ВИХРЕВАЯ ТОПКА
SWIRLING-TYPE FURNACE

Изобретение относится к области промышленной энергетики, в частности к работающим на твердых, в том числе увлажненных и содержащих токсические вещества, отходах деревообрабатывающего, мебельного и других производств бесколосниковым вихревым топкам, предназначенным для получения очищенного от вредных примесей генераторного газа для водогрейных котлов отопительных установок, сушильных камер и т.д., а также для утилизации отходов.
Известна вихревая топка, содержащая камеру сгорания, устройство подачи топлива, колосниковую решетку с кипящим слоем, устройство принудительной подачи воздуха, расположенное сверху окно отвода генераторного газа с направленными в сторону топки тангенциально расположенными соплами острого дутья, а также устройство удаления шлака (см., например, патент на полезную модель №2230980 от 2002 г., МПК F23В 5/02).
Недостатком этой топки является повышенная эмиссия вредных оксидов из-за того, что вихревая аэродинамика сосредоточена только вблизи окна отвода нагревательного газа, в результате чего мелкие частицы топлива плохо удерживаются в камере сгорания и, не догорев, выносятся с потоком газов, а интенсивный топочный процесс не захватывает весь объем топки и имеет место неравномерность тепловыделения, приводящая к пониженной интенсивности процесса пиролиза, а значит, и к повышенному содержанию вредных веществ в генераторном газе.
Известна также взятая в качестве прототипа вихревая топка, имеющая корпус с камерой сгорания, устройство подачи топлива, устройство принудительной подачи воздуха, снабженное по меньшей мере одним вентилятором, по меньшей мере одним коллектором, воздуховодами и соплами, расположенными по высоте камеры сгорания тангенциально к условному телу вращения, а также расположенный сверху канал отвода генераторного газа и расположенное снизу устройство удаления шлака (см., например, патент на полезную модель №86277 от 2009 г., МПК F23C 5/24).
Эта топка позволяет получить генераторный газ с пониженным содержанием вредных веществ. Однако недостатком этой топки является сложность конструкции (а значит, и низкая ее надежность), связанная как с наличием колосниковой решетки с шурующей планкой (что снижает также температуру генераторного газа, которая расходуется на их нагревание), так и с наличием разветвленной системы принудительной подачи воздуха, имеющей вертикальные и кольцевой (сверху) воздуховоды, кольцевой коллектор, а также две группы сопел, одна из которых (вторичного дутья) расположена в углах по всей высоте камеры сгорания, а другая (острого дутья) - в два ряда вдоль находящегося на потолке кольцевого коллектора. При этом все сопла не только ориентированы тангенциально к условному вертикальному телу вращения, но имеют еще и наклон вниз, а верхний ряд сопел кольцевого коллектора - вверх. Такое расположение групп сопел и их сложная ориентация повышают трудоемкость изготовления и не позволяют выполнить камеру сгорания из простейшего огнеупорного материала - кирпича, а сопла - в виде каналов в кирпичной кладке.
Еще одним недостатком известной топки является ограниченность функциональных возможностей, в частности невозможность использования топки в качестве установки для утилизации твердых и влажных отходов различных производств из-за низкой эффективности работы на таких отходах.
Это связано с основными конструктивными особенностями топки, в частности с расположением устройства подачи топлива сверху, а осуществлением наддува первичного воздуха снизу, вследствие чего происходит снижение интенсивности процесса горения влажного топлива, а значит, и снижение температуры генераторного газа. Объясняется это тем, что при такой схеме сушка влажного топлива происходит в процессе его падения вниз на колосниковую решетку через зону интенсивного горения, в результате чего топливо проходит камеру сгорания дважды (сначала сверху вниз в виде крупных частиц, а затем снизу вверх в виде вихревого потока горящих и раскаленных частиц), и первый поток топлива снижает температуру второго.
При этом принципиальная схема топки (подача топлива сверху, а воздуха снизу), а также наклон сопел вторичного дутья и нижнего ряда сопел острого дутья вниз (вследствие чего внутри горизонтального вихря мелкие раскаленные частицы топлива направляются вниз, перемешиваются и равномерно заполняют камеру сгорания) не позволяют осуществить при утилизации влажных отходов наиболее эффективный (с точки зрения получения высокой температуры генераторного газа и высокой степени его очистки от вредных примесей простейшими средствами и без промежуточных потерь температуры) послойный вихревой способ сжигания топлива с естественным расположением слоев: от низкотемпературного снизу (предназначенного для сушки влажного топлива, которое подается в этот слой также снизу) к высокотемпературному сверху (где производится отбор генераторного газа, имеющего в этом месте топки максимальную температуру) через промежуточный слой (в котором благодаря образованию кипящего слоя происходит процесс пиролиза, уменьшающий количество вредных веществ в генераторном газе).
Изобретение решает задачу упрощения конструкции топки и расширения ее функциональных возможностей путем повышения эффективности процесса сжигания топлива с обеспечением минимального содержания вредных веществ в генераторном газе и возможности форсировки топки.
Для решения этой задачи в известной вихревой топке, имеющей корпус с камерой сгорания, устройство подачи топлива, устройство принудительной подачи воздуха, снабженное по меньшей мере одним вентилятором, по меньшей мере одним коллектором, воздуховодами и соплами, расположенными по высоте камеры сгорания тангенциально к условному телу вращения, а также расположенный сверху канал отвода генераторного газа и расположенное снизу устройство удаления шлака, согласно изобретению устройство подачи топлива имеет возможность горизонтальной подачи и расположено снизу, а камера сгорания снабжена соответствующим топливным каналом, коллектор с тремя горизонтальными воздуховодами, расположенными один над другим и снабженными заслонками, установлен снаружи над устройством подачи топлива, между боковыми стенами камеры сгорания и корпуса имеется расположенный по периметру топки зазор, внутри которого воздуховоды отделены друг от друга горизонтальными диафрагмами, форма которых соответствует форме зазора, который по высоте симметрично разделен поперечной вертикальной перегородкой, расположенной на противоположной от коллектора стороне, а сопла расположены горизонтально одно над другим, по высоте по меньшей мере одно на каждый воздуховод, при этом в горизонтальной плоскости сопла расположены на равном расстоянии друг от друга в количестве не менее трех на каждый воздуховод.
Устройство принудительной подачи воздуха снабжено двумя вентиляторами, а коллекторы с воздуховодами симметрично расположены по обеим сторонам устройства подачи топлива.
Сопла по высоте расположены по две пары на каждый воздуховод.
Камера сгорания выполнена квадратной, а сопла расположены в каждой стене камеры сгорания со смещением в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси стены.
Камера сгорания выполнена из огнеупорного кирпича.
Рабочий орган устройства подачи топлива выполнен в виде шнека.
Канал отвода генераторного газа выполнен горизонтальным с прямоугольным поперечным сечением и выходным окном на противоположной от коллектора стороне корпуса.
Благодаря конструктивным особенностям заявляемой топки: расположению устройства подачи топлива снизу, а коллектора с воздуховодами (т.е. послойного наддува) сверху - появляется возможность осуществления естественного (снизу вверх) и наиболее эффективного послойного вихревого сжигания твердого топлива, позволяющего не только получить высокую температуру генераторного газа и минимальное содержание в нем вредных примесей и тем самым расширить функциональные возможности топки и использовать ее одновременно в качестве установки для утилизации увлажненных и токсичных отходов различных производств, но и создать простейшее как по конструкции, так и в изготовлении устройство принудительной подачи воздуха, имеющее коллектор с расположенными один над другим тремя воздуховодами, разделенными внутри зазора между стенами корпуса и камеры сгорания горизонтальными диафрагмами и вертикальной перегородкой, и горизонтальные тангенциальные сопла, которые могут быть выполнены в виде легко изготавливаемых каналов в огнеупорной кирпичной кладке стен камеры сгорания. При этом минимальное содержание вредных примесей (оксида углерода и остаточных углеводородов) в генераторном газе гарантируется благодаря созданию в средней части камеры сгорания (вследствие охлаждения ее снаружи турбулентным воздухом, циркулирующим в зазоре с помощью горизонтальных диафрагм и вертикальной перегородки) низкотемпературного топочного процесса, внутри которого (в образующемся кипящем слое) происходит процесс пиролиза.
Естественность расположения слоев топлива, сжигаемого в вихревом потоке воздуха, позволяет отказаться от использования колосниковой решетки (к тому же охлаждаемой) с шурующей планкой, что также упрощает конструкцию топки, повышает ее надежность и устраняет потери температуры генераторного газа.
Послойное вихревое сжигание топлива с охлаждением поверхности камеры сгорания обеспечивает естественную последовательность топочных процессов в топочном объеме с устранением максимума температур, что стабилизирует процесс горения, благодаря чему сглаживаются провалы по температуре горения в случае неоднородности топлива по влажности и исключается возможность прекращения процесса горения при попадании в топку опилок повышенной влажности. Стабильность процесса горения обеспечивает увеличение экономичности и возможность увеличения мощности топки (т.е. возможность ее форсировки).
Благодаря охлаждению стенок камеры сгорания турбулентным воздухом увеличивается безопасность обслуживания топки за счет уменьшения температуры нагрева корпуса (при этом теплый турбулентный воздух через сопла попадает внутрь камеры и возвращает часть тепла, затраченного на нагревание камеры и корпуса), а также срок службы вихревой топки без ремонта.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - продольный разрез топки, на фиг.2 - вид сверху (в сечении - вид на тангенциальные каналы нижнего и центрального воздуховодов).
Заявляемая топка состоит из (фиг.1, 2) металлического корпуса 1 квадратной формы, внутри которого расположена такой же формы камера сгорания 2, выполненная из жаростойкого материала (огнеупорного кирпича). Между боковыми стенами корпуса и камеры по периметру топки имеется зазор 3, предназначенный для охлаждения камеры снаружи с помощью циркулирующего в нем воздуха. Между крышами корпуса и камеры также может быть зазор.
Топка снабжена расположенным слева снизу в продольной плоскости устройством горизонтальной подачи топлива 4, например, шнекового типа, для чего камера сгорания имеет соответствующий продольный топливный канал с патрубком для подсоединения шнека.
Топка имеет также устройство принудительной подачи воздуха, которое снабжено двумя вентиляторами 5 и прямоугольными воздухораспределительными коллекторами 6, каждый из которых имеет три горизонтальных воздуховода 7. Для регулирования рабочего просвета воздуховоды оборудованы заслонками 8.
Для создания возможности послойного вихревого сжигания топлива коллекторы 6 с воздуховодами 7 расположены снаружи над устройством подачи топлива 4 по обеим его сторонам. Для послойного наддува воздуха воздуховоды 7 расположены один над другим.
Внутри зазора 3 воздуховоды 7 отделены друг от друга двумя металлическими горизонтальными диафрагмами 9, охватывающими камеру сгорания по периметру. Форма каждой диафрагмы соответствует форме зазора. При этом центральный воздуховод ограничен диафрагмами сверху и снизу, а нижний и верхний воздуховоды - только с одной стороны (соответственно сверху и снизу) с образованием в зазоре 3 нижнего и верхнего объемов. По высоте зазор 3 симметрично разделен на две части поперечной вертикальной перегородкой 10, расположенной на противоположной от коллекторов 6 стороне.
Устройство принудительной подачи воздуха имеет также горизонтальные сопла 11, выполненные в виде каналов в кирпичной кладке в каждой стене камеры сгорания. Для образования внутри камеры вертикального воздушного вихря, ось которого совпадает с осью камеры, сопла 11 ориентированы тангенциально к условному телу вращения (направлены по касательной к его поверхности), для чего расположены со смещением в горизонтальной плоскости в одну и ту же сторону относительно вертикальной оси каждой стены (фиг.2). Сопла 11, так же как и воздуховоды 7, расположены (фиг.1) один над другим. Оптимальное количество сопел по высоте - по две пары на каждый воздуховод (фиг.1, 2).
В верхней части камеры сгорания имеется прямоугольный в поперечном сечении горизонтальный канал 12 отвода генераторного газа, имеющий выход на противоположную от коллектора 6 сторону топки для соединения с отопительным котлом или сушильной камерой.
Снизу топка снабжена устройством для удаления шлака - зольником 13 с дверцей, предназначенным также для розжига топлива.
На боковой стене топки имеется глазок для визуального контроля уровня топлива в камере сгорания.
Устройство работает следующим образом.
Перед подачей топлива в камеру сгорания необходимо отрегулировать рабочий просвет каждого воздуховода 7, для чего приоткрыть на определенную величину заслонки 8 (фиг.1). Для создания возможности увеличения тяги в процессе работы топки заслонка нижнего воздуховода открывается на максимальную величину, среднего - на меньшую, а верхнего - на минимальную.
Затем открывают дверцу зольника 13 и разжигают костер на дне камеры.
После получения стабильного процесса горения костра необходимо закрыть дверцу зольника, включить вентиляторы 6 и привод шнека устройства подачи топлива 4.
Твердое измельченное топливо с помощью шнека горизонтально начинает поступать внутрь камеры сгорания (фиг.1). В процессе механического перемещения внутри камеры вверх создается горка из топлива, которое в нижней низкотемпературной части камеры интенсивно подсушивается с помощью нижнего (первичного) потока воздуха, подаваемого по нижним воздуховодам 7 и соответствующим соплам 11 через нижний объем зазора 3. В этом слое происходит насыщение массива топлива кислородом, выделение летучих частиц и их возгорание. При этом в нижнем объеме зазора 3 происходит интенсивный процесс турбулизации потока воздуха (в горизонтальной и вертикальной плоскостях) с помощью вертикальной перегородки 10 и горизонтальной диафрагмы 9 и внутрь камеры через сопла 11 поступает поток воздуха, напор которого усилен турбулизацией (фиг.1, 2).
Процесс горения в нижнем слое массива топлива регулируется изменением рабочего просвета в нижнем воздуховоде 7 положением заслонки 8 (после стабилизации этого процесса).
Затем во втором слое начинается процесс вихревого перемещения раскаленных частиц топлива с помощью среднего (вторичного) потока воздуха, подаваемого внутрь камеры сгорания по центральным (узким) воздуховодам 7 и расположенным в зоне этих воздуховодов соплам 11. Во втором слое внутри вихря начинается интенсивное горение частиц топлива, которые отбрасываются под действием центробежных сил к стенам камеры сгорания и вращаются вместе с ускоряющимся вихревым потоком воздуха до практически полного выгорания. Здесь же благодаря охлаждению наружных стен камеры сгорания циркулирующим в зазоре 3 турбулентным воздухом температура внутри камеры снижается, устраняется ее максимум, в результате чего создаются условия для образования кипящего слоя, в котором происходит процесс интенсивного разложения органических соединений.
Несгоревшие раскаленные частицы топлива, вращаясь с ускорением (благодаря уменьшению их количества в потоке), постепенно поднимаются к верхнему высокотемпературному и наиболее интенсивному слою горения, вихревое перемещение частиц в котором поддерживается верхним (дожигающим) потоком воздуха, поступающим по верхним воздуховодам 7 через верхний объем зазора 3 (где, как и в нижнем объеме, происходит процесс турбулизации воздуха, но роль перегородки 10 играют боковые стенки канала 12) и соответствующим верхним соплам 11. В этом слое происходит догорание оставшихся раскаленных частиц и поступление высокотемпературного очищенного от вредных примесей генераторного газа в канал 12 и далее к потребителям.
С помощью заслонок 8 на воздуховодах 7 при необходимости производят регулирование поступления воздуха в горящие слои топлива.
Для увеличения производительности топки необходимо открыть заслонку верхнего воздуховода 7 на большую величину.
Заявляемая вихревая топка обеспечивает получение не содержащего вредных примесей генераторного газа в процессе утилизации увлажненных и содержащих токсические вещества твердых отходов различных производств: опилок, стружки, ДСП и ЛДСП; древесных отходов с отработанным машинным маслом; отходов, содержащих полиэтилен, полипропилен, клей; отходов производства средств гигиены и упаковочной тары; бройлерного производства; лузги риса и подсолнечника; ТБО (твердых бытовых отходов); отходов медицинских учреждений (таблеток, флаконов, капсул, туб, содержащих жидкие, газообразные и т.д. физиологически активные соединения).
Вихревая топка изготовлена и прошла эксплуатационные испытания, по результатам которых можно сделать вывод об эффективности процесса сжигания твердого низкосортного топлива, возможности ее форсировки и соответствии требованиям экологии.