Водогрейный котел с пневматической топкой
WATER BOILER WITH PNEUMATIC BURNER

Изобретение относится к промышленной энергетике, касается создания твердотопливных водогрейных котлов малой мощности, предназначенных для организации вихревого сжигания предварительно подготовленного топлива и универсальных по типам сжигаемых топлив, и может быть использовано в различных сферах народного хозяйства для получения тепловой энергии в виде горячей воды.
Из уровня техники известен твердотопливный котел с вихревой топкой (RU №2591070, F23B 30/00, опубликовано 10.07.2016), имеющей слоевое топочное устройство, включающее питатель топлива, колосниковые или воздухораспределительные решетки и тракт выгрузки золы, установленное под вихревой камерой сгорания, образованной стенами из обмуровки и топочных экранов, с по меньшей мере одним газоотводящим окном, расположенным на боковой стене, и соплами вторичного дутья, которые ориентированы тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря с горизонтальной осью, проходящей через газоотводящее окно, и направлены по ходу вихря преимущественно вниз, причем газоотводящее окно выполнено в виде защищенного обмуровкой и трубами выступающего в вихревую камеру сгорания отрезка воздуховода в форме полого конуса с полууглом раскрытия от + 35 до - 35 градусов, на торцевой и боковых поверхностях которого установлены ориентированные тангенциально и направленные в топку одиночные и кольцевые сопла дожигающего дутья.
Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом являются вихревая камера сгорания, образованная топочными экранами, имеющая питатель топлива, колосниковую решетку, тракт выгрузки золы, дутьевое сопло, которое ориентировано тангенциально к условному телу вращения формируемого вихря с горизонтальной осью, и одно газоотводящее окно.
Недостатками аналога является сложность в обеспечении надежности работы газоотводящих окон и газоотводящих каналов из топки. Изобретение обладает большой инерционностью из-за наличия слоя топлива на наклонном колоснике, что приводит к спеканию топлива в случае остановки котла, устройство газоотводящего окна не решает вопрос удержания витающих в вихре частиц топлива.
Также известен котел с циркулирующим слоем (RU №2514575, МПК F23C 10/12, опубликовано 27.04.2014), содержащий теплообменник циркулирующего слоя с вынесенными поверхностями нагрева котла, конвективные поверхности нагрева и экранированную топку с соплами вторичного дутья, ограниченную снизу камерой сгорания кипящего слоя с воздухораспределительной решеткой, а сверху подключенную, по крайней мере, к одному уловителю циркулирующих частиц; на выходе из камеры сгорания кипящего слоя установлен лопаточный завихритель, а уловитель циркулирующих частиц выполнен в виде образованного экранами пережима с газоотводящим окном, в котором расположены установленные тангенциально с наклоном вниз сопла острого дутья, причем сопла вторичного дутья, расположенные в топке, также установлены тангенциально с наклоном вниз и направлены в пристенную зону топки, а камера сгорания кипящего слоя размещается в топке с зазором, к которому подключен теплообменник циркулирующего слоя и через стояки - камера сгорания кипящего слоя.
Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом являются наличие камеры сгорания, образованной стенами, выполненными обмуровкой или экранами, дутьевых сопел, газоотводящего окна, конвективных поверхностей нагрева и уловителя частиц установленного в газоотводящем окне.
Недостатками аналога является сложность в эксплуатации, изобретение не решает вопрос удаления циркулирующего слоя в момент аварийной остановки котла, в момент которой циркулирующий слой оседает на воздухораспределительной решетки и спекается, что приводит к дополнительным затратам на восстановление работоспособности котла. Размещенный в топке уловитель циркулирующих частиц выполненный в виде образованного экранами пережима с газоотводящим окном, в котором расположены установленные тангенциально с наклоном вниз сопла острого дутья сложен в изготовление и эксплуатации и не гарантирует должную сепарацию циркулирующих частиц. Для организации повышения эффективности сжигания топлива в котле необходимо использовать большое количество дутьевых механизмов, что влечет увеличение затрат на эксплуатацию.
В энергетике так же известны и нашли широкое применение топки ЦКТИ системы А.А. Шершнева [Шершнев А.А. Пневматические топки ЦКТИ системы Шершнева для котлов малой мощности. – М.-Л.: ГНТИ машиностроительной и судостроительной литературы, 1954. - 103 с.]. Пневматические топки применялись для паровых котлов низкого давления паропроизводительностью до 35 т/ч и были предназначены для сжигания высоковлажного фрезерного торфа и бурых углей. При сопоставлении и сравнении между собой рассматриваемых типов пневматических топок, не смотря на разнообразие конструктивных форм, все они имеют единый принцип работы - сжигание частиц мелкого или измельченного высокореакционного топлива на лету, во время витания их в топочной камере по петлевым траекториям с такой кратностью циркуляции, которая обеспечивает доведение времени пребывания этих частиц в топке до времени их практически полного выгорания. Высокореакционное топливо непрерывно и равномерно подается в топочную камеру через щель. Воздух, необходимый для горения этого топлива, в основном, подается в устье воронки топочной камеры через дутьевую щель - сопло, расположенное в нижней части задней наклонной стенки камеры горения, навстречу частицам топлива.
Известна пневматическая топка типа А [Шершнев А.А. Пневматические топки ЦКТИ системы Шершнева для котлов малой мощности. – М.-Л.: ГНТИ машиностроительной и судостроительной литературы, 1954. - 103 с. Фиг. 2 и 3], характеризующаяся развитием топочной камеры в глубину, предназначенная в основном для установки под низкопосаженными котлами малой мощности.
Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом являются наличие пневматической топки, которая имеет определенную степень экранирования, включающую питатель топлива, колосниковые решетки, тракт удаления золы, дутьевое сопло, которое расположены в нижней части камеры сгорания, газоотводящего окна, конвективных поверхностей нагрева.
Недостатками аналога является наличие камеры догорания, сложность в изготовлении, топка изготавливается непосредственно под котлом, который уже установлен в котельной, большое количество обмуровки, дутьевое сопло регулируется лишь по средствам уменьшения подачи объема воздуха. Техническое решение рассматривает применение пневматической топки на паровом котле.
Известна пневматическая топка типа Б [Шершнев А.А. Пневматические топки ЦКТИ системы Шершнева для котлов малой мощности. – М.-Л.: ГНТИ машиностроительной и судостроительной литературы, 1954. - 103 с. Фиг. 4], характеризующаяся ограниченным развитием топочной камеры как в глубину, так и в высоту.
Недостатками прототипа являются: необходимость устройства камеры догорания, в которую потоком топочных газов выносятся воспламененные тонкие фракции топлива, откуда продукты их горения поступают в газоходы котла; дутьевая щель - сопло не имеет устройства для регулировки подачи воздуха в топку, регулировка осуществляется по средствам уменьшения подачи воздуха; отсутствие технических решений для устройства топки на водогрейных котлах, отсутствует устройство для удержания воспламененных частиц в камере сгорания.
Отличием от прототипа является то, что камера сгорания полностью выполнена из газоплотных топочных экранов, дутьевое сопло содержит подвижную верхнюю часть, которая оснащена механическим приводом с возможностью регулировки высоты дутьевой щели, над камерой сгорания расположен конвективный газоход П-образной формы, каналы которого расположены горизонтально и который сообщается с камерой сгорания через газоотводящее окно, в устье которого имеется сепарационное устройство, выполненное из разрежённого пучка оребренных труб верхнего топочного экрана, направленных под углом 45-50° вниз по направлению вихревого потока.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».
Предлагаемое изобретение повышает эффективность сжигания топлива за счет конфигурации топочной камеры, которая позволяет за счет лишь одного дутьевого сопла, расположенного в нижней части камеры сгорания, организовать в камере сжигание предварительно подготовленного топлива на лету (в вихре), при этом подача топлива в камеру организована таким образом, что при аварийной остановке котла воспламененные частицы по наклонному фронтовому экрану оседают на колосниковую решетку, где при естественной тяге догорают, после чего могут быть удалены. Газоотводящее окно расположено в верхней части камеры сгорания и имеет сепарационное устройство для удержание воспламененных частиц в камере сгорания до их полного выгорания, которое выполнено из оребренных труб верхнего экрана в виде фестона, просто в изготовлении и не требует организации дополнительного острого дутья, что позволяет снизить эксплуатационные затраты. Устранение топочного устройства достигается предварительной подготовкой топлива и применением камеры сгорания, конфигурация которой позволяет обеспечить полное заполнение топочного объема дымовыми газами и сформировать устойчивый вихревой поток с горизонтальной осью, для чего в нижней части под задним экраном располагаются сопла нижнего дутья, которые направляют поток разогретого воздуха навстречу подаваемому сверху топлива.
Сопло нижнего дутья выполнено с регулируемой верхней частью, что позволяет обеспечить необходимую скорость подаваемого в топку воздуха для формирования вихревой зоны на различных режимах работы водогрейного котла, а также позволяет обеспечить удержание частиц топлива в вихре. Предварительная подготовка топлива позволяет создаваемому в камере сгорания вихревому потоку удерживать воспламененные частицы в вихре, что позволяет достичь минимальных значений механического недожога топлива и минимальных показателей вредных выбросов в атмосферу.
Выполнение в нижней части камеры сгорания неподвижной колосниковой решетки с подведенным вторичным дутьем в объеме 5-10% от всего подаваемого в топку воздуха, позволяет обеспечить выгорание провалов, обеспечивая уменьшение механического недожога топлива. Выполнение камеры сгорания в задней верхней части позволяет обеспечить максимально компактную компоновку топки с конвективным газоходом и избежать устройства дополнительных обмуровок. Сепарационное устройство выполнено в зоне прохода дымовых газов из оребренных труб. Оребренные трубы выполнены по направлению движения вихря с наклоном 45-50 градусов вниз к задней стенке топки, что обеспечивает препятствие уноса несгоревших частиц в конвективный газоход.
Сравнение предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области показывает следующее.
Не выявлено в результате поиска и сравнительного анализа технических решений, характеризующихся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, обеспечивающей при использовании достижение аналогичных результатов, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Целью предлагаемого изобретения является создание водогрейного котла малой мощности для промышленного применения, потребляющего различные предварительно подготовленные виды топлива, который позволит снизить затраты на эксплуатацию и снизить негативное влияние на экологию.
Технический результат заключается в повышении эффективности производства тепловой энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что водогрейный котел с пневматической топкой, содержащий камеру сгорания, выполненную в виде воронки, в верхней части которой с фронта расположен питатель топлива барабанного типа, включающую дутьевое сопло, расположенное в нижней части и ориентированное навстречу подаваемого топлива, колосниковую решетку, газоотводящее окно, расположенное в верхней части камеры сгорания, согласно изобретению камера сгорания полностью выполнена из газоплотных топочных экранов, дутьевое сопло содержит подвижную верхнею часть, которая оснащена механическим приводом с возможностью регулировки высоты дутьевой щели, над камерой сгорания расположен конвективный газоход П-образной формы, каналы которого расположены горизонтально и который сообщается с камерой сгорания через газоотводящее окно, в устье которого имеется сепарационное устройство, выполненное из разрежённого пучка оребренных труб верхнего топочного экрана, направленных под углом 45-50° вниз по направлению вихревого потока.
В конструкции котла отсутствует камера догорания, конвективный газоход расположен над камерой сгорания, движение воды в котле осуществляется по двухконтурной схеме с целью снижения гидравлического сопротивления, движение воды в котле противоточное по отношению к дымовым газам, котел выполняется в блочном исполнении.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид водогрейного котла с пневматической топкой, на фиг. 2 - общий вид сепарационного устройства и его продольный разрез.
Водогрейный котел с пневматической топкой содержит камеру сгорания 1, выполненную в виде воронки и полностью экранированную трубами. В нижней части топки выполнена дожигательная решетка 6. Над дожигательной решеткой под задним экраном расположено сопло нижнего дутья 5, через которое подается подогретый в воздухоподогревателе 7 воздух в количестве 90-95% от всего организовано подаваемого в топку. Сопло нижнего дутья имеет устройство, которое позволяет регулировать высоту дутьевой щели. Остальной воздух подается через дожигательную колосниковую решетку 6, обеспечивая выгорание провалов топлива. В верхней части топки, над фронтовым экраном расположены топливоподающие устройства барабанного типа 2. В камере сгорания 1 водогрейного котла с пневматической топкой сопло нижнего дутья за счет тангенциальной направленности формирует вихревой поток воспламененных частиц топлива с горизонтальной осью. Многократная циркуляция частиц твердого топлива в горячих дымовых газах позволяет обеспечить подсушку топлива, его прогрев, терморазмол и выжигание летучих веществ и коксового остатка. В верхней задней части камеры сгорания 1 расположено газоотводящее окно, в котором оребренными трубами верхнего экрана устроено сепарационное устройство 11. Над камерой сгорания расположен конвективный газоход П-образной формы 3, который представляет собой два горизонтально расположенных яруса. Конвективный газоход заканчивается переходом в блок экономайзера 4, соединенного с блоком воздухоподогревателя 7. Конструкция котла выполнена из отдельных модулей - камера сгорания с соплом 1,5, конвективный газоход 3, питатель 2, блок экономайзера 4, воздухоподогреватель 7, золоуловитель 8, дымосос 9, вентилятор 10.
Водогрейный котел с пневматической топкой работает следующим образом.
На дожигательной решетке 6 организовывается растопка котла, питателем 2 в камеру сгорания подается предварительно подготовленное топливо навстречу подаваемому потоку разогретого воздуха. Частицы топлива, воспринимая сопротивление, подхватываются потоком воздуха и поднимаются в организованный вихревой поток. Образованные дымовые газы за счет организованного разрежения вытягиваются в конвективный газоход 3, проходя через организованный в газоотводящем окне фестон верхнего экрана 11, трубы которого выполнены с оребрением.
Воспламененные частицы, ударяясь об оребренные трубы фестона, теряют свою инерцию и возвращаются в вихревой поток. Те частицы топлива, которые выносятся сквозь первый ряд оребренных труб, попадают в зону разрежения, где также, теряя свою инерцию за счет собственного веса, выпадают обратно в поток, где происходит их полное выгорание. В зависимости от необходимой нагрузки происходит регулировка высоты дутьевой щели и скорость подачи топлива, что позволяет сохранять скорость движения вихря в камере сгорания в заданном диапазоне. Разогретые отсепарированные дымовые газы поступают в конвективный газоход 3, где происходит теплообмен и передача тепловой энергии теплоносителю.