RU2132512C1

RU2132512C1 - Vortex combustion chamber

Info

Publication number: RU2132512C1
Application number: RU97106029A
Authority: RU
Inventors: Е.М. Пузырев; В.П. Щуренко
Original assignee: Научно-исследовательский и проектно-конструкторский центр ПО "Бийскэнергомаш"
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 1999-06-27

Abstract

FIELD: low-temperature burning of fuel in furnaces of industrial and power-generating boilers and other thermal plants. SUBSTANCE: vortex combustion chamber 1 formed by baffle walls 2 and/or refractory lining 3 provided with tangential blast nozzles 5 located mainly in the bottom and gas exhaust port 4 in one of end walls; transversal size A of combustion chamber 1 exceeds distance B between its end walls. Chamber 1 is connected to particle circulating loop provided with separating device 9 (made in form of dust-collecting chamber), collecting bin 10, circulating particle feeder 11 and heating surfaces 12. EFFECT: enhanced economical efficiency of low-temperature controllable furnace process at low emission of contaminating agents characterizing operation of circulating fluidized bed boilers. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к организации низкотемпературного сжигания топлива и может использоваться в промышленных и энергетических котлах. The invention relates to the organization of low temperature fuel combustion and can be used in industrial and energy boilers.

Известна камера сгорания (Сидельковский Л.Н. и др. Парогенераторы промышленных предприятий. 1978, рис. 8-21, 8-22), выполненная в виде охлаждаемого циклонного предтопка, образованного изогнутыми экранами и обмуровкой, и имеющая тангенциальные сопла дутья и газовыпускное окно, расположенное на торцевой стенке. A well-known combustion chamber (Sidelkovsky LN and other steam generators of industrial enterprises. 1978, Fig. 8-21, 8-22), made in the form of a cooled cyclone pre-furnace, formed by curved screens and lining, and having tangential blast nozzles and a gas outlet located on the end wall.

Такая камера сгорания обеспечивает полное выгорание топлива, но она не нашла широкого применения, так как в ней используется высокотемпературный топочный процесс с жидким шлакоудалением и, соответственно, с повышенной эмиссией оксидов азота, серы и возгонов минеральной части (золы), опасных для окружающей среды. Such a combustion chamber provides complete fuel burnup, but it has not found wide application, since it uses a high-temperature furnace process with liquid slag removal and, accordingly, with increased emission of nitrogen oxides, sulfur, and sublimates of the mineral part (ash) that are harmful to the environment.

Кроме того, эти камеры сгорания сложны в изготовлении и ремонте. Особенно сложную конструкцию имеет газовыпускное окно, так как при сравнительно малой степени пережима выходящего потока оно должно обеспечить надежное удержание частиц топлива от выноса и поэтому выполняется вогнутым внутрь камеры сгорания. In addition, these combustion chambers are difficult to manufacture and repair. The gas outlet window has a particularly complex design, since with a relatively small degree of pinching of the outgoing stream, it should ensure reliable retention of fuel particles from the outflow and, therefore, are made concave into the combustion chamber.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, выбранным в качестве прототипа является вихревая камера сгорания (авт.св. СССР N 813083), образованная обмуровкой, имеющая тангенциальные сопла дутья и газовыпускное окно, расположенное в одной из торцевых стенок, причем поперечные размеры камеры сгорания превышают расстояние между ее торцевыми стенками. За вихревой камерой сгорания располагается вихревая камера дожигания, также имеющая тангенциальные сопла вторичного дутья. Газовыпускное окно имеет простейшую конструкцию - выполнено в виде отверстия. Of the known technical solutions, the closest in technical essence to the claimed device, selected as a prototype, is a vortex combustion chamber (ed. St. USSR N 813083) formed by a lining, having tangential blast nozzles and a gas outlet located in one of the end walls, and the transverse dimensions of the combustion chamber exceed the distance between its end walls. Behind the vortex combustion chamber, there is a vortex afterburning chamber, also having tangential nozzles of the secondary blast. The gas outlet has the simplest design - made in the form of a hole.

Недостатками прототипа являются:
- вихревая камера сгорания неохлаждаемая и предназначена для сжигания древесных отходов, при использовании качественных топлив или сухих древесных отходов будет иметь место шлакование и пригорание стенок, так как в центре топки существует ядро вихря с высокой температурой;
- низкая экономичность, так как температура топочного процесса не регулируется наиболее экономичным способом - управляемым теплоотводом, а может достигаться, например, подачей избыточного воздуха.The disadvantages of the prototype are:
- the vortex combustion chamber is uncooled and is intended for burning wood waste, when using high-quality fuels or dry wood waste, slagging and burning of the walls will take place, since there is a vortex core with a high temperature in the center of the furnace;
- low efficiency, since the temperature of the combustion process is not regulated in the most economical way - controlled heat sink, but can be achieved, for example, by supplying excess air.

Целью настоящего изобретения является обеспечение низкотемпературного высокоэкономичного регулируемого топочного процесса с эмиссией загрязняющих веществ и повышение эксплуатационной надежности. The aim of the present invention is to provide a low-temperature highly economical controlled combustion process with the emission of pollutants and increase operational reliability.

Поставленная цель достигается тем, что вихревая камера сгорания, образованная экранами и/или обмуровкой, имеющая тангенциальные сопла дутья и газовыпускное окно в одной из торцевых стенок, причем поперечные размеры камеры сгорания превышают расстояние между ее торцевыми стенками, по предлагаемому изобретению она включена в контур циркуляции частиц с сепарационным устройством, накопительным бункером и питателем этих частиц. This goal is achieved in that the vortex combustion chamber formed by screens and / or lining, having tangential blast nozzles and a gas outlet in one of the end walls, the transverse dimensions of the combustion chamber exceeding the distance between its end walls, according to the invention, it is included in the circulation circuit particles with a separation device, storage hopper and feeder of these particles.

Дополнительно контур циркуляции частиц может иметь поверхности нагрева. Additionally, the particle circulation loop may have heating surfaces.

Кроме того, в вихревой камере сгорания в зоне вращения частиц экраны могут быть закрыты износостойким материалом или обмуровкой, а сопла дутья могут располагаться преимущественно внизу и на подъемном участке вихревого потока. In addition, in the vortex combustion chamber in the particle rotation zone, the screens can be covered by wear-resistant material or lining, and the blast nozzles can be located mainly at the bottom and on the lifting section of the vortex flow.

Регулирование топочного процесса осуществляется за счет измерения расхода потока циркулирующих частиц и его охлаждения. Оно влияет на главный определяющий параметр - температуру топочного процесса и обеспечивается благодаря применению контура циркулирующих частиц с сепарационным устройством, накопительным бункером, питателем циркулирующих частиц. The regulation of the combustion process is carried out by measuring the flow rate of the circulating particles and its cooling. It affects the main determining parameter - the temperature of the combustion process and is ensured through the use of a circulating particle circuit with a separation device, a storage hopper, and a circulating particle feeder.

При этом низкотемпературный режим топочного процесса и, соответственно, низкая эмиссия загрязняющих веществ достигаются за счет контролируемого теплоотвода к экранам и дополнительно к поверхностям нагрева, расположенным в контуре циркуляции частиц. In this case, the low-temperature regime of the combustion process and, accordingly, the low emission of pollutants are achieved due to the controlled heat removal to the screens and in addition to the heating surfaces located in the particle circulation loop.

Узкие боковые зоны экранов, где концентрируется поток частиц, без заметного снижения теплосъема могут быть закрыты износостойким материалом или обмуровкой, защищающими камеру сгорания от износа, что повышает ее эксплуатационную надежность. Кроме того, расположение сопел дутья преимущественно внизу и на подъемном участке вихревого потока, т.е. в зоне оседания и выпадения частиц, повышает эффективность удержания частиц и устойчивость вращения двухфазного потока без чрезмерного увеличения скорости дутья и, соответственно, износа вихревой камеры сгорания. The narrow side zones of the screens where the particle flux is concentrated, without a noticeable decrease in heat removal, can be covered by wear-resistant material or lining that protects the combustion chamber from wear, which increases its operational reliability. In addition, the location of the blast nozzles is predominantly below and on the elevation section of the vortex flow, i.e. in the zone of settling and precipitation of particles, increases the efficiency of particle retention and the stability of rotation of the two-phase flow without an excessive increase in the speed of the blast and, accordingly, the wear of the vortex combustion chamber.

На фиг. 1 показано поперечное сечение А - А; на фиг.2 - сечение Б - Б предлагаемой вихревой камеры сгорания. In FIG. 1 shows a cross section A - A; figure 2 - section B - B of the proposed vortex combustion chamber.

Вихревая камера 1 сгорания образована экранами 2 и/или обмуровкой 3, имеет газовыпускное окно 4 и тангенциальные сопла 5 дутья, расположенные преимущественно внизу и на подъемном участке вихревого движения, указанного стрелками 6. В условно выделенной зоне 7 вращения частиц экраны 2 могут быть закрыты слоем 8 износостойкого материала или обмуровки, что повышает надежность работы камеры 1 сгорания. Вихревая камера 1 сгорания подключена к контуру циркуляции частиц, который состоит из сепаратора 9 частиц (в данном случае на фиг.1 показан простейший вариант - пылеосадительная камера 9), накопительного бункера 10, питателя 11 циркулирующих частиц и поверхности нагрева 12. The vortex combustion chamber 1 is formed by shields 2 and / or lining 3, has a gas outlet 4 and tangential blast nozzles 5, located mainly at the bottom and on the lifting section of the vortex movement indicated by arrows 6. In the conditionally allocated zone 7 for the rotation of particles, the screens 2 can be closed with a layer 8 wear-resistant material or lining, which increases the reliability of the combustion chamber 1. The vortex combustion chamber 1 is connected to a particle circulation circuit, which consists of a particle separator 9 (in this case, the simplest option is shown in FIG. 1 - a dust collecting chamber 9), a storage hopper 10, a circulating particle feeder 11 and a heating surface 12.

Особенностью предлагаемой конструкции вихревой камеры 1 сгорания является наличие контура циркуляции частиц, с помощью которого можно регулировать теплосъем, температуру и обеспечить низкотемпературный топочный процесс. A feature of the proposed design of the vortex combustion chamber 1 is the presence of a particle circulation circuit with which it is possible to control the heat removal, temperature and provide a low-temperature combustion process.

Температура в камере 1 сгорания должна быть по крайней мере ниже температуры размягчения золы, иначе ее частицы в зоне 7 начнут слипаться и прилипать к стенкам. Оптимальным по условиям минимальной эмиссии загрязняющих веществ (SO₂, NO_x, CO, CmHn, возгонов золы и др.) согласно опыту применения топок с кипящим и циркулирующим слоем является уровень температур в 800 - 950^oC. Для его поддержания из камеры сгорания необходимо отводить от 60% (на высококалорийных топливах) до 40-10% (на низкоколорийных топливах и горючих отходах) "избыточного тепла", выделяющегося при сгорании топлива. Соответственно при сжигании низкосортных топлив и горючих отходов для организации теплосъема "избыточного тепла" достаточно экранировать одну стенку, а вторая стенка может выполняться из обмуровки 3. Применение обмуровки 3, например, из жаростойкого бетона к тому же упрощает выполнение в этой торцевой стенке газовыпускного окна 4.The temperature in the combustion chamber 1 should be at least lower than the softening temperature of the ash, otherwise its particles in zone 7 will begin to stick together and stick to the walls. According to the experience of using furnaces with a fluidized and circulating layer, the optimum temperature level of 800 - 950 ^o C. is optimal for the conditions of minimal emission of pollutants (SO ₂ , NO _x , CO, CmHn, sublimates of ash, etc.). remove from 60% (on high-calorie fuels) to 40-10% (on low-calorie fuels and combustible waste) "excess heat" generated during the combustion of fuel. Accordingly, when burning low-grade fuels and combustible waste, to organize the heat removal of "excess heat", it is enough to shield one wall, and the second wall can be made of wiring 3. The use of wiring 3, for example, of heat-resistant concrete, also simplifies the execution of a gas outlet window 4 in this end wall .

Вихревая камера 1 является частью топки или котла и, соответственно, оснащается бункером 13 топлива с питателем 14 топлива, дутьевым вентилятором 15 с воздуховодами 16 и другими элементами. Газовыпускным окном 4 она подключается к конвективному газоходу 17 с конвективными поверхностями 18 нагрева. Поверхности 2, 12 и 18 нагрева включаются в соответствующие тракты котла по воде и пару. The swirl chamber 1 is part of the furnace or boiler and, accordingly, is equipped with a fuel hopper 13 with a fuel feeder 14, a blower fan 15 with air ducts 16 and other elements. With the gas outlet window 4, it is connected to the convective gas duct 17 with convective heating surfaces 18. Heating surfaces 2, 12 and 18 are included in the respective boiler paths by water and steam.

Предлагаемая вихревая камера сгорания работает следующим образом. The proposed vortex combustion chamber operates as follows.

За счет подачи дутья через тангенциальные сопла 5 в вихревой камере 1 сгорания, образованной экранами 2 и/или обмуровкой 3, организуется вихревое течение, указанное стрелками 6, и происходит выгорание топлива, вращающегося с потоком газа и частицами золы в узкой периферийной зоне 7. При этом расположение сопел 5 дутья преимущественно внизу и на подъемном участке, т.е. в зоне оседания и выпадения частиц из потока, позволяет повысить эффективность удержания частиц и устойчивость вращения двухфазного потока без чрезмерного увеличения скорости дутья. В совокупности с применением узкого слоя 8 износостойкого материала или обмуровки на экранах 2 в зоне 7 вращения частиц позволяет надежно защитить экраны 2 от износа и повысить надежность работы камеры 1 сгорания. Вращающийся поток продуктов сгорания очищается от частиц и выходит через газовыпускное окно 4 на охлаждение в конвективный газоход 17 с поверхностями 18 нагрева и выносит при этом часть тепла. Остальная часть "избыточного тепла" для обеспечения требуемого или оптимального (800 - 950^oC) уровня температур топочного процесса должна выводиться из камеры 1 сгорания другими способами. Конструкция плоской камеры 1 сгорания, благодаря большой площади боковых стен позволяет все "избыточное тепло" или значительную его часть передать экранам 2. Кроме того, всю или значительную часть "избыточного тепла", причем в контролируемых условиях, можно отвести также и к поверхности 12 нагрева, размещенной в контуре циркуляции частиц. В контур циркуляции поступают из зоны 7 наиболее крупные частицы, которые успевают выпасть при движении их над пылеосадительной камерой 9. Далее эти частицы, контактируя с поверхностью 12 нагрева, отдают ей часть вынесенного из камеры 1 сгорания тепла и задерживаются в накопительном бункере 10. Контроль теплосъема поверхностью 12 нагрева осуществляется питателем 11. Чем больше производительность питателя 11, тем выше расход циркулирующих частиц и, соответственно, больше тепла они выносят из камеры 1 сгорания к поверхности 12 нагрева. Если поверхность 12 нагрева достаточно велика, то она может обеспечить съем всего "избыточного тепла". В этом случае камера 1 сгорания может вообще не иметь экранов 2 и выполняться только из обмуровки 3. С другой стороны, при повышении производительности питателя 11 бункер 10 освобождается, и циркулирующие частицы будут заполнять топку. Соответственно объем и степень черноты в зоне 7 горения частиц увеличивается, и за счет этого возрастет теплоотдача излучением к экрану 2. Таким образом, и при отсутствии в контуре циркуляции частиц поверхности 12 нагрева теплоотвод из камеры 1 сгорания может регулироваться за счет изменения ее заполнения частицами и управляться с помощью питателя 11. Если применять сразу два или несколько контуров циркуляции частиц с размещением в них различных поверхностей 12 нагрева (пароперегревателя, испарителя и экономайзера), то можно обеспечить глубокое регулирование и изотермичность топочного процесса с независимым поддержанием заданных параметров получаемого в котле пара. При работе камеры 1 сгорания топливо непрерывно дозируется из бункера 13 питателем 14. Пропорционально его расходу подается и воздух, который нагнетается вентилятором 15 и распределяется с помощью воздуховодов 16 между соплами 5 дутья.Due to the supply of blast through the tangential nozzle 5 in the vortex combustion chamber 1, formed by the screens 2 and / or lining 3, a vortex flow is organized, indicated by arrows 6, and the fuel burns out, rotating with a gas stream and ash particles in a narrow peripheral zone 7. When this arrangement of the nozzles 5 of the blast mainly at the bottom and on the lifting section, i.e. in the zone of settling and precipitation of particles from the stream, it allows to increase the efficiency of particle retention and the stability of rotation of the two-phase stream without an excessive increase in the speed of the blast. Together with the use of a narrow layer 8 of wear-resistant material or lining on the screens 2 in the particle rotation zone 7, it is possible to reliably protect the screens 2 from wear and increase the reliability of the combustion chamber 1. The rotating flow of combustion products is cleaned of particles and exits through a gas outlet 4 for cooling into a convective duct 17 with heating surfaces 18 and removes some of the heat. The rest of the "excess heat" to ensure the required or optimal (800 - 950 ^o C) temperature levels of the combustion process must be removed from the combustion chamber 1 in other ways. The design of the flat combustion chamber 1, due to the large area of the side walls, allows all of the "excess heat" or a significant part of it to be transferred to the screens 2. In addition, all or a significant part of the "excess heat", and under controlled conditions, can also be transferred to the heating surface 12 placed in the particle circulation loop. The largest particles come from zone 7 into the circulation loop, which have time to fall out when they move above the dust-collecting chamber 9. Then these particles, in contact with the heating surface 12, give it part of the heat removed from the combustion chamber 1 and are retained in the storage hopper 10. Heat removal control the heating surface 12 is provided by the feeder 11. The greater the productivity of the feeder 11, the higher the consumption of circulating particles and, accordingly, the more heat they carry from the combustion chamber 1 to the heating surface 12. If the heating surface 12 is large enough, then it can provide the removal of all the "excess heat". In this case, the combustion chamber 1 may not have screens 2 at all and can only be carried out from the wiring 3. On the other hand, with an increase in the capacity of the feeder 11, the hopper 10 is released and the circulating particles will fill the furnace. Accordingly, the volume and degree of blackness in the combustion zone 7 of the particles increases, and due to this, the heat transfer by radiation to the screen 2 increases. Thus, even if there is no heating surface 12 in the particle circuit, the heat sink from the combustion chamber 1 can be controlled by changing its filling with particles and controlled by feeder 11. If you use two or more particle circuits at once with the placement of different heating surfaces 12 (superheater, evaporator and economizer), then you can ensure the depth some regulation and isothermal furnace process with independent maintenance of predetermined parameters obtained in the steam boiler. During operation of the combustion chamber 1, fuel is continuously dosed from the hopper 13 by the feeder 14. In proportion to its flow rate, air is also supplied, which is pumped by the fan 15 and distributed via air ducts 16 between the blast nozzles 5.

Использование предлагаемой вихревой камеры сгорания по сравнению с прототипом позволяет обеспечивать регулируемый низкотемпературный топочный процесс и понизить эмиссию загрязняющих веществ: оксидов серы, азота, возгонов золы и др. до уровня, характерного для топок с циркулирующим слоем, и повысить эксплуатационную надежность камеры сгорания. Using the proposed vortex combustion chamber in comparison with the prototype allows you to provide an adjustable low-temperature combustion process and to reduce the emission of pollutants: sulfur oxides, nitrogen, sublimates of ash, etc. to the level characteristic of furnaces with a circulating layer, and to increase the operational reliability of the combustion chamber.

Claims

1. A vortex combustion chamber formed by screens and / or lining, containing tangential blast nozzles and a gas outlet in one of the end walls, the transverse dimensions of the combustion chamber exceeding the distance between its end walls, characterized in that it is included in the particle circulation circuit with a separation device, storage hopper and feeder of these particles.

2. The chamber according to claim 1, characterized in that the particle circulation circuit is provided with heating surfaces.

3. The camera according to claim 1, characterized in that the screens in the zone of rotation of the particles are closed by a wear-resistant material or lining.

4. The chamber according to claim 1, characterized in that the tangential nozzles of the blast are located mainly below and on the lifting section of the vortex flow.