Котел-утилізатор

1. Котел-утилізатор, який містить патрубок підведення димових газів, патрубок відведення димових газів, реактор, оснащений циклонною камерою згоряння, яка включає пальниковий пристрій та у яку тангенціально підведений патрубок підведення димових газів, систему утилізації тепла, яка включає теплообмінні поверхні та з’єднана з реактором та патрубком відведення димових газів, який відрізняється тим, що котелутилізатор оснащено системою збагачення димових газів паливом та повітрям, яка пов’язана з патрубком підведення димових газів, реактор додатково містить щонайменше одну циклонну камеру згоряння й оснащений камерою допалювання, що зв’язана з циклонними камерами згоряння та утворює разом з ними робочий об’єм реактора. 2. Котел-утилізатор за п. 1, який відрізняється тим, що на виході з реактора установлена діафрагма, вихідний отвір якої зв’язує реактор з системою утилізації тепла, при цьому площа вихідного отвору діафрагми визначається наступною залежністю: 0,44 S1 / S 2 0,9, де: S1 - площа вихідного отвору діафрагми, м2; 2 3 14855 4 2 цьому площа отвору визначається наступною заS 3 - площа отвору, м ; лежністю: S 4 - площа основи циклонної камери згоряння, м2. 0,44 S3 / S 4 0,9, де: Котел-утилізатор призначений для знешкодження та утилізації тепла димових газів і може бути використаний у коксохімічній, металургійній, хімічній та інших галузях промисловості. Відомий котел-утилізатор, який містить патрубок підведення димових газів, патрубок відведення димових газів, реактор, який включає пальниковий пристрій, систему утилізації тепла, яка включає теплообмінні поверхні [див. авт. свід. СРСР №1572145, МПК F22В1/18, опубл. 27.12.95р]. Недоліком відомого котла-утилізатора є низький ступінь очистки димових газів, що приводить до налипання смолистих та вуглецевих домішок на теплообмінні поверхні. Відомий котел-утилізатор не дозволяє повністю допалити домішки, які містяться в димових газах, що знижує ефективність роботи теплообмінних поверхонь. Відомий котел-утилізатор, обраний як прототип, який містить патрубок підведення димових газів, патрубок відведення димових газів, реактор, постачений циклонною камерою згоряння, яка включає пальниковий пристрій та до якої тангенціальне примикає патрубок підведення димових газів, систему утилізації тепла, яка включає теплообмінні поверхні та з’єднана з реактором та патрубком відводу димових газів [див. авт. свід. СРСР №1188454, МПК F23G7/06, опубл. 30.10.85р]. Система утилізації тепла містить радіаційний теплообмінник, який примикає до камери згоряння, а також конвективний теплообмінник. Недоліком відомого котла-утилізатора є низький ступінь очистки димових газів, який пов’язан з тим, що радіаційний теплообмінник примикає до камери згоряння, що приводить до різкого спаду температури на виході з реактора, а також приводить до інтенсивного налипання смолистих й вуглецевих домішок на теплообмінні поверхні радіаційного та конвективного теплообмінників Також недоліком котла-утилізатора є низька ефективність змішування горючих компонентів, які містяться в димових газах, з повітрям та паливом, які подаються через пальниковий пристрій у реактор, що, у свою чергу, приводить до нестабільного температурного поля та до неповного згоряння домішок, які містяться у димових газах. Наявність у димових газах домішок, що не згоріли, приводить до недостатнього ступеня знешкодження димових газів, з одного боку, а, з іншого боку, до забруднення теплообмінних поверхонь радіаційного та конвективного теплообмінників смолами та вуглецевими частками, які утворюють відкладення на теплообмінних поверхнях, що приводить до низького ступеня утилізації тепла та зниженню надійності роботи котла-утилізатора. Інтенсивне утворення відкладень на теплообмінних поверхнях призводить до їх швидкого забруднення, що знижує надійність котла утилізатора та ефективність утилізації тепла (ККД) котла-утилізатора. Задачею корисної моделі є створення котлаутилізатора з високим ступенем очистки димових газів від домішок, а також збільшення надійності роботи та ефективності утилізації тепла димових газів, які відходять від паливоспалювальних агрегатів, наприклад, коксовим печей. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому котлі-утилізаторі, який містить патрубок підведення димових газів, патрубок відведення димових газів, реактор, постачений циклонною камерою згоряння, яка включає пальниковий пристрій та у яку тангенціальне підведений патрубок підведення димових газів, систему утилізації тепла, яка включаєтеплообмінні поверхні та з’єднана з реактором та патрубком відведення димових газів, відповідно до корисної моделі, що заявляється, котел-утилізатор постачено системою збагачення димових газів паливом та повітрям, яка пов’язана з патрубком підведення димових газів, реактор додатково містить щонайменше одну циклонну камеру згоряння й постачений камерою допалювання, пов’язаною з циклонними камерами згоряння та утворює разом з ними робочий об’єм реактора. У окремому варіанті виконання котлаутилізатора на виході з реактора установлена діафрагма, вихідний отвір якої зв’язує реактор з системою утилізації тепла, при цьому площа вихідного отвору діафрагми визначається наступною залежністю: 0,44 S1 / S2 0,9, (1) де: S1 - площа вихідного отвору діафрагми, м2; S2 - площа основи камери допалювання, м2. У окремому варіанті виконання котлаутилізатора відношення об’єму камери допалювання до робочого об’єму реактора визначається наступною залежністю; 0,43 V1 / V2 0,85 (2) де: V1 - об’єм камери допалювання, м3; V2 - робочий об’єм реактора, м3. У окремому варіанті виконання котлаутилізатора до кожної циклонної камери згоряння тангенціальне примикає щонайменше один додатковий патрубок підведення димових газів. У окремому варіанті виконання котлаутилізатора в патрубку підведення димових газів установлена заслінка. У окремому варіанті виконання котлаутилізатора камера допалювання містить щонайменше один виступ, який розміщений на внутрішній поверхні камери допалювання та має наступні розміри: 0,5d a 0,5d (3) 5 14855 6 бмінних поверхонь системи утилізації тепла смо0,5d b 25d (4) лами, вуглецевими частками, які утворюють відк0 90 (5) ладення на теплообмінних поверхнях, і підвищує де: надійність роботи котла-утилізатора й ефектива - висота виступу, м; ність утилізації тепла, а також знижує «чутливість» b - довжина виступу, м; котла-утилізатора до забруднених димових газів, d - діаметр циклонної камери згоряння, м; які мають значний зміст смолистих й вуглецевих - кут нахилу виступу до основи камери допадомішок. лювання, град. Котел-утилізатор, який заявляється, зображеУ окремому варіанті виконання котланий на наступних кресленнях: утилізатора на виході з реактора встановлена реФіг.1 - загальний вид котла-утилізатора; шітка. Фіг.2 - вид спереду Фіг.1; У окремому варіанті виконання котлаФіг.3 - варіант виконання реактора котлаутилізатора камера допалювання та циклонні каутилізатора; мери згоряння виконані з вогнетривких та теплоіФіг.4 - варіант виконання реактора котлазоляційних матеріалів. утилізатора; У окремому варіанті виконання котлаФіг.5 - варіант виконання реактора котлаутилізатора в патрубку відведення димових газів утилізатора; установлена додаткова система утилізації тепла, Фіг.6 - варіант виконання реактора котлаяка включає теплообмінні поверхні. утилізатора; У окремому варіанті виконання котлаФіг.7 - перетин А-А Фіг.2; утилізатора до патрубка відведення димових газів Фіг.8 - перетин В-В Фіг.2; примикає примусова система відведення димових Фіг.9 - варіант виконання котла-утилізатора з газів, яка включає тягодутьєвий пристрій. двома циклонними камерами згоряння; У окремому варіанті виконання котлаФіг.10 - варіант виконання котла-утилізатора з утилізатора у патрубку підведення димових газів чотирма циклонними камерами згоряння. установлена турбулізуюча решітка, Котел-утилізатор містить патрубки підведення У окремому варіанті виконання котладимових газів 11, 12, патрубок відведення димових утилізатора в циклонній камері згоряння пальнигазів 2, реактор 3, постачений циклонними камековий пристрій розташований аксіально. рами згоряння 41, 42, кожна з яких включає аксіаУ окремому варіанті виконання котлальне встановлений пальниковий пристрій 5, Котелутилізатора кожна циклонна камера згоряння має утилізатор містить систему утилізації тепла 6, яка додаткову діафрагму, отвір якої зв’язує циклонну включає теплообмінні поверхні 7 та з’єднану з рекамеру згоряння з камерою допалювання, при актором 3 і патрубком відведення димових газів 2. цьому площа отвору визначається наступною заКотел-утилізатор також постачено системою лежністю: збагачення 8 димових газів паливом і повітрям, 0,44 S3 / S 4 0,9 яка з’єднана з патрубками підведення димових (6) газів 11. 12. Реактор 3 постачено камерою допалюде: вання 9, яка примикає до циклонних камер згорянS3 - площа отвору, м2; ня 41, 42 та утворює разом з ними робочий об’єм S4 - площа основи циклонної камери згоряння, реактора 3. На виході з реактора 3 встановлена м2. діафрагма 10, у якій виконаний вихідний отвір 11, Запропоноване технічне рішення дозволяє піщо зв’язує реактор 3 з системою утилізації тепла 6 двищити ступінь очищення димових; газів від до(див. Фіг.1, 2). мішок, а також надійність котла-утилізатора за У нижченаведених варіантах виконання котларахунок введення системи збагачення димових утилізатора, які зображені на Фіг.3-6, 9, 10, предгазів паливом і повітрям перед подачею димових ставлені окремі варіанти виконання котлагазів у реактор. Це сприяє ефективному сумішоутутилізатора. воренню та приводить до інтенсифікації процесу Площа вихідного отвору 11 діафрагми 10 вигоріння у робочому об’ємі реактора, що забезпечує значається відповідно до залежності (1). ефективну очистку димових газів від домішок. Об’єм камери допалювання 9 визначається Оснащення реактора камерою допалювання довизначається відповідно до залежності (2). зволяє збільшити час знаходження димових газів у У кожному патрубку підведення димових газів робочому об’ємі реактора, а також дозволяє стабі11, 12 встановлена заслінка 12. лізувати температурне поле у робочому об’ємі На виході з реактора 3 установлена решітка реактора, у якому відбувається процес горіння та 14. очистки димових газів від домішок. Введення а Внутрішня поверхня камери допалювання 9 і реактор додаткової циклонної камери згоряння камер згоряння 41, 42 виконані з вогнетривких і приводить до створення в камері допалювання теплоізоляційних матеріалів, а саме, шамотної зустрічних вихрових потоків димових газів, що вицегли, вогнетривкої глини тощо. ходять із циклонних камер згоряння, що забезпеУ патрубку відведення димових газів 2 устаночує підвищення ефективності знешкодження дивлена додаткова система утилізації тепла 15, що мових газів за рахунок інтенсивного включає теплообмінні поверхні 7. перемішування димових газів з паливом і повітДо патрубка відведення димових газів 2 прирям, а також за рахунок ефективного допалювання микає примусова система відведення димових смолистих й вуглецевих домішок у робочому газів 16, яка включає тягодутьєвий пристрій. об’ємі реактора. Це зменшує забруднення теплоо 7 14855 8 У кожному патрубку підведення димових газів тора 3 та сприяє стабілізації температурного поля 11, 12 установлена турбулізуюча решітка 17. у реакторі 3. Потік димових газів з циклонної камеКожна циклонна камера згоряння 41, 42 має ри згоряння 41 переміщується в камеру допалюдодаткову діафрагму 18, отвір 19 якої зв’язує циквання 9, у якій зустрічається з іншим потоком дилонну камеру згоряння 41, 42 з камерою допалюмових газів, який виходить із циклонної камери вання 9. згоряння 42. Це забезпечує інтенсивне перемішуПлоща отвору 19 кожної циклонної камери вання димових газів і сприяє зниженню концентзгоряння 41, 42 визначається згідно з залежністю рації оксидів азоту (NОх) і оксидів вуглецю (СО) у (6). димових газах. Співвідношення (V1/V2) об’єму каНа Фіг.3 зображений варіант виконання реакмери допалювання 9 до загального об’єму реактотора 3, у якому на внутрішній поверхні камери дора 3, обране відповідно до залежності (2), дозвопалювання 9 розташовані виступи 131 паралельно ляє оптимізувати процес горіння, час знаходження основі камери допалювання 9. димових газів у робочому об’ємі реактора 3 та заНа Фіг.4 зображений варіант виконання реакбезпечує підвищення ефективності очистки димотора 3, у якому на внутрішній поверхні камери дових газів від домішок. палювання 9 розташовані виступи 132 перпендиНаявність у реакторі 3 діафрагми 10, а також кулярно до основи камери допалювання 9. наявність у камері допалювання 9 виступів 131, 132 На Фіг.5 зображений варіант виконання реакта наявність у кожній циклонній камері згоряння 41, тора 3, у якому на внутрішній поверхні камери до42 додаткової діафрагми 18, у якій виконано отвір палювання 9 розташовані виступи 133 під кутом а 19, запобігає проскакування смолистих й вуглецедо основи камери допалювання 9. вих часток уздовж стінок камери допалювання 9 у На Фіг.6 зображений варіант виконання реаксистему утилізації тепла 6, через вихідний отвір 11 тора 3, у якому на внутрішній поверхні камери додіафрагми 10, Встановлена на виході з реактора 3 палювання 9 розташовані виступи 131, 132. решітка 14 сприяє турбулізації потока димових На Фіг.9 зображений варіант виконання котлагазів, що забезпечує ефективну теплопередачу, а утилізатора з двома циклонними камерами зготакож сприяє зменшенню концентрації оксидів ряння 41, 42, до яких тангенційно підведено патруазоту (NOx). Після реактора 3 димові гази надхобки підведення димових газів 11, 12, а також підведять у систему утилізації тепла 6. У системі утилідені додаткові патрубки підведення димових газів зації тепла 6 та у додатковій системі утилізації 111, 121, відповідно. К кожному патрубку підведення тепла 15 установлені теплообмінні поверхні 7, димових газів 11. 111, 12, 121 примикає система збанаприклад: пароперегрівачі, випарники, економайгачення димових газів паливом та повітрям, а тазери тощо, які дозволяють ефективно утилізувати кож у кожному патрубку підведення димових газів тепло димових газів. Після системи утилізації теп11, 111, 12, 121 встановлена турбулізуюча решітка ла 6 димові гази надходять у патрубок відведення 17 та заслінка 12. димових газів 2, у якому встановлена додаткова На Фіг.10 зображений варіант виконання котсистема утилізації тепла 15, яка призначена для ла-утилізатора з чотирма циклонними камерами додаткової утилізації тепла димових газів. Потім згоряння 41, 42, 43, 44, до яких тангенційно підведимові гази відводяться у навколишнє середовидено патрубки підведення димових газів 11, 12, 13, ще за допомогою примусової системи відведення 14, відповідно. димових газів 16. Котел-утилізатор працює у такий спосіб. У окремому варіанті виконання котлаДимові гази, що відходять від паливоспалюваутилізатора у реакторі 3 встановлені дві циклонні льного агрегату (на кресленнях не показаний), камери згоряння 41, 42 (див. Фіг.9), до яких тангеннадходять у патрубки підведення димових газів 11, ційно підведені два патрубка підвода димових га12, у кожному з яких розміщена заслінка 12 для зів 11, 12, а також два додаткових патрубка підвода регулювання подачі димових газів у циклонні кадимових газів 111, 121, відповідно. Підведення до мери згоряння 41, 42 реактора 3 котла-утилізатора. циклонних камер згоряння 41, 42 додаткових патУ патрубках підведення димових газів 11, 12 димові рубків підводу димових газів 111, 121 забезпечує гази збагачуються паливом і повітрям за допомоефективне перемішування димових газів, збагачегою системи збагачення 8, що примикає до патруних повітрям та паливом, у циклонних камерах бків підведення димових газів 11, 12. У кожному згоряння 41, 42. патрубку підведення димових газів 11, 12 установУ окремому варіанті виконання котлалена турбулізуюча решітка 17 для турбулізації утилізатора (див. Фіг.10) у реакторі 3 встановлені потоку димових газів, які надходять до циклонних чотири циклонні камери згоряння 41, 42, 43, 44, до камер згоряння 41, 42. Турбулізація димових газів, яких підведені чотири патрубка підвода димових збагачених повітрям і паливом, сприяє їх кращому газів 11, 12, 13, 14, відповідно. При цьому забезпеперемішуванню. чується ефективна робота котла-утилізатора за Введення димових газів у циклонну камеру рахунок підвищення стабілізації температурного згоряння 41, 42. за допомогою тангенційно підвеполя у робочому об’ємі реактора 3. Були проведедених патрубків 11, 12 забезпечує активізацію пені випробування комплексу «коксова піч - котелремішування димових газів у циклонних камерах утилізатор», який встановлено у ВАТ «Запорожзгоряння 41, 42. кокс». При цьому димові гази від коксової печі наАксіальне розміщення пальникового пристрою дходили до котла-утилізатора, який працював при 5, до якого підводиться повітря й паливо у кожній температурі 1095 С. Результати проведених вициклонній камері згоряння 41, 42, забезпечує збіпробувань щодо окремих варіантів виконання котльшення довжини факела а робочому об’ємі реакла-утилізатора наведені у таблицях 1, 2. 9 14855 10 Таблиця 1 S1 S2 S3 Варіант 1 (Фіг. 1) 11,1 12,33 Варіант 2 (Фіг. 4) 11,1 12,33 4,15 Варіант З (Фіг. 6) 11,1 12,33 4,15 Варіант 4 (Фіг. 10) 11,1 12,33 1,90 S4 4,61 4,61 4,61 2,11 V1 V2 a1 b1 56,9 87,53 56,9 87,53 56,9 87,53 0,2 14,7 56,9 87,53 0,2 14,7 1 0 0 a2 b2 0,2 5,2 0,2 5,2 0.2 5,2 2 90 90 90 + + 2 2 2 + 4 1 1 2 1 Показник Позначення* 1. Площа вихідного отвору діафрагми, м2 2. Площа основи камери допалювання, м2 3. Площа отвору додаткової діафрагми, м2 4. Площа основи циклонної камери згоряння, м2 5. Об’єм камери допалювання, м3 6. Об’єм реактора, м3 7. Висота виступу, м 8. Довжина виступу, м 9. Кут нахилу виступу до основи камери допалювання, град 10. Висота виступу, м 11. Довжина виступу, м 12 Кут нахилу виступу до основи камери допалювання, град 13. Наявність турбулізуючої решітки у патрубку підведення димових газів 14. Наявність решітки у реакторі 15 Кількість циклонних камер згоряння, од 16, Кількість патрубків підведення димових газів, які підведені до кожної циклонної камери згоряння. од. * - у таблиці 1 наведені наступні умовні позначення: а1, а2 - висота виступів 131, 132, відповідно, м; b1, b2 - довжина виступів 131, 132, відповідно, м; 1, 2 - кут нахилу йяступіа 131, 132, до основи камери допалювання 9, відповідно, град Таблиця 2 Показник 1. Температура у реакторі котла-утилізатора, град 2. Оксиди вуглецю, мг/м3: до котла-утилізатора після котла-утилізатора 3. Оксиди азоту, мг/м3 до котла-утилізатора після котла-утилізатора 4. Концентрація смолистих й вуглецевих часток, мг/м3 до котла-утилізатора після котла-утилізатора 5. Надійність роботи котла-утилізатора (період часу між очисткою теплообмінних поверхонь), год 6. Ступінь утилізації тепла котла-утилізатора (ККД), % Варіант 1 (Фіг.1) Варіант 2 Варіант 3 (Фіг. 4) (Фіг. 6) 1095 Варіант 4 (Фіг. 10) 3250 42 3450 37 3400 10 3500 0 540 365 567 343 563 324 570 312 76 30,4 77 28,9 82 14,5 78 8,2 1100 1190 1620 1930 87,7 88,0 88,5 89,1 11 14855 12 13 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 14855 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601