КОЛОСНИКОВАЯ РЕШЕТКА К ТОПОЧНОМУ УСТРОЙСТВУ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
FIRE GRATE TO FURNACE PLANT FOR COMBUSTION OF SOLID FUEL

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к колосниковым решеткам топочных устройств для сжигания твердого топлива, и может быть использовано в топочных устройствах паровых или водогрейных котлов.
Колосниковые решетки к топочным устройствам паровых или водогрейных котлов традиционно выполняют в виде плит со сквозными отверстиями или прозорами для прохода воздуха, необходимого для горения лежащего на полотне решетки топлива, при этом колосниковая решетка может быть, например, прямоугольной или круглой (см. Зиборов Н.М. и др. Промышленные паровые котлы малой мощности, М.-Л., Госэнергоиздат, 1961).
При выполнении топочной камеры сгорания прямоугольной в пазухах между решеткой и боковыми стенами топки образуются откосы, состоящие из шлака, золы и недогоревшего топлива, что приводит к избыточному шлакованию топки, к ухудшению ее эксплуатационной надежности.
При сжигании в топочных устройствах твердых топлив, имеющих различный состав фракций, что характерно для древесной щепы, процесс горения по площади решетки происходит неравномерно в так называемом «кратерном» режиме. Из-за неизбежной неравномерности фракционного состава слоя топлива, а также неодинаковой высоты лежащего на полотне решетки слоя топлива, сопротивление движению потока воздуха по площади решетки всегда неравномерно. При наличии в топливе значительного количества мелочи на участках поверхности колосниковой решетки, где начальное сопротивление слоя топлива меньше, а скорость воздуха больше, мелочь начинает выдуваться из слоя топлива, сопротивление прохождению воздуха через слой топлива становится меньше, и скорость воздуха возрастает. За счет большой скорости воздуха из этой зоны выбрасываются более крупные частицы топлива - образуется кратер с меньшей, а иногда и нулевой, толщиной слоя топлива. Скорость воздуха в кратере возрастает, и практически весь воздух из-под решетки проходит через один или несколько кратеров. Через остальную часть живого сечения полотна колосниковой решетки (остальные отверстия) воздуха идет значительно меньше, чем необходимо для нормального горения. Таким образом, в зоне кратеров воздуха идет значительно больше, чем необходимо для нормального горения, а на остальной площади колосниковой решетки воздуха для горения топлива сильно недостает, и топливо не догорает.
Для интенсификации процесса горения твердых топлив с различным фракционным составом, предпочтительно древесной щепы, для уменьшения шлакообразования колосниковые решетки топочного устройства парового или водогрейного котла оснащают, например, разделительными экранирующими перегородками, между которыми проходит воздух из щелей или отверстий в камеру топки (см патент RU №2307982, публ.), что способствует направленному истечению воздушных потоков в камеру сгорания и создает более устойчивое факельное пламя в ней с поддержанием твердых частиц топлива, например древесной щепы во взвешенном состоянии.
Однако наличие разделительных экранирующих перегородок усложняет конструкцию решетки и ее эксплуатацию.
В техническом решении по патенту RU №2272218 для повышения эффективности сжигания твердых топлив с различным фракционным составом колосниковая решетка топочного устройства выполнена подвижной, наклонена к продольной оси топочной камеры, что также усложняет конструкцию топочного устройства, его эксплуатацию, увеличивает энергозатраты на обслуживания.
В изобретении по патенту RU № 2312273, публ., предложена колосниковая решетка к топочному устройству, плита которой имеет сквозные отверстия для прохода воздуха и ребра охлаждения на тыльной ее поверхности.
В данном техническом решении повышение эффективности работы устройства по сжиганию топливного слоя обеспечивается за счет более равномерного распределения на рабочей поверхности решетки слоя топлива с различным составом фракций. С этой целью предложено конструктивное выполнение колосниковой решетки с зигзагообразным поперечным сечением ее полотна, смежные вершины которого в чередующемся порядке обращены к камере сгорания топки и к ребрам охлаждения. Отверстия решетки выполнены на смежных сторонах зигзагообразного поперечного сечения полотна.
Однако в данном техническом решении, вследствие встречного направления в зону горения воздушных потоков из отверстий полотна решетки, разности скоростей подачи воздуха, будет иметь место неравномерность распределения потоков воздуха по площади полотна колосниковой решетки, что снижает интенсивность горения лежащего на полотне решетки слоя топлива и ухудшает эксплуатационную надежность колосниковой решетки.
Выполнение полотна решетки с зигзагообразным поперечным сечением значительно усложняет ее конструкцию и затрудняет эксплуатацию топочного устройства в целом.
В качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения выбрано известное техническое решение по патенту US 4233914, F23J 15/00, публ. 1978 г.
В данном техническом решении колосниковая решетка к топочному устройству для сжигания твердого топлива выполнена в виде размещаемой на опорах топочной камеры круглой плиты со сквозными отверстиями или прозорами для прохода воздуха в камеру, сквозные отверстия или прозоры расположены в концентрично ориентированных относительно центральной зоны плиты рядах, между которыми на тыльной поверхности плиты размещены ребра охлаждения.
Боковая поверхность плиты конгруэнтна рабочей поверхности топочной камеры, а оси симметрии сквозных отверстий и прозоров параллельны образующим боковой поверхности плиты и ориентированы под прямым углом к ее горизонтальной рабочей поверхности, обращенной в камеру сгорания. Колосниковая решетка имеет простое конструктивное исполнение, технологична в изготовлении.
Однако при реализации данного технического решения процесс горения по площади решетки из-за неодинаковой высоты слоя топлива происходит неравномерно. Более мелкие фракции выдуваются из слоя топлива, уменьшается сопротивление по прохождению воздуха через слой топлива, увеличивается скорость воздуха и происходит выброс из зоны горения частиц топлива в камеру топочного устройства, топливо не догорает. Неравномерность процесса горения топливного слоя на колосниковой решетке отрицательно влияет на ее эксплуатационную надежность, материал решетки выгорает в различных зонах, что требует ее последующей замены.
Задача изобретения состояла в создании конструктивно простой, технологичной в изготовлении колосниковой решетки для топочного устройства, обеспечивающей технический результат по интенсификации процесса горения топливного слоя с различным составом твердых фракций, характерных для древесной щепы, с одновременным улучшением при этом ее эксплуатационной надежности.
Для решения поставленной технической задачи предложена колосниковая решетка к топочному устройству для сжигания твердого топлива, которая выполнена в виде размещаемой на опорах топочной камеры круглой плиты со сквозными отверстиями или прозорами для прохода воздуха в камеру, сквозные отверстия или прозоры расположены в концентрично ориентированных относительно центральной зоны плиты рядах, между которыми на тыльной поверхности плиты размещены ребра охлаждения, согласно заявляемому изобретению, поперечные сечения прозоров радиально ориентированы относительно центральной зоны плиты, а образующие их поверхностей или оси симметрии сквозных отверстий плиты однонаправленно наклонены к рабочей поверхности плиты с образованием острых углов, вершины которых ориентированы в направлении, противолежащем вращению часовой стрелки, а величина острого угла между образующими поверхностей прозоров или осями симметрии сквозных отверстий и рабочей поверхности плиты составляет 30-60°.
Согласно заявляемому изобретению плита образована секторными пластинами, радиально ориентированные боковые поверхности которых имеют выемки и выступы для контактного взаимодействия смежных секторных пластин между собой.
При реализации изобретения благодаря описанной выше ориентации осей симметрии сквозных отверстий плиты или образующей поверхностей прозоров при ориентации их поперечных сечений в радиальном направлении относительно центральной зоны плиты в камере сгорания топочного устройства при подаче воздуха через сквозные отверстия или прозоры над рабочей поверхностью колосниковой плиты формируется циркуляционно движущийся, находящийся во взвешенном состоянии топливный слой различных по фракционному составу твердых частиц топлива, что характерно «кипящему слою». В результате обеспечивается продолжительность участия частиц топлива в процессе горения и, соответственно, полнота их выгорания, интенсифицируется процесс горения, что увеличивает КПД сгорания топлива и уменьшает шлакование топочной камеры.
Благодаря конструктивному выполнению колосниковой решетки из секторных пластин улучшается технологичность изготовления и эксплуатационное обслуживание решетки.
При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений, имеющих аналогичную заявляемому техническому решению совокупность конструктивных признаков, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решении критериям изобретения: «новизна», «изобретательский уровень».
Заявляемое изобретение может быть использовано в топочных устройствах для сжигания твердых топлив и промышленно изготовлено на стандартном оборудовании, что свидетельствует о соответствии его критерию «промышленная применимость».
Изобретение подтверждается нижеприведенным его описанием.
На фиг.1 показана колосниковая решетка для топочного устройства, расположенная в камере сгорания последнего;
на фиг.2 показан общий вид секторной пластины колосниковой решетки со стороны тыльной ее поверхности;
на фиг.3 - то же, что на фиг.2, сечение А-А.
Колосниковая решетка к топочному устройству для сжигания твердого топлива выполнена в виде размещаемой на опорах 1 топочной камеры круглой плиты 2 со сквозными отверстиями (не показаны) или прозорами 3 для прохода воздуха в камеру. Подача воздуха осуществляется через отверстие 4 зольника топочной камеры, при этом, предпочтительно, используется принудительная подача воздушного потока через отверстие 4 зольника для повышения интенсификации процесса горения фракций твердого топлива, предпочтительно древесной щепы.
Плита образована секторными пластинами 5, радиально ориентированные поверхности которых имеют выемки и выступы 6 для контактного взаимодействия смежных секторных пластин между собой. При данном конструктивном исполнении плиты улучшается технологичность ее изготовления и упрощается процесс монтажа и эксплуатации, в том числе в режиме замены секторных пластин при выгорании.
Сквозные отверстия (не показаны) или прозоры 3 расположены в концентрично ориентированных относительно центральной зоны плиты 2 рядах, между которыми на тыльной поверхности плиты размещены ребра охлаждения 7.
Поперечные сечения прозоров 3 радиально ориентированы относительно центральной зоны плиты, а образующие их поверхностей I-I или оси симметрии сквозных отверстий плиты однонаправленно наклонены к рабочей поверхности плиты с образованием острых углов α, вершины которых ориентированы в направлении, противолежащем вращению часовой стрелки (рис.3). Величина острого угла между образующими поверхностей прозоров или осями симметрии сквозных отверстий и рабочей поверхности плиты составляет 30-60°.
При указанной ориентации поперечных сечений и образующих поверхностей поперечных сечений сквозных прозоров или осей симметрии сквозных отверстий плиты проходящие через них в камеру сгорания воздушные потоки распределяются в вертикальных и в однонаправленно ориентированных горизонтальных направлениях по всей площади рабочей поверхности плиты, обеспечивая циркуляционное вращение находящихся на ее поверхности твердых фракций топливного слоя во взвешенном его состоянии. Таким образом, в названной зоне горения имитируется состояние «кипящего топливного слоя», что способствует интенсификации процесса горения.
Ориентация вершин острых углов α в направлении, противолежащем вращению часовой стрелки, исключает «посадку» топливного слоя при циркуляционном его вращении.
Заданное по изобретению значение острого угла α, равное 30-60°, оптимально:
по условиям создания в нижней зоне камеры сгорания циркуляционного вращения во взвешенном состоянии топливного слоя с учетом заданного по технологическим требованиям «живого сечения» колосниковой решетки;
по условиям технологического выхода через сквозные отверстия или прозоры колосниковой решетки зольных остатков топлива в зольник топочного устройства.
При уменьшении величины данного угла усложняется технологический процесс по выполнению сквозных прозоров или отверстий в плите, с одной стороны, а с другой стороны, при технологической заданности «живого сечения» отверстий решетки уменьшение величины угла α приведет к зашлакованности сквозных отверстий или прозоров, т.к. определяемые условиями «живого сечения» параметры поперечных сечений отверстий или прозоров не обеспечат выхода зольных остатков топлива в зольник топочного устройства.
При увеличении величины угла α с учетом технологически заданного «живого сечения» решетки увеличивается значение вертикальных составляющих воздушных потоков из отверстий и прозоров, что приведет к ухудшению процесса горения топливного слоя и повышению выхода через сквозные отверстия и прозоры не только зольных остатков топлива, но мелких его фракций в зольник топочного устройства.
Колосниковая решетка работает в составе топочного устройства, предназначенного для сжигания твердого топлива и, предпочтительно, древесной щепы, имеющей различный фракционный состав. При работе топочного устройства на рабочую поверхность плиты решетки набрасывается слой топлива, а снизу через зольник в сквозные отверстия или прозоры решетки подается воздух, необходимый для горения топлива. Через все отверстия или прозоры воздух идет в расчетном режиме, необходимом для нормального выгорания топлива в рабочем объеме топочного устройства.
Над рабочей поверхностью колосниковой плиты формируется циркуляционно движущийся (вращающийся), находящийся во взвешенном состоянии топливный слой различных по фракционному составу твердых частиц топлива, что характерно «кипящему слою». В результате обеспечивается продолжительность участия частиц топлива в процессе горения и, соответственно, полнота их выгорания, интенсифицируется процесс горения и уменьшается шлакование топочной камеры.