Топка с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой для сжигания отходов фанерного производства и гранулированных и брикетированных топлив
FURNACE WITH TILTING-PUSHING GRATE FOR BURNING PLYWOOD PRODUCTION WASTE AND GRANULAR AND BRIQUETTED FUELS

Изобретение относится к устройствам для сжигания отходов фанерного производства, а также гранулированного или брикетированного биотоплива или торфа и может найти применение в теплоэнергетике.
Известны топки с наклонно-переталкивающими решетками, в которых топливо из бункера поступает на колосниковую решетку, которая образована из чередующихся рядов подвижных и неподвижных колосников, расположенных ступенями. Угол наклона колосниковой решетки меньше угла естественного откоса сжигаемого топлива и перемещение топлива по решетке происходит за счет возвратно-поступательного движения подвижных колосников, при этом происходит шуровка слоя. Подача воздуха под колосниковую решетку осуществляется позонно. [Стырикович М.А., Катковская К.Я., Серов Е.П. Котельные агрегаты. М.-Л. Госэнергоиздат, 1959, с. 78].
Для уменьшения потерь тепла с химической неполнотой сгорания в топках с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками стали использовать сопла острого дутья, установленные на фронтовой и задней стенах, что позволило несколько снизить величину данной потери до 2,5-3,0 %. [Думер А.Б. Механизмы топочных устройств. М.-Л. Госэнергоиздат, 1963, с. 92-93].
Известны топки с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками для сжигания древесных отходов с умеренной влажностью, в которых отходы подаются на колосниковую решетку шнековыми питателями, первичный воздух подается под решетку позонно (три зоны), а вторичный воздух вводится в топочный объем над второй и третьей зонами колосниковой решетки со стороны боковых стен с помощью горизонтальных цилиндрических сопел, расположенных встречно в одной вертикальной плоскости. Количество сопел вторичного дутья определяется длиной колосниковой решетки и соответственно тепловой мощностью топки. Высокотемпературные продукты сгорания в надслоевой области камеры сгорания двигаются к первой зоне колосниковой решетки, интенсифицируя термическую подготовку свежего топлива к воспламенению, и через выходное окно прямоугольного сечения, расположенное в арочном своде, над конечным участком первой зоны решетки, направляются в камеру дожигания и охлаждения, в которой завершается процесс горения и происходит охлаждение дымовых газов перед их поступлением в газоводяной теплообменник. [Любов В.К., Любова Н.В. Сжигание биотоплив в котлах «Danstoker» // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: Материалы международной научно-технической конференции. Вологда: РИО ВоГТУ, 2009 с. 105-107].
Известны топочные камеры с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой для сжигания отходов фанерного производства, состоящих из щепы, полученной из обрезков фанерного шпона, березовой коры, дробленки фанеры, древесно-шлифовальной пыли (ДШП) и опилок от обработки и распиловки фанеры и шпона. При этом массовое содержание мелкой фракции в топливной смеси не должно превышать 10%, а относительная влажность смеси 42 %. [VK Lyubov, AN Popov, EI Mukhamedzyanova. Energy use of plywood by-products // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 1045, II International scientific and practical conference "Ensuring sustainable development in the context of agriculture, green energy, ecology and earth science" 23/01/2022 - 27/01/2022 Smolensk, Russia 1045 012089]. Данные топки содержат, разделенные промежуточным сводом, камеру сгорания, снабженную устройствами подачи топлива, позонного ввода первичного воздуха и газов рециркуляции под наклонно-переталкивающую колосниковую решетку, вторичного воздуха и газов рециркуляции в надслоевой объем камеры сгорания через сопла, расположенные на боковых стенах, и камеру дожигания, соединенную с камерой сгорания выходным окном, расположенным у фронтовой стены топочной камеры. Сопла для подачи газов рециркуляции в камеру сгорания расположены горизонтально на боковых стенках над первой, второй и третьей зонами колосниковой решетки и направлены встречно, при этом часть сопел расположена в одной горизонтальной плоскости, а другая часть в одной наклонной плоскости в сторону перемещения топлива. Часть сопел для подачи вторичного воздуха расположена на боковых стенках в наклонной плоскости в сторону перемещения топлива по решетке над соплами ввода газов рециркуляции и имеет встречную компоновку. Другая часть сопел вторичного воздуха расположена на боковых стенках горизонтально в два ряда с шахматной компоновкой, находится в зоне выходного окна и направлена встречно. Данные сопла подают воздух для завершения процесса горения. Количество сопел вторичного дутья и рециркуляции дымовых газов, определяется длиной колосниковой решетки, тепловой мощностью топки и качеством сжигаемого топлива. Подача вторичного воздуха, забираемого из помещения котельной, осуществляется с помощью индивидуального вентилятора с частотным регулятором производительности, а подача газов рециркуляции в надслоевую область камеры сгорания с помощью индивидуального дымососа рециркуляции с частотным регулированием. Под каждую из четырех зон колосниковой решеткой с одной стороны подается первичный воздух после воздухоподогревателя, а с другой стороны газы рециркуляции, забираемые из газохода после основного дымососа. Подача первичного воздуха под каждую из зон колосниковой решетки осуществляется с помощью индивидуального вентилятора, оборудованного системой частотного регулирования, а подача газов рециркуляции с помощью отдельного дымососа рециркуляции, имеющего частотное регулирование производительности. После выходного окна продукты сгорания поступают в камеру дожигания, где движутся в направлении задней стенки топочной камеры. При этом живое сечение для прохода газов по ходу их движения увеличивается, а скорость дымовых газов снижается. В районе задней стены дымовые газы совершают разворот более чем на 90°. Снижение скорости дымовых газов и наличие их разворота включают механизмы гравитационно-инерционной сепарации, что позволяет отделить из газового потока наиболее крупные твердые частицы и вывести их из объема топочной камеры в механическую систему сухого золоудаления. После разворота дымовые газы двигаются вертикально вверх и поступают в поворотные газовые камеры, где после разворота на 90° направляются в дымогарные трубы парогенераторов. Все стены топочной камеры выполнены из огнеупорной шамотной обмуровки, только стены поворотных газовых камер закрыты водоохлаждаемыми экранами, при этом максимальная температура дымовых газов на входе в поворотные камеры составляет 950°С.
Опыт эксплуатации котлоагрегата с данной топочной камерой показал, что она очень чувствительна к изменению фракционного состава сжигаемой топливной смеси и ее теплотехнических характеристик. При этом компания работы котлоагрегата между чистками составляла один месяц. Для поддержания допустимого температурного уровня в топочную камеру приходилось подавать большой объем газов рециркуляции, при этом их доля составляла (0,35-0,4), все это увеличивало скорости газов и вынос твердой фазы в дымогарные трубы парогенераторов и соответственно их загрязнение. Даже при высокой доле газов рециркуляции температурный уровень в камерах сгорания и дожигания был слишком высок, что сокращало срок службы огнеупорной шамотной обмуровки, особенно потолочной части в камере дожигания и нижней наклонной стенки промежуточного свода в камере сгорания. При этом в ходе эксплуатации наблюдалось даже обрушение шамотной обмуровки потолочной стенки камеры дожигания, что вызвало повреждение колосников и рамы наклонно-переталкивающей решетки и необходимость проведения длительных восстановительных работ. Увеличить компанию работы котлоагрегата между чистками до шести месяцев удалось только после исключения из сжигаемой топливной смеси самых проблемных компонентов (дробленки фанеры, ДШП и опилок от распиловки фанеры).
Указанные негативные явления приводят к комплексному снижению эффективности работы котлоагрегата, к увеличению финансовых затрат и продолжительности ремонтных работ, а также требуют увеличения установленной мощности котельных агрегатов.
Данное топочное устройство принято за прототип.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание высокоэффективного низкоэмиссионного топочного устройства для сжигания отходов фанерного производства, а также гранулированного или брикетированного биотоплива или торфа.
Это достигается тем, что у топки с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой, содержащей разделенные промежуточным сводом камеру сгорания, снабженную устройствами подачи топлива, позонного ввода первичного воздуха и газов рециркуляции под наклонно-переталкивающую колосниковую решетку, вторичного воздуха и газов рециркуляции в надслоевой объем камеры сгорания через сопла, расположенные на боковых стенках, и камеру дожигания, соединенную с камерой сгорания выходным окном, расположенным у фронтовой стены топочной камеры. Подача первичного воздуха осуществляется под вторую, третью и четвертую зоны наклонно-переталкивающей колосниковой решетки, подача газов рециркуляции - под первую, вторую и третью зоны колосниковой решетки, а их подача в надслоевой объем камеры сгорания осуществляется через сопла, расположенные на боковых стенках в одной наклонной плоскости над второй и третьей зонами колосниковой решетки со смещением на полшага относительно сопел противоположной стенки, вторичный воздух подается через сопла, расположенные на боковых стенках со смещением на полшага относительно сопел противоположной стенки, при этом нижний ряд сопел расположен над первой и второй зонами колосниковой решетки, а верхний ряд в зоне выходного окна, наклонная и вертикальная части фронтовой стены топочной камеры и ее потолочная часть, а также наклонные и вертикальная части промежуточного свода, обращенные в камеру сгорания и камеру дожигания, закрыты газоплотными водоохлаждаемыми экранными панелями.
На фиг. 1 изображена предлагаемая топка, продольный разрез; на фиг. 2 - горизонтальный разрез А-А фиг. 1 (наклонно-переталкивающая решетка условно не показана), на фиг. 3 - местный разрез Б-Б фиг. 1. (наклонно-переталкивающая решетка условно не показана).
Топка с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой содержит камеры сгорания 1 и дожигания 2, разделенные промежуточным сводом 3, фронтовая часть которого формирует выходное окно 4, расположенное у фронтовой стенки 5 топочной камеры, на боковых стенках выходного окна 4 расположены горизонтально встречно-смещенно сопла верхнего ряда 6 для подачи вторичного воздуха. На фронтовой стенке 5 топочной камеры установлено топливозагрузочное устройство 7, а на боковых стенках над первой и второй зонами наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 8 установлены горизонтально встречно-смещенно сопла нижнего ряда 9 для подачи вторичного воздуха, после которых над второй и третьей зонами колосниковой решетки 8 расположены встречно-смещенно в наклонной плоскости сопла ввода газов рециркуляции 10. Подача вторичного воздуха к соплам, расположенным на боковых стенах, осуществляется соответственно с помощью воздуховодов 11 и 12, проложенных в боковых стенах топочной камеры. Для преодоления аэродинамического сопротивления данного тракта используется отдельный вентилятор. Подача газов рециркуляции к соплам 10, расположенным над наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой 8 осуществляется по газоходам 13 с помощью дымососа рециркуляции. Первичный воздухподается под вторую, третью и четвертую зоны наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 8, подача газов рециркуляции, забираемых после основного дымососа, осуществляется под первую, вторую и третью зоны колосниковой решетки 8 через каналы 14. Для снижения температурного уровня в камере сгорания 1 и дожигания 2 до безопасных значений, обеспечивающих длительный жизненный цикл обмуровки стен топки и колосниковой решетки при оптимальных с позиции экологии долях газов рециркуляции, наклонная и вертикальная части фронтовой стенки 5 топочной камеры и ее потолочная часть 15, а также наклонные и вертикальная части промежуточного свода 3, обращенные в камеру сгорания и камеру дожигания, закрыты газоплотными водоохлаждаемыми экранными панелями 16, включенными в циркуляционный контур котлоагрегата.
Мелкодисперсная зола, просыпающаяся через зазоры колосников, падает в бункера 17, из которых поступает в транспортер 18, крупнодисперсная зола и шлак с наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 8 также поступают в данный транспортер. Летучая зола, отсепарированная в камере дожигания 2, через золоотводящий канал 19 также поступает в транспортер 18.
Работа топки с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой для сжигания отходов фанерного производства, а также гранулированного или брикетированного биотоплива или торфа осуществляется следующим образом.
Топливо толкателем через топливозагрузочное устройство 7 подается на наклонно-переталкивающую колосниковую решетку 8, на участке первой зоны которой, происходит термическая подготовка и воспламенение топлива, для интенсификации термических процессов под колосниковую решетку первой зоны подаются только газы рециркуляции. Под вторую и третью зоны колосниковой решетки, где происходит интенсивное горение горючих компонент топлива, подаются первичный горячий воздух и газы рециркуляции. Под четвертую зону колосниковой решетки, где идет процесс догорания горючих компонент топлива, подается только первичный воздух. Суммарный расход первичного воздуха существенно меньше, чем теоретически необходимо для сгорания топлива. Соотношение между первичным и вторичным воздухом определяется теплофизическими характеристиками сжигаемого топлива, с ростом влажности топлива доля первичного воздуха увеличивается. Ввод газов рециркуляции через каналы 14 под наклонно-переталкивающую колосниковую решетку интенсифицирует термическую подготовку топлива на первой зоне решетки и позволяет обеспечить более надежное охлаждение колосников во второй и третьей зонах, а также снижение эмиссии оксидов азота при горении топлива во второй и третьей зонах. Продукты неполного горения, выходящие из слоя топлива, попадают в вихревые потоки, образующиеся при взаимодействии встречно-смещенных струй, выходящих из сопел вторичного воздуха 9 и газов рециркуляции, поступающих в объем камеры сгорания 1 через сопла 10. Для обеспечения гарантированного выгорания всех горючих компонентов и минимизации эмиссии оксидов азота в зоне выходного окна 4 формируются вихревые потоки при взаимодействии встречно-смещенных струй, выходящих из верхнего ряда 6 сопел вторичного воздуха. Наличие газоплотных водоохлаждаемых панелей 16, экранирующих наклонную и вертикальную части фронтовой стенки 5 топочной камеры и ее потолочную часть 15, а также наклонные и вертикальную части промежуточного свода 3, позволяет значительно уменьшить уровень максимальных температур и обеспечить длительный жизненный цикл обмуровки стен топочной камеры и колосниковой решетки при оптимальных с позиции экологии долях газов рециркуляции. При движении продуктов сгорания в камере дожигания 2 к задней стенке топочной камеры живое сечение для прохода газов увеличивается, а их скорость снижается. У задней стены дымовые газы совершают разворот более чем на 90°. Снижение скорости дымовых газов и наличие их разворота включают механизмы гравитационно-инерционной сепарации, что позволяет отделить из газового потока наиболее крупные твердые частицы и вывести их из объема камеры дожигания 2 через золоотводящий канал 19 в механическую систему сухого золоудаления. Снижение уровня максимальных температур в топочной камере и их выравнивание по ее объему исключают спекание очаговых остатков и обеспечивают надежную работу системы золошлакоудаления. Значительное снижение доли рециркулирующих газов уменьшит вынос из камеры сгорания твердых частиц, усилит их гравитационную сепарацию в камере дожигания 2 и соответственно уменьшит загрязнение дымогарных труб парогенераторов и увеличит компанию котла между остановами для чистки. Учитывая, что подача горячего первичного воздуха под колосниковую решетку 8 осуществляется с помощью  индивидуальных вентиляторов, отказ от его подачи под первую зону, а также значительное уменьшение объема газов рециркуляции обеспечат возможность их подачи с помощью одного дымососа рециркуляции. Все это позволит уменьшить количество тягодутьевых установок на две штуки и существенно снизить затраты электроэнергии на собственные нужды и повысить КПД нетто котлоагрегата.
т
Опыт исследовательских работ на котлоагрегатах, сжигающих различные виды биотоплив, а также торф, и имеющих различное конструктивное исполнение, позволяет прогнозировать высокоэффективное низкоэмиссионное сжигание отходов фанерного производства, а также гранулированного или брикетированного биотоплива или торфа в предлагаемом топочном устройстве. Кроме этого, применение данного топочного устройства создает предпосылки для повышения КПД нетто котла не менее чем на 1,0-2,0 % за счет уменьшения потерь тепла с уходящими газами и затрат электроэнергии на собственные нужды, обеспечит возможность работы при сверхмалых избытках воздуха на выходе из топки (α=1,15-1,2), снизит эмиссии оксидов азота на 20-40 % и оксида углерода на 10-20 %, а также продлит жизненный цикл наклонно-переталкивающей колосниковой решетки, обмуровки стен топочной камеры и компанию котла по условиям чистки.