АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ УГОЛЬНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может найти практическое применение при отоплении частных жилых домов, зданий промышленного и социально-культурного назначения площадью до 2000 кв.м. Устройство относится к автоматизированным угольным котлам, работающим на любом сорте угля.
В качестве прототипа для устройства подачи топлива выбрано транспортное устройство со шнековым транспортером [RU 2117617, 28.03.1995, МПК B65G 33/14, F23K 3/14], который расположен в корпусе, имеющем загрузочное и разгрузочное отверстия. На одном из участков корпуса шнековый транспортер имеет меньший диаметр лопастей, чем в остальной области. Между шнековым транспортером и корпусом может находиться пространство разминования для относительно больших частей подлежащего транспортировке материала. Участок с меньшим подъемом расположен в направлении транспортировки на расстоянии от загрузочного отверстия между двумя участками с большим подъемом. Обеспечивается такое уплотнение подлежащего транспортировке вещества, что никакие газообразные вещества, такие как воздух или выделяющаяся при нагревании угля газовая фаза топлива не могут протекать через транспортное устройство
Конструкция транспортного устройства позволяет предотвратить заклинивание шнека из-за образования воздушной пробки в трубе шнека, засорения шнека.
Однако возможно нарушение непрерывности подачи топлива в результате заклинивания шнека при попадании крупной породы в зону соединения бункера со шнековым устройством. В существующих конструкциях шнековых конвейеров на вал электропривода ставят предохранительную шпонку, срезаемую при заклинивании. Это неудобно для потребителя, так как для восстановления работы приходится останавливать шнековый конвейер и менять эту деталь.
В качестве прототипа для горелки выбрана горелка для твердого топлива [RU 2129687, 28.01.1994, МПК 6 F23B 1/32, F23K 3/14, F23L 1/00]. Горелка монтируется на топке котла так, что ее передняя часть пропущена через отверстие, выполненное в обмуровке топки, в камеру сгорания. Горелка содержит трубчатый основной корпус, в котором установлен шнек для подачи твердого топлива, при этом свободный конец шнека расположен в передней части горелки, а противоположный закрытый конец - в подшипнике. Горелка также содержит силовую передачу для вращения подающего шнека внутри основного корпуса, камеру воспламенения топлива, расположенную в передней части, один открытый конец соединен с основным корпусом так, что в ней расположен свободный конец подающего шнека, питающий воздухопровод для подачи первичного воздуха для горения, при этом выпускной конец воздухопровода расположен в камере, и загрузочное отверстие, выполненное в основном корпусе для подачи твердого топлива из контейнера к шнеку.
Изобретение позволяет обеспечить регулируемую подачу твердого топлива в камеру сгорания и удаление сгоревших остатков.
К недостаткам устройства следует отнести сложность изготовления и возможность применения только с топливом строго калиброванной формы. Невозможна непрерывная подача топлива, поскольку не решены проблемы заклинивания шнека, проникновения газов в трубу шнека, налипания топлива на шнек. Возможен перегрев горелки и части шнека и спекание горящего угля.
В качестве прототипа для автоматизированного угольного котла выбрано устройство для сжигания твердого топлива [RU 2294483, 17.08.2005, МПК F23B 40/00, F23C 5/08], содержащее бункер для сортового либо гранулированного твердого топлива, теплообменник, топку, устройства подачи топлива и воздуха в топку, зольник, блок управления (контроллер), датчики температуры, электрические приводы. В топке установлена вертикальная горелка, выполненная в виде оболочки усеченного конуса с отверстиями для прокачки воздуха и соединенная узкой стороной с устройством подачи топлива и воздуха, представляющего собой коллектор, соединенный с вентилятором, при этом устройство подачи топлива снабжено шнековым конвейером, часть трубы которого, находящаяся в коллекторе, снабжена отверстиями для воздуха.
Устройство может работать на каменном угле, включая мелкие фракции. Перед подачей в зону горения топливо и воздух предварительно подогревают, а затем подают в зону горения топки по алгоритму, обеспечивающему требуемую мощность топки и полноту сгорания топлива. Таким образом, упрощается подача топлива в топку, улучшается надежность безотказной работы теплового агрегата и полнота сгорания топлива, включая каменный уголь и мелкие фракции.
Необходимость предварительно сортировать топливо, либо гранулировать его усложняет процесс. Непрерывность подачи угля может нарушиться по нескольким причинам: зависание угля в бункере, заклинивание шнека, проникновение газов в бункер, прилипание транспортируемого материала к стенкам шнекового транспортера. Не решены также проблемы перегрева горелки и спекания горящего угля. Кроме того невозможно добиться полноты сгорания микроскопических частичек угля и газовой фазы. Несгоревшие частицы угля оседают на теплообменник и вылетают в трубу, загрязняя окружающую среду.
2
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка экономичного и экологичного автоматизированного угольного котла наружного исполнения, работающего на любом сорте угля фракции 0-50, предназначенного для использования при отоплении индивидуальных домов, небольших помещений производственного и общественного назначения площадью до 2000 м.
Для достижения поставленной задачи предлагается автоматизированный угольный котел, содержащий бункер для твердого топлива, устройство подачи твердого топлива, горелку, камеру сгорания, камеру дожигания, теплообменник, экономайзер, золоуловитель, зольник, гравитационно-центробежный фильтр, блок автоматизации,
Устройство подачи твердого топлива выполнено в виде шнекового конвейера, заключенного в цилиндрический корпус, вал которого проходит от бункера через камеру сгорания вдоль оси горелочного устройства, так, что внутренняя полутруба горелки является продолжением корпуса шнекового конвейера и имеет диаметр равный диаметру трубы корпуса шнекового конвейера. Цилиндрический корпус шнекового конвейера содержит загрузочное отверстие для загрузки топлива из угольного бункера и разгрузочное отверстие, через которое топливо подается в горелку. В области загрузочного отверстия на шнеке установлен ворошитель для устранения зависания угля в бункере. Вал шнека выполнен в виде двух полых коаксиальных труб. По внутренней трубе прокачивают охлаждающую жидкость. Диаметр внешней трубы подбирают таким образом, чтобы температура шнека в области горелки была порядка 500°С. Таким образом, достигают долговременной работы шнека в зоне горелки, т.е. материал, из которого изготовлен шнек, не перегорает. Шнек имеет навивку до переднего конца горелки, при этом навивка шнека имеет разрывы, превышающие максимальный размер фракции твердого топлива, в области загрузочного отверстия и между загрузочным и разгрузочным отверстиями. Наличие в области загрузочного отверстия разрыва позволяет исключить заклинивание шнека. Разрыв между загрузочным и разгрузочным отверстиями предназначен для исключения проникновения газов в трубу корпуса шнекового конвейера. Чтобы полностью исключить проникновение газов в трубу корпуса шнекового конвейера, в трубе корпуса между разгрузочным отверстием и разрывом в навивке шнека предусмотрено отверстие для подачи воздуха от вентилятора. Навивка шнека выполнена в виде ряда пластин (лопастей), имеющих форму полуэллипса, наклоненных к оси шнека так, что угол между большой осью эллипса и осью шнека составляет 30-75 градусов. Использование шнека с лопастями такой формы позволяет избежать при изготовлении шнека применения таких технологических операций, как навивки на навивочных станках или растягивания концентрических колец из листового металла. Длину, диаметр, количество лопастей подбирают в зависимости от мощности горелки. На участке, расположенном в горелке, навивка шнека имеет прерывистость 50%, что позволяет поддерживать оптимальные условия горения угля. На участке, расположенном в горелке, количество лопастей, их размеры и расстояние между ними подбирают таким образом, чтобы обеспечить полноту сгорания угля.
Горелка выполнена в виде трех коаксиальных полутруб, расположенных на расстоянии 5 мм и более одна от другой. Внутренняя полутруба горелки является продолжением корпуса шнекового конвейера и имеет диаметр равный диаметру трубы корпуса шнекового конвейера. Внутренняя полутруба горелочного устройства, может расширяться от места соединения с корпусом шнекового конвейера под углом 20 градусов к образующей боковой поверхности трубы корпуса шнекового конвейера, так, что сечение плоскостью перпендикулярной оси вала шнека по переднему концу горелки представляет собой полуэллипс с малой полуосью, длина которой равна радиусу трубы корпуса шнекового конвейера, а длина большой оси составляет 25-100% диаметра трубы корпуса шнекового конвейера. Это позволяет увеличить площадь горения и, следовательно, мощность горелки. В полости между внутренней и средней полутрубами циркулирует охлаждающая жидкость, которую подают через отверстия, выполненные со стороны соединения шнека с горелкой. В полости для циркуляции воды с помощью разветвленной системы перегородок добиваются регулируемого охлаждения поверхности горелки. Температуру слоя угля поддерживают на уровне, исключающем плавление золы во избежание шлакования слоя и перегрева горелки и шнека. В полости между внешней и средней полутрубами выполнена система перегородок и трубок, позволяющая организовать регулируемый процесс подачи первичного воздуха от вентилятора в горелку. Количество сопел подачи первичного воздуха в горелку и плотность их расположения меняется по длине горелки в зависимости от количества воздуха необходимого в данной зоне горения для обеспечения полноты сгорания угля. Сопла подачи первичного воздуха в горелку имеют угол наклона от 10 до 30 градусов в двух плоскостях: по направлению к горизонту и по направлению к движению топлива так, что выходное отверстие ниже входного, что исключает попадание золы в зону циркуляции воздуха при отключении подачи воздуха, так как под действием своего веса зола будет опускаться вниз, не поднимаясь по соплам. Таким образом, за счет конструктивных особенностей горелки достигают уменьшения спекания горящего угля, исключения механического недожога, исключения попадания золы в сопла горелки при отключении подачи воздуха. Изменяя длину и диаметр горелки можно менять мощность горелки в диапазоне 10-200 кВт. При использовании котлов большей мощности возможно использовании угля большей фракции.
Топка котла состоит из камеры сгорания и камеры дожигания. Камера сгорания имеет теплоизолированный водоохлаждаемый корпус в форме кругового цилиндра, расположенного горизонтально, в одном основании которого расположены фланец крепления горелочного устройства и трубка подачи вторичного воздуха, в другом основании - опора для закрепления вала шнека и дверца первичного розжига угля. Цилиндрическая форма камеры сгорания позволяет:
- уменьшить площадь контакта пламени со стенками, что способствует более длительному сохранению пламенем температуры горения пиролизных газов и частичек углерода;
- турбулизировать движение горящих газов для более равномерного перемешивания с воздухом поддува, что обеспечивает более полное сгорание летучих компонентов угля. Камера сгорания соединяется с камерой дожигания через горловину с фланцем крепления теплообменника, с зольником - через горловину с фланцем крепления зольника.
Внутри теплообменника, выполненного в форме вертикального кругового полого цилиндра с крышкой - в одном основании, и фланцем крепления - в другом основании, расположены камера дожигания, имеющая форму вертикального кругового полого цилиндра, одно основание которого открыто во внутренний объем теплообменника, другое - в канал горловины, соединяющей камеру дожигания с камерой сгорания, и кольцевая камера теплоносителя. По оси камеры дожигания расположены турбулизаторы, представляющие собой лопасти в форме пропеллера, повернутые на 90 градусов друг относительно друга. Количество турбулизаторов (один или более) подбирают в зависимости от мощности котла. Внутренняя поверхность камеры дожигания теплоизолирована шамотным кирпичом и теплоизоляционным огнестойким картоном. Конструкция камеры дожигания рассчитана так, что по всей длине канала обеспечивается оптимальная для горения температура 800-1000°С. Длина камеры дожигания должна быть не менее метра, что позволяет дожечь все летучие компоненты даже длиннопламенных углей. Кольцевая камера теплоносителя с патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя, образована корпусом теплообменника и корпусом камеры дожигания. Дымогарные трубы, расположены в камере теплоносителя таким образом, что концами они крепятся к торцевым поверхностям камеры, образуя сквозные каналы, соединяющие камеру дожигания с экономайзером.
Экономайзер представляет собой кольцевую камеру, образованную двумя вертикальными коаксиальными цилиндрами, внутренний из которых является корпусом теплообменника, внешний располагают таким образом, чтобы между основаниями цилиндров был зазор. Экономайзер имеет выходы в гравитационно-центробежный фильтр и в зольник через золоуловитель. На фиг.1 представлено изображение автоматизированного угольного котла со шнековым конвейером - вид сбоку. На фиг.2 представлено изображение горелки - вид в разрезе А-А. На фиг.3. представлено изображение теплообменника - вид в разрезе Б-Б. Где: 1 - бункер для твердого топлива, 2 - ворошитель угля, 3 - шнековый конвейер, 4 - опора для закрепления оси шнека, 5 -электропривод, 6 - горелочное устройство, 7 - устройство подачи воздуха (вентилятор наддува), 8 - камера сгорания, 9 - водоохлаждаемый корпус камеры сгорания, 10 - фланец крепления горелки, 11 - передняя дверца для первичного розжига угля, 12 - горловина с фланцем для крепления теплообменника, 13 - фланец крепления зольника, 14 - зольник, 15 - камера дожигания, 16 - камера теплоносителя, 17 - теплоизоляция камеры дожигания, 18 - турбулизаторы газового потока, 19 - дымогарные трубы, 20 - экономайзер уходящих газов, 21 - загрузочное отверстие шнекового конвейера, 22 - разгрузочное отверстие шнекового конвейера, 23 - теплообменник, 24 - крышка теплообменника, 25 - гравитационно-центробежный фильтр, 26 - выхлопной патрубок, 27 - устройство автоматической очистки дымогарных труб, 28 - разрыв в навивке шнека, 29 - разрыв в навивке шнека, 30 - сопла, 31 - огнеупорная трубка, 32 - золоуловитель, 33, 34, 35 - три коаксиальные полутрубы горелки. Автоматизация на изображении не обозначена.
Автоматизированный угольный котел работает следующим образом.
Уголь любого сорта фракции 0-50 засыпают в бункер 1. Из бункера под воздействием веса через загрузочное отверстие 28 уголь поступает в шнековый конвейер 3, ось которого проходит через всю камеру сгорания 8 и закрепляется в основании корпуса 9 камеры сгорания в опоре 4. Уголь ворошат с помощью ворошителя 2, что позволяет избежать зависания угля в бункере. Электропривод 5, вращая шнек, непрерывно подает уголь в горелку 6, расположенную в камере сгорания 8 топки котла. Для предотвращения заклинивания шнека, а также предотвращения проникновения газов из топки в шнековый конвейер в навивке шнека предусмотрены разрывы 28 и 29, превышающие максимальный размер фракции угля, соответственно, в области загрузочного отверстия 21 и между загрузочным 21 и разгрузочным 22 отверстиями. В зоне разрыва 29 уголь не транспортируется шнеком, а продавливается по трубе, при этом он заполняет все сечение трубы, создавая пробку, через которую газы из топки не проходят в угольный бункер. Полностью исключить проникновение газов в трубу корпуса шнекового конвейера позволяет избыточное давление воздуха, подаваемого вентилятором 7. Сжигание угля осуществляют в охлаждаемой горелке 6, которая крепится с помощью фланца 10 к основанию корпуса камеры сгорания 8 топки котла. Охлаждение горелки осуществляют с помощью охлаждающей жидкости, подаваемой через отверстия, выполненные со стороны соединения шнека с горелкой. Для обеспечения полноты сгорания угля первичный воздух в горелку подают через сопла 30, количество и плотность расположения которых меняется по длине горелки в зависимости от зоны горения. В камеру сгорания 8 воздух подают через огнеупорную трубку 31. В горелке уголь поджигают как в бытовой печи, с помощью легко воспламеняемого топлива (дров, бумаги, бересты и т.п.). Для розжига угля в основании корпуса камеры сгорания предусмотрена дверца 11. Транспортировку горящего угля осуществляют шнеком от начала к концу горелки. В зоне горения поддерживают оптимальную толщину слоя угля, порядка 15 см, за счет того, что навивка шнека здесь прерывистая. Охлаждение горелки, регулируемая в зависимости от зоны горения угля подача воздуха, а также охлаждение вала шнека и лопастей в зоне горения, особенности формы лопастей и их расположение позволяют поддерживать температуру в горелке на уровне, исключающем плавление золы и перегрев горелки и шнека. По мере продвижения вперед уголь полностью сгорает, образующаяся зола падает в зольник 14, соединенный с камерой сгорания посредством фланца 13, а раскаленные газы поступают из камеры сгорания 8 через горловину 12 в камеру дожигания 15, теплоизолированную шамотным кирпичом и теплоизоляционным огнестойким картоном. Дожигание происходит за счет активного перемешивания горящих газов с вторичным воздухом при температуре 800°С. Также в камере дожигания посредством турбулизаторов 18 происходит турбулизация потока для лучшего перемешивания продуктов горения и воздуха. Длина камеры дожигания не менее 1 метра, что позволяет дожигать все летучие компоненты, даже длиннопламенных углей. В камере дожигания поток газа движется вверх и закручивается по спирали, при этом под действием центробежной силы более тяжелые частички сажи и золы отбрасываются на раскаленные стенки камеры, сгорают, и под действием силы тяжести падают вниз, в горелку, после чего перемещаются вместе со шлаком в зольник. Кроме того, при движении вверх в вертикальном канале камеры дожигания происходит снижение скорости частиц сажи и золы и падание их в горелку и далее перемещение в зольник. Раскаленные газы, пройдя камеру дожигания 15 и развернувшись на 180 градусов, поступают в дымогарные трубы 19, расположенные в кольцевой камере теплоносителя 16, теплообменника 23. Подвод и отвод жидкого теплоносителя в камеру 16 осуществляется через патрубки (не обозначено на чертеже). Движение газов вниз по дымогарным трубам обеспечивает эффективный теплообмен за счет противотока дымовых газов и теплоносителя в теплообменнике и отсутствие нарастания сажи на стенах труб, за счет сдувания потоком частичек сажи и золы со стен дымогарных труб в золоуловитель 32, затем - в зольник 14. Газы, пройдя дымогарные трубы, вновь делают поворот на 180 градусов и попадают в экономайзер 20. Движение дымовых газов в экономайзере происходит вверх со скоростью в несколько раз ниже, чем в камере дожигания и дымогарных трубах. Таким образом, на этом повороте частицы золы и сажа, подвергаясь действию центробежных и гравитационных сил, падают в золоуловитель 32, затем - в зольник 14. В экономайзере происходит теплообмен между дымовыми газами и стенками теплообменника, что приводит к дополнительному съему тепла от дымовых газов. Далее поток газов попадает в гравитационно-центробежный фильтр 25 и через выхлопной патрубок 26 выбрасывается наружу.
Таким образом, в выхлопе котла не содержится ни дыма (несгоревшие летучие частички сажи), ни запаха (несгоревшие летучие газообразные компоненты угля), ни золы уноса. Участок территории вокруг котельной остается чистым.
Работа котла управляется электронным контроллером, который выполняет следующие функции: поддерживает необходимую температуру теплоносителя в зависимости от температуры окружающей среды; управляет подачей угля; управляет подачей первичного и вторичного воздуха; отключает подачу угля и воздуха при превышении температуры 95°С. Циркуляция теплоносителя обеспечивается циркуляционным насосом. Система безопасности работы котельной многоуровневая:
- при превышении температуры 95°С контроллер блокирует подачу топлива и воздуха;
- при превышении температуры 98°С отдельное реле отключает контроллер (кроме циркуляционного насоса);
- при превышении давления в системе выше заданного уровня срабатывает аварийный клапан, который сбрасывает давление в отдельную емкость;
- при поломке главного циркуляционного насоса автоматически включается резервный насос;
- при отключении электричества включается блок аварийного бесперебойного питания с аккумулятором или автоматический бензогенератор.
Практическая реализация.
2
Разработаны и испытаны угольные котлы мощностью 25 и 40 кВт, позволяющие отопить помещение площадью 150-1000 м (площадь зависит от качества утепления здания). В таблице приведены основные технические характеристики.
Таблица.Основные технические характерно мощностью 25 и 40 кВт.тики угольных котлов
Максимальная мощность, кВт
25
40
Минимальная мощность, кВт
3-5
Площадь отапливаемого здания, м2
150-500
300-1000
Расход угля при максимальной мощности, кг/час
3,5-4
5,5-6,5
КПД котла, %
92-95
92-95
КПД с учетом теплопотерь контейнера и теплотрассы, %
83-87
85-90
Размер бункера, м3
3,5
Время работы на одной загрузке бункера при макс.мощности, дней
30-35
18-22
Максимальное рабочее давление в системе, кгс/см2
2
Диапазон рабочей температуры теплоносителя, °С
40-95
Резьба для подключения трубопровода
G1”
Напряжение питающей сети, В
220
Средняя мощность, потребляемая от электросети, Вт
200
Пиковая мощность потребляемая от электросети, Вт
650
Диаметр дымоотводной трубы, мм
150
Максимальная температура выходящих газов, °С
120
Время выхода на рабочий режим после розжига, часов
8-12
Габаритные размеры (Д×Ш×В), м
3,2×2,6×2,4
Масса установки без угля, т
1,7
1,9
Содержание выходящих газов (мг/м<sup>3</sup>), данные от 24.06.2010 г.
СО
260
NO
64
NO<sub>2</sub>
0
NO<sub>x</sub>
64
SO<sub>2</sub>
18