Топочна камера

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в топках промышленных котельных агрегатов при совместном сжигании газообразного низкокалорийного топлива, например - доменного газа, с высококалорийными топливами, например природным газом или мазутом. Совместное сжигание доменного газа с высококалорийными топливами широко распространено в котельных установках предприятий черной металлургии. Особенность этого процесса состоит в том, что поступление доменного газа в котельную установку весьма непостоянно. Для обеспечения нормальной работы котельных агрегатов по производительности и давлению вырабатываемого пара колебания расхода доменного газа компенсируют эквивалентным по выделяемой теплоте увеличением или снижением расхода высококалорийного топлива с помощью существующи х средств автоматизации. Однако при этом, ввиду большого различия удельных объемов продуктов сгорания доменного газа и высококалорийных топлив, возникают трудности в отношении стабилизации температуры перегрева пара. Постоянство температуры перегретого пара является одним из основных условий его энергетического использования. Уменьшение отрицательного влияния колебаний расхода доменного газа на стабильность температуры перегрева возможно путем изменений конструктивных характеристик топочной камеры и горелочных устройств. Целью эти х изменений является перераспределение тепловосприятия топочных экранов с тем, чтобы по возможности максимально стабилизировать тепловой поток на выходе из топочной камеры. Однако известные конструктивные решения выполняют поставленную цель недостаточно эффективно и, чтобы уменьшить диапазон колебаний температуры перегрева пара, в настоящее время ограничивают потребление доменного газа котельным агрегатом, вынужденно компенсируя потери доменного газа энергетическими топливами. Это снижает экономические показатели оборудования. К известным конструктивным решениям, частично решающим задачу стабилизации теплового потока на выходе экранированной топочной камеры работающей в описанных условиях по составу используемых топлив, относится оборудование топочной камеры многотопливным горелочным устройством, например по патенту ФРГ №1138068, кл. 13a8/14, опубл. 1963, в сочетании с двусветными экранами, образующими центральную камеру горения и периферийные рециркуляционные каналы, например по авторскому свидетельству №717493 (М.кл. F23 M5/08). При этом указанное горелочное устройство состоит по крайней мере из двух наклоненных др уг к др угу под углом 40 - 80° горелок с подачей через верхнюю горелку газообразного низкокалорийного топлива (доменного газа), а через нижнюю горелку высококалорийного топлива, например природного газа. По периметру топочная камера ограничена вертикальными настенными экранами, в верхней вы ходной части камеры расположен пароперегреватель. Описанная конструкция топочной камеры обладает эффектом саморегулирования положения факела по высоте камеры (смещение факела вниз при увеличении и вверх при уменьшении доли доменного газа), что ведет к перераспределению тепловосприятия экранов при изменениях соотношения сжигаемых топлив и. как следствие, способствует стабилизации температуры перегретого пара при изменении доли доменного газа. Характеристики получаемого эффекта саморегулирования положения факела и температуры перегретого пара описаны в статье Е.А. Данилина с сотрудниками, опубликованной в журнале "Промышленная энергетика", 1988, №5, 24 - 27. Однако в вариантах отсутствия в топочной камере двусветных экранов или при их расположении по всей высоте камеры диапазон возможных изменений доли доменного газа в топливной смеси оказывается ограниченным. По имеющимся результатам испытаний известное конструктивное решение топочной камеры не обеспечивает необходимого перераспределения тепловосприятий и стабилизации теплового потока на выходе камеры в случая х увеличения тепловой доли доменного газа более 80%. Ограничение диапазона допускаемых изменений доли доменного газа ведет к ограничению его потребления котельным агрегатом, что вызывает снижение экономичности. Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационной экономичности известной конструкции топочной камеры и увеличение диапазона изменений доли низкокалорийного газообразного топлива, сжигаемого совместно с высококалорийным топливом. Поставленная цель достигается тем, что в известной экранированной топочной камере, ограниченной вертикальными настенными экранами, имеющей в верхнем выходном канале пароперегреватель, содержащий двусветные экраны, образующие центральную камеру горения и периферийные рециркуляционные камеры, а также горелочное устройство, состоящее по крайней мере из двух наклоненных друг к другу под углом 40 - 80° горелок с подачей через верхнюю горелку газообразного низкокалорийного топлива, а через нижнюю горелку высококалорийного топлива, согласно изобретению, двусветные экраны расположены. между центральной осью горелочного устройства и подом топочной камеры, причем трубные поверхности двусветных экранов в верхней части на расстоянии 0,5 диаметра амбразуры горелочного устройства имеют торкретные покрытия. Изменение взаимного расположения элементов экранированной топочной камеры, а именно расположение двусветных экранов между центральной осью горелочного устройства и подом камеры, усиливает эффект саморегулирования тепловосприятия экранов и стабилизации теплового потока перед пароперегревателем. Этому дополнительно способствует торкретное покрытие верхней части трубных поверхностей двусветных экранов на расстоянии 0,5 диаметра амбразуры горелочного устройства, Усиление эффекта саморегулирования тепловосприятия экранов и стабилизации теплового потока перед пароперегревателем позволяет расширить диапазон возможных колебаний расхода доменного газа, то есть позволяет не ограничивать потребление доменного газа котельным агрегатом. Этим обеспечивается его максимальная эксплуатационная экономичность (ввиду существенно меньшей стоимости низкокалорийных топлив по сравнению с энергетическими топливами), тем самым обеспечивается достижение цели изобретения. На фиг.1 показаны основные элементы описываемой топочной камеры, разрез ее левой части относительно центральной оси. Первая часть камеры может представлять собой зеркальное отображение ее левой части, т.е. может содержать настенные и двусве тные экраны и горелочное устройство, или может состоять только из настенных экранов. Верхняя часть камеры и расположенный в ее выходном сечении пароперегреватель на чертеже условно не показаны, т.е. конструктивно не имеют существенных отличий от известных те хнических решений. На фиг.2 показан разрез по А - А на фиг.1. Топочная камера ограничена вертикальными настенными экранами 1, содержит двусветные экраны 2, образующие центральную камеру горения 3 и периферийные рециркуляционные камеры 4, а также горелочное устройство 5, состоящее из наклоненных друг к другу под углом 40 - 80° верхней горелки 6 с подводом 7 газообразного низкокалорийного топлива и нижней горелки 8 с подводом 9 высококалорийного топлива, например - природного газа. Горелочное устройство может дополнительно содержать горелку 10 для сжигания вспомогательного топлива, например -угольной пыли. Трубная система каждого из двусветны х экранов 2 в верхней части на расстоянии 0,5 диаметра амбразуры горелочного устройства имеет торкретное покрытие 11, а вне топочной камеры трубная система подключена к коллектору 12. Топочная камера работает следующим образом. Многокомпонентная топливная смесь, подаваемая совместно с воздухом через горелочное устройство 5 сгорает в объеме топочной камеры, передавая теплоту сгорания настенным экранам 1 и двусветным экранам 2. При этом зона активного горения и соответственно область максимума тепловыделения может смещаться по высоте топочной камеры в зависимости от соотношения фактических расходов топлив через верхнюю горелку 6 и нижнюю горелку 8. При условии постоянства суммарного тепловыделения в топочной камере важной особенностью описываемого процесса является различие удельных объемов продуктов сгорания, образующи хся при сжигании низкокалорийного топлива (доменного газа) и высококалорийного топлива, и соответственно различный температурный уровень зоны активного горения. При указанном условии задачу стабилизации теплового потока перед пароперегревателем можно представить формулой где - фактический объем образующи хся продуктов сгорания топлива, м/с; - произведение теплоемкости продуктов сгорания на их температуру, Дж/м. В предельном случае отключения доменного газа и обеспечения тепловыделения в топочной камере подачей высококалорийного топлива через горелку 8, факел от горелки 8 направлен в верхнюю часть топочной камеры. При этом суммарное тепловосприятие топочной камеры в основном обеспечивается верхней частью настенных экранов, работающих в этом случае при максимальной температуре факела. Двусветные экраны, расположенные ниже горизонтальной оси тарелочного устройства 5, и нижняя часть настенных экранов получают минимальный приток теплоты только за счет радиационного излучения факела. Приток теплоты к двустенным экранам дополнительно ограничивается слоем торкрета, нанесенного на трубные поверхности, что одновременно при сжигании высококалорийного топлива повышает эксплуатационную надежность двусветных экранов по условию циркуляции в них пароводяной смеси. Величина теплового потока перед пароперегревателем принимает некоторое определенное значение, пропорциональное теплопроизводительности топочной камеры с вычетом суммарного тепловосприятия экранов. В другом предельном случае - при отключении высококалорийного топлива и обеспечении тепловыделения в топочной камере подачей доменного газа через горелку 6 - ее факел направлен в нижнюю часть топочной камеры, причем опускное движение потока продуктов горения в центральной камере горения 3 сменяется подъемным движением по периферийным рециркуляционным камерам 4. При равном тепловыделении объем продуктов сгорания доменного газа в среднем в 1,37 раза больше объема продуктов сгорания высококалорийных топлив. Примерно во столько же раз уменьшается температура горения в топочной камере. Как известно, радиационное тепловосприятие экранов пропорционально значению температуры в четвертой степени. Расположение двусветных экранов ниже горизонтальной оси горелочного устройства и их обтекание опускным и подъемным потоками продуктов сгорания обеспечивают такое же суммарное тепловосприятие топочной камеры, как и в первом предельном случае, в результате чего величина теплового потока перед пароперегревателем оказывается примерно равной значению При другом расположении двусветных экранов, например - по всей высоте топочной камеры, достижение этого эффекта невозможно. При любом ином соотношении расходов доменного газа, подаваемого через горелку 6, и высококалорийного топлива, подаваемого через горелку 8, образующийся общий плоский факел располагается в положениях, промежуточных относительно указанных предельных положений, причем при произвольном изменении теплового соотношения расходов топлив наблюдается саморегулирование положения факела на высоте камеры (смещение факела вниз при увеличении и вверх при уменьшении доли доменного газа. Расположение двусветных экранов между центральной осью горелочного устройства 5 и подом топочной камеры создает условия повышения тепловосприятия нижней части топочной камеры в случаях преобладания доли доменного газа в сгораемой топливной смеси, что способствует стабилизации теплового потока перед пароперегревателем и соответственно позволяет обеспечить постоянное в заданных пределах значение температуры перегретого пара. Эффективность предложенного конструктивного решения экспериментально проверена путем реконструкции топочной камеры промышленного котельного агрегата типа ТП-150, работающего в режиме совместного сжигания доменного, коксового, природного газов и мазута. Номинальные параметры котлоагрегате до реконструкции: паропроизводительность - 150т/ч, давление перегретого пара - 3,2МПа, температура перегретого пара - 440°C. Допустимый диапазон колебаний температуры по условиям работы пароприемного оборудования ±10°C от номинальной. Реконструкция топочной камеры проведена в два этапа: внедрением саморегулирующей многотопливной горелки (СМПГ) на первом этапе с последующим дооборудованием топочной камеры двусветными экранами, расположенными между горизонтальной осью СМПГ и подом, причем выполнено торкретирование верхней части трубных поверхностей двусве тных экранов на расстоянии 0,5 диаметра амбразуры СМПГ. Как после первого этапа, так и после второго этапа реконструкции были проведены испытания топочной камеры. В обоих вариантах при использовании высококалорийных топлив факел от СМПГ находится в верхнем положении за счет преобладающего воздействия потоков из сопла нижней горелки. При подаче доменного газа наблюдается пропорциональное смещение факела вниз в результате воздействия потока доменного газа из сопла верхней горелки. Максимальное изменение положения факела по, высоте топочной камеры достигало 4м. В результате внедрения СМПГ, т.е. в базовом варианте по отношению к заявляемому техническому решению, была достигнута устойчивая стабилизация температуры перегретого пара, проходящего через пароперегреватель, установленный на выходе топочной камеры, при изменениях тепловой доли доменного газа в пределах от н уля до 80% от суммарного тепловыделения в топочной камере. При повышении доли доменного газа более 80% стабилизация становилась неустойчивой, что выражалось пиковыми повышениями температуры перегретого пара, на 10 - 20°C превышающими допустимые отклонения от номинальной температуры. Вследствие этого в ,азовом варианте приходилось ограничивать потребление доменного газа котельным агрегатом, устанавливая его максимальный расход, соответствующий не более 80% суммарного тепловыделения в топочной камере. После дооборудования этой же топочной камеры двусветными экранами согласно заявляемому техническому решению проведенные испытания показали, что изменения температуры перегретого пара не превышают допустимую величину ±10°C в диапазоне изменений тепловой доли сжигаемого доменного газа от нуля до 100%, что позволяет снять ограничения по его потреблению котельным агрегатом и тем самым повысить экономичность работы топочной камеры и агрегата в целом. Кроме прямого экономического эффекта, определяемого пропорциональным утилизации доменного газа снижением расходов высококалорийных энергетических топлив, реализация заявляемого технического решения позволяет уменьшить экологически вредные выбросы в атмосферу в районах действия предприятий черной металлургии, поскольку в настоящее время избытки доменного газа, образующиеся в периоды максимальной нагрузки доменных печей, нередко сжигают в открытых факелах.