoluje nutné docílit příznivé proudění v kouřových trubkách. Vstupní otvory do nich musí být provedeny v podobě trumpety, což vylučuje vznik stíněných míst. Rozměry plamence musí být stanoveny tak, že spaliny na výstupu z plamence jsou ochlazovány v bezpečném odstupu od bodu měknutí popílku a počet a průřez plamenců musí být stanoven tak, že se ve válcové části trubky dosáhne dynamický tlak, který je potřebný k zamezení usazování popílku v plamenci.

Tento úkol se vyřeší podle vynálezu tím, že u plamencového kotle vpředu uvedeného typu je reverzní komora umístěna na opačném konci plamence, než je umístěn nátrubek pro připojení hořáku, a kouřové trubky jsou umístěny pod plamencem, přičemž poměr vnitřního poloměru zakřivení k vnitřnímu poloměru je větší než 0,3, přednostně je větší než 0,5 a menší než 0,8.

Počet a vnitřní průměr kouřových trubek je takový, aby dynamický tlak v kouřových trubkách v průřezu bezprostředně za rozšířením byl větší než 40 Pa.

- 1 CZ 283961 B6

Zabezpečení kotle podle vynálezu proti znečištění ulpíváním součástí popílku na zvláště ohrožených přítokových otvorech je možné zlepšit, když jsou přítokové otvory ve více nebo méně pravidelných odstupech omývány tlakovým vzduchem. Proto může být plamenec pod nátrubkem pro připojení hořáku opatřen alespoň jednou dmýšní trubkou. Touto dmýšní trubkou se může do plamence k odstranění usazenin popílku na stěnách plamence vhánět kontinuálně nebo v rázech pára nebo tlakový vzduch. Dále je výhodné, když má reverzní komora nejméně dvě jiné dmýšní trubky, které mají ústí proti přívodním otvorům kouřových trubek. Alespoň boční stěnou reverzní komory však může také prostupovat alespoň jedna další dmýšní trubka, pod jejímž pracovním průřezem jsou umístěny všechny přívodní otvory plamence. Podélná osa jejího výstupní průřezu je přitom rovnoběžná s dělicí stěnou, která odděluje reverzní komoru od kotlového bubnu a je opatřena přívodními otvory plamence. Tato alespoň jedna další dmýšní trubka může být připojena pomocí ventilu k tlakovému zásobníku, který přivádí jen relativně malý objem a má vzduch pod tlakem například 6000 až 8000 kPa. Tím se může s odstupy 0,5 až 4 h vytvořit po dobu cca 0,1 s dynamický tlak, který se šíří rychlostí zvuku a působí na všechny otvory plamence. Tečna k výstupu alespoň jedné dmýšní trubky přitom může s výhodou svírat s dělicí stěnou úhel 10°. Rovněž je výhodné, jestliže má reverzní komora ve spodní části odvod popílku. Z hlediska odvodu popílku je vhodné, pokud má reverzní komora šikmo dolu směřující stěnu dna a odvod popílku je umístěn na dolním konci stěny dna asymetricky k podélné střední rovině reverzní komory. Aby se popílek v oblasti odvodu popílku neusazoval, ale skutečně odváděl, může do spodní části reverzní komory ústit jiná dmýšní trubka, jejíž podélná osa výstupního průřezu směřuje na odvod popílku. Pro optimální funkci plamencového kotle, vytápěného prachovým palivem, je vhodné, pokud kouřové trubky ústí na straně výstupu do sběrného prostoru, který má přívodní víko.

Rozměry plamence, které jsou potřebné k dosažení uvedeného dostatečného ochlazení spalin pod bod měknutí popílku lze stanovit z přestupu tepla prouděním a konvekci s ohledem na teplotu stěny a zákonitosti proudění. V této souvislosti se odkazuje na tepelné tabulky, ze kterých lze zjistit potřebné údaje. Počet trubek a jejich průřez odpovídá při existujícím výkonu kotle rychlosti proudění a tím dynamickému tlaku spalin v plamenci. Z výkonu kotle, z množství paliva a přebytku vzduchu se totiž stanoví celkové množství vzduchu a z něho množství spalin, kterému dále podle existujícího dynamického tlaku v plamenci odpovídá jejich počet a průřez. Každý jednotlivý kotel tak charakterizuje uvedený dynamický tlak.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je v následujícím blíže objasněn se zřetelem na příklady provedení znázorněné na výkresech. Na výkresech znázorňuje obr. 1 zobrazení principu kotle podle vynálezu bez hořáku v podélném řezu, obr. 2 příčný řez reverzní komorou, obr. 3 přítokový otvor plamence ve zvětšeném měřítku, obr. 4 zobrazení výřezu v zadní části kotle se dvěma plamenci v čelním pohledu a obr. 5 výřez v zadní části kotle podle obr. 4 v pohledu shora.

Příklady provedení vynálezu

Plamencový kotel sestává z vnějšího kotlového bubnu 1 a jednoho nebo více v něm umístěných válcových plamenců 2. V případě, zobrazeném na obr. 1 a 2, je k dispozici pouze jeden plamenec

2. Na jeho jednom konci je vytvořen nátrubek 3 pro připojení hořáku, který není v předloženém příkladu zobrazen. Tento nátrubek 3 může být umístěn v ose plamence 2 nebo mimo ní, přičemž osa nátrubku 3 může být s osou plamence 2 rovnoběžná nebo k ní může být šikmá. Když je nátrubek 3 pro hořák umístěn, jak je znázorněno na obr. 1, nad osou plamence 2 šikmo k ní, takže je hořák umístěn šikmo dolů, potom spaliny výhodně vyfukují ze dna plamence 2 usazený popílek.

-2 CZ 283961 B6

Plamenec 2 ústí na své druhé straně do reverzní komory 4, která je tvořena horním sběračem 5 vody, dvěma spodními sběrači 6' a 6 vody, které jsou patrné na obr. 2, rovněž bočními stěnami 7, stěnou 23 dna a zadní čelní stěnou 8. Tyto stěny jsou vhodně provedeny jako vodou chlazené membránové stěny.

Odtah spalin, sestávající z více navzájem rovnoběžných kouřových trubek 9, probíhá kotlovým bubnem 1 pod plamencem 2. Tato kouřová trubka 9 má v dělicí stěně 16 přívodní otvor, který odděluje kotlový buben 1 od reverzní komory 4. Na druhém konci ústí kouřové trubky 9 do sběrného prostoru 18 pro spaliny.

Pod reverzní komorou 4 je vytvořen mez i oběma spodními sběrači 6' a 6 vody otvor, kterým mohou z reverzní komory 4 vypadávat podíly popílku a nečistot. Otvor ústí do žlabu 24, ve kterém se nalézá šnekový dopravník 10, pomocí kterého se mohou podíly popílku dopravovat do výstupního otvoru 11. Žlab 24 a šnekový dopravník 10 tvoří odvod popílku.

Pod nátrubkem 3 pro hořák ústí do plamence 2 jedna nebo více dmýšních trubek 12. kterými se může nad stěny plamence 2 vyfouknout kontinuálně nebo v tlakových rázech tlakový plyn, například pára nebo vzduch, kterým se odfouknou usazeniny popílku ve směru na reverzní komoru 4.

V další dmýšní trubce 13. která je vytvořena v boční stěně 7 reverzní komory 4, je vytvořen ráz tlakového vzduchu, vystupujícího tangenciálně nebo pod malým úhlem na dělicí stěnu 16 v oblasti, kde jsou umístěny výstupní otvory kouřové trubky 9. Další dmýšní trubka 13 je podle obr. 4 a 5 spojena přes ventil 20 s tlakovým zásobníkem 21, který je opatřen tlakovým čerpadlem 22. Ventil 20, který může být vytvořen jako magnetický, tlakový zásobník 21 a tlakové čerpadlo 22 jsou na obr. 4 znázorněny jen schematicky.

Dmýšní trubkou 12 se může přivést část spalovacího vzduchu, což se příznivě projevuje pri docílení malého obsahu oxidu uhelnatého a oxidů dusíku NO_X. Dále se mohou touto dmýšní trubkou 12 přivádět kontinuálně nebo v rázech pára nebo tlakový vzduch.

Pro vyčištění přívodních otvorů kouřové trubky 9 dostačuje, když v další dmýšní trubce 13 vznikají tlakové rázy v časových odstupech 0,5 až 4 hod. Alternativně je však také možné přivádět k ovlivnění složení spalin další dmýšní trubkou 13 vzduch kontinuálně.

Na obr. 2, který znázorňuje řez podél čáry A-A na obr. 1, je patrná reverzní komora 4 s pohledem na plamenec 2 a kouřové trubky 9. Je patrný plamenec 2, pod ním dmýšní trubka 12, horní sběrač 5 vody a spodní sběrače 6' a 6 vody. Spodní sběrače 6' a 6 vody jsou uspořádány excentricky a umožňují působením paprsku z další dmýšní trubky 13 při šíření ve známém úhlu zachytit celý přívodní otvor kouřových trubek 9 a odfouknout usazeniny, případně vytvořené na dělicí stěně .16. Z tohoto důvodu je stěna 23 dna reverzní komory 4 přednostně zešikmena a směřuje k již uvedenému otvoru mezi oběma spodními sběrači vody 6' 6 do žlabu 24.

Obr. 3 znázorňuje řez oblastí přívodu jedné kouřové trubky 9 v dělicí stěně 16, která odděluje kotlový buben 1 od reverzní komory 4. Kouřová trubka 9 má vnitřní poloměr R a je v přívodu zaoblena s vnitřním poloměrem r zakřivení. Zaoblení má axiální délku cca o velikosti vnitřního poloměru r zaoblení.

Tato oblast je zvláště kritická s ohledem na usazeniny hořlavých podílů popílku, nacházejících se v mazlavém stavu. Tyto nemohou u přívodu do kouřové trubky 9 plně postupovat ostrou zatáčkou, jakož také postupem malým vnitřním poloměrem r zakřivení a tvoří kolem vstupu do kouřové trubky 9 límcovité usazeniny, které se ochlazením vodou chlazenými stěnami vytvrzují

- D CZ 283961 B6 a tvoří velmi pevné škraloupy. Některým usazeninám se zabraňuje tím, že je podle vynálezu poměr r ku R větší než 0,30, přednostně je dimenzován mez i 0,50 a 0,80.

Toto opatření obecně však nedostačuje k udržení čistoty vstupu do kouřové trubky 9. U malých rychlostí plynu nastává vylučování popílku podél kouřové trubky 9, pokrývá jejich dno a po krátké době nabývá podobu přesypů. Hřeben přesypu se za provozu pohybuje rychlostí cca 1 m/s, tedy značně pomaleji, než je rychlost spalin, které proudí kouřovou trubkou 9. Při dosažení výstupního průřezu z kouřové trubky 9 vytváří každý hřeben přesypu tlakový ráz, který krátkodobě způsobuje vyšší rychlost spalin v kouřové trubce 9, načež se vytvořením následujícího hřebenu přesypu znovu sníží. Tato neregulovaná změna rychlosti spalin v kouřových trubkách 9 přispívá podstatně ke vzniku límcovitých škraloupů z popílku v oblasti přívodních otvorů kouřových trubek 9. Toto se podle vynálezu zamezí dále tím, že se vhodným dimenzováním počtu a průřezu kouřových trubek 9 nastaví rychlost spalin v průřezu B, ve kterém začíná válcová oblast kouřové trubky 9, že je odpovídající dynamický tlak neustále větší než 40 Pa a od této hranice se udržuje bezpečný odstup. Přednostně leží dynamický tlak v oblasti mezi 80 a 200 Pa. Ještě vyšší dynamické tlaky mohou vést k dynamickým efektům, pulzaci spalin v kouřové trubce 9 v součinnosti s elasticitou a energetickým přísunem horkého vzduchu do plamence 2. To znamená, že pro oblast regulace průchodnosti spalin je k dispozici oblast dynamického tlaku 40 až 200 Pa. Poněvadž se dynamický tlak mění s mocninou rychlosti, vyplývá z toho regulační oblast pro průchod spalin 1 ku 2,5. Přitom horní hodnota 200 Pa zahrnuje ještě bezpečný odstup směrem nahoru.

K optimalizaci hodnot oxidu uhelnatého a oxidů dusíku NO_X mohou být vytvořeny v oblasti reverzní komory 4 jiné dmýšní trubky 17, které zvláště potom, když jsou v oblasti výstupu z plamence 2 ještě hořící nadsítné částice, přivádí další kyslík pro vyhoření. Tyto jiné dmýšní trubky 17 mohou být umístěny přednostně tak, že je ve všech vstupních průřezech B kouřových trubek 9 stejný obsah kyslíku.

Na zadní čelní stěně 8 reverzní komory 4 mohou být umístěny dveře 14, kterými jsou přístupně přívodní otvory kouřové trubky 9 a zadní část plamence 2.

Na obr. 4 je patrně provedení vynálezu, u kterého jsou v kotlovém bubnu 1 umístěny dva plamence 2, z nichž je na obr. 4 z důvodu přehlednosti zobrazen jen jeden. Druhý plamenec 2 s příslušnou reverzní komorou 4 a ostatními součástmi je vytvořen zrcadlově. Na obr. 4 jsou patrné při sejmutých dveřích 14 přívodní otvory v kouřových trubkách 9 a rovněž další dmýšní trubka 13 s ventilem 20 a tlakovým zásobníkem 21, přičemž pracovní průřez další dmýšní trubky 13 je znázorněn čerchovaně a jak je patrné překrývá všechny přívodní otvory kouřových trubek 9. Směr proudění z další dmýšní trubky 13 je k odstranění usazenin popílku ve výstupu mezi spodními sběrači 6' a 6' ' v podstatě šikmo dolů. Na obr. 4 je rovněž patrné pod šikmou stěnou 23 dna reverzní komory 4 přívodní potrubí 25 pro sekundární vzduch, které má výstupy, ústící do reverzní komory 4, které jsou schematicky znázorněny čerchovaně.

Obr. 5 znázorňuje uspořádání podle obr. 4 v pohledu shora, přičemž jsou patrné dvě reverzní komory 4, které jsou umístěny v párovém uspořádání oboustranně kolem středu kotlového bubnu 1. V zobrazeném příkladu je z důvodu přehlednosti zobrazena jen jedna další dmýšní trubka 13 s připojeným tlakovým zásobníkem 21, přičemž tento obrázek má v podstatě znázornit, že další dmýšní trubka 13 působí v podstatě tangenciálně přes dělicí stěnu 16, která odděluje kotlový buben 1 od reverzních komor 4.

Konstrukce kotle je také vhodná pro spalování tekutých paliv, obsahujících síru, když se k horkým plynům, vzniklým hořením do plamene nebo krátce po něm přidá vápenatý absorbent, například vápenný hydrát. Některé prachové příměsi se potom chovají podobně jako popílek u prachového paliva, obsahujícího popílek.

-4CZ 283961 B6

Podobné platí pro paliva, obsahující síru a popílek, u kterých se síra nízkoteplotním odsiřováním váže do popílku. Toto se potom zvláště dobře podaří, když popílek obsahuje dostatek vápenatých nebo podobných aktivních komponent, nebo když se k palivu přidá vápenatý absorbent. Při spalování některých paliv v plamencovém kotli podle vynálezu se obdrží povrchově aktivní popílek, případně zvláště aktivací vápenatých komponent, takže při ochlazování spalin až na teplotu 10 až 15 °C přes skutečný rosný bod spalin nastává úplné vázání síry do popílku nebo do vápenatých komponent.

U plamencových kotlů podle vynálezu se docílí na výstupním průřezu plamence 2 do reverzní komory 4 teploty spalin, které jsou menší než teplota měknutí vyhořelých podílů popílku. V kotlech obvyklé velikosti mohou v plamenci 2 vyhořet částice o zrnitosti až 0,2 až 0,3 mm. Větší částice vstupují do hořícího těstovitého stavu v reverzní komoře 4 a kouřové trubce 9. Teploty měknutí vyhořelého popílku různých typů prachového uhlí leží obvykle mezi 950 a 1250 °C. Kotel je dimenzován k zabránění připečení některých podílů popílku tak, že spaliny na výstupu z výstupního průřezu plamence 2 mají teplotu, která leží v bezpečném odstupu pod uvedenou teplotou měknutí popílku.

Na konci výstupu z kouřové trubky 9 pod nátrubkem 3 pro hořák je vytvořen sběrný prostor .18 pro odtah ochlazených spalin. Tento sběrný prostor 18 má přívodní víko 19, kterým se může kontrolovat vnitřek kouřové trubky 9 a v případě poruchy se může obvyklým způsobem vyčistit pomocí průrazníku s dlouhou tyčí, přičemž usazeniny padají do žlabu 24 a mohou se dopravovat šnekovým dopravníkem 10.