ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ, РАБОТАЮЩИЙ НА БИОТОПЛИВЕ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ИЗ СОЛОМЫ В БРИКЕТАХ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ Российский патент 2005 года по МПК F24H1/44 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к водогрейным котлам, работающим на возобновляемом биотопливе, преимущественно из соломы в брикетах цилиндрической формы.

Производство тепловой энергии из возобновляемых источников является характерной тенденцией развития мировой энергетики. В этой связи биомасса (солома злаковых культур, отходы деревообработки и т.д.) рассматриваются в качестве широко доступного, возобновляемого, СО₂ - нейтрального топлива.

Традиционно сжигание твердого топлива с целью получения тепловой энергии осуществляется в котлах с жаровыми или дымогарными трубами (Щеголев М.М. Топливо, топки и котельные установки. М., Гостоптехиздат, 1953 г., с.543).

Как правило, такие котлы включают в себя стальной цилиндрический корпус, заполненный нагреваемой водой, расположенную внутри или снаружи корпуса цилиндрическую камеру сгорания (топку), которая соединяется газовыми панелями с пакетом окружающих камеру сгорания параллельных дымогарных труб, коллектор отработанных газов, выходной газоход, а также устройства для ввода топлива в камеру сгорания.

Сжигание биотоплива в таких котлах сопряжено с необходимостью обеспечения эффективного распределения воздуха по топочному объему и его качественного перемешивания с дымовыми газами, что не всегда осуществимо. Невыполнение этих условий снижает общий коэффициент полезного действия котла и ведет к неоправданному расходу топлива.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фермерский котел периодической загрузки для сжигания крупных брикетов соломы (Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Обзор технологий сжигания соломы с целью выработки тепла и электроэнергии. "Экотехнологии и ресурсосбережение" №6, 1998 г., с.3-11).

Котел содержит горизонтальную цилиндрическую топку, закрываемую с торца дверью. Непосредственно над топкой расположен теплообменный блок, представляющий собой кожух с расположенным в нем пучком жаровых труб. Межтрубное пространство кожуха, стенки котла, а также дверь связаны в единый контур, охлаждаемый водой. Котел снабжен системой подачи воздуха в зону горения топлива, состоящую из газодувки с регулируемой заслонкой и коллекторов. Отработанные дымовые газы выводятся из котла через газоход.

Работа котла осуществляется в следующей последовательности. В топку устанавливается один или несколько (в зависимости от габаритов) брикетов соломы и с помощью внешнего источника производится их розжиг. Дверь топки закрывается, и в зону горения подается воздух с определенным расходом. Выделяющиеся в процессе горения дымовые газы нагревают воду, циркулирующую через теплообменный блок, стенки и дверь котла. По мере выгорания соломы производится выгрузка золы из топки и закладка следующего брикета топлива.

Конструкцию известного котла нельзя признать технически совершенной, поскольку при ее эксплуатации возникают затруднения в обеспечении равномерности выгорания брикета соломы, связанные главным образом с локальным подводом воздуха в зону горения и обусловливающие невысокую температуру в топке, длительность самого процесса горения брикета. При этом на низкотемпературных поверхностях котла возможно появление шлаковых отложений, что существенно снижает эффективность его работы Громоздкая система теплообменных поверхностей котла, подверженных коррозии и отложению накипи, снижает его функциональную надежность и требует наличия сложной системы водоподготовки (обезгаживание и обессоливание). Кроме того, при эксплуатации котла возникают неудобства при выгрузке золы, некомпактно накапливающейся на дне топки.

Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции водогрейного котла, работающего на биотопливе, преимущественно из соломы в брикетах цилиндрической формы, позволяющей повысить эффективность сжигания топлива за счет обеспечения равномерного горения брикета во всем его объеме путем оптимального распределения по топочному объему воздуха, поступающего в зону горения и эффективного дожигания летучих компонентов при одновременном повышении эксплуатационных удобств, надежности и снижении шлакообразования на низкотемпературных поверхностях.

Поставленная задача решается предложенным водогрейным котлом, включающим систему охлаждения, средства подключения к системе отопления, дымогарный теплообменный блок, топку с дверью, обмуровкой и средством дозированной подачи воздуха, особенность заключается в том, что теплообменный блок выполнен двухходовым с нижним и верхним пучками труб, с расположенной на его входе камерой дожигания, образованной стенами топки, решеткой нижнего пучка труб и горизонтальной пластиной, размещенной между пучками труб, и оснащенной устройством для регулирования подачи воздуха, с торцов теплообменного блока расположены передняя и задняя газовые камеры, каждая из которых снабжена теплоизолированным люком для чистки пучков труб, а последняя соединена с выходным газоходом, при этом топка снабжена охладителями свода, выполненными в виде двух экранов из труб, расположенных симметрично по обе стороны теплообменного блока вдоль его продольной оси, и снабженными средствами подключения к системе отопления, в нижней части топки установлена с уклоном в сторону ее задней стенки, оснащенной выступами, обращенными внутрь топки, двухскатная в направлении дна топки колосниковая решетка, под которой расположена зольная камера с, по меньшей мере, одним накопителем золы, выполненным с возможностью свободного перемещения за ее пределы, имеющая, по меньшей мере, один люк для удаления золы, расположенный на ее задней стенке, а в передней стенке зольной камеры размещено средство дозированной подачи воздуха, выполненное в виде поддувала.

При этом уклон колосниковой решетки в сторону задней стенки топки составляет 3-5°.

Кроме того, плоскости двухскатной в направлении дна топки колосниковой решетки имеют угол наклона 10-20°.

Предпочтительно двери топки выполнять двухстворчатыми.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что предложенный котел отличается иным конструктивным выполнением системы охлаждения, включающей межтрубное пространство теплообменного блока и охладители свода, позволяющие снять избыточную тепловую нагрузку в этой зоне и в итоге увеличить общий коэффициент полезного действия котла (в прототипе - единый контур из межтрубного пространства теплообменного блока, стенок котла и двери); наличием камеры дожигания, позволяющей повысить тепловую эффективность котла путем оптимизации дожига летучих компонентов кислородом воздуха, подаваемого в камеру; наличием колосниковой решетки, делящей внутреннее пространство топки с образованием зольной камеры; наличием накопителей золы; иным выполнением средства дозированной подачи воздуха - в виде поддувала, создающего естественную тягу (в прототипе - воздух подается под давлением воздуходувкой, оснащенной заслонкой); иным выполнением теплообменного блока (из двух пучков труб), позволяющим существенно увеличить площадь тепловоспринимающих поверхностей при незначительном увеличении габаритов и сопротивления газового тракта, а следовательно, и повысить эффективность работы котла с оснащением его газовыми камерами, обеспечивающими возможность чистки труб и одновременно являющимися элементами газового тракта.

Таким образом, заявляемый котел соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемой конструкции с прототипом и другими техническими решениями показало, что неизвестен котел, в котором бы имело место предложенное сочетание признаков.

Но именно совокупность отличительных от прототипа признаков с остальными существенными признаками заявляемого решения позволила расширить номенклатуру выпускаемых водогрейных котлов, работающих на биотопливе в брикетах цилиндрической формы, создать конструкцию, обладающую повышенными эксплуатационными удобствами и надежностью, снижающей риск возникновения аварийной ситуации из-за прогорания свода топки и нарушение нормального режима функционирования системы охлаждения; уменьшение площади поверхностей охлаждения, их иное конструктивное исполнение позволяет упростить конструкцию котла при обеспечении высокой тепловой эффективности котла; предлагаемая совокупность признаков, включающая колосниковую решетку, установленную определенным образом и создающую сопротивление поступающему в топку воздуху и обеспечивающую его равномерное распределение по сечению топки, зазор между брикетом сжигаемого топлива и стенкой котла, обеспеченный наличием упоров на ней, позволяет так перераспределить воздушные потоки, что брикет горит равномерно по всему своему объему с более высокой температурой и оптимальным временем, что дает возможность повысить эффективность работы котла и одновременно снизить шлакообразование на низкотемпературных поверхностях, что непременно влечет за собой повышение надежности всей конструкции.

Это дает основание считать предложенный котел обладающим изобретательским уровнем.

При этом наклон колосниковой решетки в направлении задней стенки котла обеспечивает удобство загрузки брикетов цилиндрической формы в топку. При углах наклона менее 3° загрузка брикета сопряжена с необходимостью применения значительных усилий по его перемещению. При углах наклона более 5° в процессе загрузки возможно возникновение значительных ударных нагрузок на заднюю стенку, что также не желательно.

Кроме того, плоскости двухскатной в направлении дна топки колосниковой решетки должны иметь угол наклона не менее 10° для обеспечения условий обдува нижней части брикета и предотвращения зашлаковывания решетки вследствие низкой температуры плавления золы и не более 20° для предотвращения преждевременного прогара охладителей свода.

Предпочтительно двери топки выполнять двухстворчатыми из соображений удобства обслуживания котла.

Заявляемое изобретение представлено на фиг.1, на которой изображен продольный разрез котла, и на фиг.2, где приведен разрез А-А фиг.1

Предлагаемый котел включает дымогарный теплообменный блок 1, внутри которого размещены пучки 2 и 2' труб, а с торцов к нему примыкают передняя 3 и задняя 4 газовые камеры, имеющие теплоизолированные люки 5 и 6, являющиеся одновременно торцовыми стенками соответствующих камер, задняя камера 4 непосредственно соединена с выходным газоходом 7. Теплообменный блок 1, межтрубное пространство которого в рабочем состоянии заполнено водой, имеет патрубки 8 для подсоединения к коллекторам системы отопления. Топка 9 котла представляет собой стальную конструкцию из проката, являющуюся опорой для теплообменного блока 1 и охладителей свода 10, а также каркасом для обмуровки 11. Охладители свода 10 имеют патрубки (не показаны) для подсоединения к соответствующим коллекторам системы отопления. В передней части топки 9 расположены двухстворчатые теплоизолированные двери 12 для загрузки топлива. В верхней части топки 9 размещена камера дожигания газов 13 с пластиной 14, размещенной между верхним 2 и нижним 2 пучками труб, и с устройством для регулирования подачи воздуха 15 (например, шибер). В нижней части топки 9 установлена двухскатная колосниковая решетка 16, на которой размещают брикет 17 биотоплива. Задняя стенка топки 9 оснащена упорами 18, выполненными в виде выступающих частей обмуровки либо из металлических элементов, вмонтированных в обмуровку. Непосредственно под колосниковой решеткой 16 расположена зольная камера 19 с накопителями золы 20. В передней стенке зольной камеры 19 размещено средство дозированной подачи воздуха, выполненное в виде поддувала 21. На задней стенке зольной камеры 19 расположены люки 22 для удаления золы, собранной в накопителях 20. Снаружи водогрейный котел теплоизолирован слоем минеральной ваты и закрыт металлическим кожухом.

Водогрейный котел работает следующим образом. Водяной контур котла, образованный дымогарным теплообменным блоком 1 и охладителями овода 10, подключают через соответствующие патрубки к коллекторам системы отопления. Через двери 12 топки 9, нагретой предварительно до 400-500°С, на колосниковую решетку 16 вкатывают брикет соломы 17. Через поддувало 21 в топку 9 поступает необходимый для горения воздух, расход которого регулируют степенью открытия поддувала 21. Воздух охлаждает колосниковую решетку 16, двери 12 топки 9 и, нагреваясь далее от обмуровки 11, обеспечивает интенсивное горение брикета соломы, что позволяет существенно увеличить температуру горения. Продукты горения поступают из топки 9 в камеру дожигания 13. Поступающий в камеру 13 через устройство 15 регулируемый поток воздуха обеспечивает дожигание летучих компонентов и дополнительное тепловыделение. Поток горячих дымовых газов проходит через нижний пучок 2' дымогарных труб, переднюю газовую камеру 3 и верхний пучок 2 дымогарных труб. При этом снимается основное количество тепла, содержащегося в дымовых газах. Далее газы последовательно проходят через заднюю газовую камеру 4 и под действием разрежения, создаваемого дымовой трубой (не показана), поступают в выходной газоход 7. Часть тепла от сгорания брикета соломы 17 снимается непосредственно в топке 9 котла с помощью охладителей свода 10. Зола с колосниковой решетки 16 падает в накопители 20 (например, выполненные в виде тележек) и удаляется из зольной камеры 19 через люки 22. Сажа и копоть из дымогарных труб 2 и 2' удаляются через люки 5 и 6. После полного сгорания брикета соломы двери 12 открывают и производят загрузку очередного брикета соломы.

Таким образом, предлагаемая конструкция водогрейного котла, работающего на биотопливе, преимущественно из соломы в брикетах цилиндрической формы, практически реализуема. Изготовлены два образца, прошедшие опытную проверку. Изобретение позволяет решить давно существующую потребность в надежных и эффективно работающих котлах, функционирующих на возобновляемом и доступном виде топлива, решить поставленную задачу. Следовательно, заявляемое техническое решение обладает промышленной применимостью.

Изобретение предназначено для нагрева воды и может быть использовано в теплоэнергетике. Котел включает систему охлаждения, топку, теплообменный блок, выполненный двухходовым с нижним и верхним пучками труб с расположенной на его входе камерой дожигания, оснащенной устройством для регулирования подачи воздуха. С торцов теплообменного блока расположены передняя и задняя газовые камеры. Топка снабжена охладителями свода, выполненными в виде двух экранов из труб, расположенных симметрично по обе стороны теплообменного блока вдоль его продольной оси, и снабженными средствами подключения к системе отопления. В нижней части топки установлена с уклоном в сторону ее задней стенки, оснащенной выступами, обращенными внутрь топки, двухскатная в направлении дна топки колосниковая решетка, под которой расположена зольная камера с, по меньшей мере, одним накопителем золы, выполненным с возможностью свободного перемещения за ее пределы, имеющая, по меньшей мере, один люк для удаления золы. В передней стенке зольной камеры поддувало. Изобретение позволяет повысить эффективность сжигания топлива при одновременном повышении эксплуатационных удобств и снижении шлакообразования на низкотемпературных поверхностях. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Водогрейный котел, работающий на биотопливе, преимущественно из соломы в брикетах цилиндрической формы, включающий систему охлаждения, средства подключения к системе отопления, дымогарный теплообменный блок, топку с дверью, обмуровкой и средством дозированной подачи воздуха, отличающийся тем, что теплообменный блок выполнен двухходовым с нижним и верхним пучками труб, с расположенной на его входе камерой дожигания, образованной стенами топки, решеткой нижнего пучка труб и горизонтальной пластиной, размещенной между пучками труб и оснащенной устройством для регулирования подачи воздуха, с торцов теплообменного блока расположены передняя и задняя газовые камеры, каждая из которых снабжена теплоизолированным люком для чистки пучков труб, а последняя соединена с выходным газоходом, при этом топка снабжена охладителями свода, выполненными в виде двух экранов из труб, расположенных симметрично по обе стороны теплообменного блока вдоль его продольной оси, и снабженными средствами подключения к системе отопления, в нижней части топки установлена с уклоном в сторону ее задней стенки, оснащенной выступами, обращенными внутрь топки, двухскатная в направлении дна топки колосниковая решетка, под которой расположена зольная камера с, по меньшей мере, одним накопителем золы, выполненным с возможностью свободного перемещения за ее пределы, имеющая, по меньшей мере, один люк для удаления золы, расположенный на ее задней стенке, а в передней стенке зольной камеры размещено средство дозированной подачи воздуха, выполненное в виде поддувала.2. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что уклон колосниковой решетки в сторону задней стенки топки составляет 3-5°.3. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что плоскости двускатной в направлении дна топки колосниковой решетки имеют угол наклона 10-20°.4. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что двери топки выполнены двухстворчатыми.