ТОПКА С НАКЛОННО-ПЕРЕТАЛКИВАЮЩЕЙ КОЛОСНИКОВОЙ РЕШЕТКОЙ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГРАНУЛИРОВАННЫХ И БРИКЕТИРОВАННЫХ ТОПЛИВ
FURNACE WITH AN INCLINED-PUSHING GRATE FOR COMBUSTION OF GRANULATED AND BRIQUETTED FUELS

Изобретение относится к устройствам для сжигания гранулированных или брикетированных биотоплив, а также гранулированного или брикетированного торфа и может найти применение в теплоэнергетике.
Известны топки с наклонно-переталкивающими решетками, в которых топливо из бункера поступает на колосниковую решетку, которая образована из чередующихся рядов подвижных и неподвижных колосников, расположенных ступенями. Угол наклона колосниковой решетки меньше угла естественного откоса сжигаемого топлива и перемещение топлива по решетке происходит за счет возвратно-поступательного движения подвижных колосников, при этом происходит шуровка слоя. Подача воздуха под колосниковую решетку осуществляется позонно. [Стырикович М.А., Катковская К.Я., Серов Е.П. Котельные агрегаты. М.-Л. Госэнергоиздат, 1959, с. 78].
Для уменьшения потерь теплоты с химической неполнотой сгорания в топках с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками стали использовать сопла острого дутья, установленные на фронтовой и задней стенах, что позволило несколько снизить величину данной потери до 2,5-3,0 %. [Думер А.Б. Механизмы топочных устройств. М.-Л. Госэнергоиздат, 1963, с. 92-93].
Известны топки с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками для сжигания древесных отходов с умеренной влажностью, в которых отходы подаются на колосниковую решетку шнековыми питателями, первичный воздух подается под решетку позонно (три зоны), а вторичный воздух вводится в топочный объем над второй и третьей зонами колосниковой решетки со стороны боковых стен с помощью горизонтальных цилиндрических сопл, расположенных встречно в одной вертикальной плоскости. Количество сопл вторичного дутья, определяется длиной колосниковой решетки и соответственно тепловой мощностью топки. Высокотемпературные продукты сгорания в надслоевой области камеры сгорания двигаются к первой зоне колосниковой решетки, интенсифицируя термическую подготовку свежего топлива к воспламенению, и через выходное окно прямоугольного сечения, расположенное в арочном своде, над конечным участком первой зоны решетки, направляются в камеру дожигания и охлаждения, в которой завершается процесс горения и происходит охлаждение дымовых газов перед их поступлением в газоводяной теплообменник. [Любов В.К., Любова Н.В. Сжигание биотоплив в котлах «Danstoker» // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: Материалы международной научно-технической конференции. Вологда: РИО ВоГТУ, 2009 с. 105-107].
Известны топочные камеры с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой для сжигания биотоплив в виде пеллет, древесной щепы, отходов фанерного производства и др. с размером частиц не более 50×50×15 мм, с относительной влажностью не более 40 %. [Любов В.К. Топка с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой для сжигания биотоплив/ Патент на изобретение №2750588 РФ по заявке № 2020140930, приоритет от 11.12.2020; зарег. в Гос. реестре изобр. РФ 29.06.2021, опубликовано 29.06.2021, бюл. №19]. Данные топки содержат, разделенные арочным сводом, камеру сгорания, снабженную устройствами подачи топлива, позонного ввода первичного воздуха и газов рециркуляции под колосниковую решетку, вторичного воздуха и газов рециркуляции в надслоевой объем камеры сгорания через сопла, расположенные на боковых стенах, и камеру дожигания и охлаждения. Камера сгорания соединена с камерой дожигания и охлаждения выходным окном, расположенным в арочном своде у задней стены топочной камеры. Сопла для подачи газов рециркуляции в камеру сгорания расположены на противоположных стенках над первой зоной колосниковой решетки со смещением на полшага относительно сопл противоположной стенки, сопла вторичного воздуха, расположены на противоположных стенках камеры сгорания в одной наклонной плоскости над второй зоной колосниковой решетки со смещением на полшага относительно сопл противоположной стены. Первичный воздух вводится под вторую и третью зоны наклонно-переталкивающей колосниковой решетки, а газы рециркуляции под первую и вторую зоны колосниковой решетки. В данных топках третичный воздух, обеспечивающий завершение процесса горения, вводится в камеру дожигания и охлаждения через сопла, расположенные на боковых стенах в одной горизонтальной плоскости со смещением на полшага относительно сопл противоположной стены. Задняя стенка топочной камеры и ее фронтовая стенка в зоне камеры дожигания и охлаждения и поворотной камеры, а также стены поворотной камеры закрыты газоплотными водоохлаждаемыми экранными панелями, выполненными из стальных труб, между которыми приварены проставки (мембраны) из стальной полосы.
Однако данные топки чувствительны к изменению фракционного состава гранулированного или брикетированного топлива и его теплотехнических характеристик. При сжигании гранулированных или брикетированных биотоплив, а также гранулированного или брикетированного торфа с повышенным содержанием мелких фракций и пониженной влажностью зона воспламенения перемещается в направлении фронтовой стенки топки. Раннее воспламенение топлива, сопровождающееся интенсивным выделением и горением летучих веществ, и отсутствие в данной зоне тепловоспринимающих поверхностей нагрева вызывают существенный рост температур в данной области камеры сгорания, что приводит к оплавлению боковых стен и особенно дугообразного перекрытия арочного свода, выполненных из огнеупорного кирпича, а также к локальному прогоранию колосниковой решетки. Подача газов рециркуляции, забираемых из газохода после основного дымососа, под первую и вторую зоны наклонно-переталкивающей колосниковой решетки и в надслоевой объем камеры сгорания над первой зоной колосниковой решетки позволяет уменьшить интенсивность данных негативных факторов, однако устранить их не может.
Все это вызывает уменьшение жизненного цикла обмуровки боковых стен и дугообразного перекрытия арочного свода, выполненных из огнеупорных материалов, а также наклонно-переталкивающей колосниковой решетки. Газы рециркуляции увеличивают объем и скорости продуктов сгорания, что вызывает повышенный вынос твердых частиц, сепарирующихся на верхней поверхности арочного свода и на внутренней поверхности дымогарных труб. Данные явления приводят к комплексному снижению эффективности работы котлов, к увеличению финансовых затрат и продолжительности ремонтных работ, а также требуют увеличения установленной мощности котельных агрегатов.
Данное топочное устройство принято нами за прототип.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание высокоэффективного низкоэмиссионного топочного устройства для сжигания гранулированных или брикетированных биотоплив, а также гранулированного или брикетированного торфа.
Это достигается тем, что у топки с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой, содержащей разделенные арочным сводом камеру сгорания, снабженную устройствами подачи топлива, позонного ввода первичного воздуха под вторую и третью зоны наклонно-переталкивающей колосниковой решетки и газов рециркуляции под колосниковую решетку, и соплами подачи в надслоевой объем камеры сгорания газов рециркуляции, расположенными на противоположных стенках над первой зоной колосниковой решетки со смещением на полшага относительно сопл противоположной стенки, и соплами подачи вторичного воздуха, расположенными на противоположных стенках в одной наклонной плоскости над второй зоной колосниковой решетки со смещением на полшага относительно сопл противоположной стены, и камеру дожигания и охлаждения, соединенную с камерой сгорания выходным окном, расположенным в арочном своде у задней стены топочной камеры, и снабженную соплами ввода третичного воздуха, расположенными на противоположных стенах в одной горизонтальной плоскости со смещением на полшага относительно сопл противоположной стены, задняя стенка топочной камеры и ее фронтовая стенка в зоне камеры дожигания и охлаждения и поворотной камеры, а также стены поворотной камеры закрыты газоплотными водоохлаждаемыми экранными панелями, газы рециркуляции вводятся под первую зону колосниковой решетки и дугообразное перекрытие арочного свода выполнено газоплотным из стальных водоохлаждаемых труб, подключенных к коллекторам.
На фиг. 1 изображена предлагаемая топка, продольный разрез; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А фиг. 1, на фиг. 3 - местный разрез Б-Б фиг. 1, на фиг. 4 - местный разрез В-В (колосниковая решетка условно не показана) фиг. 1.
Топка с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой содержит камеры сгорания 1 и дожигания и охлаждения 2, разделенные арочным сводом 3, в котором у задней стенки 4 топочной камеры расположено выходное окно 5, над которым горизонтально встречно-смещенно установлены сопла 6 для ввода третичного воздуха. На фронтовой стенке 7 топки установлен питатель топлива 8, а на боковых стенах над первой зоной наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 9 установлены встречно-смещенно сопла ввода газов рециркуляции 10, а над второй зоной колосниковой решетки 9 расположены встречно-смещенно в наклонной плоскости сопла подачи вторичного воздуха 11. Подача вторичного воздуха к соплам осуществляется с помощью воздуховодов 12, проложенных в боковых стенах камеры сгорания 1. Мелкодисперсная зола, просыпающаяся через зазоры колосников, с помощью толкающей штанги 13 перемещается к поперечному транспортеру 14, а крупнодисперсная зола и шлак поступает на него непосредственно с наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 9.Первичный воздухподается под вторую и третью зоны наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 9, а газы рециркуляции, забираемые после основного дымососа, направляются под первую зону колосниковой решетки 9. Для снижения температурного уровня в камере сгорания 1, дожигания и охлаждения 2 до безопасных значений, обеспечивающих длительный жизненный цикл обмуровки стен топки и колосниковой решетки при оптимальных с позиции экологии долях газов рециркуляции, дополнительно к газоплотным водоохлаждаемым экранным панелям, выполненным из стальных труб 16, между которыми приварены проставки (мембраны) 17, и установленным на задней стенке 4 топочной камеры и ее фронтовой стенке 7 в зоне камеры дожигания и охлаждения 2 и поворотной камеры 15, а также на стенах поворотной камеры 15, дугообразное перекрытие арочного свода 3, выполняется газоплотным из стальных водоохлаждаемых труб 18, подключенных к коллекторам 19. Все перечисленные поверхности нагрева включены в циркуляционный контур котлоагрегата.
Работа топки с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой для сжигания гранулированных или брикетированных биотоплив, а также гранулированного или брикетированного торфа осуществляется следующим образом.
Топливо из бункера питателем 8 подается на наклонно-переталкивающую колосниковую решетку 9, на участке первой зоны которой, происходит термическая подготовка и воспламенение топлива, во второй и третьей зонах происходит, соответственно, активное горение и догорание горючих компонентов топлива, первичный воздух подается под вторую и третью зоны колосниковой решетки, в количестве меньшем, чем теоретически необходимо для сгорания топлива. Соотношение между первичным и вторичным воздухом определяется теплофизическими характеристиками сжигаемого топлива, с ростом влажности топлива доля первичного воздуха увеличивается. Ввод газов рециркуляции под и над первой зоной наклонно-переталкивающей колосниковой решетки, температура которых в несколько раз больше температуры подаваемого воздуха, интенсифицирует термическую подготовку топлива к воспламенению, снижает эмиссию оксидов азота и расширяет возможности топки по теплотехническим характеристикам сжигаемого топлива, а также позволяет обеспечить оптимальную долю рециркуляции с позиции экологии. Продукты неполного горения, выходящие из слоя топлива, попадают в вихревые потоки, образующиеся при взаимодействии встречно-смещенных струй газов рециркуляции в объеме камеры сгорания 1 над первой зоной колосниковой решетки и вихревые потоки, образующиеся при взаимодействии встречно-смещенных струй вторичного воздуха, выходящих из сопл 11 над второй зоной решетки. Вихревые потоки горячих топочных газов оказывают воздействие и на слой топлива, расположенный на колосниковой решетке 9, повышая равномерность распределения топлива по ее ширине и увеличивая ее жизненный цикл. Пройдя выходное окно 5, расположенное у задней стенки 4 топочной камеры в арочном своде 3, выполненном газоплотным из стальных водоохлаждаемых труб 18, подключенных к коллекторам 19 для обеспечения циркуляции по ним рабочей среды, высокотемпературные продукты сгорания попадают в вихревые потоки, образующиеся при взаимодействии встречно-смещенных струй третичного воздуха, выходящих из сопл 6. При этом обеспечивается окисление оставшихся продуктов неполного сгорания. Выполнение дугообразного перекрытия арочного свода 3 в виде газоплотной водоохлаждаемой панели, а также наличие газоплотных водоохлаждаемых экранных панелей, выполненных из стальных труб 16, между которыми приварены проставки (мембраны) 17, на задней стенке 4 топочной камеры, ее фронтовой стенке 7 в зоне камеры дожигания и охлаждения 2 и поворотной камеры 15, а также на стенках поворотной камеры 15, позволяет значительно уменьшить уровень максимальных температур и обеспечить длительный жизненный цикл обмуровки стен топочной камеры, дугообразного перекрытия арочного свода и колосниковой решетки при оптимальных с позиции экологии долях газов рециркуляции. Наличие системы вихревых потоков в надслоевой области камеры сгорания 1 и над выходным окном 5, а также снижение доли газов рециркуляции уменьшают вынос твердой фазы из камеры сгорания 1 в камеру дожигания и охлаждения 2, увеличивая компанию котла по условиям чистки. Дополнительная турбулизация газового потока на входе в камеру дожигания и охлаждения 2 интенсифицирует теплообмен в камере и улучшает условия работы газоводяного теплообменника. Мелкодисперсная зола, просыпающаяся через зазоры колосников, с помощью толкающей штанги 13 перемещается к поперечному транспортеру 14, а крупнодисперсная зола и шлак поступают на него непосредственно с наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 9.Снижение уровня максимальных температур в топочной камере и их выравнивание по ее объему исключает спекание очаговых остатков и обеспечивает надежную работу системы золошлакоудаления.
т
Опыт исследовательских работ на котлоагрегатах, сжигающих различные виды биотоплив, а также торф, и имеющих различное конструктивное исполнение, позволяет прогнозировать высокоэффективное низкоэмиссионное сжигание гранулированных или брикетированных биотоплив, а также гранулированного или брикетированного торфа в предлагаемом топочном устройстве. Кроме этого, применение данного топочного устройства создает предпосылки для повышения КПД брутто котла не менее чем на 1,0 % за счет уменьшения потерь тепла с уходящими газами и с химической неполнотой сгорания топлива, обеспечит возможность работы при сверхмалых избытках воздуха на выходе из топки (α = 1,15-1,25), снизит эмиссии оксидов азота на 20-40 % и оксида углерода на 20-30 %, а также продлит жизненный цикл наклонно-переталкивающей колосниковой решетки, обмуровки стен топочной камеры и дугообразного перекрытия арочного свода.