Устройство для сжигания влажной древесины

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности - к отопительным устройствам, в которых твердое топливо растительного происхождения (дрова, отходы деревообработки, щепа, солома) подвергается высокотемпературной газификации (пиролизу) с последующим сжиганием пиролизных газов и угольного остатка.
Из существующего уровня техники известно отопительное устройство (котел), содержащее объединенные общим вертикально ориентированным корпусом бункер для древесного топлива, ниже него камеру первичного горения и газификации, а также камеру дожигания, размещенную ниже или сбоку от камеры газификации. По такой схеме выполнено большинство современных (так называемых "пиролизных") отопительных котлов малой мощности, например, серийные изделия фирм ARCA, Astra, Atmos, Attack, Buderus, Cichewic, Guntamatic, Kalvis, Heiztechnik, Hargassner, Kostrzewa, Orlan, Solarbayer, Viessmann.
Достоинством такой конструкции, обусловившим ее широкое распространение, являются простота изготовления, эффективная передача (излучением и конвекцией) тепла горения жидкому теплоносителю и высокое качество сгорания (низкий уровень эмиссии угарного газа), достигаемое благодаря наличию камеры дожигания.
Главным  недостатком является невозможность использования в качестве топлива древесины естественной (т.е. высокой) влажности. Это обусловлено тем, что водяной пар, выделяющийся в верхней части топливного бункера, движется с общим газовым потоком сверху вниз и заполняет как камеру первичного горения и газификации, так и камеру дожигания, где препятствует эффективному смешению кислорода воздуха с горючими компонентами, что и делает процесс горения неустойчивым или вовсе невозможным.
В результате все перечисленные выше отопительные устройства способны использовать в качестве топлива лишь древесину с влажностью не более 15-20%, о чем прямо предупреждают пользователя добросовестные производители. Это ограничение существенно усложняет и удорожает эксплуатацию отопительного устройства, т.к. древесина естественной влажности (например, свежеспиленные дрова) содержит порядка 45-55% воды, и для использования ее в качестве топлива требуется многолетняя сушка. Некоторые виды древесного топлива, например, щепу из свежеспиленных деревьев, невозможно высушить естественным путем (этому препятствует развивающийся в тепле процесс гниения сырой щепы), и поэтому использование его в отопительном устройстве описанного выше типа становится невозможным.
2
Известно несколько технических решений, позволяющих использовать в качестве топлива для отопительного котла т.н. "пиролизного" типа древесину высокой влажности. Принципиальной основой технического решения является создание и поддержание в зоне химического восстановления (в нижней части камеры первичного горения и газификации) высокой (700-800°С) температуры, при которой водяной пар и раскаленный древесный уголь превращаются в два горючих газа: водород (Н) и угарный газ (СО). Так как сама реакция "водо-угольной газификации" происходит с поглощением большого количества тепла, то обеспечение такого температурного режима возможно только за счет интенсивного подвода тепловой энергии извне, из камеры дожигания.
По такой схеме выполнен пиролизный котел (патент RU 184378 U1), в котором камера дожигания (КДЖ) выполнена в виде двух горизонтально ориентированных коробов, размещенных на боковых поверхностях камеры первичного горения и газификации (КПГГ), и при этом сама КПГГ ни в одной точке не контактирует с жидким теплоносителем.
2
В отопительном устройстве (патент RU 183585 U1) интенсивный прогрев КПГГ дополняется прямым удалением (отсосом) водяного пара из верхней части топливного бункера с последующей подачей газовой смеси (водяной пар с примесью СО и СО) в выходную часть камеры дожигания.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемой полезной модели является отопительное устройство (патент RU 185863 U1), в котором КДЖ выполнена в виде осе-симметричного короба, размещенного горизонтально в нижней части и вдоль продольной оси КПГГ, и при этом большая часть внешней поверхности короба КДЖ находится выше колосниковой решетки.
Достоинством данной конструкции является максимально возможная передача тепла из КДЖ в зону восстановления внутри КПГГ. Кроме того, размещение камеры дожигания внутри КПГГ приводит к значительному сокращению габаритов устройства (по сравнению с устройством,  в котором два отсека КДЖ размещены на боковых поверхностях КПГГ).
Однако расчеты и эксперимент на котле-прототипе показывают, что при сжигании наиболее влажных видов топлива (свеже-рубленная щепа, кусковой торф), в особенности на переходных режимах (после загрузки в бункер очередной порции влажного топлива) количество древесного угля в зоне восстановления может оказаться недостаточным для восстановления резко возросшего количества водяного пара; в этом случае поток водяного пара проходит в КДЖ и срывает процесс горения в ней, а после остывания короба КДЖ снижается температура и внутри КПГГ, после чего процесс горения в котле прекращается полностью.
Техническим результатом, для достижения которого предлагается заявляемая полезная модель, являются устойчивое и экологически чистое сжигание древесного топлива высокой влажности в простом и долговечном устройстве, не имеющем подвижных деталей в горячей зоне.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для сжигания влажной древесины содержащем вертикально ориентированный корпус, внутри которого находятся бункер для древесного топлива прямоугольного сечения и объединенная с ним камера первичного горения и газификации, на боковых стенках которой установлены коробчатые воздуховоды подачи первичного воздуха, а в нижней части находятся колосниковая решетка и камера дожигания, выполненная в виде осе-симметричного короба, размещенного вдоль продольной оси камеры первичного горения и газификации, и при этом большая часть камеры дожигания находится выше колосниковой решетки, а внутри камеры дожигания установлена труба подачи вторичного воздуха, колосниковая решетка выполнена в виде набора горизонтально-ориентированных стержней, в промежутках между которыми находятся горизонтально ориентированные сопловые устройства подачи воздуха.
Упомянутые стержни колосниковой решетки могут иметь в поперечном сечении форму трапеции, сужающейся книзу.
Упомянутые стержни колосниковой решетки могут быть выполнены из жаропрочной керамики.
Массовый секундный расход воздуха через упомянутые сопловые устройства, находящиеся между стержнями колосниковой решетки, может быть в два-три раза меньше расхода воздуха через трубу подачи вторичного воздуха, размещенную внутри камеры дожигания.
Указанные конструктивные решения обеспечивают достижение заявленного технического результата и в своей совокупности не встречаются ни в одном из известных устройств для сжигания древесного топлива, таким образом, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизны.
Заявляемое устройство может быть изготовлено на стандартном оборудовании с использованием известных и традиционных для производства отопительных котлов технологических процессов и материалов. Таким образом, заявляемая полезная модель соответствует критерию промышленной применимости.
Конструкция устройства поясняется эскизами Фиг. 1 и Фиг. 2, на которых изображены продольный и поперечный разрезы устройства в варианте исполнения со стержнями колосниковой решетки трапециевидной формы.
Устройство для сжигания влажной древесины содержит корпус 1, внутри которого размещен бункер для древесного топлива 2, совмещенный в едином агрегате с камерой первичного горения и газификации 3, в нижней части которой находится колосниковая решетка, образованная стержнями 4, камеру дожигания 5 с двумя (передним и задним) входными каналами 6 и центральной трубой подачи вторичного воздуха 7, коробчатые воздуховоды подачи первичного воздуха 8, два воздуховода подачи дополнительного вторичного воздуха 9 с сопловыми устройствами (отверстиями) для выхода дополнительного вторичного воздуха 10.
Устройство работает следующим образом. Древесное топливо (например, дрова или щепа высокой влажности) 2 загружается в бункер через загрузочный люк (на эскизе не показан). Под действием силы тяжести древесное топливо опускается вниз, проходит через зону сушки (верхняя часть бункера) и попадает в камеру первичного горения и газификации 3, где воспламеняется и горит в атмосфере первичного воздуха, поступающего через отверстия в боковых стенках камеры из воздуховода 8.
2
2
Продукты сгорания (углекислый газ, СО), а также водяной пар, испарившийся из влажного топлива, поступают в нижнюю часть камеры первичного горения и газификации (зона восстановления), где при высокой температуре вступают в химическую реакцию восстановления с раскаленным древесным углем, слой которого накапливается на стержнях колосниковой решетки 4. Образовавшиеся в результате реакции горючие газы (водород и моноокись углерода, Н и СО) под действием разрежения, создаваемого внутри устройства вытяжным дымососом (на эскизе не показан), движутся вниз и воспламеняются в зазорах между стержнями колосниковой решетки в потоке дополнительного вторичного воздуха, поступающего через сопловые устройства (отверстия) 10.
Продукты неполного сгорания в виде дымных "грязных" факелов пламени  разворачиваются на угол более 90 градусов и через входные каналы 6 поступают в камеру дожигания 5, где смешиваются со вторичным воздухом, подаваемым в камеру дожигания через отверстия в трубе 7, и окончательно сгорают в образовавшемся внутри камеры дожигания огненном вихре.
Минеральный остаток сгоревшего древесного топлива (зола) просыпается между стержнями колосниковой решетки в золоприемник 11, откуда периодически удаляется вручную или механическим/гидравлическим способом.
Теоретической основой работы устройства является известное явление устойчивого горения "богатых" (с избытком горючего и недостатком окислителя) газовых смесей, забалластированных каким-либо инертным газом. Так, водород - одна из двух главных составляющих газовой смеси, создающейся в зоне восстановления - при стехиометрическом смешении с воздухом способен гореть при объемном соотношении водяной пар/водород не более 4 к 1 (при бедной смеси, т.е. при коэффициенте избытка воздуха более 1, допустимое количество балласта становится еще меньше), но "богатая" смесь водород-воздух способна гореть при объемном соотношении водяной пар/водород более 7 к 1. Аналогичные пропорции возрастания устойчивости горения забалластированных водяным паром "богатых" смесей наблюдаются для угарного газа и метана.
Используя это физико-химическое явление, в заявляемом устройстве процесс сжигания продуктов восстановления разделен на две стадии: начальное воспламенение и окончательное дожигание. Начальное воспламенение "богатой" смеси происходит во множестве миниатюрных форкамер, формируемых в зазорах между стержнями колосниковой решетки 4; окончательное дожигание происходит в вихревой камере дожигания, при коэффициенте избытка воздуха более 1, что обеспечивает минимальный, соответствующий наиболее жестким экологическим нормам, уровень эмиссии угарного газа и угольной пыли.
Использование жаропрочной керамики в качестве материала для изготовления стержней колосниковой решетки также способствует повышению устойчивости работы устройства. Во-первых, за счет того, что раскаленные за время розжига на сухих дровах стержни выполняют роль теплоаккумулятора, поддерживающего постоянно высокую - даже в случае краткосрочного затухания пламени - температуру в зоне начального воспламенения. Одновременно с этим раскаленные керамические стержни способствуют и поддержанию стабильно-высокой температуры древесных углей в зоне восстановления. Во-вторых, пористая поверхность керамических стержней приводит к возникновение тысяч "микро-факелов", создающих мощный поток ИК-излучения, разогревающего газовую смесь внутри форкамер.