RU2406023C1

RU2406023C1 - Swirling-type furnace

Info

Publication number: RU2406023C1
Application number: RU2009134585/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Евгеньевич Майоров (RU); Александр Евгеньевич Майоров; Василий Валентинович Зиновьев (RU); Василий Валентинович Зиновьев; Валерий Николаевич Кочетков (RU); Валерий Николаевич Кочетков; Алексей Иванович Цигельников (RU); Алексей Иванович Цигельников
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Кемеровский научный центр Сибирского отделения РАН (КемНЦ СО РАН)
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2010-12-10

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: swirling-type furnace includes vertical housing that consists of a set of cylindrical shells with increasing diametre for each next stage, ash hopper, recirculation channels between the stages, channels for tangential admission of polydisperse fuel and primary air to the lower part of combustion space, channels for ash removal from the upper stage to ash hopper, exhaust flue. Note that recirculation channels and ash removal channels are formed by annular space between cylindrical shells of different height inserted into each other. Recirculation channels have output to combustion space in rarefaction zone through annular slot between neighboring stages. At that under the lower stage and annular slot there installed is cylindrical stage of larger diametre with confuser in the upper part.

EFFECT: stable recirculation of polydisperse fuel in combustion space improving quality of its combustion and operating efficiency of swirling-type furnace.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к вихревым циклонным топкам с твердым шлакоудалением для сжигания полидисперсного топлива (угли, шламы и т.п.).The invention relates to heat engineering, namely to vortex cyclone furnaces with solid slag removal for burning polydisperse fuel (coal, sludge, etc.).

Известна топка с кипящим слоем (а.с. СССР №1359565, МПК F23С 11/02, опубл. 15.12.1987, бюл. №46), содержащая установленные одна над другой соответственно камеры сгорания и дожигания, первая из которых снабжена завихрителем на выходе, а вторая снабжена наклоненными вниз тангенциальными соплами вторичного воздуха, а также сепаратором частиц со сборным бункером и линией возврата.Known firebox with a fluidized bed (USSR AS No. 1359565, IPC F23C 11/02, publ. 12/15/1987, bull. No. 46), containing installed on top of each other respectively combustion and afterburning chambers, the first of which is equipped with a swirl at the outlet and the second is equipped with downward tangential nozzles of secondary air, as well as a particle separator with a collecting hopper and a return line.

Недостатком данного изобретения является следующее. Процесс рециркуляции в топочном пространстве функционирует только в режиме естественного «перетока» определенного избытка частиц недогоревшего топлива и золы из емкости сборного бункера по линии возврата в камеру сгорания. Также ввод полидисперсного топлива осуществляется непосредственно в область форсированного «кипящего» слоя, а высокая температура и избыток воздуха в начальной стадии процесса термолиза инициируют излишнее образование вредных химических веществ. При сложности конструкции работа подобной топки проходит в узком диапазоне ограничений технологических характеристик, необходимых для рационального соотношения параметров нагнетания окислителя и подачи топлива по различным каналам. Указанное, в свою очередь, приводит как к сложности настройки системы циркуляции полидисперсного топлива, так и снижению стабильности рециркуляции частиц в пределах топочного пространства, снижению качества их дожигания и эффективности работы вихревой топки.The disadvantage of this invention is the following. The recirculation process in the combustion chamber operates only in the natural "overflow" mode of a certain excess of particles of unburned fuel and ash from the capacity of the collecting hopper along the return line to the combustion chamber. Polydisperse fuel is also injected directly into the region of the forced “boiling” layer, and high temperature and excess air in the initial stage of the thermolysis process initiate excessive formation of harmful chemicals. With the complexity of the design, the operation of such a furnace takes place in a narrow range of technological characteristics restrictions necessary for a rational ratio of oxidizer injection parameters and fuel supply through various channels. The above, in turn, leads both to the difficulty of tuning the polydisperse fuel circulation system, and to a decrease in the stability of particles recirculation within the furnace space, to a decrease in the quality of their afterburning and in the efficiency of the vortex furnace.

Известна вихревая топка (патент РФ №2350838, МПК F23C 5/24, опубл. 27.03.2009, бюл. №9), принятая за прототип, включающая вертикальный корпус, состоящий из набора цилиндрических обечаек с увеличивающимся диаметром для каждой вышестоящей ступени, бункер для золы, каналы рециркуляции между ступенями, каналы тангенциального подвода полидисперсного топлива и первичного воздуха в нижнюю область топочного пространства, каналы тангенциального подвода вторичного воздуха в верхнюю область топочного пространства, каналы золоудаления из верхней ступени в бункер для золы, выхлопную трубу.Known vortex furnace (RF patent No. 2350838, IPC F23C 5/24, publ. 03/27/2009, bull. No. 9), adopted for the prototype, comprising a vertical casing consisting of a set of cylindrical shells with an increasing diameter for each higher stage, the hopper for ash, recirculation channels between steps, channels of tangential supply of polydisperse fuel and primary air to the lower region of the furnace space, channels of tangential supply of secondary air to the upper region of the furnace space, ash channels from the upper stage to the bun Ker for ash, exhaust pipe.

Недостатком данного изобретения является следующее. Система золоудаления и рециркуляции выполнена в виде отдельных каналов, при этом отвод частиц топлива и золы осуществляется только из локальных зон с полок ступеней и способствует их накоплению на полках вокруг устья каналов с последующей зашлаковкой. Движение вихревого потока при переходе со ступени меньшего диаметра на ступень большего диаметра сопровождается его срывом с края цилиндрической обечайки под некоторым углом к горизонту с образованием угловой застойной зоны. При этом догорание отсепарированных и зависших на полках ступеней частиц происходит практически в слое, в угловой застойной зоне, с образованием очагов шлакования. Процесс рециркуляции в топочном пространстве функционирует только в режиме естественного гравитационного осаждения частиц недогоревшего топлива и золы по отдельным каналам рециркуляции с полки третьей ступени непосредственно на полку второй и попадает в угловую застойную область ступени. Учитывая, что тангенциальный подвод топлива и воздуха осуществлен в ступень с меньшим диаметром, то при переходе вихревого потока на вышерасположенную ступень большего диаметра происходит снижение окружной скорости, а соответственно и радиального давления в пристенном слое цилиндрической обечайки. При этом в каналах рециркуляции, на выходе перед полкой второй ступени, образуется зона зависания, препятствующая выходу частиц из каналов. При продолжительной работе топки происходит шлакование каналов вплоть до их полного перекрытия, что подтверждают стендовые испытания опытно-промышленной установки. Таким образом, все вышеуказанное приводит к снижению стабильности рециркуляции частиц в пределах топочного пространства, снижению качества их дожигания и эффективности работы вихревой топки.The disadvantage of this invention is the following. The ash removal and recycling system is made in the form of separate channels, while the removal of fuel and ash particles is carried out only from local zones from the shelves of the steps and contributes to their accumulation on the shelves around the mouth of the channels with subsequent slagging. The movement of the vortex flow during the transition from a step of a smaller diameter to a step of a larger diameter is accompanied by its disruption from the edge of the cylindrical shell at a certain angle to the horizon with the formation of an angular stagnant zone. In this case, the burning out of the separated and hanging on the shelves of the steps of particles occurs almost in the layer, in the corner stagnant zone, with the formation of foci of slagging. The recirculation process in the combustion chamber functions only in the natural gravity deposition of particles of unburned fuel and ash through separate recirculation channels from the shelf of the third stage directly to the shelf of the second and gets into the corner stagnant region of the stage. Considering that the tangential supply of fuel and air is carried out in a step with a smaller diameter, then when the vortex flow moves to an upstream step of a larger diameter, the peripheral speed and, consequently, the radial pressure in the wall layer of the cylindrical shell decrease. At the same time, in the recirculation channels, at the outlet in front of the second stage shelf, a freezing zone is formed that prevents particles from leaving the channels. With prolonged operation of the furnace, the channels are slagged up to their complete overlap, which is confirmed by bench tests of a pilot plant. Thus, all of the above leads to a decrease in the stability of the recirculation of particles within the furnace space, to a decrease in the quality of their afterburning and in the efficiency of the vortex furnace.

Задачей заявляемого технического решения является обеспечение стабильной рециркуляции полидисперсного топлива в топочном пространстве, повышающей качество его сгорания и эффективность работы вихревой топки.The objective of the proposed technical solution is to ensure stable recirculation of polydisperse fuel in the furnace space, increasing the quality of its combustion and the efficiency of the vortex furnace.

Указанная задача достигается тем, что в вихревой топке, включающей вертикальный корпус, состоящий из набора цилиндрических обечаек с увеличивающимся диаметром для каждой вышестоящей ступени, бункер для золы, каналы рециркуляции между ступенями, каналы тангенциального подвода полидисперсного топлива и первичного воздуха в нижнюю область топочного пространства, каналы тангенциального подвода вторичного воздуха в верхнюю область топочного пространства, каналы золоудаления из верхней ступени в бункер для золы, выхлопную трубу, каналы рециркуляции и золоудаления образованы кольцевым пространством между вставленными друг в друга цилиндрическими обечайками различной высоты, каналы рециркуляции имеют выход в топочное пространство в зоне разрежения через кольцевую щель между соседними ступенями, при этом под нижней ступенью и кольцевой щелью установлена цилиндрическая ступень большего диаметра с конфузором в верхней части.This task is achieved by the fact that in a vortex furnace, including a vertical casing, consisting of a set of cylindrical shells with an increasing diameter for each higher stage, an ash hopper, recirculation channels between the stages, tangential channels for supplying polydisperse fuel and primary air to the lower region of the furnace space, channels for the tangential supply of secondary air to the upper region of the furnace space, ash removal channels from the upper stage to the ash hopper, exhaust pipe, circulation and ash removal are formed by the annular space between the cylindrical shells of different heights inserted into each other, the recirculation channels have access to the furnace space in the rarefaction zone through the annular gap between adjacent steps, while a larger diameter cylindrical step with a confuser in the upper one is installed under the lower stage and the annular gap parts.

Кроме того, особенность конструкции заключается в том, что внутренний диаметр выпускного отверстия конфузора не больше внутреннего диаметра цилиндрической обечайки нижней ступени.In addition, the design feature is that the inner diameter of the outlet of the confuser is not larger than the inner diameter of the cylindrical shell of the lower stage.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид вихревой топки с траекторией рециркулирующего вихревого потока; на фиг.2 изображено сечение вихревой топки в плоскости каналов тангенциального подвода вторичного воздуха в верхнюю область топочного пространства; на фиг.3 изображен вид снизу вихревой топки; на фиг.4 и 5 изображены проекции схемы вихревой топки с участком траектории полета частицы топлива.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of the vortex furnace with the path of the recirculating vortex stream; figure 2 shows a cross section of a vortex furnace in the plane of the channels of the tangential supply of secondary air into the upper region of the furnace space; figure 3 shows a bottom view of the vortex furnace; Figures 4 and 5 show projections of a vortex furnace circuit with a portion of the path of flight of a fuel particle.

Вихревая топка (фиг.1) включает вертикальный корпус, который состоит из нижней первой ступени 1, второй ступени 2, третьей ступени 3, подготовительной ступени 4 с конфузором 5 в ее верхней части, рубашки 6 для подвода и подогрева вторичного воздуха и охлаждения корпуса, бункера для золы 7, каналов рециркуляции 8 между нижней первой ступенью 1 и второй ступенью 2. При этом каналы рециркуляции 8 имеют выход в топочное пространство в зоне разрежения через кольцевую щель 9 между нижней первой ступенью 1 и ступенью 4. Также вихревая топка состоит из каналов 10 тангенциального подвода полидисперсного топлива и первичного воздуха к ступени 4 в нижнюю область топочного пространства, каналов 11 тангенциального подвода вторичного воздуха, поступающего по рубашке 6 до окон 12 в цилиндрической обечайке второй ступени 2 и тангенциально попадающего в верхнюю область топочного пространства. Также вихревая топка состоит из каналов золоудаления 13, соединяющих третью ступень 3 и бункер для золы 7, выхлопной трубы 14, горелки 15 для розжига.The swirl chamber (Fig. 1) includes a vertical casing, which consists of a lower first stage 1, second stage 2, third stage 3, preparatory stage 4 with a confuser 5 in its upper part, a shirt 6 for supplying and heating secondary air and cooling the housing, a hopper for ash 7, recirculation channels 8 between the lower first stage 1 and the second stage 2. Moreover, the recirculation channels 8 have access to the furnace space in the rarefaction zone through the annular gap 9 between the lower first stage 1 and stage 4. Also, the vortex furnace consists of a channel 10 tangential inlet polydispersed fuel and primary air to the step 4 in the lower region of the combustion chamber, tangential channels 11 for supplying the secondary air supplied through the jacket 6 and openings 12 in the cylindrical shell of the second stage 2 and tangentially enters the upper region of the combustion space. Also, the swirl furnace consists of ash removal channels 13 connecting the third stage 3 and the ash hopper 7, exhaust pipe 14, and burner 15 for ignition.

Вихревая топка работает следующим образом.Vortex furnace works as follows.

В соответствии с регламентом запуска и работы вихревой топки полидисперсное топливо и первичный воздух через каналы 10 тангенциального подвода к подготовительной ступени 4 подают в нижнюю область топочного пространства. Розжиг, а при необходимости и дальнейшую «подсветку» полидисперсного топлива, производят при помощи горелки 15 или плазмотрона. При установившемся режиме работы вихревой топки температура в топочном пространстве должна быть ниже температуры размягчения шлака и золы, иначе их частицы начнут слипаться и прилипать к стенкам. Оптимальным по условиям минимальной эмиссии загрязняющих веществ (SO₂, NO_x, CO, C_mH_n, возгонов золы и др.), согласно известному опыту применения топок с кипящим и циркулирующим слоем, является уровень температур 800-950°С.In accordance with the regulations for starting and operating a vortex furnace, polydisperse fuel and primary air are fed through the channels 10 of the tangential supply to the preparatory stage 4 in the lower region of the furnace space. Ignition, and, if necessary, further "highlighting" of the polydisperse fuel, is carried out using a burner 15 or a plasma torch. With the steady state operation of the vortex furnace, the temperature in the furnace space should be lower than the softening temperature of the slag and ash, otherwise their particles will begin to stick together and stick to the walls. According to the well-known experience in the use of furnaces with a fluidized and circulating layer, the temperature level of 800–950 ° C is optimal according to the conditions of minimal emission of pollutants (SO ₂ , NO _x , CO, C _m H _n , sublimates of ash, etc.).

Учитывая, что конструкция вихревой топки по своей сути представляет вертикальный ступенчатый циклон-сепаратор, тангенциальный ввод полидисперсного топлива и первичного воздуха в нижнюю область топочного пространства способствует образованию вихревого потока с вертикальной осью вращения и интенсивной сепарацией частиц в периферийной части.Given that the design of the vortex furnace is essentially a vertical step cyclone separator, the tangential introduction of polydisperse fuel and primary air into the lower region of the furnace space contributes to the formation of a vortex flow with a vertical axis of rotation and intensive separation of particles in the peripheral part.

При работе вихревой топки в топочном пространстве формируются три переходные зоны: зона воспламенения и газификации, зона восстановления и зона дожигания. Подготовительная ступень 4 вихревой топки работает при относительно низких температурах как газификатор, где происходит первичный разогрев и сушка полидисперсного топлива.During the operation of the vortex furnace, three transition zones are formed in the furnace space: the ignition and gasification zone, the recovery zone, and the afterburning zone. The preparatory stage 4 of the vortex furnace operates at relatively low temperatures as a gasifier, where the primary heating and drying of the polydisperse fuel takes place.

Образовавшиеся при термолизе полидисперсного топлива летучие, частицы кокса и шлака из ступени 4 поднимаются в нижнюю первую ступень 1 в восходящем вихревом потоке, проходя через конфузор 5, где получают дополнительную закрутку. За конфузором 5 формируется зона отрывного течения вихревого потока с кольцевой локальной областью отрицательного давления - зона разрежения.Volatiles formed during the thermolysis of polydisperse fuel, particles of coke and slag from stage 4 rise into the lower first stage 1 in an upward vortex flow, passing through confuser 5, where they get an additional twist. Behind confuser 5, a zone of separated flow of the vortex flow is formed with an annular local region of negative pressure — the rarefaction zone.

Далее указанный вихревой поток поднимается по внутренней пристенной области цилиндрической обечайки нижней первой ступени 1 и при переходе на больший диаметр второй ступени 2 теряет свою кинетическую энергию и снижает окружную скорость движения. Наиболее крупные частицы кокса и шлака, отсепарировавшиеся на стенке второй ступени 2, вдоль нее попадают в каналы рециркуляции 8, где происходит их гравитационное осаждение с выходом в топочное пространство через кольцевую щель 9 между нижней первой ступенью 1 и ступенью 4.Further, the specified vortex flow rises along the inner wall region of the cylindrical shell of the lower first stage 1 and, when switching to a larger diameter of the second stage 2, loses its kinetic energy and reduces the peripheral speed. The largest particles of coke and slag, separated on the wall of the second stage 2, pass along it into the recirculation channels 8, where they are gravitationally deposited with access to the furnace space through an annular gap 9 between the lower first stage 1 and stage 4.

Кольцевая щель 9 расположена непосредственно над конфузором 5 в зоне разряжения, что способствует образованию в каналах рециркуляции 8 дополнительного тока газов и эжекции частиц кокса и шлака через кольцевую щель 9 с их возвратом и рециркуляцией в вихревом потоке между ступенями вихревой топки. При рециркуляции происходит цикличное удержание горящих частиц кокса и шлака в пристенной зоне, их выгорание и измельчение во вращающемся потоке газов до определенного уменьшения размера и веса с образованием золы.The annular gap 9 is located directly above the confuser 5 in the discharge zone, which contributes to the formation of additional gas current in the recirculation channels 8 and the ejection of coke and slag particles through the annular gap 9 with their return and recirculation in the vortex flow between the steps of the vortex furnace. During recirculation, cyclic retention of burning coke and slag particles in the near-wall zone occurs, they burn out and grind in a rotating gas stream until a certain reduction in size and weight with the formation of ash.

Выносимые из зоны рециркуляции мелкодисперсные частицы в вихревом потоке поднимаются в верхнюю область второй ступени 2, где через окна 12 в цилиндрической обечайке тангенциально подается подогретый вторичный воздух из рубашки 6 для их полного дожигания. Каналы 11 тангенциального подвода вторичного воздуха подсоединены к нижней части рубашки 6, по которой он доходит до окон 12, охлаждая цилиндрическую обечайку третьей ступени 3 с отводом избыточного тепла из топочного пространства.Finely dispersed particles carried out from the recirculation zone in the vortex flow rise to the upper region of the second stage 2, where heated secondary air from the jacket 6 is tangentially supplied through the windows 12 in the cylindrical shell to completely burn them out. The channels 11 of the tangential supply of secondary air are connected to the lower part of the jacket 6, through which it reaches the windows 12, cooling the cylindrical shell of the third stage 3 with the removal of excess heat from the furnace space.

Далее выгоревшие мелкодисперсные частицы золы в вихревом потоке поднимаются до третьей ступени 3, где сепарируются на стенке цилиндрической обечайки и отводятся по каналам золоудаления 13 в бункер для золы 7. Очищенные от механических примесей газообразные продукты после полного сгорания выходят через опущенную выхлопную трубу 14 на охлаждение в конвективный газоход с поверхностями нагрева (не показано).Further, the burnt fine particles of ash in the vortex flow rise to the third stage 3, where they are separated on the wall of the cylindrical shell and discharged through ash channels 13 to the ash hopper 7. Gaseous products purified from mechanical impurities after complete combustion exit through the lowered exhaust pipe 14 for cooling to convection duct with heating surfaces (not shown).

После розжига вихревой топки, при установившемся режиме ее работы, в топочном пространстве формируются три переходные зоны: зона воспламенения и газификации, зона восстановления и зона дожигания, что, как известно, является одним из наиболее действенных технологических способов подавления вредных выбросов и повышающих эффективность работы вихревой топки.After igniting the vortex furnace, under the steady state of its operation, three transition zones are formed in the furnace space: the ignition and gasification zone, the recovery zone and the afterburning zone, which, as you know, is one of the most effective technological methods of suppressing harmful emissions and increasing the efficiency of the vortex fireboxes.

Процесс термолиза полидисперсного топлива начинается в вихревом потоке подготовительной ступени, которая работает как газификатор при относительно низких температурах и недостатке кислорода. При этом возможен подогрев первичного воздуха через поверхности нагрева в конвективном газоходе за счет тепла отходящих через выхлопную трубу газообразных продуктов сгорания. В верхней части топочного пространства формируется зона восстановления, где окислы азота восстанавливаются до молекулярного азота. Восстановительной средой являются продукты неполного сгорания части топлива, а также промежуточные нестабильные продукты горения с обрывками реакционных цепей, радикалами, активными центрами.The process of thermolysis of polydisperse fuel begins in the vortex flow of the preparatory stage, which works as a gasifier at relatively low temperatures and a lack of oxygen. In this case, it is possible to heat the primary air through the heating surfaces in the convective gas duct due to the heat of the gaseous products of exhaust leaving the exhaust pipe. In the upper part of the furnace space, a reduction zone is formed where nitrogen oxides are reduced to molecular nitrogen. The recovery medium is products of incomplete combustion of a part of the fuel, as well as intermediate unstable products of combustion with scraps of reaction chains, radicals, and active centers.

Известно [Калишевский Л.Л. и др. Циклонные топки. Под общей редакцией Г.Ф.Кнорре и М.А.Наджарова. М.: Госэнергоиздат. 1958. С. - 216.], что мощным и определяющим источником тепла для начального теплового баланса при сжигании частицы топлива является конвективное тепловосприятие, для чего на первом этапе прогрева «аэродинамическими средствами организуется циркуляционная зона и частица, увлеченная ею, попадает в обратный поток высокотемпературных продуктов полного сгорания, возвращаемых циркуляцией из очага горения. При таких условиях теплосодержание возвращенной части продуктов сгорания идет на удовлетворение нужд начального убыточного баланса частицы, резко интенсифицируя ее наиболее медленные из последовательных стадий газификации и горения: прогрев, испарение влаги и маслянистых веществ и термическое разложение как испаренных углеводородов, так и коксующегося твердого остатка». Очевидно, что важно наличие процесса рециркуляции полидисперсного топлива в топочном пространстве и его стабильность, повышающие качество сгорания и эффективность работы вихревой топки.It is known [Kalishevsky L.L. and other cyclone furnaces. Under the general editorship of G.F. Knorre and M.A. Najarov. M .: Gosenergoizdat. 1958. S. - 216.], that a powerful and determining source of heat for the initial heat balance when burning a fuel particle is convective heat perception, for which, at the first stage of heating, "a circulation zone is organized by aerodynamic means and the particle carried away by it gets into the reverse flow of high-temperature complete combustion products returned by circulation from the combustion zone. Under these conditions, the heat content of the returned part of the combustion products meets the needs of the initial unprofitable balance of the particle, dramatically intensifying its slowest of successive stages of gasification and combustion: heating, evaporation of moisture and oily substances and thermal decomposition of both evaporated hydrocarbons and coking solid residue. " Obviously, the presence of the process of recirculation of polydisperse fuel in the furnace space and its stability, which increase the quality of combustion and the efficiency of the vortex furnace, are important.

Вихревой поток, поднимаясь по внутренней пристенной области обечайки подготовительной ступени и переходя через конфузор на меньший диаметр нижней первой ступени, получает дополнительную закрутку и ускорение, что способствует интенсификации протекающих процессов. Непосредственно за конфузором формируется зона отрывного течения, в которой и расположена кольцевая щель для выхода каналов рециркуляции в топочное пространство. При внутреннем диаметре выпускного отверстия конфузора не больше внутреннего диаметра цилиндрической обечайки нижней первой ступени, перед выходом в кольцевую щель, в нижней части каналов рециркуляции образуется кольцевая локальная область отрицательного давления. Указанное способствует образованию в каналах рециркуляции противотока газов, дополнительно увлекающего гравитационно осаждаемые частицы кокса и шлака к кольцевой щели. Через кольцевую щель происходит эжекция указанных частиц с их возвратом в топочное пространство нижней первой ступени и дальнейшей стабильной рециркуляцией в вихревом потоке между ступенями вихревой топки. При этом рециркулирующий вихревой поток работает как проточный муфель с теплоносителем в виде горящих частиц кокса и шлака при температуре, не превышающей температуру их размягчения. Таким образом, полидисперсное топливо, прошедшее первичную термообработку в подготовительной ступени, при переходе в нижнюю первую ступень вместе с продуктами газификации интенсивно перемешивается с рециркулирующим вихревым потоком теплоносителя, способствующим интенсивному повышению температуры, активизации процессов восстановления и дожигания.The vortex flow, rising along the inner wall region of the shell of the preparatory stage and passing through the confuser to a smaller diameter of the lower first stage, receives an additional twist and acceleration, which contributes to the intensification of the ongoing processes. Directly behind the confuser, a separation flow zone is formed in which an annular gap is located for the recirculation channels to exit into the combustion space. When the inner diameter of the outlet of the confuser is not larger than the inner diameter of the cylindrical shell of the lower first stage, an annular local area of negative pressure is formed in the lower part of the recirculation channels before exiting into the annular gap. The aforementioned contributes to the formation of countercurrent gases in the recirculation channels, which additionally carries away gravitationally precipitated particles of coke and slag to the annular gap. Through the annular gap, these particles are ejected with their return to the furnace space of the lower first stage and further stable recirculation in the vortex flow between the steps of the vortex furnace. In this case, the recirculating vortex stream acts as a flowing muffle with a coolant in the form of burning coke and slag particles at a temperature not exceeding their softening temperature. Thus, the polydisperse fuel that has undergone primary heat treatment in the preparatory stage, when moving to the lower first stage, together with the gasification products is intensively mixed with the recirculating vortex coolant flow, which contributes to an intensive temperature increase, activation of the recovery and afterburning processes.

Каналы рециркуляции и золоудаления образованы кольцевым пространством между вставленными друг в друга цилиндрическими обечайками различной высоты, что значительно увеличивает объем каналов и при наличии рециркулирующего вихревого потока между ступенями предотвращает перекрытие и зашлаковку внутренних поверхностей вихревой топки. Кольцевое пространство каналов рециркуляции не нарушает плавную траекторию движения потока частиц, приходящего от вышерасположенной ступени по пристенной зоне цилиндрической обечайки, тем самым дополнительно способствуя повышению эффективности рециркуляции.The recirculation and ash removal channels are formed by the annular space between the cylindrical shells of different heights inserted into each other, which significantly increases the volume of the channels and, in the presence of a recirculating vortex flow between the steps, prevents overlapping and slagging of the inner surfaces of the vortex furnace. The annular space of the recirculation channels does not violate the smooth trajectory of the particle stream coming from the upstream step along the wall zone of the cylindrical shell, thereby further contributing to an increase in recirculation efficiency.

Конструкция конфузора, установленного в верхней части подготовительной ступени, может быть изготовлена в виде усеченной полусферы, что также создает более плавную траекторию и снижает сопротивление движению вихревого потока воздушно-топливной смеси.The design of the confuser installed in the upper part of the preparatory stage can be made in the form of a truncated hemisphere, which also creates a smoother path and reduces the resistance to the movement of the vortex flow of the air-fuel mixture.

Кольцевая щель между соседними ступенями размером h (Фиг.4 и 5) должна быть меньше величины Н катета ВС, измеренного по вертикали на внутренней поверхности цилиндрической обечайки нижней первой ступени и противолежащего углу вылета частицы топлива α_BAC с поверхности конфузора (точка С - место контакта вылетевшей частицы топлива с внутренней поверхностью цилиндрической обечайки нижней первой ступени). В противном случае, что доказано при исследовании на физической модели вихревой топки, часть частиц при вылете с поверхности конфузора будет попадать в кольцевую щель на противоположной стороне, в противоток рециркулирующего вихревого потока, тем самым снижая эффективность процесса рециркуляции и его стабильность. При этом траектория полета частицы топлива определена углом вылета α_ВАС и углом наклона к горизонту β каналов тангенциального подвода полидисперсного топлива и первичного воздуха в топочное пространство. Тем самым, в зависимости от используемых технологических параметров и характеристик полидисперсного топлива, возможна необходимая коррекция траектории движения полидисперсных частиц топлива с целью обеспечения наиболее стабильного процесса рециркуляции.The annular gap between adjacent steps of size h (Figs. 4 and 5) should be less than the N value of the BC leg, measured vertically on the inner surface of the cylindrical shell of the lower first stage and the opposite angle of emission of the fuel particle α _BAC from the confuser surface (point C is the contact point fuel particles with the inner surface of the cylindrical shell of the lower first stage). Otherwise, as proved by studying on a physical model of a vortex furnace, some of the particles, when leaving the confuser surface, will fall into the annular gap on the opposite side, in countercurrent to the recirculating vortex flow, thereby reducing the efficiency of the recirculation process and its stability. In this case, the flight path of the fuel particle is determined by the angle of departure α _YOU and the angle of inclination to the horizon β of the channels of the tangential supply of polydisperse fuel and primary air into the furnace space. Thus, depending on the technological parameters used and the characteristics of the polydisperse fuel, the necessary correction of the trajectory of the polydisperse fuel particles is possible in order to ensure the most stable recirculation process.

Каналы тангенциального подвода вторичного воздуха в верхнюю область топочного пространства могут быть наклонены как вверх, так и вниз, что определяется в зависимости от необходимого времени нахождения частиц догорающего полидисперсного топлива в зоне восстановления. Наклон вниз способствует образованию противотока в пристенной области второй ступени, что соответственно увеличивает время нахождения частиц в топочном пространстве.The channels of the tangential supply of secondary air to the upper region of the furnace space can be tilted both up and down, which is determined depending on the necessary time spent by the particles of dying polydisperse fuel in the recovery zone. The downward slope promotes the formation of a countercurrent in the near-wall region of the second stage, which accordingly increases the time spent by the particles in the furnace space.

В зависимости от вида сжигаемого полидисперсного топлива возможно изготовление большего количества ступеней вихревой топки, а при образовании крупных частиц шлака и их выпадении из потока возможно изготовление шлакоотводного осевого канала на дне подготовительной ступени.Depending on the type of polydisperse fuel burned, it is possible to produce more stages of a vortex furnace, and when large particles of slag are formed and fall out of the stream, it is possible to produce an axial slag outlet at the bottom of the preparatory stage.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить стабильную рециркуляцию полидисперсного топлива в топочном пространстве, повышающую качество его сгорания и эффективность работы вихревой топки.Thus, the present invention allows for stable recirculation of polydisperse fuel in the furnace space, increasing the quality of its combustion and the efficiency of the vortex furnace.

Claims

1. Vortex furnace, including a vertical casing consisting of a set of cylindrical shells with an increasing diameter for each higher stage, an ash hopper, recirculation channels between the stages, tangential channels for supplying polydisperse fuel and primary air to the lower region of the furnace space, channels for tangential secondary air supply in the upper region of the combustion chamber, ash channels from the upper stage to the ash hopper, an exhaust pipe, characterized in that the recirculation and oudaleniya formed by the annular space between inserted into each other by cylindrical shells of different heights, recycling channels have access to the combustion chamber in the dilution zone through the annular gap between the neighboring stages, while at the lower stage and the annular gap is set cylindrical step larger diameter confuser the top.

2. The vortex furnace according to claim 1, characterized in that the inner diameter of the outlet of the confuser is not larger than the inner diameter of the cylindrical shell of the lower stage.