RU2389948C1

RU2389948C1 - Coal-water fuel combustion device

Info

Publication number: RU2389948C1
Application number: RU2009113840/06A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Алексенко (RU); Сергей Владимирович Алексенко; Игорь Вадимович Кравченко (RU); Игорь Вадимович Кравченко; Антон Игоревич Кравченко (RU); Антон Игоревич Кравченко; Леонид Иванович Мальцев (RU); Леонид Иванович Мальцев; Владимир Евгеньевич Самборский (RU); Владимир Евгеньевич Самборский; Владимир Васильевич Саломатов (RU); Владимир Васильевич Саломатов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ТеплоПром"
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2010-05-20

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: burner device for combustion of coal-water fuel includes lined combustion chamber and cooling chamber shielded with steaming tubes, which are interconnected to each other by means of bypass openings. Also pneumatic atomisers and blast nozzles; at that, combustion chamber having cylindrical shape with horizontal rotation axis and flat edge walls, near the symmetry axes of which there arranged are gas crossover openings, the area of each of which is 0.2 to 0.6 of the area of edge wall of combustion chamber, is arranged inside cooling chamber so that they have common front wall on which there mounted are fuel atomisers performing both separate and combined supply of various types of fuel and primary oxidiser, and common lower wall on which there installed is ash collector made in the form of a hopper, and blast nozzles are installed inside combustion chamber with a tangential supply of oxidiser, and in addition, central heat-resistant insert is installed, the cross dimension of which is 0.2-0.5 of equivalent diametre of combustion chamber.

EFFECT: providing environmental safety, effective combustion of coal-water fuel and improving operating reliability of the furnace.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для сжигания жидкого, в том числе, водоугольного топлива (ВУТ) в различных котельных установках промышленной теплоэнергетики, жилищно-коммунального хозяйства и других теплогенерирующих системах.The invention relates to devices for burning liquid, including water-coal fuel (HLF) in various boiler plants of industrial heat power engineering, housing and communal services and other heat-generating systems.

Известны способы и устройства сжигания жидкого топлива, включая водоугольное топливо, обеспечивающие его распыл и вдув в топку за счет горячего воздуха либо воздуха и горячих дымовых газов, воспламенение и стабилизацию горения с использованием тангенциальной закрутки потоков [Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива. - М.: Изд-во Акад. Горных наук, 2001. - 176 с.]. Указанные устройства имеют тот недостаток, что сочетания отдельных узлов не оптимизированы. В частности, отношение площади поверхностей, отражающих тепло внутри топки, к объему топки, как правило, мало. В результате режим работы котла недостаточно устойчив.Known methods and devices for burning liquid fuel, including water-coal fuel, providing its atomization and blowing into the furnace due to hot air or air and hot flue gases, ignition and stabilization of combustion using tangential swirling flows [Zaydenvarg V.E., Trubetskoy K.N ., Murko V.I., Bad I.Kh. Production and use of coal water fuel. - M .: Publishing house of Acad. Mining Sciences, 2001. - 176 p.]. These devices have the disadvantage that the combinations of individual nodes are not optimized. In particular, the ratio of the area of surfaces reflecting heat inside the furnace to the volume of the furnace is usually small. As a result, the operation mode of the boiler is not stable enough.

Известен также прямоточный котел с циклонной топкой [а.с. СССР №111463 от 1956.09.22, МПК 6 F22B 29/06, F22B 31/00], 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 размещение топки внутри котла уменьшает тепловые потери в окружающее пространство.Also known is a once-through boiler with a cyclone firebox [a.s. USSR No. 111463 dated 1956.09.22, IPC 6 F22B 29/06, F22B 31/00], comprising an outer casing and an inner cylinder of smaller radius, the furnace device of which is located in the annular space between the casing and the inner cylinder. At the same time, boiler boiler pipes are placed on the walls of the boiler body and the inner cylinder. The compact arrangement of the heating surfaces reduces the dimensions of the boiler, and the placement of the furnace inside the boiler reduces heat loss to the surrounding space.

Недостаток устройства заключается в том, что внутри топочного пространства имеет место интенсивный отбор тепла и отражательная эффективность стенок топочного устройства мала. В топках сравнительно небольших размеров не удается организовать надежное поддержание необходимых условий для горения топлива.The disadvantage of this device is that inside the furnace space there is intense heat removal and the reflective efficiency of the walls of the furnace device is small. In fire chambers of relatively small sizes, it is not possible to organize reliable maintenance of the necessary conditions for fuel combustion.

Наиболее близким решением является вихревая топка [патент РФ №2228489 от 2001.08.10, МПК 7 F23C 5/32], содержащая, по крайней мере, одну экранированную вихревую камеру сгорания и одну камеру дожигания, соединенные газоперепускным окном, которое обрамлено направленным в сторону вихревой камеры сгорания аэродинамическим выступом с размером 100-200 мм, отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к ее глубине составляет 2-6, а отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к диаметру газоперепускного окна составляет 1,4-5, при этом эжектор подачи топлива оканчивается диффузором с выходом, расположенным на фронтовой стенке вихревой камеры сгорания на расстоянии не менее 100 мм от пода, наклоненным вниз и ориентированным под корень группы первых сопел дутья, установленных вдоль нижней образующей вихревой камеры сгорания, причем первые сопла дутья направлены вверх под углом 30-45° и ориентированы под корень второй группы сопел дутья, расположенных на задней стенке вихревой камеры сгорания и направленных по касательной к аэродинамическому выступу газоперепускного окна, кроме того, отношение площадей поперечных сечений эжектора подачи топлива и каждой группы сопел дутья равно 1,25-2, а отношение скоростей дутья в них соответственно равно 0,8-0,5, а также газовую горелку. Газовая горелка располагается в вихревой камере сгорания или в камере дожигания и наклонена к поду вихревой камеры сгорания.The closest solution is a vortex furnace [RF patent No. 2228489 from 2001.08.10, IPC 7 F23C 5/32] containing at least one shielded vortex combustion chamber and one afterburner connected by a gas passage, which is framed by a swirl directed towards the combustion chamber with an aerodynamic protrusion with a size of 100-200 mm, the ratio of the transverse size of the vortex combustion chamber to its depth is 2-6, and the ratio of the transverse size of the vortex combustion chamber to the diameter of the gas passage window is 1.4-5, while the ejector the fuel supply ends with a diffuser with an outlet located on the front wall of the vortex combustion chamber at a distance of at least 100 mm from the hearth, tilted down and oriented to the root of the group of the first blast nozzles installed along the lower generatrix of the vortex combustion chamber, with the first blast nozzles pointing upward at an angle 30-45 ° and oriented to the root of the second group of blast nozzles located on the rear wall of the vortex combustion chamber and directed tangentially to the aerodynamic protrusion of the gas transfer window, except for th, the ratio of cross-sectional areas of the ejector fuel and air blast nozzles of each group is equal to 1.25-2, and the ratio of the blast velocity in them is respectively equal to 0,8-0,5, as well as a gas burner. The gas burner is located in the vortex combustion chamber or in the afterburner and is inclined to the bottom of the vortex combustion chamber.

Недостатком указанной конструкции топки при сжигании водоугольного топлива является недостаточно развитая отражающая тепло поверхность камеры сгорания. При случайном изменении свойств топлива (например, уменьшение концентрации угля в ВУТ) или нарушении режима подачи топлива может произойти срыв работы топки.The disadvantage of this design of the furnace when burning water-coal fuel is the underdeveloped heat-reflecting surface of the combustion chamber. In the event of a random change in the properties of the fuel (for example, a decrease in the concentration of coal in the fuel-oil treatment unit) or a violation of the fuel supply regime, the operation of the furnace may fail.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности сжигания ВУТ и увеличение надежности работы топки.The task of the invention is to increase the efficiency of combustion of fuel-efficiency and the reliability of the furnace.

Для достижения поставленной задачи предлагается топочное устройство, содержащее футерованную камеру сгорания и экранированную кипятильными трубами камеру охлаждения, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон, пневматические форсунки для подачи топлива и дутьевые сопла, в котором в целях повышения глубины выгорания, экологической безопасности, экономической эффективности и эксплуатационной надежности камера сгорания, имеющая цилиндрическую форму с горизонтальной осью вращения и плоскими торцевыми стенками, вблизи осей симметрии которых размещены газоперепускные окна, площадь каждого из которых составляет от 0,2 до 0,6 площади торцевой стенки камеры сгорания, а ширина кольца, образованного окном и внешней границей торцевой стенки составляет не менее 0,1 диаметра камеры сгорания, размещена внутри камеры охлаждения, причем так, что они имеют общую фронтальную стенку, на которой смонтированы топливные форсунки, осуществляющие как раздельную, так и совместную подачу ВУТ, других видов топлива и первичного окислителя, и общую нижнюю стенку, на которой установлен золоуловитель, выполненный в форме воронки, а дутьевые сопла установлены внутри камеры сгорания с касательной подачей окислителя и дополнительно внутри камеры сгорания установлена центральная огнеупорная вставка, поперечный размер которой составляет 0,2-0,5 от эквивалентного диаметра камеры сгорания. При этом центральная вставка внутри камеры сгорания имеет арочную форму, а ось форсунки направлена таким образом, что формируемая ею воздушно-топливная струя примыкает по касательной к наружной границе центральной вставки.To achieve this goal, a furnace device is proposed that contains a lined combustion chamber and a cooling chamber shielded by heating pipes, interconnected by means of gas transfer windows, pneumatic nozzles for supplying fuel and blast nozzles, in which, in order to increase the burnup depth, environmental safety, economic efficiency, and operational reliability, a combustion chamber having a cylindrical shape with a horizontal axis of rotation and flat end walls, near the axes of symmetry of which are gas transfer windows, the area of each of which is from 0.2 to 0.6 of the area of the end wall of the combustion chamber, and the width of the ring formed by the window and the outer boundary of the end wall is not less than 0.1 of the diameter of the combustion chamber, cooling, and so that they have a common front wall on which fuel nozzles are mounted, which carry out both separate and joint supply of fuel-grade fuel and other types of fuel and a primary oxidizer, and a common lower wall on which The ash collector is made in the form of a funnel, and the blow nozzles are installed inside the combustion chamber with a tangent feed of the oxidizing agent and, additionally, a central refractory insert is installed inside the combustion chamber, the transverse dimension of which is 0.2-0.5 of the equivalent diameter of the combustion chamber. In this case, the central insert inside the combustion chamber has an arched shape, and the nozzle axis is directed so that the air-fuel jet formed by it adjoins tangentially to the outer boundary of the central insert.

В варианте арочной центральной вставки, с целью повышения обтекаемости, с внешней стороны ее поперечное сечение выполнено в форме многоугольника, например восьмиугольника.In the embodiment of the arched central insert, in order to increase streamlining, its cross section on the outside is made in the form of a polygon, for example an octagon.

Центральная вставка может быть выполнена как в виде монолитного блока, так и в форме пустотелой трубы. В последнем случае труба используется как часть тракта для подачи дутьевого воздуха в камеру сгорания.The central insert can be made in the form of a monolithic block, or in the form of a hollow pipe. In the latter case, the pipe is used as part of the path for supplying blast air to the combustion chamber.

В связи с повышенным содержанием влаги в ВУТ процессы воспламенения частиц угля затягиваются во времени, поэтому только организация вихревого режима течения внутри камеры сгорания позволяет решить поставленные задачи. Предлагаемое устройство обеспечивает максимальную продолжительность по времени нахождения капель топлива в факеле, что гарантирует полноту выгорания ВУТ, а следовательно, экономичность топочного устройства. Факел заполняет весь объем камеры сгорания, благодаря чему температура в камере в высокой степени однородна и, следовательно, максимальные значения температуры в камере могут быть понижены, что приводит к сниженному выходу токсичных газовых выбросов, в частности оксидов азота.Due to the increased moisture content in the fuel-and-chemical assembly, the processes of ignition of coal particles drag out over time, therefore only the organization of the vortex flow regime inside the combustion chamber allows one to solve the problems posed. The proposed device provides the maximum duration of the time spent by the droplets of fuel in the flare, which guarantees the completeness of the burnout of the fuel and oil mixture, and, therefore, the efficiency of the combustion device. The torch fills the entire volume of the combustion chamber, so that the temperature in the chamber is highly uniform and, therefore, the maximum temperature in the chamber can be lowered, which leads to a reduced yield of toxic gas emissions, in particular nitrogen oxides.

На фиг.1 и 2 показаны продольное и поперечное сечения предлагаемого топочного устройства.Figure 1 and 2 shows a longitudinal and transverse section of the proposed furnace device.

Внутри камеры охлаждения 1 топочного устройства установлены кипятильные трубы 2 и камера сгорания 3 с торцевыми стенками 4, имеющими оси симметрии, совпадающие с осью вращения камеры сгорания. В торцевых стенках 4 установлены перепускные окна 5, причем оси симметрии окон 5 могут быть смещены относительно осей симметрии торцевых стенок 4 на такую величину, чтобы ширина кольца, образованного окном и внешним контуром торцевой стенки камеры сгорания нигде не оказалась меньше 0,1 диаметра камеры сгорания 3. Внутри камеры сгорания 3 смонтированы центральная вставка 6, дутьевые сопла 7 и золоуловитель 8. На фронтальной стенке 9 установлены топливные форсунки 10.Inside the cooling chamber 1 of the combustion device, heating pipes 2 and a combustion chamber 3 with end walls 4 having symmetry axes coinciding with the axis of rotation of the combustion chamber are installed. Bypass windows 5 are installed in the end walls 4, and the axis of symmetry of the windows 5 can be shifted relative to the symmetry axes of the end walls 4 by such a value that the width of the ring formed by the window and the outer contour of the end wall of the combustion chamber is nowhere less than 0.1 of the diameter of the combustion chamber 3. Inside the combustion chamber 3, a central insert 6, blast nozzles 7 and an ash collector are mounted 8. Fuel nozzles 10 are installed on the front wall 9.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

При запуске топочного устройства в камеру сгорания через форсунки 10 подают высокореакционное жидкое топливо, например дизельное топливо, через сопла 7 вдувают окислитель и в камере организуется режим горения. За счет тепла, выделяемого при горении топлива, происходит разогрев стенок камеры сгорания и центральной вставки. После разогрева стенок камеры до температуры 400-500°С к дизельному топливу добавляют в малой пропорции водоугольное топливо. 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, когда подача дизельного топлива прекращается полностью. Создаваемая форсункой воздушно-капельная струя, примыкая к стенкам центрального тела за счет эффекта Коанда, 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 5, расположенные на торцевых стенках камеры сгорания 4 вблизи их осей симметрии. Поэтому скорости потока газа практически во всем объеме камеры имеют тангенциальную составляющую и радиальную составляющую, направленную к оси симметрии камеры сгорания. Капля ВУТ (или частица угля), попавшая в такой поток, под действием центробежных сил, обусловленных тангециальными составляющими скорости потока, стремится выбраться на стенку камеры сгорания, но радиальные потоки газа препятствуют такому движению. В результате происходит расслоение потока капель (и частиц угля): наиболее крупные капли выносятся на внешние орбиты, мелкие располагаются ближе к оси камеры. За счет тепла, получаемого от сгорания дизельного топлива на начальном этапе, а затем и угля, а также тепла, переизлучаемого стенками камеры сгорания 3 и центральной вставки 6, происходят нагрев, сушка, воспламенение, а затем интенсивное горение частиц угля. По мере выгорания угля, масса частиц уменьшается, уменьшаются центробежные силы, действующие на эти частицы, 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 ухода газа из камеры сгорания через окна вблизи оси вращения камеры, частицы угля находятся в равномерно прогретой зоне горения достаточно большое время и успевают выгореть полностью.When starting the combustion device, highly reactive liquid fuel, for example diesel fuel, is fed into the combustion chamber through nozzles 10, an oxidizing agent is blown through nozzles 7, and a combustion mode is organized in the chamber. Due to the heat generated during fuel combustion, the walls of the combustion chamber and the central insert are heated. After heating the chamber walls to a temperature of 400-500 ° C, diesel fuel is added in small proportion to coal-water fuel. With a further increase in the temperature inside the combustion chamber, the proportion of diesel fuel in the supplied mixture decreases, and the share of the fuel-injection unit increases until the boiler reaches the calculated operating mode when the supply of diesel fuel is completely stopped. The airborne droplet created by the nozzle, adjacent to the walls of the central body due to the Coanda effect, is twisted in a circular channel into a vortex flow. The blast gas enters the combustion chamber tangentially to its walls and supports the flow swirl inside the chamber. Thus, the gas enters the combustion chamber tangentially to its walls and leaves the chamber through the gas transfer windows 5 located on the end walls of the combustion chamber 4 near their axis of symmetry. Therefore, gas flow rates in almost the entire chamber volume have a tangential component and a radial component directed to the axis of symmetry of the combustion chamber. A drop of VUT (or a particle of coal) falling into such a stream, under the action of centrifugal forces caused by the tangential components of the flow velocity, tends to get to the wall of the combustion chamber, but radial gas flows impede this movement. As a result, a stratification of the flow of droplets (and coal particles) takes place: the largest droplets are carried into outer orbits, the smallest are closer to the axis of the chamber. Due to the heat obtained from the combustion of diesel fuel at the initial stage, and then coal, as well as the heat reradiated by the walls of the combustion chamber 3 and the central insert 6, heating, drying, ignition, and then intense combustion of coal particles occur. As coal burns out, the mass of particles decreases, the centrifugal forces acting on these particles decrease, and the particles move into circular orbits with a smaller radius. In this case, particles with a larger mass are in the combustion zone for a longer time interval and, as a result, all coal particles have time to burn out within the furnace. Thus, due to the presence of a central body, a vortex regime of gas flow and gas leaving the combustion chamber through windows near the axis of rotation of the chamber, the coal particles are in the uniformly heated combustion zone for a rather long time and have time to burn out completely.

Воронка золоуловителя на начальном периоде 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 8.The funnel of the ash collector in the initial period is filled with coarse sand. Ash from the combustion of high-tech fuel is characterized by great windage. Most of the ash generated is carried away with the hot gases through the bypass windows. Large particles of ash are carried out by centrifugal forces on the wall of the housing of the combustion chamber and accumulate in the lower part of the combustion chamber. As the ash accumulates, first the sand, and then the ash, is removed through the lower window of the ash collector funnel 8.

На предприятии ООО «Завод стеновых блоков» (г. Новосибирск) на базе котла КЕ 10-13 по данному предложению создана теплогенерирующая установка, ориентированная на сжигание водоугольного топлива. Испытания показали высокую эффективность и надежность работы устройства. При использовании такой установки существенно уменьшается недожог угля, снижается стоимость 1 Гкал тепла, улучшается экологическая обстановка как внутри котельной, так и за ее пределами.At the enterprise “Wall Block Plant” LLC (Novosibirsk), based on the KE 10-13 boiler, a heat-generating installation focused on the combustion of coal-water fuel was created on this proposal. Tests have shown high efficiency and reliability of the device. When using such a plant, the underburning of coal is significantly reduced, the cost of 1 Gcal of heat is reduced, and the environmental situation both inside the boiler house and outside it is improved.

Claims

1. A combustion device for burning water-coal fuel, comprising a lined combustion chamber and a cooling chamber shielded by heating pipes communicating with each other via bypass windows, as well as pneumatic nozzles and blast nozzles, characterized in that the combustion chamber having a cylindrical shape with a horizontal axis of rotation and flat end walls, near the axis of symmetry of which there are gas transfer windows, the area of each of which is from 0.2 to 0.6 of the area of the end wall of the combustion chamber nation, placed inside the cooling chamber, so that they have a common front wall on which fuel nozzles are mounted, which carry out both separate and joint supply of different types of fuel and the primary oxidizer, and a common lower wall on which an ash collector is installed, made in the shape of a funnel, and blow nozzles are installed inside the combustion chamber with a tangent feed of the oxidizing agent and an additional central refractory insert is installed, the transverse dimension of which is 0.2-0.5 of the equivalent diameter and the combustion chamber.

2. The combustion device for burning water-coal fuel according to claim 1, characterized in that the central insert is made in the form of an arch.

3. The combustion device for burning water-coal fuel according to claim 1, characterized in that the central insert in the cross section has the shape of a polygon, for example an octagon.

4. The combustion device for burning water-coal fuel according to claim 1, characterized in that the central insert is made in the form of a pipe through which a path for supplying blast air to the combustion chamber passes.