Комбинированное топочное устройство для сжигания кородревесного топлива
COMBINED BARK-WOOD FIRING DEVICE

Изобретение относится к устройствам для сжигания отходов обработки и переработки древесной биомассы и может найти применение в промышленной теплоэнергетике.
Известны топки скоростного горения системы В.В. Померанцева, представляющие собой вертикальную камеру, ограниченную с трех сторон кирпичной кладкой, а со стороны топочной камеры - зажимающей решеткой из стальных ошипованных труб, включенных в систему циркуляции котла и являющихся фронтовым экраном. Данные топки имеют неподвижный и подвижный пережимы, под которые подается воздух, обеспечивающий сгорание топлива в зажатом вертикальном слое. Для догорания мелких фракций топлива, выносимых из вертикального слоя, под топки «подметает» поток вторичного воздуха, движущийся сплошным потоком от задней стены топки к фронтовой [Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. - М.: Лесная промышленность, 1987, с. 51-52].
Для расширения диапазона энергетического использования древесных отходов с повышенным содержанием минеральных примесей применяются топочные устройства ВО-110 с механизированным золо- и шлакоудалением, в которых также используется принцип зажатого слоя [Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. - М.: Лесная промышленность, 1987, с. 52-54]. Принцип зажатого слоя используется и в топках для сжигания древесных отходов [Авторское свидетельство СССР № 1615463 А1, 5 F23В 5/04, 1990], где для повышения экономичности сжигания топлива применяется автономный подвод и индивидуальное регулирование первичного воздуха по ширине топки.
Для сжигания кородревесного топлива применяются топки скоростного горения СевНИИП-ЦКТИ [Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. - М.: Лесная промышленность, 1987, с. 94-95], слое-вихревые топки [Патент РФ № 2455561, автор Любов В.К., зарег. в Гос. реестре изоб. РФ 10.07.2012] и комбинированные топочные устройства, содержащие предтопок, в котором находятся неподвижная наклонная и подвижные горизонтальные механические колосниковые решетки, и основную топочную камеру призматической формы. [Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. - М.: Лесная промышленность, 1987, с. 95-96].
Комбинированными топочными устройствами оборудовались многотопливные котлоагрегаты КМ-75-40. В данных топочных устройствах предтопок и основная топочная камера отделены друг от друга фронтовым экраном, имеющим «окна», выполненные фестонированием экранных труб, для связи предтопка и основной топочной камеры в единое устройство. Предтопок оборудован неподвижной наклонной колосниковой решеткой, на которую по течке поступает кородревесное топливо, где оно подсушивается, воспламеняется и частично сгорает. В нижней части предтопка установлены механические горизонтальные колосниковые решетки прямого хода, на которых происходит основной процесс горения и дожигания горючих компонентов топлива, поступающего с наклонной решетки. Очаговые остатки с горизонтальных механических решеток прямого хода сбрасываются в шлаковый комод комбинированного топочного устройства. Под наклонную колосниковую решетку подается горячий первичный воздух с температурой до 450°С, а под механические колосниковые решетки с температурой до 250°С. Предтопок снабжен двумя газомазутными подсвечивающими горелками, а на боковых стенах основной топочной камеры установлено по две нагрузочных горелки, имеющих встречно-смещенную компоновку. Продукты сгорания из предтопка через «окна» фронтового экрана поступают в основную топочную камеру, где завершается процесс выгорания и происходит охлаждение дымовых газов. Ввиду ограничения нагрузки котлоагрегата в случаях прекращения подсветки резервным топливом, низкой экономичности топочного процесса и надежности механических колосниковых решеток, а также неудовлетворительных экологических показателей данные теплогенерирующие установки были сняты с производства. Однако они до сих пор эксплуатируются на предприятиях РФ. Данное комбинированное топочное устройство принято нами за прототип.
3
Энергетическое обследование котлоагрегата КМ-75-40 при сжигании кородревесного топлива, состоящего из коры хвойных и лиственных пород древесины, некондиционной щепы и опилок при отключенных газовых горелках показало, что при относительной влажности сжигаемого биотоплива56,65% его приведенная паропроизводительность составляла не более 53% от номинальной. Результаты балансовых опытов показали, что конструкция и техническое состояние комбинированного топочного устройства и котлоагрегата в целом, не обеспечивают требуемую полноту выгорания горючих компонентов топлива и приемлемые экологические показатели. Так, концентрация оксида углерода в уходящих газах составляла 9790 мг/нм при концентрации кислорода 6%, при этом потеря тепла с химическим недожогом топлива равнялась 4,28%, КПД брутто котлоагрегата - 71,74%, а потери тепла с уходящими газами - 21,13% [Любов В.К., Марьяндышев П.А., Попов А.Н., Ярков Д.А. Анализ эффективности энергетического использования древесного топлива в котлоагрегатах среднего давления / Труды Седьмой Российской национальной конференции по теплообмену (22-26 октября 2018 г. Москва), т. 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2018. с. 421-424].
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение технико-экономических и экологических показателей работы комбинированного топочного устройства при сжигании кородревесных отходов с широким диапазоном изменения состава топливной смеси с относительной влажностью на рабочую массу до 65% и увеличение производительности котлов при сжигании топливной смеси неоднородного гранулометрического состава без использования высококалорийных топлив (газа или мазута).
Это достигается тем, что у комбинированного топочного устройства для сжигания кородревесного топлива, содержащего разделенные фронтовым экраном предтопок, снабженный устройствами подачи топлива, неподвижной наклонной и горизонтальными механическими колосниковыми решетками и устройствами подачи первичного воздуха под колосниковые решетки, подсвечивающими газо-мазутными горелками, и основную топочную камеру, снабженную нагрузочными газо-мазутными горелками; в предтопке окна, выполненные фестонированием экранных труб, отсутствуют и наружная поверхность экранных труб, обращенная в предтопок, покрыта слоем огнеупорного материала, основная топочная камера снабжена зауженным с помощью водоохлаждаемых панелей устьем «холодной» воронки, устройствами ввода вторичного дутья, к которым подключена система вывода шлака, дополнительными горелками, установленными на задней стене, инерционно-гравитационными устройствами, расположенными за выходным окном, и питателями с золовыми каналами, обеспечивающими подачу топливо-золовой смеси из бункеров инерционно-гравитационных устройств в эжекторы для ее транспортировки горячим воздухом в дополнительные горелки.
На фиг. 1 изображено предлагаемое комбинированное топочное устройство, продольный разрез.
Комбинированное топочное устройство содержит предтопок 1 с топливными течками 2, отделенный от основной топочной камеры 3 трубами фронтового экрана 4, наружная поверхность которых, обращенная в предтопок, покрыта слоем огнеупорного материала 5. В предтопке 1 установлены неподвижная наклонная колосниковая решетка 6 и механические колосниковые решетки 7, под которые обеспечивается подвод первичного воздуха с помощью коробов 8. К устью «холодной» воронки основной топочной камеры 3, зауженному с помощью водоохлаждаемых панелей 9, подключены устройства ввода вторичного дутья 10, обеспечивающие его ввод вдоль заднего ската 11 «холодной» воронки. К устройствам ввода вторичного дутья 10 подключена система вывода шлака 12. На задней стене основной топочной камеры 3 установлены дополнительные горелки 13, к которым с помощью золовых каналов 14, подключенных к эжекторам 15 с поступающим в них горячим воздухом, обеспечивается подача топливо-золовой смеси из бункеров 16 инерционно-гравитационных устройств с помощью питателей 17.
Работа комбинированного топочного устройства для сжигания кородревесного топлива осуществляется следующим образом.
Кородревесное топливо по топливным течкам 2 подается на неподвижную наклонную колосниковую решетку 6 предтопка 1, на которой начинается процесс термической подготовки топлива, продолжение которого и воспламенение наиболее мелких и сухих частиц происходит на механических горизонтальных колосниковых решетках 7 прямого хода. Для интенсификации процесса термической подготовки кородревесного топлива наружная поверхность труб фронтового экрана 4, обращенная в предтопок, покрыта слоем огнеупорного материала 5, а боковые стены и потолок предтопка 1 выполнены из огнеупорных материалов. Для протекания экзотермических процессов с топливным материалом под неподвижную наклонную колосниковую решетку 6 и механические колосниковые решетки 7 с помощью коробов 8 подается первичный воздух, при этом его общий расход значительно меньше теоретически необходимого для горения топлива. Для обеспечения надежной работы колосниковых решеток под наклонную решетку подается горячий первичный воздух с температурой до 450°С, а под механические решетки с температурой до 250°С. Для растопки комбинированного топочного устройства предтопок снабжен двумя газо-мазутными горелками. Продукты термического разложения и горения древесного топлива, образующиеся в предтопке, поступают в основную топочную камеру 3 через проем под нижним коллектором труб фронтового экрана 4 и потоком вторичного воздуха, выходящего из устройства ввода вторичного дутья 10, вовлекаются в вихревое движение. Регулируемая загрузка вихревой зоны термически подготовленным и горящим кородревесным топливом осуществляется с помощью механических колосниковых решеток 7 прямого хода, которые подают топливо в устройство ввода вторичного дутья 10. Вихревое движение газотопливного потока в нижней части основной топочной камеры 3 обеспечивается за счет вращающего момента, возникающего при взаимодействии двух противоположных потоков: газотопливного, выходящего из устройства ввода вторичного дутья 10 и двигающегося вдоль заднего ската 11 «холодной» воронки и потоков топливо-золовой аэросмеси, выходящих из дополнительных горелок 13, установленных на задней стене основной топочной камеры 3. Топливные частицы, совершая многократную принудительную циркуляцию в вихревом потоке с горизонтальной осью вращения при достижении определенного размера выносятся в прямоточную часть факела, где происходит их частичное или полное догорание. При выходе из основной топочной камеры 3 дымовые газы совершают поворот на 90° при входе в горизонтальный газоход с конвективными поверхностями нагрева 18, где за счет увеличения площади «живого» сечения скорость газового потока уменьшается, что позволяет инерционную сепарацию топливных и золовых частиц дополнить гравитационной. Отсепарированные твердые частицы собираются в бункерах 16 инерционно-гравитационных устройств, откуда с помощью питателей 17 направляются в золовые каналы 14 и далее в эжекторы 15, в которые осуществляется регулируемая, с помощью шиберов 19, подача горячего воздуха, обеспечивающего транспортировку топливо-золовой аэросмеси в дополнительные горелки 13 и из них в нижнюю вихревую зону основной топочной камеры 3. При этом, как показали аэродинамические исследования, над дополнительными горелками тоже образуется вихревой поток. Конструкция устройств ввода вторичного дутья 10, обеспечивающая постепенное снижение скорости потока, позволяет сепарировать топливные частицы по их массе и размерам, подсушивать и возвращать обратно в вихревую зону основной топочной камеры 3, а шлак и инородные включения позволяет отводить в систему вывода шлака 12 для последующего удаления. Горячий газовоздушный поток, выходящий из устройств ввода вторичного дутья 10, и движущийся вдоль заднего ската 11 «холодной» воронки, способствует созданию на нем элементов противоточного слоя из горящих коксовых частиц, что дополнительно стабилизирует процесс воспламенения и горения высоковлажного топлива и создает условия для восстановления оксидов азота. Для регулирования производительности котлоагрегата могут использоваться и нагрузочные газо-мазутные горелки 20, установленные встречно-смещенно на боковых стенах котла.
Наличие вихревых потоков, как в нижней, так и в верхней частях основной топочной камеры 3 интенсифицирует тепло-массообменные процессы и выравнивает тепловые потоки по всей ее высоте, уменьшает загрязнение экранов и повышает их тепловую эффективность, а также увеличивает время пребывания коксовых частиц, создавая условия для дополнительного восстановления оксидов азота. Расход горячего воздуха на устройства ввода вторичного дутья 10 и дополнительные горелки 13 зависит от нагрузки котлоагрегата, гранулометрического состава кородревесного топлива и его влажности.
Исследования показали, что комбинированное топочное устройство позволяет объединить достоинства слоевой и вихревой технологий сжигания, при этом для термической подготовки и воспламенения кородревесного топлива используется сочетание наклонного и горизонтального слоя, реализованные в предтопке. В основной топочной камере термически подготовленное и воспламенившееся топливо преимущественно выгорает в вихревой зоне, расположенной ниже дополнительных горелок, при этом элементы противоточного слоя, появляющиеся на заднем скате «холодной» воронки, являются факторами, стабилизирующими процесс горения. Выгорание мелких частиц происходит в прямоточной части факела. Применение данного комбинированного топочного устройства обеспечит повышение экологоэкономических показателей сжигания высоковлажного кородревесного топлива с широким диапазоном изменения гранулометрического состава, увеличит не менее чем на 40 % производительность котлоагрегатов без «подсветки» высококалорийным топливом, а также значительно уменьшит выбросы оксидов азота и угарного газа.