УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
DEVICE AND METHOD FOR GRANULATED SOLID FUEL COMBUSTION

Область техники, к которой относится изобретение
В целом, изобретение относится к устройству для сжигания. В частности, изобретение относится к устройству и способу для сжигания гранулированного твердого топлива, например древесных гранул.
Сведения о предшествующем уровне техники
В настоящее время наметилась тенденция замещения традиционных отопительных систем, работающих на жидком топливе, на устройства для сжигания гранулированного твердого топлива, обозначенные в настоящем документе как устройства для сжигания, такие как печи на гранулированном топливе, в частности, в домах на две или одну семью. Это вызвано несколькими причинами; некоторыми из них являются: ежегодное повышение цен на нефтепродукты, в результате чего происходит увеличение затрат жильцов; обеспокоенность многих людей экологическими аспектами, связанными с использованием ископаемого топлива; во многих государствах осуществляется субсидирование за счет государственных средств использования возобновляемых источников энергии. Применение устройства для сжигания твердого гранулированного топлива также может быть экологичным и экономичным решением; твердое топливо обычно не токсично, удобно в транспортировке и является возобновляемым, оно дешевле, например, нефтепродуктов. Кроме того, древесные гранулы, в качестве примера твердого гранулированного топлива, очень плотные и могут иметь низкое содержание влаги, что позволяет ему сгорать с более высокой полнотой сгорания.
Несмотря на то что между устройствами для сжигания и традиционными отопительными системами на жидком топливе имеется много общего, устройства для сжигания имеют некоторые недостатки: часто происходит перерасход топлива устройством для сжигания из-за того, что в процессе сгорания топливо было сожжено не полностью. Вследствие чего, частично сожженное топливо может заполнить камеру сгорания и спровоцировать ее повреждение, если частица не сгоревшего или частично сгоревшего топлива оплавит стенку камеры сгорания. По этой причине устройство для сжигания необходимо часто опорожнять и очищать, что может оказаться трудоемким и сложным в осуществлении процессом. Кроме того, каким-то образом из камеры сгорания необходимо удалять золу от сожженного топлива. Если ее удалять не тщательно, то остатки золы, в конечном счете, заполнят камеру и могут забить воздуховоды, что может уменьшить полноту сгорания и увеличить расход топлива. Помимо этого, зола и не полностью сожженное топливо могут послужить причиной процесса загрязненного горения, что увеличит количество нежелательных мелких частиц в воздухе.
Из предшествующего уровня техники известно несколько решений, предусматривающих использование решетки и позволяющих предотвратить плавление топлива. Один пример раскрыт в патентном документе RU 23371634 С, согласно которому решетка имеет ступенчатый профиль и также может совершать возвратно-поступательное движение. К сожалению, это техническое решение не решает проблему неполного сжигания топлива и, следовательно, не может уменьшить расход топлива.
В другом решении предшествующего уровня техники, раскрытом в документе ЕР 0126619 В1, согласно которому устройство для сжигания содержит средства для подъема и последовательного сжигания горючих твердых веществ для достижения высокой полноты сгорания. Тем не менее такое техническое решение не позволяет решить проблему золы, скапливающейся в камере сгорания и способной затруднить подвод воздуха в процессе горения.
К сожалению, каждое из вышеописанных решений не позволяет решить проблему накапливания золы.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является предотвращение или, по меньшей мере, уменьшение недостатков вышеописанных решений предшествующего уровня техники.
Цель настоящего изобретения достигается решением, согласно которому устройство для сжигания гранулированного твердого топлива выполнено с возможностью подъема частиц топлива в камере сгорания и обеспечения потоков воздуха в камере сгорания под подходящими углами так, чтобы полностью сжечь частицы топлива в золу и удалить полностью сгоревшее топливо, имеющее достаточно малый вес, и/или газообразные продукты сгорания из камеры сгорания.
Устройство для сжигания гранулированного твердого топлива согласно настоящему изобретению охарактеризовано признаками п. 1 формулы изобретения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, устройство для сжигания гранулированного твердого топлива, в соответствии с настоящим изобретением, содержит камеру, имеющую наружную стенку и внутреннюю стенку, разделяющую камеру на пространство для воздуха для горения и камеру сгорания. Кроме того, устройство для сжигания содержит, по меньшей мере, одну воздуходувку, обеспечивающую первичный и вторичный воздух в камере сгорания, и средства вращения камеры сгорания.
Внутренняя поверхность камеры сгорания содержит множество ступеней для подъема топлива в камере сгорания при ее вращении. Кроме того, первичный воздух подают в камеру сгорания для содействия сжиганию топлива и перемещения топлива по ступеням. Помимо этого, вторичный воздух подают в камеру сгорания для полного удаления сгоревшего топлива и/или газообразных продуктов сгорания из камеры сгорания.
В одном варианте осуществления камера сгорания имеет форму цилиндра. Цилиндрическая форма камеры сгорания является предпочтительной, так как вращение камеры является существенным аспектом в настоящем изобретении.
В одном варианте осуществления устройство для сжигания содержит одну воздуходувку, обеспечивающую камеру сгорания первичным и вторичным воздухом, а также охлаждение камеры сгорания устройства для сжигания. В другом варианте осуществления, устройство для сжигания также содержит камеру дожигания с предназначенным для дожигания воздухом. Камера дожигания предпочтительно содержит, например, ворот для уменьшения радиуса выходного отверстия, предусмотренного в камере дожигания в качестве канала для вывода полностью сгоревшего топлива и/или газообразных продуктов сгорания из камеры сгорания. Воротник камеры дожигания является предпочтительным, т.к. он физически исключает возможность выхода из камеры сгорания не полностью сгоревшего топлива.
Кроме того, в другом варианте осуществления, пространство для воздуха для горения в камере сгорания является непрерывным. Непрерывное пространство для воздуха для горения предпочтительно, потому что оно позволяет использовать одну воздуходувку для обеспечения всех необходимых для горения типов воздуха: первичного воздуха, вторичного воздуха и дополнительного воздуха для дожигания.
Кроме того, в одном варианте осуществления, ступени внутри камеры сгорания соединены вместе, а в другом варианте осуществления, предусмотрено, по меньшей мере, одно отверстие в, по меньшей мере, одной ступени для направления первичного воздуха в камеру сгорания.
В одном варианте осуществления, внутренняя поверхность камеры сгорания, в частности, ступени внутри камеры сгорания, покрыта некоторым подходящим жаропрочным материалом, например керамическим покрытием, для улучшения процесса сжигания. Применение покрытия является предпочтительным, т.к. оно может дополнительно предотвратить налипание частиц топлива на поверхность камеры сгорания.
В одном варианте осуществления, камера сгорания содержит, по меньшей мере, одно отверстие для подачи вторичного воздуха внутрь камеры сгорания в направлении, по существу, параллельном оси вращения камеры сгорания.
В одном варианте осуществления, вращательное движение камеры сгорания является пульсирующим, и в другом варианте осуществления пульсирующее вращательное движение указанной камеры сгорания является регулируемым в зависимости от типа и/или размера топлива.
Кроме того, в одном варианте осуществления, устройство для сжигания дополнительно содержит подающее устройство, такое как спираль, для подачи топлива в указанную камеру сгорания, а в другом варианте осуществления, устройство для сжигания дополнительно содержит воспламенитель, такой как электрический и/или проволочный резистор, для нагрева воздуха в камере сгорания с целью воспламенения топлива, подаваемого в камеру сгорания.
Способ сжигания гранулированного твердого топлива с помощью устройства для сжигания, согласно настоящему изобретению, охарактеризован признаками п. 17 формулы изобретения.
В одном варианте осуществления, способ сжигания гранулированного твердого топлива с помощью устройства для сжигания, согласно настоящему изобретению, содержит следующие этапы, на которых:
- подают гранулированное твердое воспламененное топливо в начало указанной камеры сгорания;
- приводят указанную камеру сгорания во вращение для подъема топлива посредством указанных ступеней, образующих внутреннюю поверхность указанной камеры сгорания;
- подают первичный воздух в указанную камеру сгорания в направлении, по существу, параллельном указанной камере сгорания и/или вдоль окружности указанной камеры сгорания для сжигания и перемещения указанного топлива в указанной камере сгорания;
- подают вторичный воздух в указанную камеру сгорания в направлении, по существу, параллельном оси вращения камеры сгорания для удаления полностью сгоревшего топлива и/или газообразных продуктов сгорания из указанной камеры сгорания.
Некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
По сравнению с известными решениями предшествующего уровня техники посредством настоящего изобретения можно достичь существенных преимуществ.
Прежде всего, устройство для сжигания, согласно настоящему изобретению, пригодно для различных гранулированных твердых топлив, таких как древесные гранулы, гранулы из биомассы, торфяные гранулы, дерновые гранулы, гомогенная древесная стружка и уголь. Кроме того, традиционные отопительные системы, работающие на жидком топливе, используемые в домах на две или одну семью, могут быть заменены устройством для сжигания согласно настоящему изобретению.
Способ сжигания, согласно настоящему изобретению, может обеспечить одновременно как эффективное, так и полное смешивание воздуха в вихрь и при высокой температуре внутри камеры сгорания, что гарантирует, что газовые фазы топлива не смогут покинуть камеру или сгореть не полностью из-за отсутствия воздуха в камере сгорания. В результате такого способа сжигания, температура газообразных продуктов сгорания может достигать 850-1100°С внутри камеры сгорания. Вихрь внутри камеры сгорания вместе с покрытием камеры сгорания может дополнительно улучшить процесс сжигания путем смягчения и усиления ударения частиц топлива о ступени.
Кроме того, можно повысить качество процесса сжигания еще больше путем применения дополнительной камеры дожигания согласно настоящему изобретению, позволяющей физически исключить возможность выхода не полностью сгоревших частиц топлива, выходящих из камеры сгорания перед тем, как частицы топлива станут значительно легче, благодаря процессу горения. Кроме того, камера дожигания может дополнительно улучшить процесс сжигания путем обеспечения предназначенного для дожигания потока воздуха в подходящем направлении в камере дожигания, что может увеличить температуру газообразных продуктов сгорания, например, на 100-150°С и может послужить причиной более полного сжигания частиц топлива.
Кроме того, благодаря эффективному сжиганию, можно сократить количество нежелательных мелких частиц в воздухе, образующихся в результате неполного сжигания. Этот эффективный процесс сжигания также может уменьшить расход топлива, что приведет к экономии как финансовых ресурсов, так и природных ресурсов.
Благодаря полноте сжигания твердого топлива и наличию системы удаления золы из камеры сгорания, опорожнение и чистку камеры сгорания можно проводить реже, что позволяет уменьшить необходимость в остановке системы отопления для опорожнения и чистки, и может обеспечить длинную, непрерывную работу устройства сжигания. Интервал между чистками может быть даже восемь или более месяцев, к примеру, что обычно достаточно для использования устройства для сжигания, согласно настоящему изобретению, в течение всего отопительного сезона.
Вращательное движение и эффективная подача воздуха вместе могут предотвратить плавление и прикрепление частиц твердого топлива к камере сгорания, даже в случае больших частиц топлива. Кроме того, поверхность с антинагарным покрытием может дополнительно улучшить перемещение и соударение частиц топлива о ступени за счет снижения трения между частицами и ступенями, что дополнительно предотвращает плавление и/или прилипание частиц топлива к поверхности камеры сгорания. Кроме того, поверхность с антинагарным покрытием может облегчить процедуру опорожнения и чистки благодаря наличию легко очищаемой поверхности.
Процесс сжигания, использующий настоящее изобретение, может быть реализован в непрерывном режиме при помощи автоматической системы подачи топлива, что позволяет уменьшить контроль системы отопления со стороны пользователя. Система подачи может быть выполнена так, чтобы поддерживать небольшое пламя в камере сгорания в течение всего времени, что может сократить количество нежелательных мелких частиц в воздухе, образующихся при запуске устройства для сжигания.
Кроме того, пульсирующее вращательное движение обеспечивает, что более старые горящие частицы топлива поднимаются по ступеням на более высокий уровень, до тех пор, пока они не упадут на новые частицы топлива, что позволяет минимизировать количество частиц топлива и повысить эффективность сжигания топлива.
Более того, устройство для сжигания, согласно настоящему изобретению, может обойтись без отдельных средств охлаждения, потому что воздух, подаваемый в камеры сгорания воздуходувкой, может быть также использован в качестве воздухоохладителя для всей камеры устройства для сжигания и, в частности, камеры сгорания. Также меньшие элементы, такие как подшипники внутри камеры, также могут охлаждаться этим воздухом.
Наконец, устройство для сжигания может быть более простым и дешевым в производстве, за счет того что требуется всего одна подача воздуха для обеспечения первичного и вторичного воздуха, а также воздуха в камере дожигания. Более того охлаждение камеры сгорания осуществляют с помощью той же подачи воздуха.
Термин «гранулированное твердое топливо» относится к горючему материалу для получения энергии, такому как, но не ограниченному перечисленным, древесные гранулы, гранулы из биомассы, торфяные гранулы, дерновые гранулы, гомогенная древесная стружка и уголь.
Кроме того, термин «частица топлива» относится здесь к горючей единице, размер которой может варьировать в зависимости от типа сжигаемого топлива и процесса сжигания.
Что касается терминов, таких как «спереди» и «начало», используемых в этом документе, то они относятся к направлению подачи топлива для сжигания.
Перечень фигур чертежей
Далее изобретение раскрыто более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез устройства для сжигания согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 2 изображен вид спереди камеры устройства для сжигания согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 3 изображен вид сбоку ступени камеры сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 4 изображен вид спереди ступени с фиг. 3;
На фиг. 5 изображен частичный вид камеры сгорания с фиг. 2;
На фиг. 6 представлена блок-схема процесса сжигания при помощи устройства для сжигания согласно настоящему изобретению.
Раскрытие изобретения
Далее рассмотрены компоненты и функционирование устройства для сжигания согласно настоящему изобретению со ссылкой на фиг. 1-5. Устройство 100 для сжигания гранулированного твердого топлива содержит камеру 102, имеющую наружную стенку 104 и внутреннюю стенку 106, разделяющую внутреннее пространство камеры 102 на пространство 108 для воздуха для горения и камеру 110 сгорания; по меньшей мере, одну воздуходувку 112 для обеспечения первичного и вторичного воздуха для сжигания, а также средства 113 для вращения камеры 110 сгорания.
В одном варианте осуществления устройство для сжигания согласно настоящему изобретению также содержит камеру 114 дожигания, соединенную с камерой 102, для обеспечения полного сжигания топлива и/или газообразных продуктов сгорания и для предотвращения выхода не полностью сгоревшего материала из камеры 110 сгорания, подающее устройство 116 для подачи топлива в указанную камеру сгорания, и воспламенитель 118 для воспламенения топлива нагретым воздухом для сжигания.
Кроме того, устройство для сжигания согласно настоящему изобретению может дополнительно содержать систему 120 контроля пламени и/или оборудование 122 для пламягашения, а также, например, соответствующие подшипники 124а, 124b, 124с, расположенные на соответствующих местах.
Что касается работы подающего устройства. Специалисту в данной области техники будет понятно, что подающее устройство, изображенное на фиг. 1, является лишь дополнительным приспособлением для подачи топлива в устройство для сжигания согласно настоящему изобретению, и устройство для сжигания может иметь подающее устройство другого типа, работающий по-другому принципу или выполненное каким-либо другим образом.
Приведенное на фиг. 1, в качества примера, подающее устройство 116 содержит, например, подающую трубу 126, предохранительный клапан 130, средства 128 транспортировки, систему 120 контроля пламени и оборудование 122 для пламягашения.
Подающая труба 126 подающего устройства 116 обычно находится в соединении с топливным хранилищем (не показано) ее верхним концом и средствами 128 транспортировки ее нижним концом. Подающая труба 126 на фиг. 1 собрана, по существу, в вертикальном положении и содержит предохранительный клапан 130 для предотвращения попадания огня в топливное хранилище. Предохранительный клапан 130 предпочтительно соединен с подающей трубой 126 так, что остается подходящее промежуточное пространство 132 между предохранительным клапаном 130 и средствами 128 транспортировки, тем самым позволяя транспортировать соответствующее количество топлива в камеру 110 сгорания, и предотвращая возможность топливу мешать работе предохранительного клапана 130, т.е. гарантируя беспрепятственное открытие и закрытие клапана 130.
Предпочтительно предохранительный клапан 130 имеет форму створки и может быть выполнен, например, из стали, алюминия или некоторых других подходящих прочных огнеупорных материалов. Предохранительный клапан 130 устанавливают в наклонном положении внутри трубы 126 путем соединения предохранительного клапана 130 с подающей трубой 126 посредством шарнира 134 его верхней частью, что заставляет предохранительный клапан 130 работать как откидная крышка, функционирующая под действием силы тяжести, что позволяет соответствующему количеству топлива проникать в промежуточное пространство 132. Наклонное положение предохранительного клапана 130 гарантирует, что топливо нагружается к нижней стороне клапана 130, что может увеличить соответствующее количество топлива, для отталкивания предохранительного клапана 130 при падении на клапан 130. Предохранительный клапан 130 может дополнительно содержать средства регулировки для настройки жесткости шарнирного соединения 134, т.е. регулирования веса топлива, необходимого для открытия работающего под действием силы тяжести предохранительного клапана 130.
Средства транспортировки 128 содержат средства, например спираль, для транспортировки соответствующего количества топлива в камеру 110 сгорания за единицу времени. Предпочтительно камера 110 сгорания расположена на конце средств 128 транспортировки, по существу, вдоль горизонтальной оси. Обычно воспламенитель 118, такой как электрический и/или проволочный резистор или другой тип воспламенителя, предпочтительно расположен сразу перед камерой 110 сгорания для воспламенения топлива.
Кроме того, на фиг. 1 показана дополнительная система 120 контроля пламени, расположенная на противоположном конце средств 128 транспортировки, внутри спирали. Расположение внутри спирали является предпочтительным, т.к. в этой точке система 120 контроля пламени имеет свободный доступ к камере 110 сгорания, при этом температура относительно камеры 110 сгорания низкая и система 120 контроля пламени защищена от внешних раздражителей, таких как топливо и другие компоненты устройства 100. Подшипники 124 с могут быть использованы для неподвижного соединения системы 120 контроля пламени со средствами 128 транспортировки. Более того, оборудование 122 пламягашения может быть соединено с подающим устройством, предпочтительно, вблизи от предохранительного клапана 130. Оборудование 122 пламягашения может содержать средства, например, для выпуска пожарной воды в подающее устройство 116 в случае пожара.
Внутри спирали также могут быть расположены различные измерительные средства, такие как датчик/датчики температуры для определения температуры в средствах 128 транспортировки и/или в камере 110 сгорания. В дополнение или вместо датчика температуры, система 120 контроля пламени может содержать некоторые другие средства, такие как оптические датчик(и) и/или датчик(и) ИК-излучения для обнаружения нежелательного пламени в средствах транспортировки при воспламенении топлива. Измерительные средства для определения температуры внутри камеры сгорания обычно определяют температуру, по существу, в начале камеры сгорания. Измерения, касающиеся камеры сгорания, такие как определение температуры, предпочтительно осуществляют внутри спирали, обеспечивающей хорошую защиту для измерительных устройств и беспрепятственного обзора в камере сгорания, а также измерений в режиме реального времени.
Устройство для сжигания согласно настоящему изобретению может быть надежно управляемым на основании измерений, осуществляемых внутри спирали. Например, подачу топлива можно регулировать относительно температуры камеры сгорания, т.к., например, слишком большое количество топлива понижает температуру, которая легко может быть определена датчиком температуры, и подающее устройство может начать забиваться из-за избытка топлива. Кроме того, камера сгорания может быть надежно и безопасно остановлена путем определения температуры в камере сгорания. Когда осуществляют процедуру остановки, первым делом прекращают подачу топлива, однако средства транспортировки продолжают движение так, что все топливо выходит за пределы средств транспортировки. Также воздуходувка продолжает нагнетать воздух в камеру сгорания для подачи всех типов воздуха для горения в камеру сгорания и для охлаждения последней. Температуру камеры сгорания определяют в режиме реального времени на протяжении всего процесса, и, когда температура существенно опускается, например, до 50°С, функционирование камеры сгорания может быть отключено.
На фиг. 1 воздуходувка 112 расположена вокруг средств 128 транспортировки перед воспламенителем 118, и воздух в воздуходувке нагревается воспламенителем для воспламенения топлива. Положение воздуходувки 112 предпочтительно выбирают так, чтобы воздушный поток, образованный воздуходувкой 112, мог быть использован в качестве первичного воздуха, вторичного воздуха, для охлаждения камеры и ее компонентов, для воспламенения и, в вариантах осуществления, содержащих камеру 114 дожигания, в качестве воздуха для дожигания. Воздушный поток воздуходувки 112 может варьировать в зависимости от размера камеры сгорания и/или производительности устройства для сжигания. Для получения, например, 100 кВт·ч, воздушный поток воздуходувки предпочтительно может быть, например, около 20-35 л/с, более предпочтительно, например, около 25-30 л/с, и в наиболее предпочтительном варианте, например, около 26-27 л/с. Конструкция устройства для сжигания и его пространство для воздуха, а также потери, могут сказаться на количестве воздуха.
Обычно устройство содержит один или более датчик кислорода и/или лямбда-частиц, предназначенный для обнаружения количества монооксида углерода в газообразных продуктах сгорания. Количество монооксида углерода в газообразных продуктах сгорания обычно дает надежную информацию о потребностях в воздухе, и воздушный поток может быть отрегулирован согласно этой информации. Предпочтительно, воздушный поток регулируют так, что обеспечивается высокое давление в пространстве для воздуха.
Камера 102 устройства для сжигания разделена на пространство 108 для воздуха для горения и камеру 110 сгорания посредством внутренней стенки 106. Камера 110 сгорания ориентировочно имеет форму цилиндра, также как и камера 102 устройства 100 для сжигания. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что форма наружной поверхности камеры 102 устройства 100 для сжигания может варьировать, поскольку цилиндрическая камера 110 сгорания вставляется в камеру, а пространство для воздуха в камере 102 остается непрерывным.
Камера 102 содержит отверстие в начале камеры 102 для подачи топлива в камеру 110 сгорания, это отверстие может быть соединено с подающим устройством 116, и другое отверстие на конце камеры 102 для удаления полностью сгоревшего топлива и золы из камеры 110 сгорания.
Камера 102 устройства 100 для сжигания предпочтительно выполнена из прочного материала, в частности камера сгорания 110 изготовлена из материала, особенно устойчивого к воздействию огня и высокой температуры, такого как сталь.
Размер камеры 102 может варьировать в зависимости от необходимой производительности устройства для сжигания, которая может быть, например, 10 кВт-20 МВт. Для устройств для сжигания, предназначенных к использованию в домах на одну или две семьи, производительность может быть, например, около 15-60 кВт, предпочтительно, например, около 25-40 кВт. Обычно соответствующая длина камеры в аксиальном направлении предпочтительно может быть, например, около 200-290 мм, более предпочтительно, например, около 220-270 мм, и в наиболее предпочтительном варианте, например, около 250-260 мм. Соответственно, диаметр сечения камеры может быть, например, около 160-300 мм, более предпочтительно, например, около 168-270 мм, и в наиболее предпочтительном варианте, например, около 170- 240 мм.
3
3
3
Иначе, размер камеры 102 может быть определен объемом камеры 110 сгорания. Объем камеры 100 сгорания предпочтительно может быть, например, около 5,0-14 дм, более предпочтительно, например, около 5,5-12 дм, и наиболее предпочтительно, например, около 6,5-10 дм. Объем также может быть выбран в соответствии с производительностью устройства для сжигания. На каждый кВт мощности объем камеры увеличивается на квадратный корень. Более того объем камеры зависит от типа используемого топлива. Древесная стружка, например, содержит меньше энергии, чем дерновые гранулы, приблизительно на четверть, но содержит 20-30% воды, т.е. имеет большую влажность, чем, например, дерновые гранулы, следовательно, необходима камера сгорания с большим объемом для получения той же производительности. Объем камеры сгорания для древесных гранул может быть, например, на 50% больше, чем для торфяных/дерновых гранул.
Внутренняя стенка 106 камеры 102 предпочтительно образована множеством ступеней 138, которые, тем самым, образуют внутреннюю поверхность камеры 110 сгорания. В зависимости от варианта осуществления, отверстие/множество отверстий 140 предусмотрены, по меньшей мере, на одной ступени. В предпочтительном варианте осуществления, на каждой ступени предусмотрено множество отверстий. Конструкция и функционирование ступеней более подробно будут раскрыты ниже.
В одном варианте осуществления, камера 102 устройства 100 для сжигания выполнена с возможностью вращения посредством средств 113 для вращения, таких как серводвигатель или другой подходящей двигательной системой. В другом варианте осуществления, предусмотрено вращение только камеры 110 сгорания. В любом случае, вращение камеры 110 сгорания является важным аспектом в настоящем изобретении. В зависимости от варианта осуществления, вращение может быть непрерывным, пульсирующим или другим подходящим типом движения, в любом случае, параметры вращения, такие как скорость вращения и/или время импульса, т.е. отношение состояний вращения/покоя, предпочтительно является регулируемым. В предпочтительном варианте осуществления, процесс вращения является пульсирующим. Принимая во внимание различные типы топлива, используемого устройством для сжигания, предпочтительно осуществлять регулирование процесса вращения, т.к. различным типам топлива может требоваться разное время сжигания.
Используемое значение времени импульса может быть предпочтительно, например, около 1-4 с вращения и около 100-700 с покоя, более предпочтительно, например, около 1,5-3 с вращения и около 150-600 с покоя, в наиболее предпочтительном варианте, например, около 2-2,5 с вращения и около 200-400 с покоя, со скоростью вращения, например, около 1 град./с. Направление вращения предпочтительно в сторону короткой части ступени. Следует понимать, что отношение состояний вращения/покоя также зависит от типа используемого топлива, и следующие значения даны в качестве примера для приведенных в качестве примера видов топлива. Так, при использовании топлива на основе древесины, имеющего высокую точку плавления золы, отношение состояний вращения/покоя средств для вращения может быть, например, около 2/600 с. С другой стороны, при использовании, например, гранул из биомассы или торфяных/дерновых гранул, имеющих более низкую точку плавления золы, отношение вращения/покоя должно быть короче, например, около 2 с вращения и около 150-200 с покоя. По этой причине используемое отношение вращения/покоя, главным образом, устанавливают по точке плавления золы используемого топлива.
Средства 113 для вращения предпочтительно функционально соединены со средствами контроля (не показаны), имеющими пользовательский интерфейс и/или программное обеспечение для регулирования вращения. В одном варианте осуществления, пользователь может регулировать параметры вращения и, в другом варианте осуществления, программное обеспечение регулирует параметры вращения согласно информации об используемом топливе, предоставленной пользователем и/или дополнительным(и) датчиком(ами), присоединенными к устройству для сжигания. В этом случае, программное обеспечение может быть предусмотрено для применения подходящего стола и/или для расчета подходящих параметров вращения. Специалисту будет очевидно, что другие процедуры, такие как скорость подачи топлива, воздушный поток воздуходувки, воспламенение, а также регулирование пламени и/или оборудование пламягашения могут быть выполнены регулируемыми и/или управляемыми посредством тех же средств управления и/или через пользовательский интерфейс.
Кроме того, камера 102 устройства для сжигания предпочтительно содержит соответствующие подшипники 124а и 124b, такие как, но не ограничены ими, латунные подшипники с добавлением углерода, бронзовые подшипники и/или подшипниковая лента, содержащая бронзу, для сохранения камеры неподвижно зафиксированной в осевом направлении камеры 102. Воздух, нагнетаемый воздуходувкой 112, обеспечивает охлаждение, в особенности подшипников 124b, и центральной плиты 125, прикрепленной к началу камеры 110 сгорания, обеспечивает физический экран для подшипников 124b. Обычно для подшипников также предусмотрена необходимая смазка.
Пространство 108 для воздуха для горения предусмотрено спереди и около камеры 110 сгорания так, что пространство 108 для воздуха для горения охватывает переднюю и заднюю части камеры 110 сгорания, что видно на фиг. 1. В вариантах осуществления, содержащих камеру 114 дожигания, пространство для воздуха для горения распространяется и на эту часть. Пространство для воздуха для горения предпочтительно является непрерывным, так что нагнетаемый воздуходувкой 112 воздух может быть использован в качестве первичного, вторичного воздуха, а также воздуха для камеры дожигания. Кроме того, воздуходувка 112 обеспечивает охлаждение камеры устройства для сжигания и его компонентов. Подробнее о первичном и вторичном воздухе будет сказано далее.
На фиг. 2 изображен вид спереди камеры 102 устройства для сжигания согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как описано выше, внутренняя поверхность камеры 110 сгорания образована ступенями 138, которые, в предпочтительном варианте осуществления, равномерно распределены в камере 110 сгорания. Ступени могут быть распределены по существу в горизонтальном положении в камере сгорания, или, в другом варианте осуществления, ступени наклонены так, что топливо перемещается внутри камеры сгорания к выходу из камеры. Наклонное положение ступеней можно получить путем установки камеры в наклонном положении. Угол наклона может составлять, например, около 1-5 градусов.
Ступени 138 могут быть установлены на опорной раме 202 или, в одном варианте осуществления, ступени 138 соединены вместе так, что следующая ступень начинается там, где заканчивается предыдущая. В этом случае можно обойтись без опорной рамы, а ступени 138 образуют всю внутреннюю стенку 106. При использовании опорной рамы 202 в качестве части внутренней стенки 106, ступени 138 также могут быть установлены в ней через интервалы между ступенями.
Количество ступеней 138 на внутренней поверхности камеры 110 сгорания может варьировать в зависимости от размера камеры 110 сгорания и размера ступеней 138, однако обычно их количество может быть предпочтительно, например, около 10-20 ступеней, более предпочтительно, например, около 12-18 ступеней, и в наиболее предпочтительном варианте, например, около 14-16 ступеней.
Ступени 138 могут быть выполнены из любого подходящего материала, такого как сталь, надежного при работе в условиях высоких температур, например, марки AISI 304. Длина ступеней соответствует длине камеры сгорания в осевом направлении, т.е. ступени простираются на всю длину камеры сгорания в осевом направлении. Форма ступеней может варьировать в зависимости от варианта осуществления, но предпочтительно, ступени 138 имеют L-образный профиль, содержащий более длинную часть 302 и более короткую часть 304, что можно видеть на фиг. 3. Длины частей 302 и 304 могут варьировать в зависимости от варианта осуществления и размера камеры, но более длинная часть 302 предпочтительно может быть, например, около 30-60 мм, более предпочтительно, например, около 35-50 мм, и в наиболее предпочтительном варианте, например, около 40-55 мм. Соответственно, более короткая часть 304 предпочтительно может быть, например, около 10-25 мм, более предпочтительно, например, около 12-20 мм, и в наиболее предпочтительном варианте, например, около 15-17 мм.
В одном варианте осуществления, ступени и/или внутренняя поверхность камеры сгорания покрыта некоторым подходящим жаропрочным материалом. Используемым материалом покрытия предпочтительно является керамика, такая как, но не ограничивается этим примером, нитрид титана (TiN), являющийся очень прочным материалом с высокой точкой начала плавления 2930°С. Специалисту будет понятно, что TiN приведен здесь в качестве примера, и в настоящем изобретении также могут быть использованы другие материалы покрытия. Покрывающий слой может быть, например, около 5 мкм, однако специалисту будет понятно, что этот слой может быть больше или меньше настолько, чтобы он обеспечивал должную защиту камеры сгорания и смягчал перемещение и соударение частиц топлива.
Воздушный поток и его направление в камере сгорания регулируют посредством отверстий, предусмотренных в соответствующих местах камеры 110 сгорания и, дополнительно, в камере 114 дожигания.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одно отверстие 140 предусмотрено, по меньшей мере, в одной ступени 138, чтобы направлять первичный воздух в камеру 110 сгорания в направлении, по существу, параллельном камере 110 сгорания и/или по окружности камеры 110 сгорания для содействия сжиганию и перемещения топлива по ступеням 138. В предпочтительном варианте осуществления, первичный воздушный вихрь в камере сгорания получают с помощью ряда отверстий 140, равномерно распределенных в ряду на каждой ступени 138, и кроме того, в другом варианте осуществления, ряд отверстий предусмотрен на более короткой части 304 ступени 138. Обычно, ступени содержат предпочтительно, например, около 1-4 отверстий/10 мм, более предпочтительно, например, около 2-3 отверстий/10 мм. Диаметр отверстий 140 может быть предпочтительно, например, около 3-5,5 мм, более предпочтительно, например, около 3,5-5 мм, и в наиболее предпочтительном варианте, например, около 4-4,5 мм.
Отверстия 140 в ступенях 138 расположены и ориентированы так, что первичный воздух, ведомый через отверстия 140, направляется по окружности камеры сгорания, заставляя его огибать поверхность более длинной части 302 смежной ступени 138, как это показано серой стрелкой на фиг. 5. Такая организация первичного воздуха образует первичный вихрь воздуха внутри камеры 110 сгорания.
Вихрь первичного воздуха внутри камеры сгорания важен для обеспечения полного сгорания топлива и подъема полностью сгоревшего топлива во вторичный воздух, удаляющий полностью сгоревшее топливо, т.е. золу, и газообразные продукты сгорания из камеры сгорания.
По меньшей мере, одно отверстие 204 предусмотрено в центральной плите 125 для прохождения вторичного воздуха в камеру 110 сгорания для удаления полностью сгоревшего топлива и/или газообразных продуктов сгорания из камеры 110 сгорания. Обычно центральная плита 125 содержит, предпочтительно, например, около 4-10 отверстий, более предпочтительно, например, около 5-9 отверстий, и в наиболее предпочтительном варианте, например, около 6-8 отверстий. Диаметр отверстий может быть предпочтительно, например, 3-5,5 мм, более предпочтительно, например, 3,5-5 мм, и в наиболее предпочтительном варианте, например, 4-4,5 мм.
Воздушный поток вторичного воздуха, по существу, параллелен оси вращения камеры 110 сгорания в направлении к концу камеры 110 сгорания, где, в некоторых вариантах осуществления, располагается камера 114 дожигания и, наконец, выход из камеры 110 сгорания. Вторичный воздух вместе с первичным воздухом образуют область отрицательного давления около потока вторичного воздуха в камере 110 сгорания, вызывающую, в свою очередь, значительное снижение веса сгоревших частиц и/или газообразных продуктов сгорания, засасываемых во вторичный поток воздуха и выводимых из камеры 110 сгорания.
Как описано выше, конец камеры 110 сгорания открыт для обеспечения прохода полностью сгоревшего топлива и/или газообразных продуктов сгорания к выходу из камеры 110 сгорания. В одном варианте осуществления, конец камеры сгорания содержит ворот или фланец для уменьшения радиуса открытого конца. Целью уменьшения отверстия является предотвращение вылета не полностью сгоревшего топлива из камеры 110 сгорания. Того же эффекта достигают в вариантах осуществления, предусматривающих камеру дожигания, как описано выше.
В некоторых вариантах осуществления устройство 100 для сжигания согласно настоящему изобретению дополнительно содержит камеру 114 дожигания, присоединенную к концу камеры 102 устройства 100 для сжигания и концу камеры 110 сгорания. Камера 114 дожигания предусмотрена для обеспечения полноты сжигания топлива и/или газообразных продуктов сгорания, а также для предотвращения выхода не полностью сгоревшего материала из камеры 110 сгорания. Кроме того, камера 114 дожигания предусмотрена для накопления, концентрирования и удержания горючих газов регулируемым образом. Форма камеры 114 дожигания может быть, например, в виде цилиндрического воротника, обеспечивающего выходное отверстие 115 для полностью сгоревшего топлива, т.е. золы, и/или газообразных продуктов сгорания. Преимущественно выходное отверстие 115, образованное камерой 114 дожигания, имеет меньший радиус, чем открытый конец камеры 110 сгорания. Радиус выходного отверстия 115 камеры 114 дожигания предпочтительно может быть, например, на 10 -40% меньше, более предпочтительно, например, на 15-35% меньше, в наиболее предпочтительном варианте, например, на 20-30% меньше, чем радиус открытого конца камеры 110 сгорания.
Меньший радиус выходного отверстия 115 камеры 114 дожигания физически предотвращает выход не полностью сгоревшего топлива из камеры 110 сгорания, благодаря вращательному движению камеры 100 сгорания и/или первичного и/или вторичного воздуха. Однако полностью сгоревшее топливо, т.е. зола, и газообразные продукты сгорания могут выходить из камеры 110 сгорания через выходное отверстие 115 камеры 114 дожигания вместе со вторичным воздухом, обеспеченным в камере 110 сгорания в направлении, по существу, параллельном оси вращения камеры 110 сгорания от центральной плиты 125 к выходному отверстию 115. Кроме того, после камеры 114 дожигания может быть предусмотрен сборник для золы.
В одном варианте осуществления, камера 114 дожигания дополнительно содержит, по меньшей мере, одно отверстие 136 в камере 114 дожигания для ориентирования воздуха для дожигания в, по существу, радиальном направлении камеры 114 дожигания в конец камеры 110 сгорания для обеспечения полного сгорания топлива и/или газообразных продуктов сгорания. В некоторых других вариантах осуществления, одно или более отверстий расположены так, что воздух в камере дожигания направляется в противоположном направлении по сравнению с направлением потока вторичного воздуха. Предпочтительно, одно или более отверстий 136 расположены в воротнике камеры 114 дожигания.
На фиг. 1 можно увидеть, что камера 114 дожигания содержит множество отверстий 136, расположенных в два ряда. Специалисту будет ясно, что указанные отверстия могут быть отверстиями, предназначенными для воздуха для дожигания и расположенными в один или несколько рядов, чтобы диаметр отверстий и образуемое ими направление потока воздуха для дожигания являлись подходящими по отношению к другим отверстиям в устройстве для сжигания, так как в настоящем изобретении используют общее пространство для воздуха и, предпочтительно, только одну воздуходувку.
Обычно камера 114 дожигания содержит, предпочтительно, например, 20-200 отверстий, более предпочтительно, например, 50-150 отверстий, и в наиболее предпочтительном варианте, например, 100-125 отверстий. Диаметр отверстий предпочтительно может быть, например, около 0,2-1,0 мм, более предпочтительно, например, около 0,3-0,7 мм, и в наиболее предпочтительном варианте, например, около 0,4-0,6 мм.
Камера 114 дожигания предпочтительно является заменяемой. Этот признак может быть преимуществом, так как дожигание топлива и газообразных продуктов сгорания, обеспеченных воздухом для дожигания, также может увеличивать температуру газообразных продуктов сгорания, например, на 100-150°С. Однако, в некоторых вариантах осуществления, те же воздуходувки 112 обеспечивают как охлаждение, так и подачу воздуха для дожигания в камеру дожигания.
Далее обсуждается способ сжигания гранулированного твердого топлива 600, при помощи устройства для сжигания согласно настоящему изобретению.
В одном варианте осуществления, на этапе 602, гранулированное твердое воспламененное топливо подают в начало камеры сгорания. Обычно подачу осуществляют с помощью подающего устройства 116 и воспламенителя 118, как описано выше, однако специалисту будет понятно, что подача и воспламенение могут быть реализованы и другими методами, или другими устройствами, нежели описанные выше.
На этапе 604 камеру сгорания приводят во вращение, и на этапе 606 обеспечивают подачу потока первичного воздуха в камеру сгорания в направлении, по существу, параллельном указанной камере сгорания и/или по окружности указанной камеры сгорания. Кроме того, на этапе 608 в камеру сгорания подают вторичный воздух в направлении, по существу, параллельном оси вращения указанной камеры сгорания.
При комбинировании первичного воздушного вихря в камере сгорания с вращательным и/или пульсирующим движением камеры сгорания, достигается процесс сжигания согласно настоящему изобретению. Во время процесса сжигания, сгоревшие частицы в камере сгорания поднимаются по ступеням, а первичный воздух в камере сгорания способствует процессу сжигания, перемешивает частицы топлива и заставляет их сталкиваться друг с другом, что, в свою очередь, разбивает частицы топлива на более мелкие и, кроме того, инициирует падение более тяжелых частиц на более низкую ступень. Так, процесс горения может разделить более тяжелые и более легкие частицы и предотвратить налипание оплавленных частиц к внутренней поверхности камеры сгорания. Кроме того, первичный воздух и вращательное движение вместе облегчают поднятие более легких частиц выше в камере сгорания к области отрицательного давления, образованной совместно первичным и вторичным воздухом, как описано выше, и, кроме того, засасываемых потоком вторичного воздуха, если частицы имеют очень малый вес, т.е. когда частицы топлива полностью сожжены в золу. Кроме того, вращательное движение поднимает горящее топливо на более верхнюю ступень выше от вновь подаваемого на дно камеры сгорания топлива за счет силы тяжести, и когда частицы топлива, слишком тяжелые для засасывания в область отрицательного давления, в конце концов, падают на дно камеры сгорания из-за вращательного движения, они упадут на вновь подаваемое в камеру сгорания топливо, что, в свою очередь, может улучшить полноту сгорания топлива.
В дополнительном варианте осуществления, на этапе 610 воздух для дожигания обеспечивают через отверстие(я), обеспечиваемые в указанной камере дожигания на конце указанной камеры сгорания. Процесс дожигания обеспечивает полноту сгорания топлива и/или газообразных продуктов сгорания путем обеспечения потока воздуха в соответствующем направлении, увеличивающего температуру золы и газообразных продуктов сгорания в месте их расположения в камере дожигания.
После этапа 608, или, в дополнительном варианте осуществления, после этапа 610, способ далее продолжается с этапа 602 так долго, насколько это необходимо.
В основном, процесс подачи топлива может быть регулируемым на основе информации, обеспечиваемой, например, термостатом или другими средствами. Предпочтительно процесс сжигания является непрерывным, и в устройстве для сжигания поддерживают небольшое пламя. Это является преимуществом, так как стартовый процесс может спровоцировать максимальное содержание нежелательных мелких частиц в воздухе. Процесс подачи и процесс сжигания обычно можно плавно регулировать, т.е. независимо от объема камеры сгорания очень небольшое количество топлива может быть подано в нее с целью поддержания процесса сжигания.