ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к области котлостроения, а именно, к водогрейному котлу и может быть использована для отопления зданий и сооружений.
Известен водогрейный котел, содержащий каркас, смонтированную в каркасе экранированную топку и конвективную часть, отделенную от топки вертикальной перегородкой с фестоном, бункер золового уноса, размещенный под конвективной частью, средства подачи первичного воздуха под газораспределительную решетку и питатель топлива. См. Отраслевой каталог НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ «Котлы малой и средней мощности и топочные устройства» М., 1987, с.90, рис.70-71.
Недостатком известного котла является слабая циркуляция топочных газов, наличие застойных зон, малая интенсификация теплообмена и, как следствие, неполнота сгорания топлива, снижающая КПД котла. Кроме того, в известном котле конвективная часть расположена в газоходе шахтного типа, что повышает габариты котла по высоте.
Известен также водогрейный котел, наиболее близкий к заявляемому по технической сущности (прототип). См. п. РФ №2188361, F24H 1/00, 14.11.2000 г.
Известный котел включает каркас, смонтированные в каркасе экранированные топку с газораспределительной решеткой и конвективную
часть с проемом между потолочным экраном и трубными пакетами, отделенную от топки вертикальной перегородкой с фестоном, бункер золового уноса размещенный под конвективной частью и сообщенный с ней, короб подачи первичного воздуха под газораспределительную решетку и сопла острого дутья, размещенные над газораспределительной решеткой, сообщенные с
бункером золового уноса и подключенные через воздуховоды к вентилятору и питатели топлива, установленные в проемах фронтовой стенки топки. В известном котле конвективная часть и топка размещены горизонтально, последовательно одна за другой, что позволяет снизить габариты котла по высоте. Кроме того, фестон выполнен в нижней части топки, что удлиняет путь, а следовательно, и время нахождения горючих частиц в топке, позволяя тем самым несколько снизить недожог топлива. Установка сопел острого дутья в направлении к верху топки позволяет организовать вихревое движение дымовых газов, исключает возникновение застойных зон, что также несколько снижает недожог, повышая тем самым КПД котла.
Однако при работе такого котла на твердом топливе, к качеству последнего предъявляются довольно жесткие требования. Необходима подготовка топлива, т.е. дробление его до класса 13-15 мм. При этом образуется и довольно большое количество более мелких частиц. При горении такой уголь не везде достаточно продувается первичным воздухом, т.к. плотно лежит на газораспределительной решетке, а большое количество мелкой фракции приводит к неравномерному «кратерному» горению, что, во-первых, увеличивает содержание окиси углерода в дымовых газах, во-вторых приводит к спеканию угля и зашлакованию решетки, а также к идущему в отход недожогу угля в слое, и в конечном итоге, к снижению КПД котла до 50-60%.
Задачей полезной модели является повышение КПД водогрейных котлов малой и средней мощности путем более полного сгорания топлива в режиме «кипящего» слоя и возврата уноса в зону горения.
Указанная задача решается тем, что в известном водогрейном котле, включающем каркас, смонтированные в каркасе экранированные топку с газораспределительной решеткой и конвективную часть с проемом между потолочным экраном и трубными пакетами, отделенную от топки вертикальной перегородкой с фестоном, бункер золового уноса, размещенный под конвективной частью и сообщенный с ней, короб подачи первичного воздуха под газораспределительную решетку и сопла острого дутья, введенные в топку
над газораспределительной решеткой, сообщенные с бункером золового уноса и подключенные воздуховодами к вентилятору, а также питатели топлива, установленные в проемах фронтальной стенки топки, согласно полезной модели, топка состоит из камеры сгорания и расположенной над ней камеры охлаждения, соединенных между собой по периметру и сообщенных по газам, конвективная часть расположена последовательно горизонтально в одном блоке с камерой охлаждения, газораспределительная решетка снабжена средствами для сжигания угля в низкотемпературном «кипящем» слое, топка снабжена соплами вторичного дутья, сообщенными воздуховодом с вентилятором, сопла острого дутья введены в камеру сгорания, при этом сопла вторичного и острого дутья наклонены в сторону газораспределительной решетки.
Задача решается также тем, что:
- по меньшей мере, боковые и задняя стенки камеры сгорания снабжены экранами, сообщенными по воде с экранами камеры охлаждения;
- камера сгорания и камера охлаждения между собой соединены через неэкранированный промежуток, а по воде сообщены через связанные перепускной трубой соответствующие коллекторы;
- камера сгорания топки выполнена с наклонными внутрь боковыми стенками;
- угол наклона боковых стенок камеры сгорания к вертикальной плоскости составляет 5-40°;
- средства для сжигания топлива в низкотемпературном «кипящем» слое представляют собой закрепленные на газораспределительной решетке и сообщенные с коробом подачи первичного воздуха патрубки, снабженные колпачками с отверстиями для прохода первичного воздуха и, по меньшей мере, одну трубу слива слоя, сообщенную, соответственно, с газораспределительной решеткой и устройством для удаления шлака;
- угол наклона к горизонтальной плоскости сопел острого дутья составляет 5-45°, а сопел вторичного дутья - 5-30°;
- сопла острого дутья снабжены средством для регулирования расхода воздуха, например, шибером;
- сопла вторичного дутья размещены вдоль боковых сторон, в месте стыковки камер топки;
- сопла вторичного дутья установлены вдоль боковых сторон в неэкранированном промежутке между камерами сгорания и охлаждения;
- питатели топлива снабжены каждый средством для распределения топлива по площади «кипящего» слоя;
- средства для распределения топлива выполнены в виде сообщенного с вентилятором патрубка, размещенного снаружи на днище питателя и зазора между днищем питателя и соответствующей стенкой проема;
- на входе в короб подачи первичного воздуха размещена горелка для жидкого или газообразного растопочного топлива;
- фестон выполнен в верхней части камеры охлаждения напротив проема конвективной части и отогнут в сторону фронтового экрана;
- газораспределительная решетка и трубы слива слоя выполнены водоохлаждаемыми.
В дальнейшем полезная модель поясняется кратким описанием примера ее конкретного выполнения и чертежами, где на фиг.1 схематично изображен общий вид предлагаемого котла, на фиг.2 - то же, разрез по А-А.
Водогрейный котел содержит каркас 1, в котором смонтирована топка, состоящая из камеры сгорания 2 и расположенной над ней камерой охлаждения 3, соединенных между собой по периметру и сообщенных по газам. Камера охлаждения 3 выполнена экранированной, камера сгорания 2 в характеризуемом варианте выполнения, также экранирована. Боковые 4 и задний 5 ее экраны сообщены с экранами 6 камеры охлаждения 3 перепускными патрубками 7. Фронтовая ее стенка 8 в данном варианте - не экранирована и в ней выполнены проемы 9, в которых установлены питатели топлива 10. В других вариантах исполнения камера сгорания 2 может не иметь экранов или могут быть экранированы все четыре ее стенки (не показано).
За камерой охлаждения 3 в одном блоке с ней последовательно и горизонтально размещена конвективная часть 11. Конвективная часть 11 отделена от камеры охлаждения 3 экранированной перегородкой 12 с фестоном 13. В конвективной части 11 имеются проемы 14, 15 для прохода дымовых газов между потолочным экраном 16 и пакетами 17 и в перегородке 18, разделяющей пакеты 17. Фестон 13 расположен напротив проема 14 и отогнут в сторону фронтового экрана 19. Под конвективной частью 11 размещен бункер 20 золового уноса. В камере сгорания 2 размещена газораспределительная решетка 21, образующая под названной камеры. Под газораспределительной решеткой 21 размещен воздушный короб 22 для подачи первичного воздуха сообщенный с вентилятором (не показано). На газораспределительной решетке 21 закреплены патрубки 23, сообщенные с названным коробом 22 и снабженные колпачками 24 с отверстиями для прохода первичного воздуха. На расстоянии 1400 мм от газораспределительной решетки 21 в проемах задней стенки и заднего экрана 5 установлены сопла 25 острого дутья. Расстояние определено экспериментально. Сопла 25 острого дутья сообщены с бункером 20 золового уноса и с вентилятором (не показано), и наклонены в сторону газораспределительной решетки 21 под углом α=30° к горизонтальной плоскости. В других вариантах исполнения угол α может варьироваться в пределах от 5-30°. При α<5° воздушная струя из сопла будет способствовать выносу несгоревших частиц топлива в камеру охлаждения 3 и далее. При α>30° возникают нарушения гидродинамики кипящего слоя. В характеризуемом варианте боковые стенки камеры сгорания 2 выполнены наклонными внутрь под углом β=15° к вертикальной плоскости. В этом случае несгоревшие частицы, вылетевшие из слоя, оседают на наклонных стенках, концентрируются на них, увеличивая коэффициент теплопередачи, и скатываются в «кипящий» слой для дожигания. Угол наклона может варьироваться от 5 до 40°. При α<5° эффект накопления слоя частиц практически отсутствует, при α>40° затрудняется движение частиц вниз в «кипящий» слой для дожигания. В характеризуемом варианте камера сгорания 2 и камера охлаждения 3
соединены через неэкранированный промежуток 26, а по воде соединены через связанные перепускными патрубками 7 соответствующие коллекторы 27, 28. В неэкранированном промежутке 26 вдоль боковых сторон топки размещены сопла 29 вторичного дутья, связанные воздуховодом с вентилятором (не показано). Сопла 29 вторичного дутья направлены в сторону газораспределительной решетки 21 под углом γ=30° к горизонтальной плоскости. Угол γ может иметь величину от 5° до 45°. При γ<5° происходит снос струй вторичного воздуха в камеру охлаждения 3, данный воздух не участвует поэтому в процессе горения, что приводит к снижению КПД котла. При γ>45° ухудшается заполнение камеры сгорания вторичным воздухом, что ухудшает процесс горения, также снижая КПД котла.
Между днищами питателей топлива 10 и обращенными к этим днищам стенкам проемов 9 имеются зазоры 30, а на днищах с наружной стороны закреплены патрубки 31, связанные воздуховодом с вентилятором (не показано) и обеспечивающие распределение подаваемого топлива по всей площади «кипящего» слоя. На входе в короб 22 подачи первичного воздуха установлена горелка 32 для растопки котла жидким или газообразным топливом. Газораспределительная решетка 21 выполнена водоохлаждаемой, что позволяет изготовить ее из более дешевого материала, снижая тем самым себестоимость котла. В характеризуемом варианте сопла острого дутья 25 снабжены шиберами (не показано) для регулирования потока воздуха в зависимости от количества возвращаемого на дожигание уноса. Под газораспределительной решеткой 21 установлены трубы 33 для слива слоя.
Водогрейный котел работает следующим образом: по газораспределительной решетке 21 распределяют инертную насадку (дробленый гравий, щебень или песок) и продувают слой воздухом, поступающим из вентилятора (не показано) в короб 22 подачи первичного воздуха и далее, через патрубки 23 на газораспределительной решетке 21 и колпачки 24 с отверстиями, в слой упомянутого инертного материала, приводя последний во взвешенное состояние («кипящий» слой). Растопку водогрейного котла осуществляют прогревом
«кипящего» слоя горячими газами, подаваемыми и воспламеняемыми горелкой 32. Когда температура слоя достигнет температуры воспламенения топлива, его (топливо) в некотором количестве подают в слой, доводят температуру слоя до рабочей, отключают горелку 32 и выводят котел на номинальную нагрузку. На этом растопка заканчивается, питатели топлива 10 включаются на постоянную работу. Частицы топлива ссыпаются по наклонному питателю 10 и на выходе подхватываются воздухом, поступающим через патрубки 31 и зазор 30, и распределяются по площади «кипящего» слоя, при этом первичный воздух продолжает поступать в «кипящий» слой. Частицы топлива интенсивно перемешиваются с разогретыми частицами «кипящего» слоя и воспламеняются. Из-за очень высоких скоростей нагрева выход водяных паров и летучих частиц из угля носит взрывной характер, поэтому некоторая их часть в этот момент рассыпается. В процессе выгорания и растрескивания размеры частиц уменьшаются и, достигнув определенной величины, частицы выносятся из слоя в объем камеры сгорания 2 и, по мере падения скорости дымовых газов, падают на наклонные боковые экраны 4 и по ним возвращаются в слой на дожигание. Дымовые газы, разогретые до 1200°С, движутся в камеру охлаждения 3 и далее в конвективную часть 11, нагревая протекающую в экранах 4, 5, 19, 16, 17 воду охлаждаются и удаляются. Частицы, вынесенные дымовыми газами в камеру охлаждения 3, проходят через фестон 13 в конвективную часть 11, оседают в бункере 20 золового уноса, откуда подхватываются воздухом и через сопла 25 острого дутья возвращаются в «кипящий слой» на догорание. Такая двойная система возврата уноса (наклонные стенки и сопла острого дутья) позволяет значительно снизить недожог топлива, повышая тем самым КПД котла и позволяет снизить содержание окиси углерода (СО) в дымовых газах, делая котел более экологичным. С целью дальнейшего уменьшения потерь с химическим и механическим недожогом и более полного выгорания выносимых из «кипящего» слоя частиц топлива, через сопла 29 вторичного дутья в камеру сгорания подают вторичный воздух. При увеличении высоты «кипящего» слоя в процессе
сжигания топлива, часть его удаляют через трубы 33 для слива слоя в устройство для удаления шлака.
Таким образом, выполнение топки известных водогрейных котлов состоящей из камеры сгорания и камеры охлаждения и наличие в камере сгорания средств для сжигания топлива в режиме «кипящего» слоя, наличие сопел вторичного дутья и направление их, а также сопел острого дутья в сторону газораспределительной решетки позволяет интенсифицировать процесс горения топлива, использовать любое низкосортное топливо, обеспечить более полный возврат недогоревших частиц топлива в слой (по стенкам камеры сгорания и через сопла острого дутья), а следовательно, позволяет повысить КПД котлов до 85-90% и снизить количество окиси углерода в дымовых газах (химический недожог).