Топка с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой для сжигания древесных отходов
FURNACE WITH INCLINED-PUSHING GRATE FOR BURNING WOOD WASTES

Изобретение относится к устройствам для сжигания отходов обработки и переработки древесной биомассы 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 %. [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 (до 45-50%), 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 стороны боковых стенкой с помощью стенах полнотой сгорания топлива в топках с цилиндрических сопл, расположенных встречно в одной вертикальной плоскости. Количество сопл 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 своде арочного типа, 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]. Данное топочное устройство принято нами за прототип.
Однако данные топки очень чувствительны к гранулометрическому составу сжигаемого топлива и изменению его теплотехнических характеристик. При увеличении в составе сжигаемого топлива мелких фракций, снижении его влажности или скорости движения по колосниковой решетке зона воспламенения перемещается в направлении фронтовой стены топки. Раннее воспламенение топлива, сопровождающееся интенсивным выделением летучих веществ, при отсутствии подачи в данную область вторичного воздуха, вызывает значительный рост потерь теплоты с химическим недожогом топлива и снижение эффективности и надежности работы топки и котла в целом.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание высокоэффективного низкоэмиссионного топочного устройства для сжигания древесного топлива крайне неоднородного гранулометрического состава (с размером частиц, отличающимся в тысячи раз) с относительной влажностью на рабочую массу до 50-57%.
Это достигается тем, что у топки с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой, содержащей разделенные арочным сводом камеру сгорания, снабженную устройствами подачи топлива, устройствами позонного ввода первичного воздуха под колосниковую решетку и вторичного воздуха в надслоевой объем через горизонтальные сопла, расположенные на боковых стенах в одной наклонной плоскости над второй и третьей зонами колосниковой решетки, и камеру дожигания и охлаждения, соединенную с камерой сгорания выходным окном, сопла подачи вторичного воздуха, расположены на противоположных стенках со смещением на полшага относительно сопл противоположной стенки, выходное окно расположено над третьей зоной наклонно-переталкивающей колосниковой решетки и оборудовано буртиком, направленным вниз топки, под которым горизонтально встречно-смещенно установлены два сопла для ввода третичного воздуха, в камере дожигания и охлаждения за выходным окном, по ходу движения продуктов сгорания установлены тангенциально в двух параллельных плоскостях дополнительные сопла для ввода третичного воздуха, под колосниковую решетку позонно со стороны, противоположной подаче первичного воздуха, вводятся газы рециркуляции, забираемые из газохода после основного дымососа, в камеру сгорания, над первой зоной колосниковой решетки, через горизонтально расположенные на боковых стенах сопла, вводятся газы рециркуляции, при этом сопла на боковой стене установлены со смещением на полшага относительно сопл противоположной стенки.
На фиг. 1 изображена предлагаемая топка, продольный разрез; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А фиг.1, на фиг. 3 - местный горизонтальный разрез Б-Б фиг.1, на фиг. 4 - местный горизонтальный разрез В-В фиг.1.
Топка с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой содержит камеры сгорания 1 и дожигания и охлаждения 2, разделенные арочным сводом 3, выполненным из огнеупорных материалов, над третьей зоной наклонно-переталкивающей решетки 4 в своде 3 выполнено выходное окно 5, оборудованное буртиком 6, направленным вниз топки, под которым горизонтально встречно-смещенно установлены два сопла 7 для ввода третичного воздуха, а в камере дожигания и охлаждения 2 за выходным окном 5 установлены тангенциально в двух параллельных плоскостях дополнительные сопла 8 для ввода третичного воздуха. На фронтовой стене топки установлены питатели топлива 9, а на боковых стенах над первой зоной наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 4 горизонтально расположены сопла 10 для ввода газов рециркуляции, а над второй и третьей зонами колосниковой решетки сопла подачи вторичного воздуха 11, при этом сопла ввода газов рециркуляции 10 и вторичного воздуха 11, расположены со смещением на полшага относительно сопл противоположной стенки. Подача вторичного воздуха к соплам осуществляется с помощью воздуховодов 12, третичного воздуха с помощью воздуховодов 13 и газов рециркуляции с помощью газоховодов 14, проложенных вдоль боковых стен камеры сгорания 1. Шнековый транспортер 15, ось которого перпендикулярна продольной оси топки, расположен в конце наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 4. Первичный воздух под колосниковую решетку с помощью коробов 16 подается позонно, при этом с противоположной стороны топки позонно под решетку подаются газы рециркуляции, отбор которых осуществляется из газохода после основного дымососа с помощью дымососа рециркуляции.
Работа топки с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой для сжигания древесных отходов осуществляется следующим образом.
Полифракционные древесные отходы из бункеров питателями 9 подаются на наклонно-переталкивающую колосниковую решетку 4 на участке первой зоны которой, происходит термическая подготовка и воспламенение древесного топлива, во второй и третьей зонах происходит, соответственно, активное горение и догорание горючих компонент топлива, первичный воздух под колосниковую решетку с помощью коробов 16 подается позонно, в количестве меньшем чем теоретически необходимо для сгорания топлива. Для исключения локального пережога колосников и выгорания обмуровки, со стороны противоположной вводу первичного воздуха, под колосниковую решетку позонно подается часть газов рециркуляции, отбор которых осуществляется из газохода после основного дымососа с помощью индивидуального дымососа рециркуляции. Другая часть газов рециркуляции вводится в камеру сгорания над первой зоной наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 4 через горизонтально расположенные сопла 10, выполненные на боковых стенах со смещением на полшага относительно сопл противоположной стенки. Ввод газов рециркуляции, температура которых в несколько раз больше температуры подаваемого воздуха, интенсифицирует термическую подготовку древесных отходов к воспламенению, снижает эмиссию оксидов азота и расширяет возможности топки по влажности сжигаемого топлива. Соотношение между первичным и вторичным воздухом определяется теплофизическими характеристиками сжигаемого топлива, с ростом влажности топлива доля первичного воздуха увеличивается, а доля газов рециркуляции под колосниковую решетку уменьшается. Продукты неполного горения, выходящие из слоя топлива, попадают в вихревые потоки, образующийся при взаимодействии встречно-смещенных струй газов рециркуляции, выходящих из сопл 10 над первой зоной, и вторичного воздуха, выходящих из сопл 11 над второй и третьей зонами колосниковой решетки. Вихревые потоки горячих топочных газов оказывают воздействие и на слой топлива, расположенный на колосниковой решетке 4, повышая равномерность распределения топлива по ее ширине и увеличивая жизненный цикл колосниковой решетки. Движение вихревых газовых потоков от фронтовой к задней стене топки позволяет исключить возможность транзитного выноса невыгоревших газообразных горючих компонент топлива из камеры сгорания, что могло иметь место при расположении выходного окна 5 над первой зоной наклонно-переталкивающей решетки 4. В области выходного окна 5, расположенного в арочном своде 3 над третьей зоной колосниковой решетки 4 и оборудованного буртиком 6, производится дополнительная закрутка газового потока при вводе струй третичного воздуха через горизонтальные встречно-смещенные сопла 7. Данный вихревой поток обеспечивает надежное выгорание горючих компонент, поступающих из слоя топлива, а также, в комплексе с буртиком 6 выходного окна 5 уменьшает вынос твердой фазы из камеры сгорания 1 в камеру дожигания и охлаждения 2, увеличивая компанию котла по условиям чистки. Дополнительная закрутка и турбулизация газового потока в камере дожигания и охлаждения 2, осуществляемая с помощью тангенциально установленных в двух параллельных плоскостях дополнительных сопл третичного воздуха 8, интенсифицирует теплообмен в камере дожигания и охлаждения 2, создает условия для минимизации химического недожога и образования оксидов азота и улучшает условия работы газоводяного теплообменника. Удаление очаговых остатков из камеры сгорания 1 в процессе эксплуатации котла производится с помощью шнекового транспортера 15.
т
Исследования показали, что данная топка позволяет обеспечить эффективное сжигание древесного топлива крайне неоднородного гранулометрического состава (с размером частиц, отличающимся в тысячи раз), повысить КПД брутто котла не менее чем на 1,5-2,0% за счет уменьшения потерь тепла с уходящими газами и с химической неполнотой сгорания топлива, обеспечить возможность работы при сверхмалых избытках воздуха на выходе из топки (α = 1,15), снизить эмиссии оксидов азота ~ 20 % и оксида углерода на 30-50%, а также продлить жизненный цикл наклонно-переталкивающей колосниковой решетки и обмуровки топки.