Твердотопливный жаротрубный котел
SOLID FUEL FIRE-TUBE BOILER

Изобретение относится к области коммунальной энергетики, в частности к котельной технике, и может быть использовано для разработки полностью автоматизированных блочно-модульных котельных на твердом топливе, т.к. позволяет механизировать подачу твердого топлива в жаротрубный котел, обеспечить регулируемое принудительное передвижение топлива по жаровой трубе и эвакуацию очаговых остатков из котла, поддерживая при этом надежную и экономичную работу котла, в том числе и на альтернативном топливе RDF.
Известны газотрубные котлы (СТО ЦКТИ 10.018-2009. Газотрубные котлы. Санкт-Петербург, 2009 г.). В настоящее время они используются только при сжигании газа или жидкого топлива и не приспособлены для сжигания твердого топлива.
Известны котлы с механическими и полумеханическими топками, применяемыми для сжигания твердого топлива (ГОСТ 10617-83 Котлы отопительные теплопроизводительностью от 0,10 до 3,15 МВт. Таблица 1). Однако механические и полумеханические топки могут быть размещены только в топочном объеме водотрубных котлов.
Наиболее близким по своей сущности к предлагаемому изобретению является горизонтальный цилиндрический жаротрубно-дымогарный котел с топкой кипящего слоя (патент Евразийского патентного ведомства №006130, кл. F24Н 1/28, F23С 10/20) со встроенным топочным устройством для сжигания твердого топлива.
Известный жаротрубно-дымогарный котел содержит омываемую водой жаровую трубу, систему дымогарных труб и встроенное в жаровую трубу топочное устройство с кипящим слоем, состоящее из двух воздухораспределительных водоохлаждаемых швеллеров с отверстиями для подачи воздуха под слой топлива.
Недостатком известного жаротрубно-дымогарного котла является отсутствие возможности механизации работы котла, поскольку загрузка топлива и выгрузка очаговых остатков производится через одно фронтовое окно, кроме того, уголь в указанном топочном устройстве забрасывается в жаровую трубу вручную, при этом кусковой уголь лежит без движения, пока не догорит, мелкие фракции частично кипят, а частично уносятся с потоком дымовых газов, - все это уменьшает эффективность работы котла и не позволяет его механизировать.
Задачей настоящего изобретения является создание высокоэффективного жаротрубного котла с механизированной загрузкой топлива и выгрузкой очаговых остатков, а также с шуровкой топлива в процессе горения в жаровой трубе.
Технический результат поставленной задачи достигается тем, что твердотопливный жаротрубный котел содержит фронтовой узел загрузки твердого топлива, горизонтальную цилиндрическую емкость котловой воды и вставленную в нее эллиптическую жаровую трубу с горизонтально ориентированной эллипсностью, оканчивающуюся цилиндрической огневой поворотной камерой с отводящими дымогарными трубами, нижняя часть огневой поворотной камеры снабжена штуцером, образующим охлаждаемую шлаковую шахту, кроме того, жаровая труба снабжена системой шурующих планок маятникового типа, для чего на вертикальной оси жаровой трубы установлен горизонтальный прогон в виде полой трубы с возможностью ее вращения в узлах прохода через переднюю и задние стенки жаровой трубы, поворотной камеры и котла, также предусмотрены радиально соединенные с прогоном отведенные вниз и разведенные под центральным углом не более 80 градусов два ряда жестких тяг и закрепленные на их свободных концах шурующие планки, размещаемые вдоль жаровой трубы симметрично относительно ее вертикальной оси с возможностью их принудительных колебаний около этой оси по заданной программе, при этом шурующие планки размещаются вдоль жаровой трубы под углом к образующей жаровой трубы с восхождением по внутренней поверхности от фронта к тылу, кроме того, по длине жаровой трубы они секционируются, прогон, тяги и шурующие планки выполняются водоохлаждаемыми, при этом как минимум одна шурующая планка выполняется с косым срезом в виде гильотины, кроме того, подвод первичного воздуха на горение топлива выполнен соплами с фронта жаровой трубы, а подвод вторичного воздуха на дожигание уноса и химнедожога выполнен соплами в огневой поворотной камере.
На фиг.1 и 2 схематично изображены продольный и поперечный (А-А) разрезы жаротрубного котла, который содержитфронтовой узел загрузки твердого топлива (1), горизонтальную цилиндрическую емкость котловой воды (2), эллиптическую жаровую трубу (3) с цилиндрической огневой поворотной камерой (4) с отводящими дымогарными трубами (5) и штуцером (6) - охлаждаемая шлаковая шахта, горизонтальный прогон в виде полой охлаждаемой трубы (7), жесткие тяги (8), шурующие планки (9, 10), сопла, подающие воздух на горение топлива (11) и на дожигание уноса (12), привод прогона (13).
Изобретение имеет следующие основные отличия от прототипа и известных технических решений:
- горизонтальная эллипсность жаровой трубы - позволяет работать системе шурующих планок без застревания на ее боковых стенах при маятниковых колебаниях;
- наличие системы шурующих планок, установленных под углом к образующей – их работа позволяет перемешивать (шуровать) топливо и перемещать его вдоль жаровой трубы;
- исходный угол 80° между тягами, удерживающими шурующие планки, принят как наиболее приемлемый для: организации надежной циркуляции охлаждающей воды, отсутствия задеваний стенок жаровой трубы при максимальном угле поворота и размещения шурующих планок вне зоны активного горения топлива;
- как минимум одна (предпочтительно передняя) шурующая планка выполняется с косым срезом в виде гильотины – это решение позволяет успешно срезать застывший шлак с поверхности жаровой трубы или ворошить крупное кусковое топливо;
- огневая поворотная камера снабжена штуцером для вывода очаговых остатков из жаровой трубы;
- сопловой подвод воздуха с фронта на горение топлива – это решение позволяет высокоскоростными струями в попутном потоке дымовых газов доставить воздух в зону горения топлива.
Котел работает следующим образом.
Предварительно выполняются все необходимые операции по пароводяному тракту, включая водяное охлаждение системы шурующих планок: сетевой водой для водогрейного котла, питательной водой для парового котла или котловой водой с использованием циркуляционного насоса.
Розжиг котла производят на дровах или на другом легко воспламеняющемся твердом топливе, при этом топливо обдувают воздухом через сопла 11. На разгоревшиеся дрова из узла загрузки 1 подают твердое топливо, например бурый или каменный уголь любого класса фракцией не более 50 мм. Одновременно увеличивают подачу воздуха через сопла 11 для обдува горящего топлива и включают подачу воздуха через сопла 12 для дожигания уноса и химнедожога.
После появления устойчивого горения угля включают в работу автоматику системы шурующих планок, воздействующую на привод вращения прогона 13 по программе, включающей, например с минутным интервалом, вращение прогона против часовой стрелки на 50°, при этом левая (фиг.2) шурующая планка 9 (с косым срезом в виде гильотины), двигаясь вниз вдоль внутренней поверхности жаровой трубы, подрезает слой горящего топлива, а при обратном маятниковом движении правая шурующая планка 10 (установленная под углом, например, 10° к образующей) при своем движении по часовой стрелке на 50° от первоначального перемешивает свежее и горящее топливо и частично продвигает его вдоль жаровой трубы от фронта к тылу в сторону шлаковой шахты, обеспечивая горение топлива в подвижном слое.
Затем обе шурующих планки устанавливают в первоначальное положение – с центральным углом 80° между тягами, удерживающими шурующие планки. Через минуту цикл повторяется.
При длине дуги, по которой шуруется горящее топливо, например 100 мм, каждый одиночный гребок шурующей планки может продвигать топливо вдоль жаровой трубы на 100×tg10°=100×0,1763=18 мм, а с учетом потерь на трение и рассыпание топлива величина этого продвижения ориентировочно составит 15 мм. За 60 минут двойными гребками покроется расстояние 1800 мм – на длину жаровой трубы до штуцера шлаковой шахты 6, откуда очаговые остатки принудительно выгружаются в систему шлакоудаления. Для разных типов твердого топлива и разной длины жаровой трубы частота работы шурующих планок может корректироваться с целью полного выжигания горючих в очаговых остатках и увеличения КПД сжигания топлива.
Для горизонтального жаротрубного котла диаметром, например, 2000 мм может быть принята жаровая труба диаметром 1000 мм с горизонтальной эллипсностью, например, 10%, т.е. 100%(1050-950)2/(1050+950)=10%.
При такой величине эллипсности шурующие планки, установленные под углом 10° к образующей, будут свободно, без задеваний за стенки колебаться в пределах нижней дуги 180°, приведенной в примере.
Дымовые газы от сгоревшего топлива через огневую поворотную камеру с поворотом на 180° вводятся в систему дымогарных труб, где охлаждаются, передав тепло котловой воде, и покидают котел.
Перед поворотом газов в поворотной камере они обдуваются вторичным воздухом из сопел 12, в результате поворота происходит поперечное перемешивание газов, при этом дожигается мелкий унос и химнедожог (оксид углерода), что увеличивает КПД сжигания топлива.
Таким образом, заявляемое изобретение решает задачу создания высокоэкономичного газотрубного котла с механизированной загрузкой топлива и выгрузкой шлака, а также с шуровкой его в процессе горения твердого топлива в жаровой трубе.
Сжигание альтернативного топлива RDF именно в таком котле целесообразно по следующим причинам:
- фракционный состав топлива RDF стабилен в пределах 25-30 мм;
- топливо RDF в основном многосернистое, при сжигании его в жаротрубном котле, в отличие от водотрубных котлов, исключена низкотемпературная сернокислотная коррозия в связи с тем, что температура стенки жаровой трубы и дымогарных труб со стороны газов (100-130°С) превышает температуру точки росы, а высокотемпературная (сероводородная) коррозия также исключена, поскольку сероводород появляется только в восстановительной среде, а в дымовых газах котла среда окислительная с избытком воздуха, обычно применяемым для твердотопливных котлов 1,25-1,4 от теоретически необходимого для полного сжигания кускового топлива.