ПИРОЛИЗНЫЙ КОТЕЛ
PYROLYSIS BOILER

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно - к области средств генерирования тепловой энергии, и может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, на транспорте и других областях для автономного водяного отопления и воздушного обогрева, а также горячего водоснабжения жилых и производственных помещений, зданий и сооружений: гаражей, теплиц, хранилищ, ферм, дачных домиков и т.д.
Для генерирования тепловой энергии предпочтительно использовать устройства, использующие возобновляемые твердотельные источники энергии, предпочтительно дрова или каменный уголь.
Известен (RU, патент 104668) автоматизированный угольный котел, содержащий бункер для твердого топлива, перпендикулярно к нему расположенное устройство подачи топлива, горелочное устройство, устройство подачи воздуха, теплоизолированную водоохлаждаемую топку, состоящую из камеры сгорания и камеры дожигания, теплообменник, экономайзер, золоуловитель, зольник, а также блок автоматизации и электропривод, причем внутри теплообменника, выполненного в форме вертикального кругового полого цилиндра с крышкой - в одном основании, и фланцем крепления - в другом основании, расположены камера дожигания с одним или более турбулизаторами, имеющая форму вертикального кругового полого цилиндра, одно основание которого открыто во внутренний объем теплообменника, другое - в канал горловины, соединяющей камеру дожигания с камерой сгорания, кольцевая камера теплоносителя с патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя, образованная корпусом теплообменника и корпусом камеры дожигания, при этом дымогарные трубы крепятся к торцевым поверхностям камеры теплоносителя и образуют сквозные каналы, соединяющие камеру дожигания с экономайзером, представляющим собой кольцевую камеру между двумя вертикальными коаксиальными цилиндрами, внутренний из которых является корпусом теплообменника, внешний располагают таким образом, чтобы между основаниями цилиндров был зазор, камера сгорания выполнена в форме горизонтально расположенного кругового цилиндра, в одном основании которого расположены фланец крепления горелочного устройства и трубка подачи вторичного воздуха, в другом основании - опора для закрепления вала шнека и дверца первичного розжига угля, а устройство подачи твердого топлива выполнено в виде шнекового конвейера, заключенного в цилиндрический корпус, вал которого проходит от бункера через камеру сгорания вдоль оси горелочного устройства, так, что внутренняя полутруба горелочного устройства является продолжением корпуса шнекового конвейера и имеет диаметр, равный диаметру трубы корпуса шнекового конвейера.
Недостатками известного устройства следует признать недостаточно высокий кпд, сложность конструкции применительно как в производстве, так и в обслуживании.
Известна (RU, патент 2243450) водогрейная печь на твердом топливе, содержащая топку с колосниками, поддувало и водонагревательный узел, включающий водонаполненную полость, поверхность нагрева которого установлена с возможностью взаимодействия с газообразными продуктами сгорания, и дымовую трубу. Кроме того, печь снабжена камерой дожигания и теплообменной камерой, в полости которой размещена теплообменная секция, при этом топка посредством канала для выхода топочных газов, выполненного в верхней части торца топки, сообщена с нижним концом камеры дожигания, верхний конец теплообменной камеры газовым каналом сообщен с верхним концом камеры дожигания, а нижний конец теплообменной камеры сообщен дымоходом с дымовой трубой, верхняя стенка теплообменной камеры выполнена в виде водонагревательного узла, полость поддувала сообщена с нижним концом камеры дожигания каналом для подвода дополнительного воздуха, снабженным регулирующей заслонкой, вокруг выпускного отверстия канала сформирован газораспределительный колодец, выполненный в виде рядов шамотных кирпичей, попарно размещенных в шахматном порядке друг на друге, стенки топки и камеры дожигания выполнены из шамотного кирпича.
Недостатками известного устройства следует признать недостаточно высокий кпд, сложность конструкции применительно как в производстве, так и в обслуживании.
Известен (RU, патент 115050) водогрейный котел, содержащий топку, теплообменник, дымовую трубу, дожигатель с отверстиями для поступления газов, воздуховод, в топке расположена колосниковая решетка, к которой подведен первый воздуховодный канал, топка сообщена с внутренней полостью дожигателя, выполненного из огнеупорного материала. Также котел снабжен узлом дожигания, содержащим полый корпус из огнеупорного материала и сообщенную с ним трубу из огнеупорного материала, узел дожигания расположен в полости теплообменника, корпус узла дожигания сообщен с топкой, при этом в полости корпуса узла дожигания размещен дожигатель, дожигатель сообщен со вторым воздуховодным каналом, проходящим через нижнюю часть теплообменника, нижняя часть дожигателя расположена на уровне канала выхода продуктов горения из топки, первый воздуховодный канал для подвода воздуха к колосниковой решетке проходит через нижнюю часть теплообменника, теплообменник расположен сбоку топки, в верхней и нижней частях корпуса топки выполнены продольные вырезы, котел снабжен узлом подачи топлива, состоящим из бункера и дозатора, дозатор состоит из трех разомкнутых полых цилиндров с продольными вырезами, вырезы всех цилиндров по периметру имеют одинаковые геометрические размеры, первый цилиндр закреплен относительно корпуса топки и выполнен с двумя продольными вырезами, верхний продольный вырез расположен напротив выхода бункера, при этом геометрические размеры по периметру указанного выреза соответствуют геометрическим размерам выхода бункера по его периметру, нижний продольный вырез первого цилиндра расположен напротив верхнего выреза первого цилиндра и сообщен с полостью топки через верхний продольный вырез в корпусе топки, при этом наружная поверхность верхнего выреза топки является ответной по отношению к наружной поверхности первого цилиндра дозатора и плотно прилегает к ней, второй цилиндр дозатора расположен внутри первого цилиндра соосно с ним и с зазором относительно него, второй цилиндр выполнен с одним продольным вырезом для сообщения выхода бункера с внутренней полостью второго цилиндра, третий цилиндр дозатора - отсекатель расположен в зазоре между первым и вторым цилиндрами соосно с ними и выполнен с двумя продольными вырезами, расположенными под углом 90°, первый продольный вырез отсекателя предназначен для обеспечения сообщения внутренней полости второго цилиндра с выходом бункера, второй продольный вырез отсекателя предназначен для сообщения полости второго цилиндра с топкой, второй цилиндр установлен с возможностью вращения по направлению ко второму вырезу отсекателя, третий цилиндр установлен с возможностью вращения по направлению вращения второго цилиндра, дозатор содержит зацепляющее устройство, обеспечивающее совместное вращение отсекателя и второго цилиндра после того, как второй цилиндр повернется на 90° по направлению ко второму вырезу отсекателя, второй цилиндр и отсекатель связаны с приводным устройством.
Недостатками известного устройства следует признать недостаточно высокий кпд, сложность конструкции применительно как в производстве, так и в обслуживании.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2379596, 2010) теплогенератор, содержащий вертикально ориентированный корпус с входом для подачи топлива и выходом для отработанных газов, включающий по меньшей мере три камеры: камеру горения в нижней части корпуса и расположенные над ней две камеры дожига, при этом камеры образованы горизонтально ориентированными перегородками, расположенными с зазором относительно стенок корпуса для прохода продуктов горения, блок регулируемой подачи воздуха, расположенный в нижней части камеры горения; блок подачи вторичного воздуха в камеру дожига, расположенную непосредственно над камерой горения, и выполненный с возможностью распределения воздуха по объему камеры; теплообменный блок, при этом все стенки корпуса выполнены двойными с внешней изоляцией.
Недостатком известного устройства следует признать недостаточную его эффективность.
Техническая задача, решаемая настоящим устройством, состоит в разработке средства генерирования тепловой энергии с использованием твердого топлива.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в повышении эффективности генерирования тепловой энергии.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать пиролизный котел разработанной конструкции. Пиролизный котел разработанной конструкции содержит вертикально ориентированный корпус с входом для подачи топлива и выходом для отработанных газов, в нижней части корпуса расположена камера горения, сообщенная с входом для подачи топлива, и расположенная над ней камера дожига, при этом камеры образованы горизонтально ориентированными перегородками, в которых выполнены щели, в нижней части корпуса установлен блок регулируемой подачи воздуха в камеру горения, в средней части корпуса размещен блок подачи вторичного воздуха в камеру дожига, выполненный с возможностью распределения воздуха по объему камеры, а также теплообменный блок, при этом все стенки корпуса выполнены двойными с внешней изоляцией. Согласно изобретению пиролизный котел разработанной конструкции содержит дополнительную верхнюю камеру дожига, установленную над известной камерой дожига, при этом объем верхней камеры дожига составляет от 8 до 20% от объема нижней камеры дожига, объем нижней части камеры дожига составляет от 8 до 20% объема камеры горения, а для подачи вторичного воздуха в нижнюю камеру дожига использованы инжекторы, подключенные к блоку подачи вторичного воздуха.
В ходе проведения отработки данной конструкции было установлено, что использование одной камеры дожига не позволяет полностью утилизировать образовавшиеся в камере горения продукты пиролиза (пиролизных газов) с максимальным эффектом выделения тепловой энергии. Также было установлено, что расположение двух камер пиролиза параллельно друг другу не только усложняет конструкцию котла за счет сложности подвода продуктов пиролиза последовательно в обе камеры дожига, но и не позволяет полностью их утилизировать. Поэтому камеры дожига разместили одну над другой с получением максимального возможного результата для этого признака. В ходе экспериментов было установлено, что существенным для утилизации продуктов пиролиза с выделением тепловой энергии является соотношение объемов камер дожига. Экспериментально было установлено, что оптимальным является использование второй (верхней) камеры дожига, объем которой составляет от 8 до 20% от объема нижней камеры дожига. В этом случае утилизация продуктов пиролиза позволяет получить максимальный эффект по выделению тепловой энергии. Аналогично экспериментально было установлено, что оптимальным является использование первой (нижней) камеры дожига, объем которой составляет от 8 до 20% от объема камеры горения. Также было выявлено влияние на эффективность выделения тепловой энергии условий подачи вторичного воздуха в нижнюю камеру дожига. Как было экспериментально установлено, наибольший эффект может быть получен при использовании для подачи вторичного воздуха инжекторов. Количество инжекторов задано объемом камеры горения, определяющим объемы камер дожига. В предпочтительном варианте реализации котел содержит от 60 инжекторов, преимущественно равномерно распределенных по поперечному сечению котла.
Предпочтительно в верхней части камеры горения размещен неподвижный слой катализатора. В качестве катализатора могут быть использованы хлорид натрия или калия, хлориды металлов группы железа, шамотовый кирпич.
Блок регулируемой подачи воздуха может быть выполнен в виде системы перфорированных подвижных труб, со стороны входа имеющих подвижные заглушки, выполненные с возможностью регулируемой подачи воздуха. При этом к системе перфорированных труб может быть дополнительно подключено средство нагнетания воздуха.
Блок подачи вторичного подогретого воздуха предпочтительно представляет собой канал подачи вторичного воздуха, образованный двойными стенками днища и передней двойной стенкой корпуса, с входом со стороны задней стенки устройства и выходом в нижнюю камеру дожига, причем в нижней камере дожига расположены перфорированные трубы, в отверстиях перфорации которых установлены инжекторы.
Корпус пиролизного котла может быть снабжен водяной рубашкой.
Конструкция разработанного пиролизного котла в базовом варианте приведена на чертеже, при этом использованы следующие обозначения: корпус 1, камера 2 горения, нижняя камера 3 дожига, верхняя камера 4 дожига, перегородка 5 между камерами дожига 3 и 4, перегородка 6 между камерой 2 горения и нижней камерой 3 дожига, щель 7 для прохода пиролизных газов в перегородке 6, зазор 8 между перегородкой 5 и корпусом 1, инжекторы 9, загрузочное окно 10, штуцер 11 входа в теплообменник, трубы 12 теплообменника, штуцер 13 выхода теплообменника, средство 14 подачи вторичного воздуха, средство 15 подачи воздуха в камеру 2 горения, газоотвод 16.
Пиролизный котел содержит вертикально ориентированный корпус 1, объем которого разделен двумя горизонтально ориентированными перегородками 5 и 6 на три камеры: камеру 2 горения в нижней части корпуса и расположенные над ней две камеры дожига: нижнюю 3 и верхнюю 4. При этом в камере 2 горения выполнено загрузочное окно 10, приспособленное для подачи твердого топлива. Стенки корпуса 1 предпочтительно выполнены двойными с внешней теплоизоляцией. Внутри стенок проходят трубы 12 теплообменника, в нижней части корпуса 1 на его боковой поверхности установлен штуцер 11 входа в теплообменник, в верхней части корпуса 1 установлен штуцер 13 выхода теплообменника. В перегородке 6 выполнена щель 7 для передачи пиролизных газов из камеры 2 горения в нижнюю камеру 3 дожига. В перегородке 5 выполнен зазор 8 для прохода пиролизных газов и продуктов их дожига. В верхней части корпуса 1 установлен газоотвод 16. На средней части корпуса 1 расположено средство 14 подачи вторичного воздуха в нижнюю камеру 3 дожига через инжекторы 9, подключенные к средству 14 трубопроводами (не показаны). В нижней части корпуса 1 установлено средство 15 подачи воздуха в камеру 2 горения.
Пиролизный котел разработанной конструкции работает следующим образом.
Осуществляют розжиг на сухом твердом топливе (предпочтительно, дрова) и прогрев пиролизного котла до достижения необходимой температуры теплоносителя (50-60°C) в трубах 12. Затем осуществляют основную загрузку твердого топлива через загрузочное окно 10. При этом для основной загрузки может быть использовано любое твердое топливо, в том числе и влажное. После возгорания загруженного топлива ограничивают подачу воздуха в камере 2 горения с получением режима беспламенного горения. При этом в камере горения 2 происходит активное тление топлива с образованием пиролизных газов.
Образующиеся в камере 2 горения 4 пиролизные газы поступают через щель7 в нижнюю камеру 3 дожига. Вторичный (подогретый) воздух через средство 14 и инжекторы 9 поступает в нижнюю камеру 3 дожига, смешивается с пиролизными газами, при этом происходит дожигание (доокисление) пиролизных газов с выделением значительного количества тепловой энергии, поглощаемой теплоносителем, находящимся в трубах 12. Остаточные пиролизные газы поступают в верхнюю камеру 4 дожига, где и завершается процесс доокисления пиролизных газов с выделением тепловой энергии, также поглощаемой теплоносителем, находящимся в трубах 12. Отходящие газы выводятся из устройства через газоотвод 16.
Проведенные исследования коэффициента полезного действия (КПД) в соответствие с ГОСТ 9817-95 показали, что кпд разработанного пиролизного котла составляют 96%, в то время как кпд устройства-прототипа 93%.