СПОСОБ СЖИГАНИЯ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОТХОДОВ И РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ ПОТОКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F23C11/04 F23B1/36 F23G5/00 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к топкам шахтного типа для слоевого сжигания углеводородных твердых топлив, и может быть использовано в газификационных камерах для химической переработки хозяйственных отходов.

Известны способы сжигания топлива и устройства их реализующие, в которых интенсификация процесса горения достигается за счет наложения акустических колебаний на поток воздуха, движущийся с постоянной скоростью через топку (см. а.с. 800485, МКИ F 23 C 11/04, публ. 30.01.81 г., БИ N4).

Известно устройство для сжигания кускового твердого топлива в пульсирующем потоке и способ, реализованный в нем, ближайший по технической сущности к заявляемому и принятый за ближайший аналог (см. а.с.556274, МКИ F 23 C 3/02, F 23 B 13/36, публ. 16.05.77 г.), содержащее вертикальную шахту с двумя параллельными и горизонтально расположенными колосниковыми решетками и размещенным между ними слоем топлива, над верхней решеткой внутри шахты установлена труба, сечение которой меньше сечения шахты. Труба является резонатором возникающих в шахте при горении топлива пульсаций. Способ, реализованный в устройстве, включает загрузку твердого кускового топлива на колосниковую решетку, расположенную в вертикальной шахте с тяговой трубой, воспламенение топлива, поддержание горения потоком воздуха, эжектируемым за счет разности газодинамических параметров на входе и на выходе, а также за счет самопроизвольного возникновения пульсаций газового потока, протекающего через горящий слой топлива и через выхлопную тяговую трубу, являющуюся резонатором турбулентных пульсаций.

Недостатком известного способа и устройства является низкая интенсивность горения различных видов твердого топлива, хозяйственных отходов и невозможность регулирования и полдержания интенсивного процесса горения различных их видов.

Технический результат, получаемый при использовании данного изобретения, заключается в интенсификации процесса горения за счет поддержания оптимальных аэроакустических характеристик при сжигании различных видов твердого топлива, промышленных и хозяйственных отходов, а также улучшение экологических характеристик устройства.

Технический результат достигается тем, что в способе сжигания хозяйственных отходов и различных видов углеводородных топлив в пульсирующем потоке, включающем загрузку топлива, воспламенение его, поддержание горения эжектируемым потоком воздуха за счет разности газодинамических параметров на входе и на выходе, дополнительную подачу воздуха при розжиге, разделение потока газов после зоны горения на центральный и спутный потоки, замеряют газодинамические параметры - скорость и температуру потока, соответственно, на входе в зону горения, на входе центрального и спутного потоков газа, на выходе центрального потока газа определяют расходы воздуха, газа в этих сечениях расход топлива, по полученным данным насчитывают коэффициент избытка воздуха α, регулируют проходные сечения, соответственно, потока воздуха на входе в зону горения, потока газа на входе центрального и спутного потоков газа, на выходе из центрального потока газа, поддерживая соотношение расходов газа и топлива, при которых коэффициент избытка воздуха α близок к единице для всех видов продуктов сжигания.

Подачу воздуха в центральный поток регулируют как в его начальном сечении, так и в сечении, близком к выходу.

Кроме того, дополнительно турбулизируют воздух перед зоной горения и поток газа за зоной горения на входе центрального потока.

Устройство для сжигания (вариант 1) включает вертикальную шахту, колосниковые решетки, тяговую трубу, при этом вертикальная шахта в нижнем входном сечении и в верхнем выходном сечении снабжена регулируемыми створками, тяговая труба снабжена в нижней части на входе и в верхней части на выходе участками с регулируемыми проходными сечениями, например регулируемыми створками. Участки с регулируемыми проходными сечениями на входе и выходе тяговой трубы выполнены в виде осесимметричных патрубков, установленных внутри тяговой трубы с кольцевым зазором и с возможностью вертикального перемещения, при этом на стенках патрубков выполнены отверстия. В нижней и в верхней частях тяговой трубы выполнены системы отверстий. На входе вертикальной шахты установлен вентилятор, лопасти которого выполнены поворотными с возможностью установки во флюгерное положение. На входе в вертикальную шахту, на входе и выходе тяговой трубы дополнительно установлены турбулизаторы. Регулируемые створки вертикальной шахты и тяговой трубы снабжены исполнительными механизмами, например гидро- или пневмоцилиндрами, сообщенными с блоком управления. На входе и выходе вертикальной шахты, а также на входе и выходе тяговой трубы установлены датчики скорости и температуры, сообщенные с блоком управления.

Устройство для сжигания (вариант 2) включает вертикальную шахту, колосниковые решетки, тяговую трубу, на выходе из которой установлен поворотный патрубок, снабженный на выходе участком с регулируемыми створками. Участок с регулируемыми створками выполнен в виде осесимметричного патрубка, установленного снаружи на выходе поворотного патрубка с кольцевым зазором и с возможностью телескопического перемещения вдоль его выходного участка. На выходе поворотного патрубка установлен эжекторный насадок. На выходном участке поворотного патрубка по окружности выполнены ряды отверстий. Поворотный патрубок выполнен из шарнирных сегментов и установлен на вращающемся шарнире. Участок с регулируемыми створками снабжен исполнительными механизмами, например гидро- или пневмоприводами, сообщенными с блоком управления. На входе и выходе вертикальной шахты, а также на входе и выходе тяговой трубы установлены датчики скорости и температуры, сообщенные с блоком управления.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Воздух в вертикальную шахту поступает через входное регулируемое устройство и турбулизируется, обеспечивая тем самым интенсивное воспламенение и сжигание различных видов топлива и хозяйственных отходов. Регулирование проходных сечений шахты тяговой трубы, дополнительный подсос воздуха позволяют поддерживать в зоне сжигания коэффициент избытка воздуха, близким к единице, что обеспечивает оптимальный режим горения для любого вида топлива. Поток продуктов сгорания разделяется на центральный и спутный потоки, при этом основная составляющая в процессе интенсификации сжигания горючих и горючесодержащих отходов формируется центральным потоком, который, поступая в центральную тяговую трубу, снабженную участками с регулируемыми проходными сечениями, турбулизируется в ней, при этом оказывает интенсифицирующее влияние на зону сжигания горючих отходов и топлива. Газовый поток протекает по тяговой трубе за счет разности газодинамических параметров на входе и на выходе, а также за счет регулирования сечения тяговой трубы. В тяговой трубе поток разгоняется для создания оптимальной тяги, которая обеспечивает высокий уровень турбулентных пульсаций в зоне горения и максимальную интенсивность процесса горения как в зоне горения, так и в процессе дожигания по всей длине тяговой трубы.

На фиг.1 представлен поперечный разрез устройства для сжигания по варианту 1.

На фиг.2 представлен поперечный разрез устройства для сжигания по варианту 2.

Устройство для сжигания отходов (вариант 1) содержит вертикальную шахту 1, внутри нее на расстоянии, примерно одного диаметра шахты 1, установлены горизонтальные колосниковые решетки 2, между которыми размещен слой топлива или хозяйственных отходов 3. Над верхней колосниковой решеткой 2 внутри шахты 1 установлена тяговая труба 4. В стенке шахты 1 имеется отверстие 5 для загрузки топлива 3 и отверстие 6 для удаления шлаков и золы. Вертикальная шахта 1 в нижней входном сечении и в верхнем выходном сечении снабжена регулируемыми створками соответственно 7 и 8, снабженными исполнительными механизмами, например гидро- или пневмоцилиндрами, соответственно 9 и 10. Тяговая труба 4 снабжена в нижней части на входе и в верхней части на выходе участка соответственно 11 и 12 с регулируемыми проходными сечениями за счет створок соответственно 13 и 14. Участки 11 и 12 со створками 13 и 14 выполнены в виде осесимметричных патрубков, установленных внутри тяговой трубы 4 с кольцевым зазором и с возможностью вертикального перемещения посредством исполнительных механизмов, например гидро- или пневмоцилиндрами, соответственно 15 и 16, при этом на стенках патрубков выполнены системы отверстий 17 и 18. В нижней и верхней частях тяговой трубы 4 выполнены системы отверстий 19 и 20, например, из трех рядов отверстий, расположенных по окружности тяговой трубы 4. На входе вертикальной шахты 1 установлен вентилятор 21, лопасти 22 которого выполнены поворотными с возможностью установки во флюгерное положение. На входе в тяговую трубу 4 на створках 13 установлены турбулизаторы 23, например, терочного типа. Колосниковые решетки 2 также снабжены турбулизаторами 24, выполненными в виде сетки. На входе и на выходе вертикальной шахты 1 установлены датчики скорости и температуры соответственно 25 и 26. На входе и на выходе тяговой трубы 4 также установлены датчики скорости и температуры соответственно 27 и 28. Датчики 25, 26, 27, 28 сообщены с блоком управления 29, который воспринимает данные, например, в виде электрического сигнала. Исполнительные механизмы 9 и 10 регулируемых створок 7 и 8 шахты 1 и исполнительные механизмы 30 и 31 регулируемых створок 13 и 14 тяговой трубы 4 также соединены с блоком управления 29. Кроме того, исполнительные механизмы 15 и 16 участков 11 и 12 тяговой трубы 4 также сообщены с блоком управления 29.

Работает устройство (вариант 1) следующим образом. На колосниковые решетки 2 через отверстие 5 забрасывают любое кусковое углеводородное топливо или хозяйственные отводы, затем поджигают. После того, как топливо воспламенится в устройстве самопроизвольно, а также с помощью вентилятора 21, возникают пульсации газового потока, протекающего через горящий слой топлива и далее через тяговую трубу 4. Во время работы в основном пульсирующем режиме отверстия 5 и 6 перекрыты соответственно топливом и заслонкой. Топливо сгорает в пространстве между колосниковыми решетками 2. Шлак и золу удаляют через отверстие 6. По мере роста интенсивности горения тяга возрастает, увеличивается скорость потока в шахте 1 и в тяговой трубе 4. После розжига топлива, если дополнительный воздух и принудительная турбулизация не нужны, лопасти 22 вентилятора 21 устанавливаются во флюгерное положение. Количество воздуха, проходящего через шахту 1 и через тяговую трубу 4, регулируется створками соответственно 7, 8 и 13, 14, так чтобы в зоне горения поддерживался максимальный уровень пульсаций, что обеспечит максимальную тепловую нагрузку устройства. Продукты сгорания, поступающие в тяговую трубу 4, турбулизируются турбулизатором терочного типа 23, установленными, например, на створках 13. Кроме того, регулируется подсос чистого воздуха в тяговую трубу 4 для обеспечения догорания несгоревших в зоне горения продуктов, перемещением на входе и на выходе тяговой трубы 4 участков 11 и 12, которые открывают или закрывают, в зависимости от необходимого расхода воздуха, ряды отверстий 19 и 20, регулируя поступление воздуха через отверстия 17 и 18 в участки 11 и 12.

Таким образом, датчики 25, 26, 27, 28 параметров потока (скорости и температуры) регистрируют изменение этих параметров и передают данные, например, в виде электрического сигнала в блок управления 29. Блок управления 29 при достижении заданных значений параметров потока выдает сигналы на исполнительные механизмы 9 и 10, которые регулируют створки 7 и 8 шахты 1 и створки 13 и 14 тяговой трубы 4. Устанавливается такое положение створок 7, 8 и 13, 14, при котором скорость воздуха в шахте 1 поддерживается в пределах, обеспечивающих максимальный уровень турбулентных пульсаций в зоне горения, и, следовательно, максимальную тепловую нагрузку устройства. По мере роста интенсивности горения тяга возрастает, увеличивается скорость потока в шахте 1 и тяговой трубе 4. Регулирование проходных сечений шахты 1 и тяговой трубы 4, а также регулирование подачи дополнительного воздуха в тяговую трубу 4 позволяет организовать процесс интенсивного сжигания любого твердого углеводородного топлива и любых по составу хозяйственных отходов с коэффициентом избытка воздуха, близким к единице в широком диапазоне изменения режимных параметров.

Устройство для сжигания (вариант 2) содержит вертикальную шахту 1, внутри нее на расстоянии, примерно, одного диаметра шахты 1 от ее основания установлены горизонтальные колосниковые решетки 2, между которыми размещен слой топлива или хозяйственных отходов 3. Над верхней колосниковой решеткой 2 внутри шахты 1 установлена тяговая труба 4. В стенке шахты 1 имеется отверстие 5 для загрузки топлива или хозяйственных отходов 3 и отверстие 6 для удаления шлаков и золы. На выходе из тяговой трубы 4 расположен поворотный патрубок 32, снабженный на выходе участком 33 с регулируемыми створками 34 и эжекторным насадком 35. Участок 33 с регулируемыми створками 34 выполнен в виде осесимметричного патрубка, установленного снаружи на выходе поворотного патрубка 32 с кольцевым зазором и с возможностью телескопического перемещения вдоль патрубка 32. Поворотный патрубок 32 выполнен из шарнирных сегментов 36, а на выходном участке поворотного патрубка 32 выполнены ряды отверстий 37. Поворотный патрубок 32 установлен на вращающемся шарнире 38. Участок 33 и регулируемые створки 34 снабжены исполнительными механизмами соответственно 39 и 40, например гидро- или пневмоприводами, сообщенными с блоком управления 29. На входе вертикальной шахты 1, а также на входе и на выходе тяговой трубы 4 установлены датчики скорости и температуры соответственно 41, 42, и 43, сообщенные с блоком управления 29, который сообщен с регулируемыми створками 34. Кроме того, установлен датчик 44 для определения вектора скорости набегающего потока.

Работает устройство для сжигания (вариант 2) следующим образом. Топливо 3 поджигается и воспламеняется на колосниковых решетках 2, после чего в устройстве возникают пульсации газового потока, протекающего через горящий слой топлива и далее через тяговую трубы 4. По мере роста интенсивности горения тяга возрастает, увеличивается скорость потока в шахте 1 и тяговой трубе 4. Поток газа проходит через тяговую трубу 4 и выходит через поворотный патрубок 32, участок 33 с регулируемыми створками 34 и эжекторный насадок 35. Датчик 44 определяет вектор скорости набегающего потока. По горизонтальной составляющей вектора скорости патрубок 32 устанавливается с помощью флюгирующего устройства 45, а по результирующей составляющей вектора с помощью шарнирных сегментов 36. Регулируется проходное сечение на выходе из патрубка 32 створками 34. Датчики 41, 42, 43 параметров потока (скорости и температуры) регистрируют изменение этих параметров и передают данные, например, в виде электрического сигнала в блок управления 29. Определяются расходы воздуха, газа и топлива в сечениях замера параметров и необходимое проходное сечение на выходе из патрубка 32. Блок управления 29, при достижении заданных значений параметров потока, выдает сигналы на исполнительный механизм 40, который регулирует площадь проходного сечения на выходе патрубка 32 створками 34. Устанавливается такое положение створок 34, т.е. площадь проходного сечения на выходе, при котором поддерживается соотношение расхода воздуха и топлива (коэффициент избытка воздуха α), близким к единице.

За счет телескопического перемещения участка 33 исполнительным механизмом 39 открываются или закрываются ряды отверстий 37, таким образом регулируется дополнительный подсос воздуха.

Скорость потока воздуха в тяговой трубе 4 поддерживается в пределах, обеспечивающих максимальные турбулентные пульсации в зоне горения, уровень турбулентных пульсаций поддерживается в пределах, обеспечивающих наибольшую интенсивность процесса горения. Эжекторный насадок 35, установленный по результирующей вектора скорости, также способствует увеличению скорости потока внутри тяговой трубы 4 и, следовательно, повышает интенсивность процесса горения, за счет использования воздушных атмосферах потоков. Кроме того, эжекторный участок 35 улучшает экологические характеристики устройства за счет экранирования выходящих продуктов сгорания спутным атмосферным потоком.

Таким образом, предлагаемые варианты устройства для сжигания в пульсирующем потоке позволяют организовать процесс интенсивного сжигания любого твердого углеводородного топлива и любых по составу хозяйственных отходов за счет поддержания в зоне горения коэффициента избытка воздуха, близким к единице в широком диапазоне изменения режимных параметров, а также улучшить экологические характеристики устройства за счет повышения полноты сгорания и снижения выхода токсичных веществ в атмосферу, а также за счет направленного выброса продуктов сгорания.

Изобретение может быть использовано в газификационных камерах для химической переработки хозяйственных отходов. Устройство для сжигания содержит шахту, колосниковые решетки, тяговую трубу. По варианту 1 шахта в нижнем входном сечении и в верхнем выходном сечении снабжена регулируемыми створками с исполнительными механизмами. Тяговая труба снабжена на входе и на выходе участками с регулируемыми проходными сечениями за счет створок. Участки выполнены в виде осесимметричных патрубков, установленных внутри тяговой трубы с кольцевым зазором и с возможностью перемещения посредством исполнительных механизмов. На тяговой трубе и на перемещаемых участках выполнены ряды отверстий. На входе шахты установлен вентилятор, лопасти которого выполнены поворотными с возможностью установки во флюгерное положение. Дополнительно установлены турбулизаторы. На входе и на выходе шахты и на входе и на выходе тяговой трубы установлены датчики скорости и температуры, сообщенные с исполнительными механизмами и с блоком управления. В устройстве для сжигания (вариант 2) на выходе из тяговой трубы расположен поворотный патрубок, снабженный на выходе участком с регулируемыми створками и эжекторным насадком. Участок с регулируемыми створками выполнен в виде осесимметричного патрубка, установленного снаружи на выходе поворотного патрубка с кольцевым зазором и с возможностью телескопического перемещения вдоль патрубка, выполненного из шарнирных сегментов, а на выходном участке поворотного патрубка выполнены ряды отверстий. Участок и регулируемые патрубки снабжены исполнительными механизмами, сообщенными с блоком управления. На входе шахты, на входе и на выходе тяговой трубы установлены датчики скорости и температуры, сообщенные с блоком управления. Изобретение позволяет интенсифицировать процесс горения, а также улучшить экологические характеристики устройства. 3 с. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ сжигания хозяйственных отходов и различных видов углеводородных топлив в пульсирующем потоке, включающий загрузку топлива, воспламенение его, поддержание горения эжектируемым потоком воздуха за счет разности газодинамических параметров на входе и на выходе, дополнительную подачу воздуха при розжиге, разделение потока газов после зоны горения на центральный и спутный потоки, отличающийся тем, что замеряют газодинамические параметры - скорость и температуру потока соответственно на входе в зону горения, на входе центрального и спутного потоков газа, на выходе центрального потока газа, определяют расходы воздуха, газа в этих сечениях, определяют расход топлива, по полученным значениям определяют коэффициент избытка воздуха α, регулируют проходные сечения соответственно потока воздуха на входе в зону горения, потока газа на входе центрального и спутного потоков газа, на выходе из центрального потока газа, поддерживая соотношение расходов воздуха и топлива, при которых коэффициент избытка воздуха α близок к единице для всех видов продуктов сжигания. 2. Способ сжигания хозяйственных отходов по п. 1, отличающийся тем, что регулируют подачу воздуха в центральный поток газа как в его начальном сечении, так и в сечении, близком к выходу. 3. Способ сжигания хозяйственных отходов по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно турбулизируют воздух перед зоной горения и поток газа за зоной горения на входе центрального потока. 4. Устройство для сжигания, включающее вертикальную шахту, колосниковые решетки, тяговую трубу, отличающееся тем, что вертикальная шахта в нижнем входном сечении и в верхнем выходном сечении снабжена регулируемыми створками, тяговая труба снабжена в нижней части на входе и в верхней части на выходе участками с регулируемыми проходными сечениями, например регулируемыми створками. 5. Устройство для сжигания по п. 4, отличающееся тем, что участки с регулируемыми проходными сечениями на входе и выходе тяговой трубы выполнены в виде осесимметричных патрубков, установленных внутри тяговой трубы с кольцевым зазором и с возможностью вертикального перемещения, при этом на стенках патрубков выполнены отверстия. 6. Устройство для сжигания по п. 4 или 5, отличающееся тем, что в нижней и в верхней частях тяговой трубы выполнены системы отверстий. 7. Устройство для сжигания по пп. 4 или 5, 6, отличающееся тем, что на входе вертикальной шахты установлен вентилятор. 8. Устройство для сжигания по пп. 4 или 5, 6, 7, отличающееся тем, что лопасти вентилятора выполнены поворотными с возможностью установки во флюгерное положение. 9. Устройство для сжигания по пп. 4 или 5, 6, 7, 8, отличающееся тем, что на входе в вертикальную шахту, на входе и выходе тяговой трубы дополнительно установлены турбулизаторы. 10. Устройство для сжигания по пп. 4 или 5, 6, 7, 8, 9, отличающееся тем, что регулируемые створки вертикальной шахты и тяговой трубы снабжены исполнительными механизмами, например гидро- или пневмоцилиндрами, сообщенными с блоком управления. 11. Устройство для сжигания по пп. 4 или 5-10, отличающееся тем, что на входе и выходе вертикальной шахты, а также на входе и выходе тяговой трубы установлены датчики скорости и температуры, сообщенные с блоком управления. 12. Устройство для сжигания (вариант 2), включающее вертикальную шахту, колосниковые решетки, тяговую трубу, отличающееся тем, что на выходе из тяговой трубы установлен поворотный патрубок, снабженный на выходе участком с регулируемыми створками. 13. Устройство для сжигания по п. 12, отличающееся тем, что участок с регулируемыми створками выполнен в виде осесимметричного патрубка, установленного снаружи на выходе поворотного патрубка с кольцевым зазором и с возможностью телескопического перемещения вдоль его выходного участка. 14. Устройство для сжигания по п. 12, или 13, отличающееся тем, что на выходе поворотного патрубка установлен эжекторный насадок. 15. Устройство для сжигания по пп. 12 или 13, 14, отличающееся тем, что на выходном участке поворотного патрубка по окружности выполнены ряды отверстий. 16. Устройство для сжигания по пп. 12 или 13-15, отличающееся тем, что поворотный патрубок выполнен из шарнирных сегментов. 17. Устройство для сжигания по пп. 12 или 13-16, отличающееся тем, что поворотный патрубок установлен на вращающемся шарнире. 18. Устройство для сжигания по пп. 12 или 13-17, отличающееся тем, что на входе и выходе вертикальной шахты, а также на входе и выходе тяговой трубы установлены датчики скорости и температуры, сообщенные с блоком управления.