Горелка газифицирующая

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности - к устройствам для сжигания топливных гранул (пеллет), изготовленных из отходов растениеводства (лузга подсолнечника, солома, рисовая шелуха, стебли и початки кукурузы и.т.п.)
Использование древесины и отходов растениеводства в качестве возобновляемого источника тепловой энергии является одним из важнейших направлений развития мировой экономики, а производство устройств для сжигания биотоплива стало одним из наиболее быстро развивающихся секторов промышленности. Среди множества видов биотоплива опережающими темпами растет использование пеллет (прессованных топливных гранул). Этот вид топлива привлекает внимание потребителей удобством хранения и транспортировки, возможностью использования для его подачи в котел и сжигания механизированных и даже полностью автоматизированных устройств.
Наиболее перспективным представляется использование так называемых "агропеллет", изготавливаемых из отходов растениеводства (соломы, лузги подсолнечника, пшеничной, ржаной и рисовой шелухи, стеблей и початков кукурузы и.т.п.). Сырье для производства агропеллет в огромном количестве накапливается практически во всех обитаемых регионах планеты; в большинстве случаев это сырье имеет нулевую или даже "минусовую" стоимость (ни одно животное не способно питаться шелухой, а её утилизация методом закапывания в грунт требует затрат). Тем не менее, несмотря на столь очевидные преимущества использования отходов растениеводства для производства топливных гранул, агропеллеты составляют не более 5-10% от общего объема потребления пеллетного топлива в странах ЕС.
Главной и практически единственной причиной, тормозящей использование агропеллет, является присущая им низкая температура плавления золы: химический состав минерального содержимого отходов растениеводства существенно отличается от химического состава древесного топлива (в первом случае преобладают оксиды щелочных металлов), что и обуславливает температуру плавления золы порядка 900 С, а для некоторых видов сырья (пшеничная солома, лоза винограда) - до 800 С. Учитывая, что типичная температура слоя интенсивно горящих углей достигает 1000 и более градусов С, зола растительного топлива плавится, растекается, перекрывает воздухоподающие отверстия, а после угасания пламени застывает в виде куска жесткого шлака ("коржа") произвольной формы, что окончательно выводит из строя горелочное устройство.
Из существующего уровня техники известны горелки для сжигания агропеллет, в которых механическое разрушение шлака осуществляется возвратно-поступательным движением элементов колосниковой решетки (PL 126627,KR 20170119041), специальными зубцами, периодически входящими снизу вверх в прорези колосниковой решетки (PL 123114), поворотом колосниковой решетки на 180 град. в направлении неподвижной плиты с зубцами (PL 41154215), вращением стенок цилиндрической камеры сгорания вокруг неподвижной колосниковой решетки (KR 101125278), вращением крюка-скребка ("кочерги") внутри камеры сгорания (GR 20120100052).
Общим недостатком всех этих устройств является наличие подвижных элементов в зоне высоких (до 1000 С) температур. Это вынуждает использовать  жаропрочные стали, специальные подшипники и смазки, что неизбежно повышает стоимость горелки, сокращает срок службы и повышает вероятность поломок. Кроме того, перемещения и перевороты колосниковой решетки приводят к периодическому затуханию огня в горелке, что заставляет осуществлять многократный повторный розжиг пеллет в горелке, повышающий выбросы сажи и угарного газа в атмосферу.
Известно устройство для газификации и сжигания агропеллет (WO/2006/117579), в котором для снижения температуры ниже точки плавления золы через слой агропеллет, горящих на подвижной колосниковой решетке, продувается поток отходящих дымогазов. Так как дымогазы состоят главным образом из углекислого газа (СО2), то при прохождении их через слой раскаленных углей осуществляется реакция восстановления по формуле: СО2 + С = 2 СО. Эта реакция происходит с поглощением тепла, что и приводит к снижению температуры в слое.
Главным достоинством данного устройства является попытка устранить причину (высокая температура в слое горящих пеллет) плавления золы, что гораздо эффективнее, нежели дорогостоящие и ненадежные способы борьбы со следствием (вращающаяся кочерга и/или подвижные колосники для разрушения "коржа" спекшейся золы).
Главным недостатком является использование для охлаждения слоя реакции восстановления углекислого газа, т.к. для устойчивого протекания этой реакции нужна температура не менее 800С (при меньших температурах равновесие реакции сдвигается в сторону обратной реакции по формуле: 2СО = С + СО2). Такая температура уже вполне сопоставима с температурой начала плавления золы растительных отходов. Ситуация еще более осложняется тем, что в слое пеллет происходят одновременно эндотермическая (с поглощением тепла) реакция восстановления и экзотермические (с выделением тепла) реакции окисления (горения) газов пиролиза и угольного остатка; при этом весьма вероятно формирование отдельных зон с температурой 900-1000 С, в которых плавление золы станет неизбежным.
Техническим результатом, для достижения которого предлагается заявляемая полезная модель, является стабильное, исключающее возможность плавления золы сжигание агропеллет и/или отходов растениеводства в устройстве, не имеющем подвижных деталей в зоне высоких температур.
Указанный технический результат достигается тем, что в
горелке для сжигания топливных гранул, содержащей корпус в виде осе-симметричного короба, устройство подачи топлива, установленное на нижнем торце корпуса, камеру сгорания в виде осе-симметричного стакана с кольцевым коллектором подвода воздуха и сопловыми аппаратами для выхода воздуха во внутреннюю полость камеры сгорания,
на верхнем торце корпуса установлена крышка с отверстиями, размер которых меньше размера топливных гранул; камера сгорания установлена соосно с корпусом, при этом внутренний диаметр камеры сгорания больше внешнего диаметра корпуса, и между упомянутой крышкой с отверстиями и дном камеры сгорания имеется свободное пространство для прохода газового потока из корпуса через крышку с отверстиями в камеру сгорания с разворотом газового потока на 180 град., а внутри корпуса имеется трубка подачи воды от внешнего источника.
Внутри корпуса может быть цилиндрическая вставка, выполненная из жаропрочной керамики, установленная вдоль продольной оси корпуса вплотную к упомянутой крышке с отверстиями, при этом длина вставки меньше длины корпуса, а диаметр вставки составляет не менее 50% от поперечного размера корпуса.
Подача воды от внешнего источника в упомянутую трубку может происходить через регулятор расхода воды, связанный с системой управления горелки.
Сопловые аппараты для выхода воздуха во внутреннюю полость камеры сгорания могут быть установлены под углом не менее 20 град. к продольной оси камеры сгорания.
На внешней поверхности камеры сгорания может быть выполнено оребрение в виде металлических пластин, установленных параллельно продольной оси камеры сгорания.
На внутренней поверхности корпуса может быть выполнено оребрение в виде металлических пластин, установленных параллельно продольной оси корпуса.
На внешнюю поверхность корпуса может быть нанесено жаропрочное теплоизоляционное покрытие
Указанные конструктивные решения обеспечивают достижение заявленного технического результата и в своей совокупности не встречаются ни в одной из известных горелок для сжигания топливных гранул, таким образом заявляемая полезная модель соответствует критерию новизны.
Заявляемое устройство может быть изготовлено на стандартном оборудовании с использованием известных и традиционных для производства горелочных устройств технологических процессов и материалов. Таким образом, заявляемая полезная модель соответствует критерию промышленной применимости.
Конструкция заявляемой горелки поясняется эскизом Фиг. 1, на котором изображен продольный разрез устройства в варианте исполнения с цилиндрической жаропрочной керамической вставкой, но без оребрения корпуса и оребрения внешней поверхности камеры сгорания.
Горелка содержит корпус 1 в виде осе-симметричного короба (например, цилиндрической трубы) с установленной на его торце крышкой с отверстиями 2, цилиндрическую вставку из жаропрочной керамики 3, установленную вдоль продольно оси корпуса вплотную к упомянутой крышке с отверстиями 2; камеру сгорания 4 в виде осе-симметричного (например, цилиндрического) стакана, установленного соосно с корпусом 1, коллектор подвода воздуха 5 с соплами выхода воздуха 6, трубку подачи воды 7, механизм (например, шнековый транспортер) подачи топлива 8, гибкий шланг для подвода топлива 9. Горелка устанавливается внутри топки 10, имеющей отсек для сбора золы 11.
Горелка работает следующим образом. Мелкодисперсное топливо растительного происхождения (агропеллеты, рубленая солома, шелуха подсолнечника и.т.п.) из внешнего бункера (на эскизе не показан) по гибкому шлангу 9 поступает в устройство подачи топлива 8 (например, шнековый транспортер) и из транспортера принудительно движется по корпусу 1 в сторону крышки с отверстиями 2.
Факел пламени в камере сгорания 4 через стенку корпуса 1 нагревает топливо в зоне пиролиза 12 до температуры 400-500 С, при этом порядка 60-80% массы топлива газифицируется. Указанная температура значительно ниже температуры плавления даже самой легкоплавкой золы, поэтому шлакования золы и образования "коржей" в зоне пиролиза не происходит.
Мелкие частицы твердого угольного остатка под воздействием поступающих в зону 12 новых порций топлива движутся далее вдоль оси корпуса 1, обтекают цилиндрическую вставку из жаропрочной керамики 3 и заполняют зону водоугольной газификации 13. Вода, поступающая из внешнего источника (на эскизе не показан) по трубке подачи воды 7, испаряется, и образовавшийся пар вступает в химическую реакцию с раскаленными частицами угля по формулам:
Н2О + С = Н2 + СО
2Н2О + С = 2Н2 + СО2
Количество воды, подаваемой по трубке 7, регулируется системой управления горелки (на эскизе не показана) таким образом, чтобы обеспечить полную газификацию всего угольного остатка и при этом поддерживать в зоне водоугольной газификации 13 температуру в диапазоне не менее 600 и не более 800 С. Такая температура обеспечивает интенсивное протекание реакций водоугольной газификации, но при этом предотвращает шлакование золы и образование "коржей".
Наличие в зоне водоугольной газификации массивной вставки из жаропрочной керамики 3 сглаживает (за счет высокой теплоемкости вставки) случайные колебания температуры; кроме того, наличие вставки уменьшает толщину угольного слоя (в радиальном направлении), что способствует более равномерному прогреву угольного слоя.
Газовая смесь (пиролизные газы, образовавшиеся в зоне 12, и газы водоугольной газификации) проходит через крышку с отверстиями 2, разворачивается на 180 град и поступает в камеру сгорания 4, где смешиваются с воздухом, поступающим из коллектора подвода воздуха 5 через сопла 6, и воспламеняются от внешнего источника зажигания (на эскизе не показан). Продукты сгорания заполняют топку 10, через стенки которой отдают тепло жидкому (например, вода) или газообразному (например, воздух) теплоносителю (на эскизе не показан) и затем выбрасываются в атмосферу под действием тяги дымососа или высокой дымовой трубы (на эскизе не показаны).
Зола (порядка 1-5% массы сгоревшего топлива) в виде мелкодисперсного порошка выносится потоком газов из камеры сгорания 4 и падает в отсек для сбора золы 11. Так как время нахождения золы внутри факела пламени в камере сгорания исчисляется долями секунды, зола не успевает расплавиться и создать твердые агломераты - какой бы высокой ни была температура внутри камеры сгорания. В дальнейшем эта зола (поскольку она накапливается в виде мелкодисперсного порошка, а не окаменевшего "коржа") может быть использована в качестве минерального удобрения для растениеводства.
Сопловые аппараты для выхода воздуха во внутреннюю полость камеры сгорания могут быть установлены под углом не менее 20 град. к продольной оси камеры сгорания, что обеспечит формирование внутри камеры сгорания огненного вихря и улучшит смешение топлива (газы пиролиза и продукты водоугольной газификации) с окислителем (кислород воздуха). В конечном итоге заявляемое устройство, в котором горение происходит только в газовой фазе (без горения в зоне пиролиза топливных гранул и/или в зоне нахождения твердого угольного остатка), может обеспечить максимально полное и экологически чистое сжигание топлива.
На внешней поверхности камеры сгорания может быть выполнено оребрение в виде металлических пластин, установленных параллельно продольной оси камеры сгорания. Это оребрение способствует интенсификации теплопередачи (излучением и конвекцией) от камеры сгорания к стенкам топки 10.
На внутренней поверхности корпуса может быть выполнено оребрение в виде металлических пластин, установленных параллельно продольной оси корпуса. Это оребрение, благодаря высокой теплопроводности металлических пластин,  способствует равномерному прогреву (выравниванию поля температур) зоны пиролиза и зоны водоугольной газификации.
На внешнюю поверхность корпуса может быть нанесено жаропрочное теплоизоляционное покрытие, что способствует снижению теплового потока из камеры сгорания в зону водоугольной газификации; это позволит предотвратить перегрев зоны водоугольной газификации при минимально-необходимом количестве подаваемой в зону воды (пара).
Важно отметить, что от системы регулирования подачи воды/пара не требуется ни высокого быстродействия, ни высокой точности. Уже при температуре 500-550С в зоне водоугольной газификации формируется смесь газов, способная устойчиво гореть; с учетом поступления потока горючих газов из первой зоны (зоны пиролиза) устойчивость горения будет еще выше. Таким образом, необходимо поддерживать в зоне ВУГ температуру порядка 650 плюс/минус 150 град С, т.е. допустимы отклонения температуры порядка плюс/минус 23%.  Вопрос быстродействия решается наличием массивной тепло-аккумулирующей вставки 3.
В заключении отметим, что предлагаемое техническое решение не имеет ничего общего с шарлатанскими идеями "сжигания воды". В заявляемом устройстве горит не вода, а превращенный с помощью воды в смесь горючих газов (Н2 и СО) уголь. Суммарный тепловой выход процесса (эндотермическое восстановление в зоне водоугольной газификации плюс экзотермическое окисление в камере сгорания) теоретически равен расчетной теплоте прямого сжигания угольного остатка.