Топка для сжигания биотоплив Российский патент 2023 года по МПК F23B10/00 

Изобретение относится к устройствам для сжигания биотоплив в виде пеллет и щепы размером не более 50 мм с относительной влажностью до 30 % и может найти применение в теплоэнергетике.

Известны топки с наклонно-переталкивающими решетками, в которых топливо из бункера поступает на колосниковую решетку, которая образована из чередующихся рядов подвижных и неподвижных колосников, расположенных ступенями. Угол наклона колосниковой решетки меньше угла естественного откоса сжигаемого топлива и перемещение топлива по решетке происходит за счет возвратно-поступательного движения подвижных колосников, при этом происходит шуровка слоя. Подача воздуха под колосниковую решетку осуществляется позонно. [Стырикович М.А., Катковская К.Я., Серов Е.П. Котельные агрегаты. М.-Л. Госэнергоиздат, 1959, с. 78].

Для уменьшения потерь теплоты с химической неполнотой сгорания в топках с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками стали использовать сопла острого дутья, установленные на фронтовой и задней стенах, что позволило несколько снизить величину данной потери до 2,5–3,0 %. [Думер А.Б. Механизмы топочных устройств. М.-Л. Госэнергоиздат, 1963, с. 92-93].

Известны топки с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками для сжигания древесных отходов с умеренной влажностью, в которых отходы подаются на колосниковую решетку шнековыми питателями, первичный воздух подается под решетку позонно (три зоны), а вторичный воздух вводится в топочный объем над второй и третьей зонами колосниковой решетки со стороны боковых стен с помощью горизонтальных цилиндрических сопл, расположенных встречно в одной вертикальной плоскости. Количество сопл вторичного дутья определяется длиной колосниковой решетки и соответственно тепловой мощностью топки. Высокотемпературные продукты сгорания в надслоевой области камеры сгорания двигаются к первой зоне колосниковой решетки, интенсифицируя термическую подготовку свежего топлива к воспламенению, и через выходное окно прямоугольного сечения, расположенное в своде арочного типа над конечным участком первой зоны решетки, направляются в камеру дожигания и охлаждения, в которой завершается процесс горения и происходит охлаждение дымовых газов перед их поступлением в газоводяной теплообменник. [Любов В.К., Любова Н.В. Сжигание биотоплив в котлах «Danstoker» // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: Материалы международной научно-технической конференции. Вологда: РИО ВоГТУ, 2009 с. 105-107].

Известны топки для сжигания древесного гранулированного топлива в водогрейных котлах, состоящие из камеры сгорания, стенки которой покрыты огнеупорным материалом, и камеры дожигания и охлаждения, на стенах которой отсутствует огнеупорный материал, и они передают теплоту котловой воде. Камера сгорания оборудована «корытообразным» горелочным устройством, стенки которого имеют расширение к верху и закрыты колосниками. Дно горелочного устройства выполнено из огнеупорного материала и имеет в зоне входа гранул углубление, выполняющее функцию стабилизатора первичного воспламенения и горения топлива. Подача древесных гранул в данное горелочное устройство осуществляется со стороны фронтовой стены шнековым питателем с частотным регулированием производительности. Первичный и вторичный воздух подаются с помощью индивидуальных вентиляторов, установленных с фронта котла и оборудованных частотным регулированием производительности. Первичный воздух проходит через зазоры колосников горелочного устройства и пронизывает слой топлива в горелке. Он подается в меньшем количестве, чем теоретически необходимо для сгорания топлива. Для обеспечения догорания горючих компонент топлива в надслоевую зону горелочного устройства подается вторичный воздух через сопла, расположенные вдоль боковых стен камеры сгорания встречно с наклоном вверх ~ 53^о. Количество сопл вторичного дутья, определяется длиной камеры сгорания и соответственно тепловой мощностью топки. Высокотемпературные дымовые газы поднимаются в камеру дожигания и охлаждения, где их температура снижается до значений, гарантирующих надежную работу газоводяного теплообменника, и они через выходное окно, в котором расположены трубы, обеспечивающие связь задней стены топки с потолком котла по котловой воде, поступают в поворотную камеру газоводяного теплообменника. При омывании продуктами сгорания данных труб, происходит турбулизация газового потока, что интенсифицирует теплообмен в газоводяном теплообменнике, расположенном за топкой котла. За горелочным устройством имеется порог, исключающий самопроизвольный вывод золы и шлака в канал сбора очаговых остатков для их последующего удаления из камеры сгорания. [Любов В.К., Цыпнятов И.И. Влияние конструкции котлов на эффективность сжигания древесных гранул //Материалы международной научно-практической конференции (20-21 апреля 2023 г.) «Золотухинские чтения. Нефть, газ и энергетика в Арктическом регионе», САФУ, 2023, с. 230-234].

Однако данные топки очень чувствительны к гранулометрическому составу сжигаемого топлива, изменению его теплотехнических характеристик, отклонению режимов работы от оптимальных и продолжительной эксплуатации с теплопроизводительностью близкой к номинальной. При увеличении в составе сжигаемого топлива мелких фракций, повышении его влажности наблюдается прогрессирующее накопление отложений очаговых остатков в горелочном устройстве и на обмуровке камер сгорания, сопровождающееся упрочнением этих отложений вследствие их оплавления и спекания. Данный развивающийся процесс и отсутствие самопроизвольного вывода золы и шлака в канал сбора очаговых остатков приводят к перекрытию части сопл вторичного воздуха. При этом автоматика котла дает сигнал на увеличение расхода первичного воздуха, что повышает температурный уровень в горелочном устройстве и интенсифицирует оплавление отложений очаговых остатков, увеличивая их прочность и плотность, одновременно ускоряя рост их толщины. Кроме этого, происходит оплавление огнеупорных материалов в горелочном устройстве и камере сгорания. Через короткий промежуток времени котел теряет работоспособность и требуются значительные материальные и трудовые затраты для возврата его в эксплуатацию. При этом данные явления в работе котлов с топками, оснащенными «корытообразными» горелочными устройствами, наблюдаются ежегодно, что приводит к снижению эффективности и надежности работы котлов и систем теплоснабжения.

Данное топочное устройство принято нами за прототип.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание высокоэффективной низкоэмиссионной топки для сжигания гранулированных биотоплив и щепы, исключающей шлакование горелочного устройства и обмуровки камеры сгорания.

Это достигается тем, что у топки со шнековым питателем гранулированного биотоплива или щепы в «корытообразное» горелочное устройство, боковые, фронтовая и задняя стенки которого расширяются к верху и закрыты колосниками, а дно выполнено из огнеупорного материала и имеет в зоне входа биотоплива у фронтовой стены углубление, выполняющее функцию стабилизатора первичного воспламенения и горения топлива, содержащей камеру сгорания, снабженную шнековым устройством подачи топлива, каналами для ввода первичного воздуха под колосники горелочного устройства и вторичного воздуха в сопла у боковых стен, стены которой покрыты огнеупорным материалом и камеру дожигания и охлаждения, на стенах которой отсутствует огнеупорный материал, и они передают теплоту котловой воде, в выходном окне которой расположены трубы, обеспечивающие связь задней стены топки с потолком котла по котловой воде, и осуществляющие турбулизацию продуктов сгорания на выходе из камеры дожигания и охлаждения, угол установки сопл подачи вторичного воздуха уменьшен до 15–25^о к горизонту, и они расположены со смещением на полшага относительно сопл противоположной стены, угол наклона задней стенки «корытообразного» горелочного устройства уменьшен до 30–45^о к горизонту и отсутствует порог, исключающий самопроизвольный вывод золы и шлака в канал сбора очаговых остатков для их последующего удаления из топки, на трубах, расположенных в выходном окне камеры дожигания и охлаждения, выполнены поперечные ребра для дополнительной турбулизации и охлаждения продуктов сгорания.

На фиг. 1 изображена предлагаемая топка, продольный разрез; на фиг. 2 – поперечный разрез А-А фиг.1, на фиг. 3 – поперечный разрез Б-Б фиг.1.

Топка для сжигания гранулированных биотоплив или щепы размером не более 50 мм с относительной влажностью до 30 % содержит камеру сгорания 1, стенки которой покрыты огнеупорным материалом 2, и дожигания и охлаждения 3, на стенах которой отсутствует огнеупорный материал и они передают теплоту котловой воде, в выходном окне расположены трубы 4 с поперечными ребрами, обеспечивающие связь задней стены топки 5 с потолком 6 котла по котловой воде, и осуществляющие турбулизацию продуктов сгорания на выходе из камеры дожигания и охлаждения 3. После выходного окна продукты сгорания направляются в газоводяной теплообменник, где обеспечивают нагрев котловой воды. На фронтовой стене 7 камеры сгорания 1 установлен шнековый питатель топлива 8, а вдоль боковых стен под углом 15–25^о к горизонту установлены встречно-смещенно сопла вторичного воздуха 9. Подача биотоплива осуществляется в «корытообразное» горелочное устройство 10, боковые 11, фронтовая 12 и задняя 13 стенки которого закрыты колосниками, а дно выполнено из огнеупорного материала и имеет в зоне входа гранул у фронтовой стены 7 углубление 14, выполняющее функцию стабилизатора первичного воспламенения и горения топлива. Подача первичного воздуха под колосники горелочного устройства 10 и вторичного воздуха к соплам осуществляется с помощью соответствующих воздуховодов 15 и 16, проложенных в основании камеры сгорания 1. Зола и шлак, образующиеся при сгорании биотоплива, постепенно наполняют объем «корытообразного» горелочного устройства 10 и перемещаются к его задней стенке 13, угол наклона которой уменьшен до 30–45^о градусов к горизонту. По мере наполнения объема горелочного устройства 10 очаговыми остатками при отсутствии порога происходит их самопроизвольный вывод в канал сбора очаговых остатков 17 для их последующего удаления из топки. Для осмотра, ремонта и чистки топка оборудована лазами 18.

Работа топки для сжигания гранулированных биотоплив или щепы размером не более 50 мм осуществляется следующим образом.

Гранулированное биотопливо или щепа из промежуточного бункера питателем 8 подается в «корытообразное» горелочное устройство 10, боковые 11, фронтовая 12 и задняя 13 стенки которого закрыты колосниками, а дно выполнено из огнеупорного материала и имеет в зоне входа биотоплива у фронтовой стены 7 углубление 14, выполняющее функцию стабилизатора первичного воспламенения и горения топлива. Под колосники горелочного устройства 10 по воздуховодам 15 подается первичный воздух, обеспечивающий воспламенение и частичное выгорание горючих компонент биотоплива. В процессе работы котла количество очаговых остатков в объеме «корытообразного» горелочного устройства 10 увеличивается, и они постепенно перемещаются к задней стенке 13 горелочного устройства 10, колосники которого имеют меньший угол наклона к горизонту, чем на стенках 11, 12 горелочного устройства 10. Данное обстоятельство обеспечивает ворошение частиц золы и шлака и их самопроизвольный вывод в канал сбора очаговых остатков 17, для последующего удаления из топки. Продукты неполного горения, поднимающиеся вверх из горелочного устройства 10, попадают в вихревые потоки, образующиеся при взаимодействии встречно-смещенных струй вторичного воздуха, выходящих из сопл 9. Вихревые потоки горячих топочных газов оказывают воздействие и на слой биотоплива, расположенный в объеме «корытообразного» горелочного устройства 10, повышая равномерность его распределения по ширине горелочного устройства, обеспечивая ворошение частиц и исключая появление прочных шлаковых образований в горелочном устройстве и на обмуровке камеры сгорания. Подвод вторичного воздуха к соплам 9 осуществляется с помощью воздуховодов 16. Данная слое-вихревая схема двухступенчатого сжигания обеспечивает высокую полноту выгорания горючих компонент топлива и низкие значения эмиссий оксидов азота. Первичный воздух в горелочное устройство 10 подается в меньшем количестве, чем теоретически необходимо для сгорания топлива. Соотношение между первичным и вторичным воздухом определяется теплофизическими характеристиками сжигаемого топлива, с ростом влажности топлива доля первичного воздуха увеличивается. Пройдя камеру дожигания и охлаждения 3, на стенах которой отсутствует огнеупорный материал, продукты сгорания передают часть своей теплоты котловой воде и направляются в выходное окно, в котором расположены трубы 4, обеспечивающие связь задней стены 5 топки с потолком 6 котла по котловой воде. При омывании продуктами сгорания труб 4, имеющих поперечные ребра, происходит дополнительная турбулизация газового потока, что интенсифицирует теплообмен в газоводяном теплообменнике, расположенном за топкой котла, и обеспечивает снижение потерь тепла с уходящими газами и повышение КПД котла. Снижение уровня максимальных температур в горелочном устройстве 10, обеспечение ворошения и самопроизвольного вывода частиц золы и шлака в канал сбора очаговых остатков 17 исключает спекание очаговых остатков и обеспечивает надежную работу горелочного устройства и в целом котла, значительно увеличивая его компанию между остановами на чистку.

Для обеспечения плавного регулирования производительности котла электропривода дымососа, шнекового питателя и вентиляторов имеет частотное регулирование.

Опыт исследовательских работ на котлоагрегатах, сжигающих различные виды биотоплив и имеющих различное конструктивное исполнение, позволяет прогнозировать высокоэффективное низкоэмиссионное сжигание гранулированных биотоплив или щепы размером не более 50 мм с относительной влажностью до 30 % в предлагаемом топочном устройстве. Кроме этого, применение данного топочного устройства создает предпосылки для повышения среднеэксплуатационного КПД брутто котла не менее чем на 2,0 % за счет уменьшения потерь тепла с уходящими газами и с химической неполнотой сгорания топлива, обеспечит возможность работы при сверхмалых избытках воздуха на выходе из топки (α_т = 1,15–1,25), снизит эмиссии оксидов азота на 15–30 % и оксида углерода на 15–35 %, а также продлит жизненный цикл колосников горелочного устройства и обмуровки камеры сгорания.

Изобретение относится к устройствам для сжигания биотоплив в виде пеллет и щепы размером не более 50 мм с относительной влажностью до 30% и может найти применение в теплоэнергетике. Предлагаемая топка содержит шнековый питатель гранулированного биотоплива или щепы в «корытообразное» горелочное устройство, боковые, фронтовая и задняя стенки которого расширяются к верху и закрыты колосниками. Дно горелочного устройства выполнено из огнеупорного материала и имеет в зоне входа биотоплива у фронтовой стены углубление, выполняющее функцию стабилизатора первичного воспламенения и горения топлива. Топка содержит камеру сгорания, снабженную шнековым устройством подачи топлива, каналами для ввода первичного воздуха под колосники горелочного устройства и вторичного воздуха в сопла у боковых стен, стены которой покрыты огнеупорным материалом, и камеру дожигания и охлаждения, на стенах которой отсутствует огнеупорный материал, и они передают теплоту котловой воде. В выходном окне камеры дожигания расположены трубы, обеспечивающие связь задней стены топки с потолком котла по котловой воде и осуществляющие турбулизацию продуктов сгорания на выходе из камеры дожигания и охлаждения. Угол установки сопл подачи вторичного воздуха уменьшен до 15-25° к горизонту, и они расположены со смещением на полшага относительно сопл противоположной стены. Угол наклона задней стенки «корытообразного» горелочного устройства уменьшен до 30-45° к горизонту, и отсутствует порог, исключающий самопроизвольный вывод золы и шлака в канал сбора очаговых остатков для их последующего удаления из топки; на трубах, расположенных в выходном окне камеры дожигания и охлаждения, выполнены поперечные ребра для дополнительной турбулизации и охлаждения продуктов сгорания. 3 ил.

Топка для сжигания биотоплив со шнековым питателем гранулированного биотоплива или щепы в «корытообразное» горелочное устройство, боковые, фронтовая и задняя стенки которого расширяются к верху и закрыты колосниками, а дно выполнено из огнеупорного материала и имеет в зоне входа биотоплива у фронтовой стены углубление, выполняющее функцию стабилизатора первичного воспламенения и горения топлива, содержащая камеру сгорания, снабженную шнековым устройством подачи топлива, воздуховодами для ввода первичного воздуха под колосники горелочного устройства и вторичного воздуха в сопла у боковых стен, стены которой покрыты огнеупорным материалом, и камеру дожигания и охлаждения, на стенах которой отсутствует огнеупорный материал, и они передают теплоту котловой воде, в выходном окне которой расположены трубы, обеспечивающие связь задней стены топки с потолком котла по котловой воде и осуществляющие турбулизацию продуктов сгорания на выходе из камеры дожигания и охлаждения, отличающаяся тем, что угол установки сопл подачи вторичного воздуха уменьшен до 15-25° к горизонту и они расположены со смещением на полшага относительно сопл противоположной стены, угол наклона задней стенки «корытообразного» горелочного устройства уменьшен до 30-45° к горизонту, и отсутствует порог, исключающий самопроизвольный вывод золы и шлака в канал сбора очаговых остатков для их последующего удаления из топки; на трубах, расположенных в выходном окне камеры дожигания и охлаждения, выполнены поперечные ребра для дополнительной турбулизации и охлаждения продуктов сгорания.