Топка с реактором форсированного кипящего слоя

Топка с реактором форсированного кипящего слоя относится к области энергетики, и предназначена для использования в промышленных и энергетических котлах для высокоэффективного сжигания дробленых твердых топлив и горючих отходов. Топка оборудована вертикальной топочной камерой, устройством ввода топлива, топочным устройством, являющимся реактором форсированного кипящего слоя, воздушным коробом с патрубками для подвода воздуха, пристыкованным к воздухораспределительной решетке снизу, устройством розжига слоя, устройством вывода шлака, соединенным с объемом кипящего слоя. Топочное устройство снабжено колпачковой воздухораспределительной решеткой, примыкающей к топочной камере снизу. Стены топочной камеры в нижней своей части одновременно являются стенками названного реактора, ограждающими кипящий слой. Площадь воздухораспределительной решетки реактора выполнена меньшей площади горизонтального сечения топочной камеры, под которой реактор расположен. Колпачки воздухораспределительной решетки выполнены из хромистого чугуна. Значительно уменьшается площадь воздухораспределительной решетки и, следовательно, сокращается ее вес, стоимость и затраты на эксплуатацию и ремонт, что приводит к снижению веса, стоимости и затрат на эксплуатацию и ремонт топки в целом. Кроме того, обеспечивается возможность сжигания крупнодробленого топлива и снижение затрат на его измельчение. Значительно повышается долговечность топки вследствие повышения срока службы колпачков воздухораспределительной решетки.

Полезная модель относится к области энергетики, а именно к топкам кипящего слоя, и может быть использована в промышленных и энергетических котлах для высокоэффективного сжигания дробленых твердых топлив и горючих отходов.

Известна топка с реактором форсированного кипящего слоя для парового котла, содержащая вертикальную топочную камеру, топочное устройство, являющееся реактором форсированного кипящего слоя, с колпачковой воздухораспределительной решеткой, примыкающей к топочной камере снизу и предназначенной для равномерного подвода воздуха под слой, устройство ввода топлива, установленное в стене топочной камеры, воздушный короб, пристыкованный к воздухораспределительной решетке снизу, с патрубком для подвода воздуха, устройство розжига слоя, установленное во фронтовой стенке топочной камеры котла над кипящим слоем, устройство вывода шлака со сливной трубой, соединенной с объемом кипящего слоя через отверстие в воздухораспределительной решетке, устройство вывода шлака, стенки реактора, ограждающие кипящий слой по периметру. При этом стены топочной камеры в нижней своей части одновременно являются ограждающими стенками реактора. Площадь Fреш воздухораспределительной решетки реактора выполнена равной площади Fтоп горизонтального сечения топочной камеры, под которой реактор расположен, и составляет 2,89 м, а видимое теплонапряжение решетки - 2,87 МВт/м². Колпачки воздухораспределительной решетки выполнены из конструкционной стали (Баскаков А.П. Котлы и топки с кипящим слоем / А.П. Баскаков, В.В. Мацнев, И.В. Распопов И.В. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - С. 191-195, рис. 5.2).

Недостатками описанной топки с реактором форсированного кипящего слоя для парового котла являются отсутствие эффективной внутритопочной сепарации выносимых из кипящего слоя горючих частиц, что обусловлено выполнением топочной камеры с одинаковой площадью горизонтального сечения по всей высоте и приводит к значительному, от 8 до 20%, недожогу топлива, и невысокая долговечность, обусловленная малым сроком службы колпачков воздухораспределительной решетки, не превышающим одного месяца, так как колпачки решетки подвержены значительному абразивному износу, что связано с их изготовлением из конструкционных сталей, не удовлетворяющих условиям работы колпачков, находящихся в абразивной среде кипящего слоя с температурой до 950°C.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению (прототипом) является топка с реактором форсированного кипящего слоя для парового котла, содержащая вертикальную топочную камеру, устройство ввода топлива, установленное в стене топочной камеры котла над кипящим слоем, топочное устройство, являющееся реактором форсированного кипящего слоя, с колпачковой воздухораспределительной решеткой, примыкающей к топочной камере снизу, воздушный короб, пристыкованный к воздухораспределительной решетке снизу, с патрубками для подвода воздуха, устройство розжига слоя, установленное в патрубке воздушного короба, устройство вывода шлака и устройство возврата уноса. При этом стены топочной камеры в нижней своей части одновременно являются стенками названного реактора, ограждающими кипящий слой. Устройство вывода шлака содержит транспортеры-дозаторы выводимого шлака и сливные трубы, верхним концом соединенные с объемом кипящего слоя через отверстия в воздухораспределительной решетке, а нижним концом соединенные с транспортерами-дозаторами. Площадь Fреш воздухораспределительной решетки реактора выполнена равной площади Fтоп горизонтального сечения топочной камеры, под которой реактор расположен, и составляет 23,6 м², а видимое теплонапряжение решетки - 1,92 МВт/м². Колпачки воздухораспределительной решетки выполнены из конструкционной стали (Радованович М. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое / М. Радованович; перевод с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990 - С. 10, рис. 2.4).

К недостаткам данной топки с реактором форсированного кипящего слоя для парового котла относятся повышенная трудоемкость изготовления вследствие сложности изготовления воздухораспределительной решетки большой площади, составляющей 23,6 м² и равной площади горизонтального сечения топочной камеры, обусловленной ее значительным весом; повышенные затраты на изготовление, эксплуатацию и ремонт топки вследствие повышенных расходов на изготовление, эксплуатацию и ремонт воздухораспределительной решетки; отсутствие эффективной внутритопочной сепарации выносимых из кипящего слоя горючих частиц; отсутствие возможности сжигания в предложенной топке крупнодробленых топлив и обеспечение возможности сжигания только мелкодробленого угля класса не более 5 мм вследствие невысокой скорости ожижения слоя, составляющей 2,74 м/с при указанной большой площади воздухораспределительной решетки, что требует повышенных затрат электроэнергии на дробление; пониженная долговечность топки вследствие малого срока службы колпачков воздухораспределительной решетки из-за интенсивного золового износа указанных элементов, контактирующих с абразивным высокотемпературным материалом кипящего слоя.

Предлагаемой полезной моделью решается задача уменьшения трудоемкости изготовления топки при одновременной организации эффективной внутритопочной сепарации выносимых из кипящего слоя горючих частиц, снижения затрат на эксплуатацию и ремонт топки, обеспечения возможности сжигания крупнодробленого топлива и снижения энергетических затрат на его измельчение, повышения долговечности топки.

Поставленная задача достигается тем, что в топке с реактором форсированного кипящего слоя, содержащей вертикальную топочную камеру, устройство ввода топлива, топочное устройство, являющееся реактором форсированного кипящего слоя, с колпачковой воздухораспределительной решеткой, примыкающей к топочной камере снизу, воздушный короб с патрубками для подвода воздуха, пристыкованный к воздухораспределительной решетке снизу, устройство розжига слоя, устройство вывода шлака, соединенное с объемом кипящего слоя, при этом стены топочной камеры в нижней своей части одновременно являются стенками названного реактора, ограждающими кипящий слой, согласно полезной модели площадь воздухораспределительной решетки реактора выполнена меньшей площади горизонтального сечения топочной камеры, под которой реактор расположен, а колпачки воздухораспределительной решетки выполнены из хромистого чугуна.

Кроме того, топка снабжена соплами вторичного дутья, встроенными в стены топочной камеры.

Уменьшение трудоемкости изготовления топки при одновременной организации эффективной внутритопочной сепарации выносимых из кипящего слоя горючих частиц обусловлено снижением трудоемкости изготовления воздухораспределительной решетки путем понижения ее веса. Снижение веса воздухораспределительной решетки реактора в свою очередь обусловлено ее меньшей площадью по сравнению с площадью горизонтального сечения топочной камеры, под которой он установлен, обеспечивающей возможность выполнения указанной камеры расширяющейся к верху и, таким образом, обеспечивающей организацию эффективной внутритопочной сепарации выносимых из кипящего слоя горючих частиц обратно в реактор и в слой и, в результате, гарантированное хорошее выжигание топлива.

Снижение затрат на изготовление, эксплуатацию и ремонт топки обусловлены уменьшением расходов на изготовление, эксплуатацию и ремонт воздухораспределительной решетки. При этом в случае работы топки с реактором форсированного кипящего слоя в режиме газификации, когда под слой подается лишь часть воздуха, необходимого для полного горения топлива, видимое теплонапряжение решетки может достигать 15-25 МВт/м².

Обеспечение возможности сжигания крупнодробленого топлива и снижения энергетических затрат на его измельчение обусловлены повышением скорости ожижения кипящего слоя, что в свою очередь является следствием уменьшения площади воздухораспределительной решетки. Так, применение реактора форсированного кипящего слоя с меньшей, по сравнению с площадью горизонтального сечения топочной камеры, площадью позволяет поднять скорость ожижения слоя до 5 м/с и более - реальные скорости ожижения форсированного кипящего слоя могут составлять 5-15 м/с -, что дает возможность сжигать крупно дробленые топлива с максимальным куском вплоть до 50 мм и, следовательно, существенно уменьшить затраты на дробление.

Повышение долговечности топки обусловлено повышением срока службы колпачков воздухораспределительной решетки. Так, при рабочих температурах кипящего слоя порядка 800-950°C находящиеся в нем конструктивные элементы подвергаются интенсивному абразивному износу. Поэтому согласно предлагаемой полезной модели колпачки воздухораспределительной решетки изготовлены из износостойкого жаростойкого материала - хромистого чугуна, например ЧХ16, обладающего твердостью 400-450 НВ и температурой применения 800°C, что обеспечивает срок службы колпачков от 25000 до 40000 часов в зависимости от вида сжигаемого топлива.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, на котором схематично изображен общий вид топки с реактором форсированного кипящего слоя.

Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено следующее:

- Fтоп - площадь горизонтального сечения топочной камеры;

- Fреш - площадь воздухораспределительной решетки;

- вертикальной линией со стрелкой, обращенной сверху вниз, показано направление ввода топлива;

- вертикальной штриховой линией со стрелкой, обращенной сверху вниз, показано направление вывода шлака;

- вертикальной линией со стрелкой, обращенной снизу вверх, показано направление ввода растопочного топлива;

- вертикальной штриховой линией со стрелкой, обращенной снизу вверх, показано направление подачи воздуха;

- горизонтальной линией со стрелкой, обращенной слева направо, также показано направление подачи воздуха;

- волнистой линией со стрелкой, обращенной снизу вверх, показано направление выхода топочных газов;

- сплошной наклонной линией со стрелкой, обращенной справа налево, показано направление ввода частиц уноса из устройства возврата уноса;

- сплошной горизонтальной линией со стрелкой, обращенной справа налево, показано направление ввода вторичного воздуха.

Топка с реактором форсированного кипящего слоя содержит вертикальную топочную камеру 1, устройство 2 ввода топлива, установленное в стене 3 топочной камеры 1 над кипящим слоем 4, топочное устройство, являющееся реактором 5 форсированного кипящего слоя, снабженное колпачковой воздухораспределительной решеткой 6, примыкающей к топочной камере 1 снизу, воздушный короб 7 с патрубками 8 и 9 для подвода воздуха, пристыкованный к воздухораспределительной решетке 6 снизу, устройство 10 розжига слоя, устройство 11 вывода шлака, соединенное с объемом кипящего слоя 4, и патрубок 12 ввода горючих частиц в топочную камеру 1 из устройства возврата уноса (на чертеже не показано). Стены 3 топочной камеры 1 в нижней своей части одновременно являются стенками 13 реактора 5 форсированного кипящего слоя, ограждающими кипящий слой 4.

Площадь Fреш воздухораспределительной решетки 6 реактора 5 выполнена меньшей площади Fтоп горизонтального сечения топочной камеры 1, под которой он установлен.

Колпачки 14 воздухораспределительной решетки 6 выполнены из хромистого чугуна.

Патрубки 8 и 9 подключены к вентилятору первичного воздуха, установленному отдельно от топки (на чертеже не показан).

Устройство 2 ввода топлива содержит питатель-дозатор 15 с регулируемой производительностью, соединенный с течкой 16 ввода топлива, установленной в стене 3.

Устройство 10 розжига слоя может быть установлено в патрубке 9 для подвода воздуха и/или в стенке 13 реактора 5 (на чертеже не показано), и/или в стене 3 топочной камеры над кипящим слоем 4 (на чертеже не показано).

Устройства 11 вывода шлака содержат транспортеры-дозаторы 17 выводимого шлака, связанные со сливными трубами 18. Один конец каждой сливной трубы 18 соединен с объемом кипящего слоя 4 через воздухораспределительную решетку 6 и/или через стенку 13 реактора 5, а другой конец каждой сливной трубы 18 подключен к соответствующему транспортеру-дозатору 17.

В стенах топочной камеры 1 могут быть встроены сопла 19 вторичного дутья, подключенные к вентилятору вторичного дутья, установленному отдельно от топки (на чертеже не показан).

Для вывода дымовых газов отдельно от топки установлен дымосос (на чертеже не показан), сообщающийся с объемом топочной камеры 1.

Топка с реактором форсированного кипящего слоя работает следующим образом.

Дробленное топливо подается в топочную камеру 1 над кипящим слоем 4 устройством 2 ввода топлива через его питатель-дозатор 15 с регулируемой производительностью и течку 16 ввода топлива. Попадая в слой 4 топливо подвергается прогреву, сушке, выходу летучих, воспламенению и выгоранию. Рабочие температуры слоя 4, в зависимости от вида сжигаемого топлива, поддерживаются в диапазоне 800-950C°. Указанный уровень температур связан с необходимостью предотвращения спекания золы.

Требуемая температура слоя поддерживается регулированием расхода топлива и расхода воздуха, подаваемого под воздухораспределительную решетку 6 из воздушного короба 7, снабженного патрубками 8 и 9 для подвода воздуха, в которые воздух нагнетается от вентилятора первичного воздуха.

Воздухораспределительная решетка 6 предназначена для обеспечения равномерного прохождения воздуха через кипящий слой 4, чтобы гарантировать хорошее ожижение. Содержащиеся в решетке 6 воздухораспределительные колпачки 14 также способствуют повышению надежности ожижения и, кроме того, препятствуют просыпанию материала слоя 4 в воздушный короб 7.

Предварительно кипящий слой 4 подогревается с помощью устройства 10 розжига до температуры воспламенения топлива, при этом устройство 10 розжига работает на жидком или газообразном растопочном топливе. Затем начинает подаваться рабочее топливо, с постепенным увеличением подачи. Температура слоя 4 начнет возрастать, и скорость сгорания частиц топлива увеличится. Устройство 10 розжига слоя не выключается, пока температура слоя не превысит 700C°. Далее подачу топлива можно увеличивать, не опасаясь накопления коксовых частиц. Расход топлива питателем-дозатором 15 увеличивают, пока не будет достигнута требуемая мощность топки.

Меньшая площадь Fреш воздухораспределительной решетки 6, по сравнению с площадью Fтоп горизонтального сечения топочной камеры 1, обеспечивает более высокие скорости ожижения слоя 4, что вызывает повышенный вынос горючих частиц. Для дожигания вынесенного из слоя 4 горючего материала в топочную камеру 1 через сопла 19 подается вторичный воздух от вентилятора вторичного дутья. Образующиеся топочные газы выводятся из топки дымососом.

Благодаря меньшей площади Fреш воздухораспределительной решетки 6, по сравнению с площадью Fтоп горизонтального сечения топочной камеры 1, в зоне расширения сечения топочной камеры 1 происходит выпадение крупных фракций вынесенных из слоя 4 частиц на наклонные поверхности стен 3 топочной камеры 1 и скатывание их обратно в кипящий слой 4. Описанный механизм внутритопочной сепарации частиц обеспечивает хорошее выжигание топлива.

Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволяет уменьшить вес топки с реактором форсированного кипящего слоя путем сокращения веса воздухораспределительной решетки; понизить затраты на изготовление, эксплуатацию и ремонт топки вследствие уменьшения расходов на изготовление, эксплуатацию и ремонт воздухораспределительной решетки; обеспечить возможность сжигания крупнодробленого топлива и снижение энергетических затрат на его измельчение; повысить долговечность топки вследствие повышения срока службы колпачков воздухораспределительной решетки.

1. Топка с реактором форсированного кипящего слоя, содержащая вертикальную топочную камеру, устройство ввода топлива, топочное устройство, являющееся реактором форсированного кипящего слоя, с колпачковой воздухораспределительной решёткой, примыкающей к топочной камере снизу, воздушный короб с патрубками для подвода воздуха, пристыкованный к воздухораспределительной решётке снизу, устройство розжига слоя, устройство вывода шлака, соединённое с объёмом кипящего слоя, при этом стены топочной камеры в нижней своей части одновременно являются стенками названного реактора, ограждающими кипящий слой, отличающаяся тем, что площадь воздухораспределительной решётки реактора выполнена меньшей площади горизонтального сечения топочной камеры, под которой он расположен, а колпачки воздухораспределительной решётки выполнены из хромистого чугуна.

2. Топка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена соплами вторичного дутья, встроенными в стены топочной камеры.