RU2350838C1

RU2350838C1 - High-temperature cyclone reactor

Info

Publication number: RU2350838C1
Application number: RU2007141671/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Олегович Афанасьев (RU); Юрий Олегович Афанасьев; Павел Трофимович Петрик (RU); Павел Трофимович Петрик; Александр Романович Богомолов (RU); Александр Романович Богомолов; Галина Сергеевна Козлова (RU); Галина Сергеевна Козлова
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-03-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention refers to heat engineering industry, to effective low-grade fuel combustion technology, and namely to plants for complete combustion of fine fuels (coal, wood waste, combustible waster energy, etc.). High-temperature cyclone reactor consists of vertical cylindrical shell comprising at least four compartments of cylindrical separation stages of milled fuel into fractions; at that diameter of each subsequent stage is 1.3-1.5 times bigger than that of preceding stage, and upper stage is connected by ash-removal tubes to slag and ash silo.

EFFECT: increasing low-grade fuel combustion efficiency.

5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники, к технологии эффективного сжигания низкосортных топлив, а именно к установкам для полного сжигания мелкодисперсных топлив (угля, древесных отходов, горючих вторичных энергоресурсов и т.п.).The invention relates to the field of heat engineering, to the technology of efficient combustion of low-grade fuels, and in particular to installations for the complete combustion of finely dispersed fuels (coal, wood waste, combustible secondary energy resources, etc.).

Известно устройство «Вихревая топка» для полного сжигания твердого топлива, преимущественно фрезерного торфа, древесных и растительных отходов (патент РФ №2126932, МПК 6 F 23 B 1/38, опубл. 27.02.1999), (аналог).A device is known "Vortex furnace" for the complete combustion of solid fuels, mainly milled peat, wood and vegetable waste (RF patent No. 2126932, IPC 6 F 23 B 1/38, publ. 02.27.1999), (analogue).

Вихревая топка содержит вертикальную вихревую камеру сгорания с газовыпускным окном, отбойный уступ, тангенциальные сопла, дополнительную решетку или золовыпускное отверстие, причем дно камеры выполнено с уклоном под углом 10-50° к дожигательной решетке, над которой расположено тангенциальное сопло.The vortex furnace contains a vertical vortex combustion chamber with a gas outlet, a baffle, a tangential nozzle, an additional grate or an ash outlet, the bottom of the chamber being sloped at an angle of 10-50 ° to the afterburner, above which there is a tangential nozzle.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной установки, относятся: а) конструкция топки содержит застойные зоны (например, до и после отбойного выступа), в которых скапливается зола с частицами несгоревшего топлива; б) частицы топлива, имеющие разный размер и массу, двигаются по различным траекториям, легкие частицы топлива вместе с мелкой золой уносятся дымовыми газами через газовыпускное окно. Следовательно, снижается экономичность топки и с дымовыми газами уносится повышенное количество золы.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known installation include: a) the design of the furnace contains stagnant zones (for example, before and after the fender protrusion), in which ash is accumulated with particles of unburned fuel; b) fuel particles having different sizes and masses move along different trajectories, light fuel particles together with fine ash are carried away by flue gases through the gas outlet window. Consequently, the efficiency of the furnace is reduced and an increased amount of ash is carried away with flue gases.

Известно также устройство «Циклонная топка» (патент РФ 2105239, МПК 6 F 23 C 3/00, опубл. 20.02.1998), (аналог).Also known device "Cyclone furnace" (RF patent 2105239, IPC 6 F 23 C 3/00, publ. 02.20.1998), (analog).

Циклонная топка содержит, по меньшей мере, две расположенные параллельно вихревые камеры, выполненные с взаимно встречной закруткой и сообщенные между собой посредством пересечения их контуров.The cyclone furnace contains at least two parallel vortex chambers made with a mutually opposite swirl and communicated with each other by crossing their contours.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной установки, относятся: сложность регулирования процесса горения при движении потоков со встречной закруткой. Такое взаимодействие способствует возникновению концентрированных вихрей в центре вихревых камер и повышенному уносу частиц топлива и золы из топки. Такие вредные явления влияют на экономичность топки и на работу котлоагрегата в целом.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known installation include: the difficulty of regulating the combustion process when the flows are moving with oncoming swirl. This interaction contributes to the occurrence of concentrated vortices in the center of the vortex chambers and increased entrainment of fuel particles and ash from the furnace. Such harmful effects affect the efficiency of the furnace and the operation of the boiler as a whole.

Известно также устройство «Низкоэмиссионная вихревая топка» (патент РФ 2067724, МПК 6 F 23 C 5/24, опубл. 10.10.1996), (прототип).Also known device "Low emission vortex furnace" (RF patent 2067724, IPC 6 F 23 C 5/24, publ. 10.10.1996), (prototype).

Вихревая топка содержит вертикальную камеру сгорания, на фронтовой стенке которой установлены по вертикали две горелки для подачи топливно-воздушной смеси. Каждая горелка выполнена в виде двух каналов для подачи топлива и окислителя. Для регулирования соотношения «топливо - воздух» каналы для подачи воздуха снабжены шиберами. Фронтовая и задняя стенки камеры сгорания в своей нижней части наклонены и образуют вместе с боковыми стенками холодную воронку призматической формы со щелевым устьем для ввода нижнего дутья. Горелки по вертикали расположены для образования в камере восстановительной и окислительной зон реакций. Топка снабжена устройством для подачи в канал каждой горелки топливозаданного фракционного состава, выполненным в виде пылеконцентратора с завихрителем потока.The vortex furnace contains a vertical combustion chamber, on the front wall of which two burners are installed vertically for supplying the fuel-air mixture. Each burner is made in the form of two channels for supplying fuel and an oxidizing agent. To regulate the ratio of "fuel - air" channels for air supply are equipped with gates. The front and rear walls of the combustion chamber in their lower part are inclined and form, together with the side walls, a cold prismatic funnel with a slotted mouth for introducing the lower blast. The burners are arranged vertically to form the reduction and oxidation reaction zones in the chamber. The furnace is equipped with a device for feeding into the channel of each burner a fuel-specific fractional composition made in the form of a dust concentrator with a flow swirl.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной установки, относятся: а) применение нижнего дутья обогащает воздухом активную зону горения и соответственно увеличивается образование оксидов азота; б) камера содержит застойную зону - холодную воронку, в которой скапливаются топливо и зола, снижающую экономичность топки.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known installation include: a) the use of lower blast enriches the active combustion zone with air and, accordingly, the formation of nitrogen oxides increases; b) the chamber contains a stagnant zone - a cold funnel in which fuel and ash accumulate, which reduces the efficiency of the furnace.

Задачами изобретения являются повышение качества регулирования топочного процесса и снижение выбросов в атмосферу загрязняющих веществ.The objectives of the invention are to improve the quality of regulation of the combustion process and reduce emissions of pollutants into the atmosphere.

Указанные задачи достигаются тем, что высокотемпературный циклонный реактор (далее реактор) содержит вертикальный корпус, состоящий, по меньшей мере, из четырех секций цилиндрических ступеней, причем диаметр каждой последующей ступени в 1,3-1,5 раза больше диаметра предыдущей ступени, а верхняя ступень соединена трубами золоудаления с бункером для отвода шлака и золы.These tasks are achieved in that the high-temperature cyclone reactor (hereinafter referred to as the reactor) comprises a vertical casing consisting of at least four sections of cylindrical steps, the diameter of each subsequent step being 1.3-1.5 times the diameter of the previous step, and the upper the stage is connected by ash removal pipes to the hopper for the removal of slag and ash.

Указанные задачи достигаются также тем, что диаметр верхней ступени в 1,4-1,5 раза больше диаметра предыдущей ступени.These tasks are also achieved by the fact that the diameter of the upper stage is 1.4-1.5 times larger than the diameter of the previous stage.

Указанные задачи достигаются также тем, что первая ступень содержит кольцевой канал для тангенциальной подачи и перемешивания топлива и окислителя.These tasks are also achieved by the fact that the first stage contains an annular channel for tangential supply and mixing of fuel and oxidizer.

Указанные задачи достигаются также тем, что вторая ступень содержит, по меньшей мере, шесть каналов рециркуляции топлива для подачи его с полок третьей ступени на полки второй ступени.These tasks are also achieved by the fact that the second stage contains at least six fuel recirculation channels for supplying it from the shelves of the third stage to the shelves of the second stage.

Указанные задачи достигаются также тем, что третья ступень содержит в ее верхней части кольцевой канал для тангенциального подвода вторичного подогретого воздухаThese tasks are also achieved by the fact that the third stage contains in its upper part an annular channel for the tangential supply of secondary heated air

Отличительные признаки по сравнению с известными установками для сжигания измельченного твердого топлива.Distinctive features in comparison with the known installations for the combustion of crushed solid fuel.

1. Реактор имеет, по меньшей мере, четыре ступени разделения измельченного топлива на фракции для избирательного сжигания топлива на полках ступеней, которые представляют собой цилиндрические секции, причем диаметр каждой ступени в 1,3-1,5 раза больше, чем диаметр предыдущей ступени, а размер верхней (например, четвертой) ступени больше предыдущей в 1,4-1,5 раза, а также верхняя ступень содержит трубы золоудаления для удаления мелких частиц золы из продуктов сгорания, соединяющие верхнюю ступень с бункером для отвода шлака и золы.1. The reactor has at least four stages of separation of crushed fuel into fractions for selective combustion of fuel on the shelves of the steps, which are cylindrical sections, the diameter of each step being 1.3-1.5 times larger than the diameter of the previous step, and the size of the upper (for example, fourth) stage is 1.4-1.5 times larger than the previous one, and the upper stage also contains ash removal pipes to remove small particles of ash from the combustion products, connecting the upper stage with a hopper for draining slag and ash.

2. Топливо и окислитель тангенциально подаются в нижнюю, первую ступень корпуса реактора через кольцевой канал для перемешивания топлива и окислителя.2. Fuel and oxidizer are tangentially fed into the lower, first stage of the reactor vessel through an annular channel for mixing fuel and oxidizer.

3. Реактор содержит, по меньшей мере, шесть каналов рециркуляции топлива для подачи его с полки третьей ступени на полку второй ступени.3. The reactor contains at least six fuel recirculation channels for supplying it from the third stage shelf to the second stage shelf.

4. Третья ступень реактора содержит в верхней части кольцевой канал тангенциального подвода вторичного подогретого воздуха с заслонками, регулирующими расход и угол закрутки входящего воздуха.4. The third stage of the reactor contains in the upper part of the annular channel of the tangential supply of secondary heated air with flaps that control the flow rate and the swirl angle of the incoming air.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема высокотемпературного циклонного реактора; на фиг.2 - поперечное сечение А-А первой ступени и на фиг.3 - поперечное сечение Б-Б третьей ступени реактора.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a schematic diagram of a high-temperature cyclone reactor; figure 2 is a cross section aa of the first stage and figure 3 is a cross section bb of the third stage of the reactor.

Реактор содержит цилиндрический, четырехступенчатый, вертикальный корпус 1, состоящий из первой ступени 2 с кольцевым каналом 3 перемешивания топлива и окислителя и трубой 4 ввода горелки. Вторая ступень 5 диаметром в 1,3-1,5 раза больше первой содержит каналы рециркуляции топлива 6, а третья ступень 7 диаметром в 1,3-1,5 раза больше второй имеет кольцевой канал 8 для подвода вторичного воздуха с регулирующими заслонками 9. Уменьшение соотношения диаметров ступеней меньше 1,3 приводит к ухудшению эффекта сепарации. Увеличение соотношения диаметров больше 1,5 приводит к слеживанию частиц топлива на полках ступеней. Верхняя (четвертая) ступень 10 диаметром в 1,4-1,5 раза больше третьей имеет выхлопную трубу 11 и соединена трубами золоудаления 12 с бункером 13, который соединен с первой ступенью реактора шлакоотводной трубой 14. Уменьшение соотношения диаметров предыдущей и верхней ступени меньше 1,4 приводит к скатыванию золы в объем реактора, минуя трубы золоудаления. При сжигании низкосортных топлив реактор может содержать и больше четырех ступеней разделения топлива на фракции.The reactor contains a cylindrical, four-stage, vertical casing 1, consisting of a first stage 2 with an annular channel 3 for mixing fuel and oxidizer and a pipe 4 for the input of the burner. The second stage 5 with a diameter of 1.3-1.5 times larger than the first contains fuel recirculation channels 6, and the third stage 7 with a diameter of 1.3-1.5 times larger than the second has an annular channel 8 for supplying secondary air with control flaps 9. Reducing the ratio of the diameters of the steps less than 1.3 leads to a deterioration of the separation effect. An increase in the ratio of diameters greater than 1.5 leads to caking of fuel particles on the shelves of the steps. The upper (fourth) stage 10 with a diameter of 1.4-1.5 times the third has an exhaust pipe 11 and is connected by ash pipes 12 to the hopper 13, which is connected to the first stage of the reactor by a slag pipe 14. The diameter ratio of the previous and upper stage is less than 1 , 4 leads to rolling ash into the reactor volume, bypassing the ash removal pipes. When burning low-grade fuels, the reactor may contain more than four stages of fuel separation into fractions.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Топливо и первичный воздух подают в первую ступень 2 через кольцевой канал 3 перемешивания топлива и окислителя. В кольцевом канале 3 топливо расходом М (кг/ч) смешивается с первичным воздухом расходом V₀₁(м³/ч) и тангенциально поступает в камеру сгорания первой ступени 2 через прямоугольные сопла 3а, 3б, 3в и 3г, как показано на фиг.2. В трубу 4 вставляется горелка или плазмотрон для поддержания процесса горения при начальной стадии разжигания реактора и «подсветки» при работе. Первая ступень 2 реактора работает как газификатор при относительно низких температурах. Благодаря тангенциальному вводу 3а - 3г поток топливно-воздушной смеси приобретает вращательное движение. Цилиндрические секции ступеней образуют между собой полки, причем диаметр каждой ступени в 1,3-1,5 раза больше, чем диаметр предыдущей ступени. Под действием центробежных сил происходит сепарация частиц топлива по размерам и массе на полках ступеней. Уменьшение соотношения диаметров ступеней меньше 1,3 приводит к ухудшению эффекта сепарации. На полке второй ступени 5 происходит горение относительно крупной фракции топлива, которое из потока воздуха отбрасывается на стенку ступени центробежными силами. Увеличение соотношения диаметров больше 1,5 приводит к слеживанию частиц топлива на полках ступеней. Средняя и мелкая фракции топлива, как более легкие, пролетают вторую ступень и отбрасываются на стенки третьей ступени, теряют кинетическую энергию и частично сгорают на полке третьей ступени. Часть топлива с полки третьей ступени через каналы рециркуляции 6 поступает на полку второй ступени. Длительное время пребывания и хорошее перемешивание топлива и окислителя достигается путем организации в реакторе ряда зон рециркуляции топлива в потоке воздуха, основная из которых - центральная - образуется в центре второй 5 и третьей 7 ступеней реактора за счет каналов рециркуляции топлива 6. Газы, средне- и мелкодисперсная фракции сжигаются во второй 5 и третьей 7 ступенях реактора, в центральной рециркуляционной зоне, в условиях недостатка кислорода. При этих условиях в рециркуляционной зоне второй ступени 5 образуются оксиды азота и продукты неполного сгорания топлива (окись углерода). Взаимодействие между окислами азота и углерода в этой зоне заключается в том, что оксид углерода отбирает у оксида азота кислород и восстанавливает его до молекулярного азота. В результате реакции образуются нетоксичные двуокись углерода и молекулярный азот. В верхнюю часть третьей ступени 7 подводится подогретый воздух по кольцевому каналу 8 как добавочный окислитель и для дополнительного подкручивания потока, как показано на фиг.3. Расход V₀₂ (м³/ч) и закрутку вторичного воздуха устанавливают положением регулирующих заслонок 9. Продукты сгорания, содержащие мелкие частицы топлива и золы, поступают в верхнюю (четвертую) ступень 10. Эта ступень выполняет функции камеры сгорания и пылеуловителя, в ней остатки топлива сгорают, а зола удаляется в бункер 13 через трубы золоудаления 12. Уменьшение соотношения диаметров предыдущей и верхней ступеней меньше 1,4 приводит к скатыванию золы в объем реактора, минуя трубы золоудаления. Продукты сгорания поступают в газоходы через выхлопную трубу 11. Тангенциальный подвод через кольцевой канал 8 вторичного подогретого воздуха в третью ступень 7 реактора исключает образование бедных кислородом областей в верхней ступени 10 реактора и позволяет получить устойчивые области рециркуляции топлива для улучшения стабилизации пламени.Fuel and primary air are supplied to the first stage 2 through an annular channel 3 for mixing fuel and oxidizer. In the annular channel 3, fuel with a flow rate of M (kg / h) is mixed with primary air with a flow rate of V ₀₁ (m ³ / h) and tangentially enters the combustion chamber of the first stage 2 through rectangular nozzles 3a, 3b, 3c and 3g, as shown in FIG. 2. A torch or a plasma torch is inserted into the pipe 4 to maintain the combustion process during the initial stage of ignition of the reactor and "backlight" during operation. The first stage 2 of the reactor works as a gasifier at relatively low temperatures. Thanks to the tangential input 3a - 3g, the flow of the air-fuel mixture acquires a rotational motion. The cylindrical sections of the steps form shelves between each other, the diameter of each step being 1.3-1.5 times larger than the diameter of the previous step. Under the action of centrifugal forces, fuel particles are separated by size and weight on the shelves of the steps. Reducing the ratio of the diameters of the steps less than 1.3 leads to a deterioration of the separation effect. On the shelf of the second stage 5, a relatively large fraction of the fuel is combusted, which is discarded from the air stream onto the stage wall by centrifugal forces. An increase in the ratio of diameters greater than 1.5 leads to caking of fuel particles on the shelves of the steps. Medium and small fractions of fuel, as lighter, fly over the second stage and are thrown onto the walls of the third stage, lose kinetic energy and partially burn on the shelf of the third stage. Part of the fuel from the shelf of the third stage through the recirculation channels 6 enters the shelf of the second stage. A long residence time and good mixing of fuel and oxidizing agent is achieved by organizing a number of fuel recirculation zones in the reactor in the air stream, the main of which - the central one - is formed in the center of the second 5 and third 7 stages of the reactor due to the fuel recirculation channels 6. Gases, medium and fine fractions are burned in the second 5 and third 7 stages of the reactor, in the central recirculation zone, in conditions of oxygen deficiency. Under these conditions, nitrogen oxides and products of incomplete combustion of fuel (carbon monoxide) are formed in the recirculation zone of the second stage 5. The interaction between nitrogen and carbon oxides in this zone is that carbon monoxide takes oxygen from nitric oxide and restores it to molecular nitrogen. The reaction produces nontoxic carbon dioxide and molecular nitrogen. Heated air is introduced into the upper part of the third stage 7 through the annular channel 8 as an additional oxidizing agent and for additional twisting of the flow, as shown in Fig. 3. The flow rate V ₀₂ (m ³ / h) and the secondary air swirl are set by the position of the control flaps 9. Combustion products containing small particles of fuel and ash enter the upper (fourth) stage 10. This stage performs the functions of the combustion chamber and dust collector, with residues in it the fuel is burned, and the ash is removed into the hopper 13 through the ash removal pipes 12. A decrease in the ratio of the diameters of the previous and upper stages to less than 1.4 leads to the ash rolling down into the reactor volume, bypassing the ash removal pipes. The combustion products enter the flues through the exhaust pipe 11. The tangential supply through the annular channel 8 of the secondary heated air to the third stage 7 of the reactor eliminates the formation of oxygen-poor areas in the upper stage 10 of the reactor and allows to obtain stable areas of fuel recirculation to improve flame stabilization.

Регулирование отношения расходов первичного и вторичного воздуха, поступающих в первую и третью ступень реактора соответственно, позволяет получить оптимальный режим полного сжигания топлива в реакторе при минимальных выбросах в атмосферу токсичных веществ.Regulation of the ratio of primary and secondary air flows entering the first and third stage of the reactor, respectively, allows to obtain the optimal mode of complete combustion of fuel in the reactor with minimal emissions of toxic substances into the atmosphere.

Заявляемый реактор позволяет достичь высокого качества регулирования топочного процесса при полном сгорании топлива и минимальных выбросах в атмосферу загрязняющих веществ.The inventive reactor allows to achieve high quality regulation of the combustion process with complete combustion of fuel and minimal emissions of pollutants into the atmosphere.

Claims

1. High-temperature cyclone reactor containing a vertical casing, consisting of at least four sections of cylindrical steps, the diameter of each subsequent stage being 1.3-1.5 times larger than the diameter of the previous stage, and the upper stage is connected by ash pipes to the hopper for removal of slag and ash.

2. The high temperature cyclone reactor according to claim 1, characterized in that the diameter of the upper stage is 1.4-1.5 times larger than the diameter of the previous stage.

3. The high temperature cyclone reactor according to claim 1, characterized in that the first stage contains an annular channel for tangential supply and mixing of fuel and oxidizer.

4. The high temperature cyclone reactor according to claim 1, characterized in that the second stage contains at least six channels for recirculating fuel from the shelves of the third stage to the shelves of the second stage.

5. The high-temperature cyclone reactor according to claim 1, characterized in that the third stage contains in its upper part an annular channel for the tangential supply of secondary heated air.