СЛОЕ-ВИХРЕВАЯ ТОПКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
GRATE-FIRED SWIRLING-TYPE FURNACE FOR COMBUSTION OF WOOD WASTE

Изобретение относится к устройствам для сжигания отходов обработки и переработки древесной биомассы и может найти применение в промышленной теплоэнергетике.
Известны топки скоростного горения системы В.В.Померанцева, представляющие собой вертикальную камеру, ограниченную с трех сторон кирпичной кладкой, а со стороны топочной камеры - зажимающей решеткой из стальных ошипованных труб, включенных в систему циркуляции котла и являющихся фронтовым экраном. Данные топки имеют неподвижный и подвижный пережимы, под которые подается воздух, обеспечивающий сгорание топлива в зажатом вертикальном слое. Для догорания мелких фракций топлива, выносимых из вертикального слоя, под топки «подметает» поток вторичного воздуха, движущийся сплошным потоком от задней стены топки к фронтовой [Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. - М.: Лесная промышленность, 1987, с.51-52].
Для расширения диапазона энергетического использования древесных отходов с повышенным содержанием минеральных примесей применяются топочные устройства ВО-110 с механизированным золо- и шлакоудалением, в которых также используется принцип зажатого слоя [Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. - М.: Лесная промышленность, 1987, с.52-54].
Принцип зажатого слоя используется и в топках для сжигания древесных отходов [Авторское свидетельство СССР №1615463 А1, 5 F23В 5/04, 1990], где для повышения экономичности сжигания топлива применяется автономный подвод и индивидуальное регулирование первичного воздуха по ширине топки.
Для сжигания коросодержащих древесных отходов применяются топки скоростного горения СевНИИП-ЦКТИ и комбинированные топочные устройства, содержащие предтопок, в котором находятся неподвижная наклонная и подвижная горизонтальная цепная колосниковые решетки, и призматическую камеру дожигания и охлаждения продуктов сгорания [Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. - М.: Лесная промышленность, 1987, с.94-96]. Комбинированными топочными устройствами оборудовались многотопливные котлоагрегаты КМ-75-40, однако ввиду неудовлетворительных технико-экономических и экологических показателей данные котлы были сняты с производства в 1985 г.
В топках скоростного горения СевНИИП-ЦКТИ с обращенным дутьем коросодержащие древесные отходы по рукаву каскадно-лоткового типа поступают на фронтовую наклонную стенку, выложенную из огнеупорного кирпича, с помощью основного и нижнего пережимов, а также ошипованных труб, являющихся фронтовым экраном, формируется зажатый слой древесных отходов, который пронизывается потоком горячего первичного воздуха, подаваемого со стороны фронтовой стены котла. Очаговые остатки и мелкофракционные древесные отходы потоком первичного воздуха выносятся из объема предтопка, что позволяет сжигать биотопливо с повышенным содержанием минеральных примесей. Для догорания мелких фракций топлива, выносимых из зажатого слоя, под топки «подметают» струи вторичного воздуха, движущиеся сплошными потоками от задней к фронтовой стене топки. Профилированный под топки, выполненный из огнеупорного материала, позволяет обеспечить с помощью струй вторичного воздуха вихревое движение дымовых газов вокруг вертикальной стенки, выполненной из огнеупорного кирпича. [Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. - М.: Лесная промышленность, 1987, с.94-95]. Данное топочное устройство принято нами за прототип.
Однако опыт эксплуатации данных топочных устройств показал, что они пригодны для сжигания смеси топливной щепы с корой или опилка с корой при условии, что доля коры не превышает 25%, а средняя относительная влажность топливной смеси не превышает 55…60%. Увеличение доли коры в топливной смеси более 25% или повышение влажности отходов (более 60%) вызывают резкое снижение технико-экономических и экологических показателей работы топочных устройств.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение технико-экономических и экологических показателей работы топочного устройства при сжигании коросодержащих отходов с широким диапазоном изменения состава топливной смеси с влажностью на рабочую массу до 65% и обеспечение сжигания топливной смеси крайне неоднородного гранулометрического состава (с размером частиц, отличающимся в тысячи раз).
Это достигается тем, что у слое-вихревой топки для сжигания древесных отходов, содержащей разделенные зажимающей решеткой предтопок с обращенным дутьем, снабженный устройствами подачи первичного воздуха, подачи топлива в виде рукавов каскадно-лоткового типа, фронтовой наклонной стенкой с пережимом, и вихревую камеру сгорания, с устройствами подачи вторичного воздуха, в предтопке с обращенным дутьем фронтовая наклонная стенка выполнена из труб, включенных в контур циркуляции котла, и промежутки между трубами снабжены проставками, имеющими зазоры для прохода первичного воздуха, нижний участок зажимающей решетки фестонирован и имеет шипы на трубах нижнего ряда, верхняя часть зажимающей решетки также фестонирована; вихревая камера сгорания снабжена газо-мазутным горелочным устройством, установленным на боковой стене на уровне пережима, угловыми одноярусными соплами подачи третичного воздуха, установленными выше верхнего коллектора зажимающей решетки, тангенциально, с наклоном вниз, а к устройствам подачи вторичного воздуха вихревой камеры подключена система вывода шлака.
На фиг.1 изображена предлагаемая слое-вихревая топка, продольный разрез; на фиг.2 - горизонтальный разрез А-А фиг.1 (экранные трубы условно не показаны); на фиг.3 - разрез В-В фронтовой наклонной стенки.
)В
В
Слое-вихревая топка для сжигания древесных отходов содержит разделенные зажимающей решеткой 1 предтопок 2 с обращенным дутьем, снабженный устройствами подачи первичного воздуха 3, подачи топлива в виде рукавов каскадно-лоткового типа, фронтовой наклонной стенкой 4 с пережимом, и вихревую камеру сгорания 5, с устройствами подачи вторичного воздуха 6, в предтопке с обращенным дутьем фронтовая наклонная стенка 4 выполнена из труб, включенных в контур циркуляции котла, и промежутки между трубами снабжены проставками 7, имеющими зазоры для прохода первичного воздуха, нижний участок зажимающей решетки фестонирован и имеет шипы на трубах нижнего ряда, верхняя часть зажимающей решетки также фестонирована; вихревая камера сгорания 5 снабжена системой вывода шлака 8, газо-мазутным горелочным устройством 9, установленным на боковой стене на уровне пережима, угловыми одноярусными соплами 10 подачи третичного воздуха, установленными выше верхнего коллектора зажимающей решетки 1, тангенциально, с наклоном вниз. Фронтовой 11 и задний 12 скаты «холодной» воронки заэкранированы трубами, исключающими прямой проскок частиц через устье воронки. К устью «холодной» воронки подключены устройства подачи вторичного воздуха 6, обеспечивающие его ввод вдоль фронтового ската 11 «холодной» воронки. К устройствам подачи вторичного воздуха 6 подключена система вывода шлака 8. Выше верхнего коллектора зажимающей решетки 1 по углам вихревой камеры сгорания 5 в один ярус установлены сопла подачи третичного воздуха 10, которые наклонены вниз и направлены тангенциально по касательной к условной окружности в центре с диаметром (0,1...0,13(где - глубина вихревой камеры сгорания).
Работа слое-вихревой топки для сжигания древесных отходов осуществляется следующим образом.
Древесные отходы из бункера по рукавам каскадно-лоткового типа подаются в предтопок 2 с обращенным дутьем, снабженный устройствами подачи первичного воздуха 3, где с помощью фронтовой наклонной стенки 4 с пережимом и зажимающей решетки 1 формируется слой топлива, который пронизывается основным потоком первичного воздуха, обеспечивающим его активное выгорание в нижней части предтопка 2, другая часть первичного воздуха проходит через зазоры между стальными проставками 7 фронтовой наклонной стенки 4, обеспечивая термообработку и воспламенение слоя, образующиеся продукты сгорания в основном через щели зажимающей решетки 1 выходят в вихревую камеру сгорания 5, а другая их часть поднимается в зону термической подготовки древесных отходов, обеспечивая их подсушку. Для повышения загрузки топливом вихревой камеры сгорания 5 и увеличения компании котла по условиям шлакования предтопка 2 первичный воздух через устройства для его подачи 3 вводится со стороны фронтовой стены котла, нижний участок зажимающей решетки 1 фестонирован и имеет ошипованные трубы в нижнем ряду. Противоположно направленные потоки: вторичного воздуха, выходящего из устройств 6 его подачи и движущегося вдоль фронтового ската 11 «холодной» воронки, и продуктов сгорания, выходящих через щели зажимающей решетки 1, создают вращающий момент, обеспечивающий многократную принудительную циркуляцию топлива в вихревом потоке с горизонтальной осью вращения. Конструкция устройств подачи вторичного воздуха 6 обеспечивающая постепенное снижение скорости потока, позволяет сепарировать топливные частицы по их массе и размерам, подсушивать и возвращать обратно в вихревую камеру сгорания 5, а шлак и инородные включения позволяет отводить в систему вывода шлака 8 для последующего удаления. Поток горячего воздуха, выходящий из устройств подачи вторичного воздуха 6 и движущийся вдоль фронтового ската 11 «холодной» воронки, способствует созданию на нем элементов противоточного слоя из горящих коксовых частиц, что дополнительно стабилизирует процесс воспламенения и горения высоковлажного топлива.
Для организации ступенчатого сжигания топлива, с целью снижения эмиссии вредных веществ, а также для повышения полноты выгорания коксовых частиц выше верхнего коллектора зажимающей решетки 1 по углам вихревой камеры сгорания 5 в один ярус тангенциально установлены угловые сопла подачи третичного воздуха 10, которые наклонены вниз. Струи третичного воздуха обеспечивают дополнительную сепарацию топливных частиц в нижнюю часть вихревой камеры сгорания 5, а также организуют дополнительный вихревой поток с вертикальной осью вращения, повышая полноту выгорания горючих компонент биотоплива. На боковой стене вихревой камеры сгорания 5 на уровне пережима предтопка 2 установлено газомазутное горелочное устройство 9, используемое при растопке котла, а также при сжигании коросодержащих отходов с относительной влажностью более 65% для интенсификации их термоподготовки. Верхняя часть зажимающей решетки 1 также фестонирована, что дополнительно стабилизирует процесс термоподготовки древесных отходов. Наличие вихревых потоков как в нижней, так и в верхней частях вихревой камеры сгорания 5 интенсифицирует тепло-массообменные процессы по всей ее высоте, что особенно важно для участка зажимающей решетки 1, где идет процесс термической подготовки сырого топлива. Расход горячего воздуха на устройства подачи вторичного воздуха 6 и угловые сопла подачи третичного воздуха 10 зависит от нагрузки котлоагрегата, гранулометрического состава древесных отходов и их влажности. По мере накопления очаговых остатков и инородных примесей на нижнем участке зажимающей решетки 1 котлоагрегат останавливают для расшлаковки предтопка 2.
Исследования показали, что слое-вихревая топка позволяет получить эффективное сочетание зажатого слоя с обращенным дутьем, вихревых зон, расположенных под и над предтопком, и противоточного слоя на фронтовом скате «холодной» воронки, что обеспечивает повышение экономичности сжигания высоковлажных коросодержащих отходов с широким диапазоном изменения гранулометрического состава топливной смеси, увеличивает в 2…3 раза компанию котла по условиям шлакования предтопка и не менее чем на 30% его производительность без «подсветки» высококалорийным топливом, а также значительно снижает выбросы оксидов азота и угарного газа.