Котлоагрегат для сжигания угля, дробленных коммунальных отходов и способ его работы
BOILER FOR BURNING COAL, CRUSHED MUNICIPAL WASTE AND METHOD OF ITS OPERATION

Технические решения относятся к области котлостроения и предназначены для сжигания твердого топлива - угольной смеси и смеси твердых коммунальных отходов в кипящем слое.
Известен котлоагрегат для сжигания угля в кипящем слое по патенту на полезную модель RU 38041 U1 от 20.05.2004, МПК F23C 10/02 - [1], состоящий из механического топочного устройства в виде узкой наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки для сжигания топлива в высокотемпературном кипящем слое, поверхностей нагрева, питателя топлива, эжектора. Поверхности нагрева имеют газоплотные экраны, обеспечивающие разворот газов для организации системы возврата уноса. Подача воздуха осуществляется под решетку и в надслоевое пространство, в топочной камере вдоль решетки установлена дополнительная поверхность нагрева, включенная в контур циркуляции котла.
Данный аналог обладает рядом недостатков:
1. Неравномерность (порционность) подачи топлива скребковым питателем, что нарушает устойчивость горения и температурный режим на статическом режиме и качество переходных процессов на динамических режимах.
2. Нарушается режим горения с увеличением температуры и последующим шлакованием решетки. В частности, при увеличении коэффициента избытка воздуха, происходит увеличение температуры в топке, и как следствие, создаются благоприятные условия для шлакования решетки котла.
3. Подвод воздуха под колосниковую решетку не обеспечивает его движение в строго перпендикулярном решетке направлении. При существующей схеме подвода воздуха происходит смещение потока в сторону стены топки противоположную стороне расположения подводящих патрубков воздуховода. Вышеуказанное обстоятельство приводит к кратерному горению топлива в кипящем слое и неравномерности теплового напряжения объема топочной камеры.
4. Подача вторичного воздуха в надслоевое пространство через сопла круглого сечения недостаточно эффективно снижают унос мелких фракций топлива из кипящего слоя в надслоевое пространство.
Известен котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой для сжигания жидкого топлива по патенту на полезную модель RU 172520 U1 от 11.07.2017, МПК F23C 10/02 - [2], состоящий из механического топочного устройства в виде наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки для сжигания твердого топлива в высокотемпературном кипящем слое, поверхностей нагрева, питателя топлива, эжектора, с поверхностями нагрева в виде газоплотных экранов, обеспечивающих разворот газов для организации системы возврата уноса, с подачей воздуха под решетку и в надслоевое пространство, с дополнительной поверхностью нагрева вдоль решетки, включенной в контур циркуляции котла. В топочном устройстве, на верхнем экране, установлена горелка для сжигания жидкого топлива, направленная в сторону дутьевых зон первичного воздуха колосниковой решетки.
Данный аналог обладает рядом недостатков:
1. Розжиговая горелка установлена в верхнем потолочном экране конвективной секции, что существенно усложняет ее монтаж и эксплуатацию.
2. Горелка в данных устройствах предназначена только для розжига и работы в краткосрочном режиме.
Прототипом заявленных технических решений является котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое по патенту на полезную модель РФ: RU 170747 U1 от 05.05.2017, МПК F23C 10/02 - [3], состоящий из механического топочного устройства в виде наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки для сжигания твердого топлива в высокотемпературном кипящем слое с подачей воздуха под решетку и в надслоевое пространство, поверхностей нагрева в виде газоплотных экранов, обеспечивающих разворот газов для организации системы возврата уноса, питателя топлива, эжектора, дополнительной поверхности нагрева вдоль решетки, включенной в контур циркуляции котла. Питатель топлива выполнен в виде шнека, воздуховод в зоне первичного дутья под решеткой изогнут до вертикального положения, воздуховод в зонах вторичного дутья выполнен в виде щелевых сопел, линия всасывания дутьевого вентилятора котла соединена с напорной линией дымососа для подмешивания уходящих газов, в дополнительную надрешеточную поверхность нагрева включена трубная секция.
Общими недостатками аналогов [1], [2] и прототипа [3] являются:
- данные установки не предназначены для сжигания мусора (частиц твердых коммунальных отходов), так как конструкции данных котлов предназначались для работы на угле или торфоугольной смеси, и не приспособлены для сжигания фракции с коммунальными отходами с требуемой температурой горения, не ниже 1200°С.
- в представленных конструкциях котлов при сжигании угля возможно «засыпания» топки и останов котла, так как нет возможности раздельной подачи крупной фракции на колосниковую решетку и мелкой фракции угля непосредственно в активную зону горения надслоевого пространства.
Недостатки котлоагрегатов для сжигания твердого топлива в кипящем слое [1], [2] и [3] ставят задачу:
- создание комбинированной установки малой мощности с кипящим слоем для сжигания угля совместно с твердыми коммунальными отходами.
- поддержания устойчивого горения и требуемого температурного режима при совместном сжигании твердых коммунальных отходов с углем.
- повышения устойчивости работы котлоагрегата и эффективности сжигания угля на статических и динамических режимах.
Данные задачи решаются за счет того, что для возможности сжигания твердых коммунальных отходов на котлоагрегате удлиняют питатель топлива и над его удлиненной частью по ходу подачи топлива за бункером для угольной смеси устанавливают дополнительный бункер для дробленных твердых коммунальных отходов, при этом для повышения устойчивости работы и эффективности сжигания уголь разделяют на крупные и мелкие фракции, крупные фракции смешивают с дробленными отходами, а мелкие фракции сепарируют и направляют в топочное пространство котла в зону активного горения над колосниковой решеткой воздушным эжектором, для поддержания требуемой температуры горения, устанавливают горелки в боковой обмуровке котла.
При этом топливо в виде угольной смеси необходимо подготовить (измельчить) до фракции 5.…40 мм, твердые отходы отсортировать и подготовить (измельчить) до фракций, с размерами не более 80 мм.
Сущность заявленного изобретения - устройства состоит в том, что котлоагрегат для сжигания угля и дробленных твердых коммунальных отходов в кипящем слое, состоящий из механического топочного устройства в виде наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки с подачей воздуха под решетку и в надслоевое пространство, поверхностей нагрева в виде газоплотных экранов, обеспечивающих разворот газов для организации системы возврата уноса, эжектора, воздуховода в зоне первичного дутья под решеткой изогнутого до вертикального положения, воздуховода в зонах вторичного дутья выполненного в виде щелевых сопел, линии всасывания дутьевого вентилятора котла соединенной с напорной линии дымососа, для подмешивания уходящих газов, бункера для угольной смеси, расположенного над шнековым питателем. Питатель выполнен удлиненным и над его удлиненной частью по ходу подачи топлива за бункером для угольной смеси установлен дополнительный бункер для дробленных твердых коммунальных отходов, при этом под шнеком питателя в районе бункера для угля нижняя полуокружность желоба шнекового питателя выполнена с продольными щелевыми отверстиями и оборудована конусным поддоном (для сбора мелкой фракции топлива), нижняя часть которого наклонным нисходящим трубопроводом подведена к пневматическому забрасывателю (воздушному эжектору угля мелкой фракции) в топку котлоагрегата. Продольные щелевые отверстия нижней полуокружности желоба шнекового питателя могут быть образованы радиально (от оси шнека) установленными в шнековом питателе (его корпусе) полосовыми (удлиненными прямоугольными) стальными пластинами, а в боковой обмуровке котла навстречу друг другу установлены два горелочных устройства.
Сущность заявленного изобретения - способа состоит в том, что способ для сжигания угля и дробленных твердых коммунальных отходов в кипящем слое котлоагрегата, состоящего из механического топочного устройства в виде наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки с подачей воздуха под решетку и в надслоевое пространство, поверхностей нагрева в виде газоплотных экранов, обеспечивающих разворот газов для организации системы возврата уноса, эжектора, воздуховода в зоне первичного дутья под решеткой изогнутого до вертикального положения, воздуховода в зонах вторичного дутья выполненного в виде щелевых сопел, линии всасывания дутьевого вентилятора котла соединенной с напорной линии дымососа, для подмешивания уходящих газов, бункера для угольной смеси, расположенного над шнековым питателем, заключается в сжигании твердого топлива над подвижной колосниковой решеткой в восходящем воздушном потоке. При этом в шнековом питателе уголь (смесь фракций угольного топлива) разделяют на крупную фракцию и мелкую фракцию, освободившееся пространство (в шнеке питателя) твердого топлива от мелкой фракции заполняют частицами дробленных твердых коммунальных отходов, смесь которых (смесь крупной фракции угля с дробленными твердыми коммунальными отходами) транспортируют на подвижную колосниковую решетку, мелкую фракцию подают в область над подвижной колосниковой решеткой при помощи воздушного потока (например пневматическим забрасывателем), а процесс горения смеси угля и дробленных твердых коммунальных отходов над подвижной колосниковой решеткой в кипящем слое дополнительно поддерживают двумя горелочными устройствами, установленными в боковой обмуровке котла и направленными навстречу друг другу.
Техническим результатом заявленных изобретений является возможность сжигания в котлоагрегате малой мощности с кипящим слоем угля с дроблеными сортированными частицами твердых коммунальных отходов, а также повышение эффективности сжигания угля как самостоятельно так и вместе с отходами.
Ограничительные признаки устройства «котлоагрегат для сжигания угля, дробленных твердых коммунальных отходов», состоящий из механического топочного устройства в виде наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки с подачей воздуха под решетку и в надслоевое пространство, поверхностей нагрева в виде газоплотных экранов, обеспечивающих разворот газов для организации системы возврата уноса, эжектора, воздуховода в зоне первичного дутья под решеткой изогнутого до вертикального положения, воздуховода в зонах вторичного дутья выполненного в виде щелевых сопел, линии всасывания дутьевого вентилятора котла соединенной с напорной линии дымососа, для подмешивания уходящих газов, бункера для угольной смеси, расположенного над шнековым питателем» описывают общие элементы аналогов и прототипа, а также заявленного технического решения.
Отличительные признаки устройства «питатель выполнен удлиненным и над его удлиненной частью по ходу подачи топлива за бункером для угольной смеси установлен дополнительный бункер для дробленных твердых коммунальных отходов, при этом под шнеком питателя в районе бункера для угля нижняя полуокружность желоба шнекового питателя выполнена с продольными щелевыми отверстиями и оборудована конусным поддоном, нижняя часть которого наклонным нисходящим трубопроводом подведена к пневматическому забрасывателю в топку котлоагрегата, а в боковой обмуровке котла навстречу друг другу установлены два горелочных устройства» позволят достигнуть заявленный технический результат, а именно возможность сжигания в котлоагрегате угля с дробленными сортированными частицами твердых коммунальных отходов, а также повышение эффективности сжигания угля как самостоятельно так и вместе с отходами.
Отличительный признак «продольные щелевые отверстия нижней полуокружности желоба шнекового питателя могут быть образованы радиально установленными в шнековом питателе полосовыми стальными пластинами» позволяет реализовать один из многочисленных вариантов выполнения нижней полуокружности желоба шнекового питателя выполнена с продольными щелевыми отверстиями, при котором сведена к минимуму возможность их засорения, кроме того улучшается процесс сепарации угля за счет дополнительного его дробления в шнековом питателе, что также к конечном итоге приведет к повышению эффективности сжигания угля как самостоятельно так и вместе с отходами.
В то же время, известны технические решения печей и способов их работы для сжигания отходов в кипящем (псевдоожиженном) слое печей, например приведенные ниже:
- Печь для сжигания отходов по авторскому свидетельству СССР: SU 1320595 А1 от 30.06.1987, МПК F23G 5/30 - [4], в котором загрузочное устройство отходов выполнено на одном уровне с соплами подвода смеси топливного газа и воздуха.
- Способ утилизации горючих отходов целлюлозного производства по авторскому свидетельству СССР: SU 1368573 А1 от 23.01.1988, МПК F23G 5/30 - [5], согласно которому производят частичное обезвоживание отходов, и их дальнейшее сжигание в псевдосжиженном слое инертного теплоносителя с инициацией горизонтальных встречных струйных течений в поверхностно области слоя в ударным взаимодействием частиц.
- Устройство для сжигания отходов по авторскому свидетельству СССР: SU 1471027 А1 от 07.04.1989, МПК F23G 5/30 - [6], содержащее частично заполненный мелкодисперсным материалом корпус, в верхней части которого установлены дутьевые трубки, а в нижней части расположены перфорированные трубы с козырьками и образующие газораспределительную решетку.
- Мусоросжигательная печь с псевдоожиженным слоем и способ сжигания донного осадка в такой печи (Варианты) по патенту на изобретение РФ: RU 2476772 С2 от 27.02.2013, МПК F23G 5/30, F23G 7/04 - [7], содержащая корпус мусоросжигательной печи, в который донный осадок подают без сушки, причем внутреннее пространство корпуса мусоросжигательной печи разделено на нижнюю часть, часть над нижней частью и верхнюю часть, в направлении по высоте.
Общим недостатком известных аналогов [4, 5, 6 и 7] является то, что они представляют собой специальные отдельные устройства для сжигания отходов, которые могут быть использованы, например, на мусорных полигонах. Строительство таких устройств в селениях и малых городах не целесообразно, так как нет большого количества отходов.
Заявленное устройство позволяет расширить функционал угольных котлов с кипящим слоем, а именно тем, что на ряду с сжиганием угля в нем возможно дополнительно сжигать и измельченные коммунальные отходы.
Заявленный «Котлоагрегат для сжигания угля, дробленных твердых коммунальных отходов и способ его работы» поясняется фигурой на листе графических материалов, где на фиг. 1 показан разрез котлоагрегата - вид сбоку, на фиг. 2 разрез котлоагрегата - вид спереди, на фиг. 3 - разрез со стороны питателя и конусного поддона.
Заявленное техническое решение состоит из подвижной, наклоненной к горизонту колосниковой решетки прямого хода (1), воздуховода в зоне первичного дутья под решеткой изогнутого до вертикального положения (2), воздуховода в зонах вторичного дутья выполненного в виде щелевых сопел (3), линии всасывания дутьевого вентилятора котла соединенной с напорной линии дымососа, для подмешивания уходящих газов. По бокам и сверху топка ограничена стальными газоплотными водотрубными секциями (4). Котел также содержит водотрубную секцию (5), перегородку (6) из жаропрочной стали между водотрубными секциями (4) и (5), бункер возврата уноса (7) с эжектором возврата уноса (8). Смесь топлива на колосниковую решетку подается из двух бункеров (9) и (10), по наклонной плите (11) с помощью питателя топлива шнекового типа (12). Первый бункер (9) для подачи угля, второй (10) для подачи дробленных твердых коммунальных отходов. Нижняя полуокружность желоба (13) питателя топлива (12) может быть выполнена из полосовой стали с продольными щелями от первого (9) до второго бункера (10). Под питателем ниже установлен поддон (14) с конусной нижней частью из которого мелкая фракцию угля при помощи пневматического сбрасывателя воздухом от компрессора (15) попадает в зону активного горения топки котла над подвижной колосниковой решеткой. Для поддержания требуемой температуры горения в боковой обмуровке котла навстречу друг другу дополнительно установлены два горелочных устройства (16).
Заявленные «котлоагрегат для сжигания угля, дробленных коммунальных отходов в кипящем слое и способ его работы» функционируют (работают) следующим образом:
Исходное топливо в виде угля и дробленных сортированных коммунальных отходов фракцией до 80 мм раздельно поступают в соответственно расходные бункера угля (9) и бункер с отходами (10) последовательно расположенными над питателем топлива. Уголь (угольная смесь крупной и мелкой фракций) попадая в шнековый питатель топлива (12) шнеком транспортируется к наклонной плите котла (11), при этом по ходу движения до второго бункера мелкие фракции просыпаются через продольные щелевые отверстия нижней полуокружности желоба (13) питателя топлива и попадают в поддон с конусной нижней частью(14), где по наклонному нисходящему трубопроводу пневматическим забрасывателем направляются в зону активную горения топки котла над колосниковой решеткой.
Сортированные коммунальные отходы из бункера (10) захватываются шнеком, где уже остается средняя фракция угля 10…30 мм и смешиваясь с отходами данная смесь направляется к течке котла ссыпаясь гравитационным способом на колосниковую решетку. Контроль установленной температуры горения топливной смеси не ниже 1200°С поддерживается двумя горелочными устройствами расположенными в боковых секция топки котла.
Движение газов осуществляется следующим образом.
Газы поднимаются от колосниковой решетки прямого хода в верхнюю часть топки, проходят вниз по ряду параллельных труб водотрубной секции (4), разворачиваются на 180° и, проходя вверх по водотрубной секции (5), удаляются из котла. Для обеспечения разворота дымовых газов между водотрубными секциями (4) и (5) установлена перегородка из жаропрочной стали (6). Резкий разворот газов позволяет осадить в бункере возврата уноса (7) унесенные из топки несгоревшие частицы топлива и летучей золы и с помощью эжектора (8) вернуть их в топку на дожигание.
Выше приведенная совокупность ограничительных и отличительных признаков заявленного устройства котлоагрегата, а также способа его работы, а именно по отличительным признакам формулы на изобретения (в совокупности ее ограничительными признаками) не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования таких устройств, а также способов (методов и технологий) их функционирования, что доказывает соответствию критерию «изобретательский уровень».
Заявленное устройство по конструктиву и способ его работы не выявлены из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна».
Конструктивная реализация заявленных технических решений с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно - технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленное применение».
Литература
1. Патент на полезную модель РФ: по патенту на полезную модель RU 38041 U1 от 20.05.2004, МПК F23C 10/02, «Котлоагрегат для сжигания угля в кипящем слое».
2. Патент на полезную модель РФ: RU 172520 U1 от 11.07.2017, МПК F23C 10/02, «Котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой для сжигания жидкого топлива».
3. Патент на полезную модель РФ: RU 170747 U1 от 05.05.2017, МПК F23C 10/02, «Котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое» - прототип.
4. Авторское свидетельство СССР: SU 1320595 А1 от 30.06.1987, МПК F23G5/30, «Печь для сжигания отходов».
5. Авторское свидетельство СССР: SU 1368573 А1 от 23.01.1988, МПК F23G 5/30, «Способ утилизации горючих отходов целлюлозного производства».
6. Авторское свидетельство СССР: SU 1471027 А1 от 07.04.1989, МПК F23G 5/30, «Устройство для сжигания отходов».
7. Патент на изобретение РФ: RU 2476772 С2 от 27.02.2013, МПК F23G 5/30, F23G 7/04, «Мусоросжигательная печь с псевдоожиженным слоем и способ сжигания донного осадка в такой печи (Варианты)».