Котел-утилизатор
Котел-утилизатор предназначен для обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов и может быть использован в коксохимической, металлургической, химической и других отраслях промышленности. Котел-утилизатор, содержащий патрубок подвода дымовых газов 1 1, 12 патрубок отвода дымовых газов 2, реактор 3, снабженный циклонными камерами сгорания 4 1, 42, каждая из которых включает горелочное устройство 5 и в которые тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов 11, 1 2 систему утилизации тепла 6, включающую теплообменные поверхности 7 и соединенную с реактором 3 и патрубком отвода дымовых газов 2. Котел-утилизатор снабжен системой обогащения 8 дымовых газов топливом и воздухом 8, которая связана с патрубками подвода дымовых газов 11, 1 2. Реактор 3 снабжен камерой дожига 9, которая связанна с циклонными камерами сгорания 41, 4 2 и образует вместе с ними рабочий объем реактора. Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение высокой степени очистки дымовых газов от примесей, а также увеличение надежности работы котла-утилизатора и эффективности утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов. 12 з.п.ф., 10 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Котел-утилизатор предназначен для обезвреживания и утилизации тепла дымовых газов и может быть использован в коксохимической, металлургической, химической и других отраслях промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен котел-утилизатор, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, включающий горелочное устройство, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности теплообменников (см. авт. свидетельство №1572145, МПК F22В 1/18, опубл. 27.12.95 р.).
Недостатком известного котла-утилизатора является низкая степень очистки дымовых газов, что приводит к налипанию смолистых и углеродистых примесей на теплообменные поверхности теплообменников. Известный котел-утилизатор не позволяет полностью дожечь примеси, содержащиеся в дымовых газах, что снижает эффективность работы теплообменных поверхностей.
Известен котел-утилизатор, выбранный в качестве прототипа, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально примыкает патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов, (см. авт. свидетельство №1188454, МПК F23G 7/06, опубл. 30.10.85 р.). Система утилизации тепла содержит радиационный теплообменник, который примыкает к камере сгорания, а также конвективный теплообменник.
Недостатком известного котла-утилизатора является низкая степень очистки дымовых газов, связанная тем, что радиационный теплообменник примыкает к
камере сгорания, что приводит к резкому падению температуры на выходе из реактора, а также приводит к интенсивному налипанию смолистых и углеродистых примесей на теплообменные поверхности радиационного и конвективного теплообменников. Также недостатком котла-утилизатора является низкая эффективность смешивания горючих компонентов, содержащихся в дымовых газах, с воздухом и топливом, которые подаются через горелочное устройство в реактор, что, в свою очередь, приводит к нестабильному температурному полю и к неполному сгоранию примесей, содержащихся в дымовых газах. Наличие в дымовых газах несгоревших примесей приводит к недостаточной степени обезвреживания дымовых газов, с одной стороны, а, с другой стороны, к загрязнению теплообменных поверхностей радиационного и конвективного теплообменников смолами, углеродистыми частицами, которые образуют отложения на теплообменных поверхностях теплообменников, что приводит к низкой степени утилизации тепла и снижению надежности работы котла-утилизатора.
Интенсивное образование отложений на теплообменных поверхностях приводит к их быстрому загрязнению, что снижает надежность работы котла-утилизатора и эффективность утилизации тепла (КПД) котла-утилизатора.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей настоящей полезной модели является создание котла-утилизатора с высокой степенью очистки дымовых газов от примесей, а также повышение надежности работы котла-утилизатора и эффективности утилизации тепла дымовых газов, отходящих от топливосжигающих агрегатов, например, коксовых печей.
Поставленная задача решается тем, что в известном котле-утилизаторе, содержащем патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов, согласно заявляемой полезной модели, котел-утилизатор снабжен системой обогащения
дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов, реактор дополнительно содержит, по меньшей мере, одну циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерами сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора на выходе из реактора установлена диафрагма, выходное отверстие которого связывает реактор с системой утилизации тепла, при этом площадь выходного отверстия диафрагмы определяется по следующей зависимости:
где:
S1 - площадь выходного отверстия диафрагмы, м2;
S 2 - площадь основания камеры дожига, м2 .
В частном варианте исполнения котла-утилизатора отношение объема камеры дожига к рабочему объему реактора определяется следующей зависимостью:
где:
V1 - объем камеры дожига, м3;
V2 - рабочий объем реактора, м3.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора к каждой циклонной камере сгорания тангенциально примыкает, по меньшей мере, один дополнительный патрубок подвода дымовых газов.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке подвода дымовых газов установлена заслонка.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора камера дожига содержит, по меньшей мере, один выступ, размещенный на внутренней поверхности камеры дожига и имеющий следующие размеры:
где:
а - высота выступа, м;
b - длина выступа, м;
d - диаметр циклонной камеры сгорания, м;
- угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора на выходе из реактора установлена решетка.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора камера дожига и циклонные камеры сгорания выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке отвода дымовых газов установлена дополнительная система утилизации тепла, включающая теплообменные поверхности.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора к патрубку отвода дымовых газов примыкает принудительная система отвода дымовых газов, включающая тягодутьевое устройство.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в патрубке подвода дымовых газов установлена турбулизирующая решетка.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора в циклонной камере сгорания горелочное устройство расположено аксиально.
В частном варианте исполнения котла-утилизатора каждая циклонная камера сгорания оснащена дополнительной диафрагмой, отверстие которой связывает циклонную камеру сгорания с камерой дожига, при этом площадь отверстия определяется следующей зависимостью:
где:
S3 - площадь отверстия, м2;
S4 - площадь основания циклонной камеры сгорания, м2 .
Предложенное техническое решение позволяет повысить степень очистки дымовых газов от примесей, а также надежность котла-утилизатора за счет введения дополнительной системы обогащения дымовых газов топливом и воздухом перед подачей дымовых газов в реактор. Это способствует эффективному смесеобразованию и приводит к интенсификации процесса горения в рабочем объеме реактора, что обеспечивает эффективную очистку дымовых газов от примесей. Оснащение реактора камерой дожига позволяет увеличить время нахождения дымовых газов в рабочем объеме реактора, а также позволяет стабилизировать температурное поле в рабочем объеме реактора, в котором происходит процесс горения и очистка дымовых газов от примесей. Введение в реактор дополнительной циклонной камеры сгорания приводит к образованию в камере дожига встречных вихревых потоков дымовых газов, которые выходят из циклонных камер сгорания, что обеспечивает увеличение эффективности обезвреживания дымовых газов за счет интенсивного перемешивания дымовых газов с топливом и воздухом, а также за счет эффективного дожигания смолистых и углеродистых примесей в рабочем объеме реактора. Это уменьшает загрязнение теплообменных поверхностей системы утилизации тепла смолами, углеродистыми частицами, которые образуют отложения на теплообменных поверхностях, и повышает надежность работы котла-утилизатора и эффективность утилизации тепла, а также снижает «чувствительность» котла-утилизатора к загрязненным дымовым газам, которые имеют значительное содержание смолистых и углеродистых примесей.
ЧЕРТЕЖИ
Заявляемый котел-утилизатор изображен на следующих чертежах:
Фиг.1 - общий вид котла-утилизатора;
Фиг.2 - вид спереди фиг.1;
Фиг.3 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.4 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.5 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.6 - вариант выполнения реактора котла-утилизатора;
Фиг.7 - сечение А-А фиг.2;
Фиг.8 - сечение В-В фиг.2;
Фиг.9 - вариант выполнения котла-утилизатора с двумя циклонными камерами сгорания;
Фиг.10 - вариант выполнения котла-утилизатора с четырьмя циклонными камерами сгорания.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Котел-утилизатор содержит патрубки подвода дымовых газов 11, 1 2 патрубок отвода дымовых газов 2, реактор 3, снабженный циклонными камерами сгорания 41, 4 2, каждая из которых включает аксиально установленное горелочное устройство 5. Котел-утилизатор содержит систему утилизации тепла 6, включающую теплообменные поверхности 7 и соединенную с реактором 3 и патрубком отвода дымовых газов 2.
Котел-утилизатор также снабжен системой обогащения 8 дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубками подвода дымовых газов 11, 12. Реактор 3 снабжен камерой дожига 9, примыкающей к циклонным камерам сгорания 41, 42 и образующей совместно с ними рабочий объем реактора 3. На выходе из реактора 3 установлена диафрагма 10, в которой выполнено выходное отверстие 11, которое связывает реактор 3 с системой утилизации тепла 6 (см. фиг.1, 2).
В нижеприведенных вариантах исполнения котла-утилизатора, которые изображены на фиг.3-6, 9, 10, представлены частные варианты выполнения котла-утилизатора.
Площадь выходного отверстия 11 диафрагмы 10 определяется в соответствии с зависимостью (1).
Объем камеры дожига 9 определяется в соответствии с зависимостью (2).
В каждом патрубке подвода дымовых газов 11, 12 установлена заслонка 12. На выходе из реактора 3 установлена решетка 14.
Внутренняя поверхность камеры дожига 9 и камер сгорания 41, 42 выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов, а именно, шамотного кирпича, огнеупорной глины и др.
В патрубке отвода дымовых газов 2 установлена дополнительная система утилизации тепла 15, включающая теплообменные поверхности 7.
К патрубку отвода дымовых газов 2 примыкает принудительная система отвода дымовых газов 16, включающая тягодутьевое устройство.
В каждом патрубке подвода дымовых газов 11, 1 2, установлена турбулизирующая решетка 17.
Каждая циклонная камера сгорания 41, 4 2 имеет дополнительную диафрагму 18, отверстие 19 которой связывает циклонную камеру сгорания 41, 42 с камерой дожига 9.
Площадь отверстия 19 каждой циклонной камеры сгорания 41, 42 определяется в соответствии с зависимостью (6).
На фиг.3 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 131 параллельно основанию камеры дожига 9.
На фиг.4 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 13 2 перпендикулярно к основанию камеры дожига 9.
На фиг.5 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 13 3 под углом к основанию камеры дожига 9.
На фиг.6 показан вариант выполнения реактора 3, в котором на внутренней поверхности камеры дожига 9 размещены выступы 131, 13 2.
На фиг.9 показан вариант выполнения котла-утилизатора с двумя циклонными камерами сгорания 41 , 42, к которым тангенциально подведены патрубки подвода дымовых газов 11, 1 2, а также подведены дополнительные патрубки подвода дымовых газов 111, 121, соответственно. К каждому патрубку подвода дымовых газов 11 , 111, 12, 1 21, примыкает система обогащения дымовых газов топливом и воздухом, а также в каждом патрубке подвода дымовых газов 1 1, 111, 12, 121 установлена турбулизирующая решетка 17 и заслонка 12.
На фиг.10 показан вариант выполнения котла-утилизатора с четырьмя циклонными камерами сгорания 4 1, 42, 43, 44, к которым подведены четыре патрубка подвода дымовых газов 11, 1 2, 13, 14, соответственно.
Котел-утилизатор работает следующим образом.
Дымовые газы, отходящие от топливосжигающего агрегата (на чертежах не показан), поступают в патрубки подвода дымовых газов 11, 12 в каждом из которых размещена заслонка 12 для регулирования подачи дымовых газов в циклонные камеры сгорания 41, 4 2 реактора 3 котла-утилизатора. В патрубках подвода дымовых газов 11, 12 дымовые газы обогащаются топливом и воздухом с помощью системы обогащения 8, которая примыкает к патрубкам подвода дымовых газов 1 1, 12. В каждом патрубке подвода дымовых газов 11, 12 установлена турбулизирующая решетка 17 для турбулизации потока дымовых газов, поступающих в циклонные камеры сгорания 4 1, 42. Турбулизация дымовых газов, обогащенных воздухом и топливом, способствует их лучшему перемешиванию.
Введение дымовых газов в циклонную камеру сгорания 4 1, 42 посредством тангенциально подведенных патрубков 11, 12 обеспечивает активизацию перемешивания дымовых газов в циклонных камерах сгорания 41, 42 .
Аксиальное размещение горелочного устройства 5, к которому подводится воздух и топливо в каждой циклонной камере сгорания 41, 42, обеспечивает увеличение длины факела в рабочем объеме реактора 3 и способствует стабилизации температурного поля в реакторе 3. Поток дымовых газов из циклонной камеры сгорания 41 перемещается в камеру дожига 9, в которой встречается с другим потоком дымовых газов, выходящим из циклонной камеры сгорания 4 2. Это обеспечивает интенсивное перемешивание дымовых газов и способствует
снижению концентрации оксидов азота (NО х) и оксидов углерода (СО) в дымовых газах. Соотношение (V1/V2) объема камеры дожига 9 к общему объему реактора 3, выбранное в соответствии с зависимостью (2), позволяет оптимизировать процесс горения, время нахождения дымовых газов в рабочем объеме реактора 3 и обеспечивает повышение эффективности очистки дымовых газов от примесей.
Наличие в реакторе 3 диафрагмы 10, а также наличие в камере дожига 9 выступов 131, 13 2 и наличие в каждой циклонной камере сгорания 4 1, 42 дополнительной диафрагмы 18, в котором выполнено отверстие свода 19, предотвращает проскок смолистых и углеродистых частиц вдоль стенок камеры дожига 9 в систему утилизации тепла 6 через выходное отверстие 11 диафрагмы 10.
Установленная на выходе из реактора 6 решетка 14 способствует турбулизации потока дымовых газов, что обеспечивает эффективную теплопередачу. А также способствует уменьшению концентрации оксидов азота (NOx). После реактора 3 дымовые газы поступают в систему утилизации тепла 6. В системе утилизации тепла бив дополнительной системе утилизации тепла 15 установлены теплообменные поверхности 7, например: пароперегреватели, испарители, экономайзеры и т.д., которые позволяют эффективно утилизировать тепло дымовых газов. После системы утилизации тепла 6 дымовые газы поступают в патрубок отвода дымовых газов 2, в котором установлена дополнительная система утилизации тепла 15, предназначенная для дополнительной утилизации тепла дымовых газов. Затем дымовые газы отводятся в окружающую среду посредством принудительной системы отвода дымовых газов 16.
В частном варианте выполнения котла-утилизатора в реакторе 3 установлены две циклонные камеры сгорания 41, 42 (см. фиг.9), к которым тангенциально подведены два патрубка подвода дымовых газов 11, 12 , а также два дополнительных патрубка подвода дымовых газов 1 11, 121, соответственно. Подвод к циклонным камерам сгорания 41, 4 2 дополнительных патрубков подвода дымовых газов 1 11, 121 обеспечивает эффективное перемешивание дымовых газов, обогащенных воздухом и топливом, в циклонных камерах сгорания 41, 4 2.
В частном варианте выполнения котла-утилизатора (см. фиг.10) в реакторе 3 установлены четыре циклонных камеры сгорания 41, 42, 43, 44, к которым
подведены четыре патрубка подвода дымовых газов 1 1, 12, 13, 14, соответственно. При этом обеспечивается эффективная работа котла-утилизатора за счет повышения стабилизации температурного поля в рабочем объеме реактора 3.
Были проведены испытания комплекса «коксовая печь - котел-утилизатор», который установлен в ОАО «Запорожкокс». При этом дымовые газы от коксовой печи поступали в котел-утилизатор, работающий в температурном режиме 1095°C. Результаты проведенных испытаний с различными вариантами выполнения котла-утилизатора приведены в таблицах 1, 2.
| Таблица 1 | |||||
| Показатель | Обозначение* | Вариант 1 (фиг.1) | Вариант 2 (фиг.4) | Вариант 3 (фиг.6) | Вариант 4 (фиг.10) |
| 1. Площадь выходного отверстия камеры дожига, м2, | S1 | 11,1 | 11,1 | 11,1 | 11,1 |
| 2. Площадь основания камеры дожига, м 2 | S2 | 12,33 | 12,33 | 12,33 | 12,33 |
| 3. Площадь отверстия дополнительной диафрагмы, м2 | S3 | - | 4,15 | 4,15 | 1,90 |
| 4. Площадь основания циклонной камеры сгорания, м2 | S4 | 4,61 | 4,61 | 4,61 | 2,11 |
| 5. Объем камеры дожига, м 3 | V1 | 56,9 | 56,9 | 56,9 | 56,9 |
| 6. Объем реактора, м3 | V 2 | 87,53 | 87,53 | 87,53 | 87,53 |
| 7. Высота выступа, м | а 1 | - | - | 0,2 | 0,2 |
| 8. Длина выступа, м | b1 | - | - | 14,7 | 14,7 |
| 9. Угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град | 1 | - | - | 0 | 0 |
| 10. Высота выступа, м | a 2 | - | 0,2 | 0,2 | 0,2 |
| 11. Длина выступа, м | b2 | - | 5,2 | 5,2 | 5,28 |
| 12 Угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град | 2 | - | 90 | 90 | 90 |
| 13. Наличие турбулизирующей решетки в патрубке подвода дымовых газов | - | - | + | + | |
| 14. Наличие решетки в реакторе | - | - | - | + | |
| 15. Количество циклонных камер сгорания, ед. | 2 | 2 | 2 | 4 | |
| 16. Количество патрубков подвода дымовых газов, которые подведены к каждой циклонной камере сгорания, ед. | 1 | 1 | 2 | 1 | |
| * - в таблице 1 приведены следующие условные обозначения:a 1, a2 - высота выступов 13 1, 132, соответственно, м; b1, b2 - длина выступов 131, 132, соответственно, м;1, 2 - угол наклона выступов 13 1, 132, к основанию камеры дожига 9, соответственно, град. | |||||
| Таблица 2 | ||||
| Показатель | Вариант 1 (фиг.1) | Вариант 2 (фиг.4) | Вариант 3 (фиг.6) | Вариант 4 (фиг.10) |
| 1. Температура в реакторе котла-утилизатора, град | 1095 | |||
| 2. Оксиды углерода, мг/м 3: | ||||
| до котла-утилизатора | 3250 | 3450 | 3400 | 3500 |
| после котла-утилизатора | 42 | 37 | 10 | 0 |
| 3. Оксиды азота, мг/м 3: | ||||
| до котла-утилизатора | 540 | 567 | 563 | 570 |
| после котла-утилизатора | 365 | 343 | 324 | 312 |
| 4. Концентрация смолистых и углеродистых частиц, мг/м3 | ||||
| до котла-утилизатора | 76 | 77 | 82 | 78 |
| после котла-утилизатора | 30,4 | 28,9 | 14,5 | 8,2 |
| 5. Надежность работы котла-утилизатора (период времени между очисткой теплообменных поверхностей теплообменников), ч | 1100 | 1190 | 1620 | 1930 |
| 6. Степень утилизации тепла котла-утилизатора (КПД), % | 87,7 | 88,0 | 88,5 | 89,1 |
1. Котел-утилизатор, содержащий патрубок подвода дымовых газов, патрубок отвода дымовых газов, реактор, снабженный циклонной камерой сгорания, включающей горелочное устройство, в которую тангенциально подведен патрубок подвода дымовых газов, систему утилизации тепла, включающую теплообменные поверхности и соединенную с реактором и патрубком отвода дымовых газов, отличающийся тем, что котел-утилизатор снабжен системой обогащения дымовых газов топливом и воздухом, которая связана с патрубком подвода дымовых газов, реактор дополнительно содержит, по меньшей мере, одну циклонную камеру сгорания и снабжен камерой дожига, связанной с циклонными камерам сгорания и образующей совместно с ними рабочий объем реактора.
2. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что на выходе из реактора установлена диафрагма, выходное отверстие которого связывает реактор с системой утилизации тепла, при этом площадь выходного отверстия диафрагмы определяется по следующей зависимости:
0,44<S1 /S2
0,9,
где S1 - площадь выходного отверстия диафрагмы, м2;
S 2 - площадь основания камеры дожига, м2 .
3. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что отношение объема камеры дожига к рабочему объему реактора определяется следующей зависимостью:
0,43<V1 /V20,85,
где V1 - объем камеры дожига, м3;
V2 - рабочий объем реактора, м3.
4. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что к каждой циклонной камере сгорания тангенциально примыкает, по меньшей мере, один дополнительный патрубок подвода дымовых газов.
5. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в патрубке подвода дымовых газов установлена заслонка.
6. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что камера дожига содержит, по меньшей мере, один выступ, размещенный на внутренней стенке камеры дожига и имеющий следующие размеры:
0,05d<a0,5d,
0,5<d10d,
0°90°,
где a - высота выступа, м;
b - длина выступа, м;
d - диаметр циклонной камеры сгорания, м;
- угол наклона выступа к основанию камеры дожига, град.
7. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что на выходе из реактора установлена решетка.
8. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что камера дожига и циклонные камеры сгорания выполнены из огнеупорных и теплоизоляционных материалов.
9. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в патрубке отвода дымовых газов установлена дополнительная система утилизации тепла, включающая теплообменные поверхности.
10. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что к патрубку отвода дымовых газов примыкает принудительная система отвода дымовых газов, включающая тягодутьевое устройство.
11. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в патрубке подвода дымовых газов установлена турбулизирующая решетка.
12. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что в циклонной камере сгорания горелочное устройство расположено аксиально.
13. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что каждая циклонная камера сгорания оснащена дополнительной диафрагмой, отверстие которой связывает циклонную камеру сгорания с камерой дожига, при этом площадь отверстия определяется следующей зависимостью:
0,44<S3/S 40,9,
где S3 - площадь отверстия, м2;
S4 - площадь основания циклонной камеры сгорания, м2 .
