RU2013691C1

RU2013691C1 - Cyclone precombustion chamber of boiler

Info

Publication number: RU2013691C1
Authority: RU
Inventors: А.М. Хидиятов; Н.Я. Бутаков
Original assignee: Акционерное общество "Уральский теплотехнический научно-исследовательский институт"
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: fuel combustion systems. SUBSTANCE: precombustion chamber has coaxial gasification chamber with tangential outlet nozzles having an annular passage at its outlet. The gasification chamber has inlet and outlet ends. Positioned around the gasification chamber in the zone of inlet end is an annular mixer connected to gasification chamber by way of outlet tangential nozzles and annular passages. EFFECT: enhanced efficiency of combustion. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах, сжигающих в качестве топлива водоугольные суспензии (ВУС). The invention relates to energy and can be used on boilers burning water-coal slurries (WCS) as fuel.

Известны циклонные топки для сжигания твердого измельченного топлива, отходов производства, приведенные в источниках информации [1] , [2] , содержащие цилиндрическую камеру сгорания с торцовым выходным соплом и расположенной по оси камеры у противоположного торца горелкой, а также кольцевой смеситель, выполненный в виде венца лопаток завихрителя с установленными между его лопатками наклонных топливных патрубков, и кольцевой выходной канал, подключенный к камере сгорания. Known cyclone furnaces for burning solid crushed fuel, production waste, given in the information sources [1], [2], containing a cylindrical combustion chamber with an end outlet nozzle and a burner located along the axis of the chamber at the opposite end of the chamber, and also an annular mixer made in the form the rim of the blades of the swirl with installed between its blades inclined fuel pipes, and an annular output channel connected to the combustion chamber.

Для водоугольных топлив невозможно получить эффективные сжигания в известных циклонных топках в связи с тем, что топливо сильно забалластировано водой. Например, при концентрации ВУС - 62% влажность составляет 38% или на 1 т в час ВУС необходимо испарить 0,38 м³ в час воды, на это надо затратить 228

, при этом температура в камере сгорания понижается на 140-160^оС, теплонапряженность камеры сгорания снижается на 24% . Это является общим недостатком известных циклонных топок.For coal-water fuels, it is impossible to obtain efficient combustion in known cyclone furnaces due to the fact that the fuel is heavily ballasted with water. For example, when the concentration of WCS is 62%, the humidity is 38%, or 1 ton per hour of WCS, it is necessary to evaporate 0.38 m ³ per hour of water, it takes 228

while the temperature in the combustion chamber is reduced by 140-160 ^about C, the heat intensity of the combustion chamber is reduced by 24%. This is a common disadvantage of the known cyclone furnaces.

В качестве прототипа выбрана циклонная топка [3] , содержащая соединенные пережимом горизонтальные камеры горения и дожигания, снабженные соплами для подвода воздуха. As a prototype, a cyclone furnace [3] was selected, containing horizontal combustion and afterburning chambers connected by clamping and equipped with nozzles for supplying air.

Недостатком известной циклонной топки является невозможность сжигания водоугольного топлива с заметным сокращением вредных выбросов и интенсификации процесса горения. Она конструктивно не позволяет обеспечить эти условия. A disadvantage of the known cyclone furnace is the inability to burn water-coal fuel with a noticeable reduction in harmful emissions and the intensification of the combustion process. It constructively does not allow to provide these conditions.

Цель изобретения - повышение эффективности сжигания водоугольного топлива и сокращение вредных выбросов. The purpose of the invention is to increase the efficiency of burning coal-water fuel and reduce harmful emissions.

Цель достигается тем, что дополнительно установлена газификационная камера, соединенная с камерой горения циклонного предтопка свободным торцом, у противоположного торца ее по оси расположена горелка с форсункой ВУС, а вблизи ее по ходу потока размещен кольцевой смеситель инертных горячих газов, подключенный к газификационной камере при помощи тангенциальных сопл и кольцевого канала, причем соотношение диаметров сечения газификационной камеры к камере горения равно 0,4-0,6, а соотношение длины газификационной камеры к ее диаметру равно 1,1-1,8. Инертные горючие газы и водоугольное топливо, поступившие в газификационную камеру, создают условия для низкотемпературного их смешения при отсутствии окислителя, что способствует интенсивной подсушке водоугольного топлива и его предварительной газификации с выделением летучих. Подготовленное таким образом топливо с высокими реакционными свойствами поступает в камеру горения, перемешивается с поступившим сюда воздухом, активно воспламеняется и устойчиво сгорает с недостатком кислорода (по отношению к стехиометрии) с минимальным образованием окислов азота. Нагретые газы до температуры ≈ 1500^оС в камере горения через ее выходное отверстие в торце поступают в камеру дожигания, перемешиваются с поступившим в нее воздухом, и происходит дожигание крупных конгломератов коксовых остатков топливных частиц с небольшим избытком воздуха α₁ = 1,0-1,07. Отходящие газы с температурой 1450^оС через выходное сопло в торце камеры дожигания поступают в топку котла, где отдают тепло рабочей среде, дополнительно очищаясь от вредных выбросов. Таким образом, в заявленном циклонном предтопке котла благодаря предварительной сушке и газификации топлива в инертной среде газификационной камеры и ступенчатом подводе воздуха в камеры горения и дожигания достигается повышение эффективности горения и снижение уровня образующихся окислов азота и других вредных выбросов.The goal is achieved by the additional installation of a gasification chamber connected to the combustion chamber of the cyclone pre-combustion chamber with a free end, a burner with a CCC nozzle located along its axis along the axis of the combustion chamber, and an inert hot gas annular mixer connected to the gasification chamber by tangential nozzles and an annular channel, and the ratio of the diameters of the cross section of the gasification chamber to the combustion chamber is 0.4-0.6, and the ratio of the length of the gasification chamber to its diameter is 1.1-1.8. Inert combustible gases and coal-water fuel that entered the gasification chamber create conditions for their low-temperature mixing in the absence of an oxidizing agent, which contributes to the intensive drying of coal-water fuel and its preliminary gasification with the release of volatile ones. Fuel thus prepared with high reaction properties enters the combustion chamber, mixes with the air received here, actively ignites and burns stably with a lack of oxygen (with respect to stoichiometry) with minimal formation of nitrogen oxides. Heated gases to a temperature of ≈ 1500 ^о С in the combustion chamber through its outlet in the end enter the afterburning chamber, mix with the air entering it, and large conglomerates of coke residues of fuel particles with a small excess of air afterburning α ₁ = 1.0-1 , 07. The exhaust gases with a temperature of 1450 ^{° C} through an outlet nozzle in the end of the afterburning chamber fed into the boiler furnace where heat is given to a working environment, further purified from harmful emissions. Thus, in the claimed cyclone pre-furnace of the boiler, due to preliminary drying and gasification of fuel in an inert atmosphere of the gasification chamber and stepwise supply of air to the combustion and afterburning chambers, an increase in combustion efficiency and a decrease in the level of formed nitrogen oxides and other harmful emissions are achieved.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленный циклонный предтопок котла отличается наличием дополнительной газификационной камеры, соединенной с камерой горения свободным торцом, в противоположном торце ее по оси расположена горелка с форсункой ВУС и вблизи ее по ходу потока размещен кольцевой смеситель инертных горячих газов, подключенный при помощи тангенциальных сопл и кольцевого канала к газификационной камере, причем соотношение диаметров сечений газификационной камеры к камере горения (

) равно 0,4-0,6, а отношение длины газификационной камеры l_ц к ее диаметру D₁ равно 1,1-1,8.Comparative analysis with the prototype shows that the claimed cyclone pre-furnace of the boiler is distinguished by the presence of an additional gasification chamber connected to the combustion chamber with a free end, a burner with a CCC nozzle is located along its axis along the axis, and an inert hot gas ring mixer is installed near it along the flow using tangential nozzles and an annular channel to the gasification chamber, and the ratio of the diameters of the cross sections of the gasification chamber to the combustion chamber (

) is 0.4-0.6, and the ratio of the length of the gasification chamber l _c to its diameter D ₁ is 1.1-1.8.

Таким образом, заявленный циклонный предтопок котла соответствует критерию изобретения "новизна". Наличие в заявляемом циклонном предтопке котла отличительных признаков - дополнительной газификационной камеры с подводом к ней инертных горячих газов и водоугольного топлива, выполнение камер (газификации и горения) с увеличением сечения по ходу потока, которые отсутствуют у прототипа и в других известных циклонных топках, позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия". Thus, the claimed cyclone pre-furnace boiler meets the criteria of the invention of "novelty." The presence of the distinctive features in the inventive cyclone boiler furnace of the boiler — an additional gasification chamber with inert hot gases and water-coal fuel supplied to it, execution of chambers (gasification and combustion) with an increase in cross-section along the flow, which are absent in the prototype and in other known cyclone furnaces, allows conclusion on compliance with the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 приведен циклонный предтопок котла; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1. In FIG. 1 shows the cyclone pre-furnace boiler; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1.

Циклонный предтопок котла содержит горизонтальную цилиндрическую газификационную камеру 1, корпус 2, обмуровку 3, горелку 4 с форсункой, открытый выходной торец 5 газификационной камеры 1, кольцевой смеситель 6, выполненный в виде тора, тангенциальные патрубки 7 для подачи инертных горячих газов в кольцевой смеситель 6 из топки котла, тангенциальные патрубки 8 для подачи инертных горячих газов из конвективной части котла, тангенциальные сопла 9 для вывода смеси инертных горячих газов из кольцевого смесителя 6, тангенциальные патрубки 10 для эжекции смеси инертных горячих газов из кольцевого смесителя инертным горячим газом, поступившим в патрубки 10 из конвективной части котла, кольцевой канал 11 для ввода смеси инертных горячих газов в газификационную камеру 1, тангенциальные сопла 12 для ввода растопочного топлива в кольцевой смеситель 6, патрубки 13 для подачи сжатого воздуха, необходимого для распыления растопочного топлива и образования рабочей смеси в кольцевом смесителе 6, патрубки 14 для подачи водяного пара, клапан продувки 15, камеру горения 16 с выходным торцом 17, пережимом 18 и каналами 19 для тангенциальной подачи воздуха, камеру дожигания 20 с пережимом 21 и каналами 22 для тангенциальной подачи воздуха, выходное сопло 23. The cyclone boiler pre-furnace contains a horizontal cylindrical gasification chamber 1, a housing 2, a lining 3, a burner 4 with a nozzle, an open outlet end 5 of the gasification chamber 1, an annular mixer 6 made in the form of a torus, tangential nozzles 7 for supplying inert hot gases to the annular mixer 6 from the boiler furnace, tangential nozzles 8 for supplying inert hot gases from the convective part of the boiler, tangential nozzles 9 for removing a mixture of inert hot gases from the ring mixer 6, tangential nozzles 10 for section of the inert hot gas mixture from the annular mixer with the inert hot gas supplied to the nozzles 10 from the convection part of the boiler, the annular channel 11 for introducing the inert hot gas mixture into the gasification chamber 1, tangential nozzles 12 for introducing the kindling fuel into the annular mixer 6, nozzles 13 for supply of compressed air necessary for spraying the kindling fuel and the formation of a working mixture in the ring mixer 6, nozzles 14 for supplying water vapor, a purge valve 15, a combustion chamber 16 with an output end 17, pinch 18 and channels 19 for tangential air supply, afterburning chamber 20 with pinch 21 and channels 22 for tangential air supply, output nozzle 23.

Циклонный предпоток котла работает следующим образом. The cyclone preflow of the boiler operates as follows.

Первоначально (в период запуска циклонного предтопка котла) в газификационную камеру 1 поступает растопочное топливо в виде аэросмеси по соплам 9 из кольцевого смесителя 6, а в камеры горения 16 и дожигания 20 поступает нагретый воздух по каналам 19 и 22. Растопочное топливо сгорает в циклонном предтопке котла, создавая температуру в нем 850-900^оС. Убедившись в устойчивом горения растопочного топлива, в циклонном подтопке, через форсунку горения 4 подают водоугольное топливо, которое поступает в виде распыленных капель размером до 250 мкм в газификационную камеру 1 циклонного предтопка. Через тангенциальные каналы 19, 22 продолжает поступать нагретый воздух. Водоугольное топливо воспламеняется и загорается. После наличия устойчивого горения водоугольного топлива подача растопочного топлива в газификационную камеру 1 прекращается. Из кольцевого смесителя 6 в газификационную камеру 1 подается смесь инертного горячего газа по тангенциальным соплам 9 и кольцевому каналу 11. Подача смеси инертных горячих газов из кольцевого смесителя 6 интенсифицируется за счет подачи инертных газов после котла через патрубок 10 под более высоким давлением, чем давление в кольцевом смесителе. Инертный горячий газ в кольцевой смеситель 6 поступает одновременно из топки котла через патрубок 7 и после котла через патрубок 8.Initially (during the start-up of the cyclone boiler pre-heating), the heating gas in the form of an aerosol is delivered to the gasification chamber 1 through nozzles 9 from the ring mixer 6, and heated air enters the combustion chambers 16 and afterburning 20 through the channels 19 and 22. The combustion fuel is burned in the cyclone pre-heating boiler, creating in it the temperature of 850-900 ^C. after confirming the stable burning starting fuel in a cyclone podtopke through nozzle 4 fed combustion hydrocarbon fuel which is supplied in the form of atomized droplets of up to 250 microns in gazifik chamber 1 of a cyclone pre-furnace. Heated air continues to flow through the tangential channels 19, 22. Hydrocarbon fuel ignites and ignites. After the presence of stable combustion of coal-water fuel, the supply of ignition fuel to the gasification chamber 1 is stopped. An inert hot gas mixture is supplied from the ring mixer 6 to the gasification chamber 1 through the tangential nozzles 9 and the annular channel 11. The inert hot gas mixture from the ring mixer 6 is intensified by supplying inert gases after the boiler through the pipe 10 under a higher pressure than the pressure in ring mixer. Inert hot gas in the ring mixer 6 enters simultaneously from the furnace of the boiler through the pipe 7 and after the boiler through the pipe 8.

Использование кольцевого щелевого ввода смеси инертного горячего газа и центральная подача водоугольного топлива в распыленном виде позволяют наиболее эффективно перемешивать их в газификационной камере 1, при этом водоугольное топливо обезвоживается и газифицируется без доступа кислорода в основном за счет тепла в виде излучения, поступающего из камеры горения через свободный торец 5. Из газификационной камеры 1 летучие газы и частицы топлива попадают в камеру 16 горения, воспламеняются и сгорают. Более крупные частицы из-за наличия пережима 18 не могут сразу покинуть камеру горения и, уменьшаясь до определенного размера, газовым потоком выносятся через выходное отверстие 17 в камеру 20 дожигания коксовых остатков топлива. Отходящие газы с температурой ≈ 1450^оС через выходное сопло 23 в торце камеры дожигания поступают в топку котла, где отдают тепло рабочей среде.The use of a ring slit inlet of a mixture of inert hot gas and a central supply of water-coal fuel in atomized form make it possible to mix them most effectively in gasification chamber 1, while water-carbon fuel is dehydrated and gasified without oxygen, mainly due to heat in the form of radiation coming from the combustion chamber through free end 5. From the gasification chamber 1, volatile gases and fuel particles enter the combustion chamber 16, ignite and burn. Larger particles, due to the presence of pinch 18, cannot immediately leave the combustion chamber and, decreasing to a certain size, are carried out by the gas stream through the outlet 17 into the chamber 20 for afterburning coke residues of fuel. The exhaust gases with a temperature of ≈ 1450 ^{° C} through the outlet nozzle 23 in the end of post-combustion chamber arrive in the boiler furnace where heat is given to a working environment.

Продувку кольцевого смесителя 6 осуществляют сжатым воздухом через патрубок 13, либо паром через патрубок 14 при открытом клапане продувки 15. The ring mixer 6 is purged with compressed air through the nozzle 13, or by steam through the nozzle 14 with the purge valve 15 open.

Организация сжигания водоугольного топлива с включением камеры, в которой происходит полная газификация топлива благодаря поступлению смеси горячих отходящих газов из топки котла и за котлом, камеры горения и камеры дожигания, обеспечивающие ступенчатый подвод воздуха в камере горения с недостатком кислорода (по отношению к стехиометрии), в камере дожигания с небольшим избытком воздуха α_т= 1,05-1,07 ведет к уменьшению концентрации вредных выбросов оксидов азота (NO_х) на 30-40% и потерь топлива с механическим недожигом после котла.Organization of combustion of coal-water fuel with the inclusion of a chamber in which complete gasification of fuel occurs due to the mixture of hot exhaust gases from the boiler furnace and behind the boiler, the combustion chamber and the afterburner, providing a step-by-step air supply in the combustion chamber with oxygen deficiency (in relation to stoichiometry), in the afterburner with a slight excess of air α _t = 1.05-1.07 leads to a decrease in the concentration of harmful emissions of nitrogen oxides (NO _x ) by 30-40% and fuel losses with mechanical underburning after the boiler.

Это характеризует экономичность циклонного предтопка котла, сжигающего водоугольное топливо. This characterizes the efficiency of the cyclone pre-heating boiler, which burns coal-water fuel.

Соотношение диаметров сечения газификационной камеры к камере горения

= 0,4÷0,6 и соотношение длины газификационной камеры и ее диаметра

= 1,1÷1,8 выбирается из следующих условий.The ratio of the diameters of the cross section of the gasification chamber to the combustion chamber

= 0.4 ÷ 0.6 and the ratio of the length of the gasification chamber and its diameter

= 1.1 ÷ 1.8 is selected from the following conditions.

а) Известно, что диаметр цилиндрической камеры горения равен 2,7 м для циклонных предтопок большой мощности, тогда диаметр газификационной камеры определяется по формуле
D₁ = D

= 2,7·0,4 = 1,08 м, где

= 0,4 - принято из условия расходной скорости потока в газификационной камере и поступления тепла в нее в виде излучения из камеры горения;
D₂ = 2,7 м - диаметр камеры горения. Длина газификационной камеры определяется по формуле
l_ц = Са˙τ = 3˙0,4 = 1,2 м, где С_а = 3 м/с - расходная осевая скорость потока к газификационной камере; τ = 0,4 с - время, необходимое для нагревания капли размером до 250 мкм, испарение влаги и выхода летучих газов. Соотношение

=

= 1,1. Отсюда следует, соотношения

= 0,4,

= 1,1 соответствуют циклонным предтопкам большой мощности.a) It is known that the diameter of the cylindrical combustion chamber is 2.7 m for cyclonic pre-furnaces of high power, then the diameter of the gasification chamber is determined by the formula
D ₁ = D

= 2.7 · 0.4 = 1.08 m, where

= 0.4 - taken from the condition of the flow rate of the flow in the gasification chamber and heat input into it in the form of radiation from the combustion chamber;
D ₂ = 2.7 m is the diameter of the combustion chamber. The length of the gasification chamber is determined by the formula
_q = l Sa˙τ = 3˙0,4 = 1,2 m, where C _a = 3 m / s - expenditure axial flow rate to the gasification chamber; τ = 0.4 s is the time required to heat a droplet up to 250 microns in size, evaporation of moisture and the exit of volatile gases. Ratio

=

= 1,1. It follows that the relations

= 0.4,

= 1,1 correspond to cyclonic pre-furnaces of high power.

б) Известно, что диаметр цилиндрической камеры горения равен 1,1 м для циклонных предтопков малой мощности, тогда диаметр газификационной камеры определяется по формуле
D₁ = D

= 1,1·0,6 = 0,66 м, где

= 0,6 принято из условий, изложенных в пункте а).b) It is known that the diameter of the cylindrical combustion chamber is 1.1 m for low-power cyclone pre-furnaces, then the diameter of the gasification chamber is determined by the formula
D ₁ = D

= 1.1 · 0.6 = 0.66 m, where

= 0.6 is taken from the conditions set forth in paragraph a).

Длина газификационной камеры определяется по формуле
l_ц = С_а ˙ τ = 3 ˙0,4 = 1,2 м.The length of the gasification chamber is determined by the formula
l _c = C _a ˙ τ = 3 ˙ 0.4 = 1.2 m.

Соотношение

=

= 1.8.Ratio

=

= 1.8.

Следовательно, соотношения

= 0,6 ,

= 1,8 соответствуют циклонным предтопкам малой мощности.Therefore, the relations

= 0.6,

= 1.8 correspond to cyclonic pre-furnaces of low power.

Таким образом, меньшие соотношения

,

соответствуют циклонным предтопкам котла большой мощности, а более высокие соотношения - циклонным предтопкам котла малой мощности.Thus, lower ratios

,

correspond to cyclone pre-furnaces of a boiler of high power, and higher ratios correspond to cyclone pre-furnaces of a boiler of low power.

Claims

1. CYCLON BURNER OF THE BOILER for burning slurry fuel, containing clamped horizontal combustion and afterburners, provided with tangential nozzles for supplying air, characterized in that, in order to increase the efficiency of burning fuel, such as water-coal suspension, and reduce harmful emissions by preliminary dehydration, gasification and step-by-step combustion of fuel; the pre-furnace is additionally equipped with a coaxial gasification chamber equipped with tangential nozzles at the exit of which the annular channel is located, the gasification chamber has an inlet and open outlet ends, with the latter of which the said chamber is in communication with the combustion chamber, around the gasification chamber in the area of the inlet end there is an inert hot gas ring mixer connected to the gasification chamber by means of tangential nozzles and an annular channel, in addition, in the inlet end of the gasification chamber, a burner is arranged coaxially with its longitudinal axis.

2. The pre-furnace according to claim 1, characterized in that the ratio of the diameter of the cross section of the gasification chamber and the diameter of the combustion chambers is 0.4 - 0.6, and the ratio of the length of the gasification chamber and its diameter is 1.1 - 1.8.