УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ СЫПУЧЕГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Область техники
Полезная модель относится к конструкции устройств для ступенчатого сжигания преимущественно такого сыпучего твердого топлива, как измельченный бытовой мусор, опилки и стружка, торф, лузга и иные растительные отходы или их произвольные смеси.
Уровень техники
Современная теплоэнергетика существует в условиях нарастающего дефицита ископаемого твердого, жидкого и газового топлива с высокой теплотворной способностью и потому ориентируется на использование возобновляемых топливных ресурсов. В частности, как топливо все чаще используют горючий бытовой мусор и отходы переработки растительного сырья.
К сожалению, топливо указанных видов обычно загрязнено негорючими минеральными примесями и имеет влажность, которая может колебаться в широких пределах. Такое топливо трудно воспламеняется и плохо горит. Поэтому его нередко сжигают в смеси с высококалорийным топливом (см., например: SU 1079954, SU 1163088, SU 1198322 и т.п.).
Очевидно, что удельный расход добавочного высококалорийного топлива тем больше, чем выше влажность и ниже теплотворная способность основного сыпучего топлива.
Поэтому желательно, чтобы устройства для сжигания такого топлива обеспечивали его эффективную сушку за счет собственной теплотворной способности и как можно более полную утилизацию горючих компонентов. Для этого необходимо разделить процесс на три стадии:
постепенную сушку всего вводимого в процесс топлива,
пиролиз большей части подсушенного топлива при дефиците окислителя с получением аэрозоля, состоящего из горючих газов и мелкодисперсных твердых горючих частиц, и
окончательное сжигание такого аэрозоля в топке, которая может служить частью водогрейного или парового котла или иного потребителя тепла.
Из UA 17013 U известно устройство для ступенчатого сжигания горючих бытовых отходов. Оно содержит:
(1) симметричный в плане герметично закрытый сверху внешний корпус, который имеет в нижней части боковой стенки по меньшей мере одно отверстие для подачи воздуха;
(2) симметричный в плане внутренний корпус меньшего поперечного сечения, который с кольцеобразным зазором коаксиально закреплен внутри внешнего корпуса, имеет вверху центральный загрузочный патрубок для подачи сыпучего топлива, перфорирован не менее чем на половину своей высоты и в перфорированной части служит воздухораспределителем;
(3) симметричную в плане камеру пиролиза, которая с кольцеобразным зазором коаксиально расположена во внутреннем корпусе под загрузочным патрубком, ограничена (в направлении сверху вниз) конусообразным или пирамидальным рассекателем сыпучего топлива и по меньшей мере тремя установленными с осевыми зазорами кольцеобразными элементами;
(4) такую составную жаровую трубу для отвода продуктов пиролиза в виде горючего аэрозоля к произвольному потребителю, вход в которую подключен к выходу из камеры пиролиза и
в прямую выходную часть которой (как правило, коаксиально) введен патрубок для нагнетания воздуха, используемого для сжигания аэрозоля;
(5) открытый снизу зольник, стенки которого служат днищем внешнего корпуса и наклонены к горизонтали под углом, превышающим угол естественного откоса грубодисперсных твердых продуктов сгорания и минеральных примесей, поступающих из кольцеобразного зазора между внутренним корпусом и камерой пиролиза.
Для запуска используют порцию сухого топлива типа дров или пропитанных жидким топливом текстильных отходов. В стационарном режиме топливом служат только бытовые и/или растительные отходы, непрерывно подаваемые через загрузочный патрубок. При этом продукты сушки и неполного сгорания таких отходов заполняют практически весь кольцеобразный зазор между стенками внутреннего корпуса и камеры пиролиза. Действительно:
перед входом в этот зазор влажные отходы нагреваются частью газообразных продуктов сгорания и теряют избыточную влагу,
в верхней части этого зазора сухие отходы постепенно уплотняются, частично сгорают в струях воздуха, поступающего через перфорационные отверстия, и самопроизвольно распадаются на полидисперсную смесь твердых горючих частиц и минеральных примесей,
в нижней части этого зазора грубодисперсные горючие частицы догорают с самопроизвольным пересыпанием золы в зольник, а аэрозоль из тонкодисперсных горючих твердых частиц и горючего газа принудительно всасывается через зазоры между кольцеобразными элементами камеры пиролиза в жаровую трубу для последующего сжигания в подходящей топке.
Образующийся при сушке водяной пар и отработавшие на его образование продукты сгорания удаляются в атмосферу через рыхлый слой влажных отходов и центральный загрузочный патрубок, а для сбора и удаления золы в отвал могут быть использованы инвентарные периодически сменяемые поддоны.
К сожалению, известное устройство недостаточно надежно и эффективно из-за несовершенства средств вывода водяного пара, который образуется при сушке загружаемых отходов, и золы, формируемой из негорючих минеральных примесей и не догоревших частиц.
Так, при фильтрации отходящего водяного пара через весь рыхлый слой загружаемых отходов образуется тем больше конденсата, чем ниже температура и выше исходная влажность этих отходов. В итоге возможно их слипание и зависание на входе в кольцеобразный зазор между внутренним корпусом и камерой пиролиза с неизбежной аварийной остановкой устройства на очистку и перезапуск. Далее, зависание топливных масс и остановка устройства могут быть обусловлены блокированием зольника из-за случайных задержек с удалением скопившейся золы. Понятно, что расход энергии на повторное испарение конденсата и ее потери на перезапуск снижают тепловой КПД устройства в целом.
Краткое изложение сущности полезной модели
В основу полезной модели положена задача путем усовершенствования средств удаления водяного пара и золы и их взаиморасположения относительно корпусных деталей и камеры пиролиза создать более надежное и экономичное устройство для ступенчатого сжигания сыпучего твердого топлива.
Поставленная задача решена тем, что устройство для ступенчатого сжигания сыпучего твердого топлива содержит:
(1) симметричный в плане герметично закрытый сверху внешний корпус, имеющий -
в нижней части боковой стенки по меньшей мере одно отверстие для подачи воздуха и плоское днище с центральным проемом;
(2) симметричный в плане внутренний корпус меньшего поперечного сечения, который -
коаксиально закреплен во внешнем корпусе с кольцеобразным зазором относительно его боковой стенки и с осевым зазором относительно его плоского днища,
имеет вверху центральный загрузочный патрубок для подачи сыпучего топлива,
перфорирован не менее чем на половину своей высоты и
в перфорированной части служит воздухораспределителем;
(3) симметричную в плане камеру пиролиза, которая -
ограничена (в направлении сверху вниз) конусообразным или пирамидальным рассекателем сыпучего топлива и по меньшей мере тремя кольцеобразными элементами, установленными один под другим с осевыми зазорами, и
коаксиально с кольцеобразным зазором расположена во внутреннем корпусе под указанным загрузочным патрубком;
(4) составную жаровую трубу, которая предназначена для отвода продуктов пиролиза в виде горючего аэрозоля на окончательное сжигание и имеет:
практически вертикальный конфузор, сообщающийся с полостью камеры пиролиза и перекрывающий центральный проем в плоском днище внешнего корпуса, и
прямой патрубок для подачи упомянутого аэрозоля в произвольную топку;
(5) смеситель горючего аэрозоля, выходящего из камеры пиролиза, с воздухом, который -
расположен под плоским днищем внешнего корпуса,
охватывает по меньшей мере прямой патрубок жаровой трубы,
подключен к средству нагнетания воздуха в направлении выхода из прямого патрубка жаровой трубы, и
снабжен подходящим средством для присоединения к подходящей топке;
(6) по меньшей мере одну вестовую трубу для сброса в атмосферу водяного пара с примесью отработавших на его образование продуктов сгорания, которая подключена к полости внутреннего корпуса под нижним торцом центрального загрузочного патрубка; и
(7) средство принудительного удаления золы, выходящей из кольцеобразного зазора между внутренним корпусом и камерой пиролиза, которое размещено в осевом зазоре между нижним торцом внутреннего корпуса и плоским днищем внешнего корпуса.
Такое устройство обеспечивает эффективное удаление побочных продуктов, то есть водяного пара, отработавших при сушке продуктов сгорания и золы, и исключает зависание топлива на входе в кольцеобразный зазор между внутренним корпусом и камерой пиролиза.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что предложенное устройство снабжено пусковым запальным приспособлением (например, на основе газовой или газо-мазутной горелки), выход из которого расположен в нижней части кольцеобразного зазора между внутренним
корпусом и камерой пиролиза. Это облегчает запуск устройства.
Второе дополнительное отличие состоит в том, что средство принудительного удаления золы выполнено на основе механизма, выбранного из группы, состоящей из шнекового транспортера, плунжерного выталкивателя, замкнутой подвижной цепной решетки, скребкового выталкивателя и зубчатой дробилки. Это позволяет выбрать средства удаления золы с учетом ее свойств. Например, для эффективного удаления легкосыпучей золы от сжигания лузги подсолнечника и/или отходов деревообработки наиболее удобны шнековые транспортеры, плунжерные и скребковые выталкиватели. Далее, для удаления комковатой золы от сжигания дробленых остатков кукурузы или стеблей подсолнечника предпочтительна цепная решетка. И, наконец, для удаления склонной к слипанию золы от сжигания дробленых полимерных упаковочных материалов предпочтительна зубчатая дробилка.
Третье дополнительное отличие состоит в том, что смеситель горючего аэрозоля, выходящего из камеры пиролиза, с воздухом, оснащен средством подачи воздуха, выбранным из группы, состоящей из осевого вентилятора, стандартной газо-мазутной горелки со встроенным вентилятором, улиточной горелки со встроенным вентилятором и вентилятора с набором тангенциальных сопел. Этот набор средств подачи воздуха также позволяет подстраивать конкретную конструкцию предложенного устройства под свойства аэрозоля, возникающего при неполном сгорании разных сыпучих твердых топлив. Так, для сжигания аэрозоля из мелкодисперсных растительных остатков типа лузги подсолнечника и/или древесных опилок достаточно осевого наддува, тогда как для сжигания аэрозоля из остатков листовых металлополимерных упаковок предпочтительна газо-мазутная горелка, а для сжигании аэрозолей из смешанных бытовых отходов целесообразно применять указанные завихрители потока воздуха.
Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что предложенное устройство снабжено предохранительным клапаном для аварийного сброса давления, который подключен к полости внутреннего корпуса в промежутке между нижним торцом центрального загрузочного патрубка и верхней границей перфорированной части этого корпуса.
Краткое описание чертежей
Далее сущность полезной модели поясняется подробным описанием конструкции и работы предложенного устройства со ссылками на чертежи, где изображены на:
фиг.1 - устройство для ступенчатого сжигания сыпучего твердого топлива (вид спереди с разрезом одной из плоскостей симметрии);
фиг.2 - то же что на фиг.1 (вид сбоку с разрезом другой плоскостью симметрии);
фиг.3 - средство принудительного удаления золы на основе шнекового транспортера;
фиг.4 - средство принудительного удаления золы на основе плунжерного выталкивателя;
фиг.5 - средство принудительного удаления золы на основе замкнутой подвижной цепной решетки;
фиг.6 - средство принудительного удаления золы на основе скребкового выталкивателя;
фиг.7 - средство принудительного удаления золы на основе зубчатой дробилки;
фиг.8 - схема подачи воздуха в смеситель на основе осевого вентилятора;
фиг.9 - схема подачи воздуха в смеситель с использованием стандартной газо-мазутной
горелки со встроенным вентилятором;
фиг.10 - схема подачи воздуха в смеситель с использованием улиточной горелки со встроенным вентилятором;
фиг.11 - то же что на фиг.10 (вид спереди);
фиг.12 - схема подачи воздуха в смеситель с использованием вентилятора и набора тангенциальных сопел.
Наилучшие варианты осуществления изобретательского замысла
Предложенное устройство для ступенчатого сжигания сыпучего твердого топлива типа бытового мусора и/или растительных отходов содержит (см. фигуры 1 и 2):
симметричный в плане сплошной герметично закрытый сверху внешний корпус 1, который имеет в нижней части боковой стенки 2 по меньшей мере одно отверстие 3 для подачи воздуха и плоское днище 4 с не обозначенным особо центральным проемом;
симметричный в плане внутренний корпус 5 меньшего поперечного сечения, который коаксиально закреплен во внешнем корпусе 1 с кольцеобразным зазором относительно его боковой стенки 2 и с осевым зазором относительно его плоского днища 4, имеет вверху центральный загрузочный патрубок 6 для подачи сыпучего топлива и перфорирован не менее чем на половину (а предпочтительно не менее чем на две трети) своей высоты;
симметричную в плане камеру 7 пиролиза, которая коаксиально с кольцеобразным зазором расположена во внутреннем корпусе 5 под загрузочным патрубком 6 и ограничена (в направлении сверху вниз) конусообразным или пирамидальным рассекателем 8 сыпучего топлива и по меньшей мере тремя кольцеобразными элементами 9, установленными один под другим с осевыми зазорами;
составную жаровую трубу 10, которая предназначена для отвода продуктов пиролиза в виде горючего аэрозоля на окончательное сжигание и имеет практически вертикальный конфузор 11, сообщающийся с полостью камеры 7 пиролиза, герметично перекрывающий центральный проем в плоском днище 4 внешнего корпуса 1 и плавно переходящий в, как правило, горизонтальный прямой патрубок 12 для подачи упомянутого аэрозоля в произвольную топку;
такой предпочтительно круглый в поперечном сечении смеситель 13 горючего аэрозоля, выходящего из камеры 7 пиролиза, с воздухом, который, как правило, горизонтально, расположен под днищем 4 внешнего корпуса 1, охватывает по меньшей мере прямой патрубок 12 жаровой трубы 10, подключен к указанному и обозначенному далее по меньшей мере одному средству нагнетания воздуха в направлении выхода из этого патрубка 12,
по меньшей мере одну вестовую трубу 14 для сброса в атмосферу водяного пара с примесью отработавших на его образование продуктов сгорания, которая подключена к полости внутреннего корпуса 5 под нижним торцом центрального загрузочного патрубка 6 и оснащена подходящим запорно-регулирующим элементом (краном или вентилем) 15; и
средство 16 принудительного удаления золы из кольцеобразного зазора между внутренним корпусом 5 и камерой 7 пиролиза, которое размещено в осевом зазоре между нижним торцом внутреннего корпуса 5 и плоским днищем внешнего корпуса 1.
Корпуса 1 и 5 и камера 7 пиролиза могут иметь в плане форму прямоугольника (в частности,
квадрата) со скругленными стыками стенок, а предпочтительно овала или, что наиболее предпочтительно, окружности. Для облегчения продвижения топлива и продуктов его частичного сгорания желательно, чтобы площади поперечных сечений этих частей устройства возрастали в направлении сверху вниз, как это показано на фигурах 1 и 2.
Как правило, предложенное устройство снабжено:
пусковым запальным приспособлением 17, выход из которого расположен в нижней части кольцеобразного зазора между внутренним корпусом 5 и камерой 7 пиролиза и которое может быть изготовлено на основе не показанной особо газовой или газо-мазутной горелки, и
предохранительным клапаном 18 (например, на основе не показанной особо сменной разрывной мембраны), который обычно подключен к полости внутреннего корпуса 5 в промежутке между нижним торцом центрального загрузочного патрубка 6 и верхней границей перфорированной части этого корпуса 5.
Средство 16 принудительного удаления золы может быть выполнено на основе механизма, выбранного из группы, состоящей из шнекового транспортера 19 (фиг.3), плунжерного выталкивателя 20 (фиг.4), замкнутой подвижной цепной решетки 21 (фиг.5), скребкового выталкивателя 22 (фиг.6) и зубчатой дробилки 23 (фиг.7).
Упомянутый смеситель 13 может быть оснащен разными средствами подачи воздуха. Как правило, такое средство выбрано из группы, состоящей из обычного осевого вентилятора 24, установленного в передней (по ходу газов) торцовой стенке смесителя 13 (фиг.8), стандартной газо-мазутной горелки 25 со встроенным не показанным особо вентилятором (фиг.9), улиточной горелки 26 со встроенным вентилятором 27 (фигуры 10 и 11) и не показанного особо вентилятора с набором тангенциальных сопел 28 (фиг.12).
Специалисту понятно, что описанные примеры конструкции устройства никоим образом не ограничивают объем прав, определяемый на основе первого пункта формулы полезной модели, и что в процессе реализации изобретательского замысла возможны его дополнения и/или уточнения с использованием обычных инженерных знаний.
Например, для облегчения технического обслуживания и ремонта можно использовать не показанный особо механизм отката смесителя 13 вместе с жаровой трубой 10 из-под корпусов 1 и 5 и камеры 7 пиролиза. Соответственно, смеситель 13 может быть оснащен не показанными особо средствами разъемного соединения с топкой водогрейного или парового котла или входом в систему газового отопления и термостойкими уплотнениями соответствующих проемов.
Далее, для ввода воздуха в кольцеобразный зазор между внешним 1 и внутренним 5 корпусами может быть предусмотрен коллектор с несколькими раздаточными патрубками, каждый из которых заканчивается отверстием 3 в боковой стенке 2 внешнего корпуса 1. Кроме того, вестовая труба 14 может иметь регулятор положения ее входа в промежутке между нижним торцом загрузочного патрубка 6 и верхней границей перфорированной части внутреннего корпуса 5.
Также понятно, что для эффективного управления процессом предложенное устройство обычно оснащено по меньшей мере одним манометром для измерения давления вблизи выхода из загрузочного патрубка 6, не менее чем тремя датчиками температуры, которые размещены
в верхней части внутреннего корпуса 5 под загрузочным патрубком 6, на входе в кольцеобразный зазор между внутренним корпусом 5 и камерой 7 пиролиза и внутри камеры 7 пиролиза, регуляторами расхода воздуха на входе во внешний корпус 1 и в смеситель 13 и регулируемым питателем для подачи сыпучего твердого топлива в загрузочный патрубок 6.
Описанное устройство работает следующим образом.
В начале запуска (см. фигуры 1 и 2) днище 4 внешнего корпуса 1, внутренний корпус 5, рассекатель 8 и кольцеобразные элементы 9 камеры 7 пиролиза прогревают до температуры, достаточной для сушки первых порций подаваемых на сжигание отходов. Для этого -
либо загружают через патрубок 6 и поджигают запальную порцию сухого топлива типа дров, угольных брикетов или пропитанных дизельным топливом или мазутом текстильных отходов в зазор между внутренним корпусом 5 и камерой 7 пиролиза,
либо включают пусковое запальное приспособление 17.
Одновременно включают подачу воздуха через по меньшей мере одно отверстие 3 в нижней части боковой стенки 2 внешнего корпуса 1.
Массу порции запального топлива (или его расход и время работы пускового запального приспособления 17) и начальный расход воздуха через отверстие 3 обычно подбирают экспериментально с учетом теплотворной способности запального топлива, общей теплоемкости подлежащих прогреву вышеуказанных деталей устройства, а также массы, состава, влажности и адсорбционной активности начальной порции утилизируемых как топливо сыпучих отходов.
После прогрева вышеуказанных деталей через центральный загрузочный патрубок 6 начинают подавать влажные сыпучие отходы, которые поступают в кольцеобразный зазор между внутренним корпусом 5 и камерой 7 пиролиза и относительно равномерно распределяются в нем рассекателем 8. В нижней части этого зазора отходы под действием продуктов сгорания запального топлива быстро подсыхают и нагреваются до температуры воспламенения. Далее включают подачу воздуха в смеситель 13 и выходят на стационарный режим, в котором в объеме между выходом из загрузочного патрубка 6 и плоским днищем 4 внешнего корпуса 1 формируются и поддерживаются три плавно переходящих один в другой слоя, а именно:
верхний слой (между выходом из загрузочного патрубка 6 и верхней границей перфорированной части внутреннего корпуса 5), где влажные отходы нагреваются частью газообразных продуктов сгорания и теряют избыточную влагу и откуда смесь водяного пара и отработавших продуктов сгорания удаляется в атмосферу через вестовую трубу 14;
средний слой (между верхней границей перфорированной части внутреннего корпуса 1 и рассекателем 8), где подсушенные отходы постепенно уплотняются, окончательно высыхают, начинают гореть в струях воздуха, поступающего через перфорационные отверстия во внутреннем корпусе 1, и распадаются на рыхлую полидисперсную смесь твердых горючих частиц и минеральных примесей; и
нижний слой (между рассекателем 8 и днищем 4 внешнего корпуса 1), куда через перфорационные отверстия во внутреннем корпусе 5 поступает основной поток воздуха, вдуваемого через отверстие 3 во внешнем корпусе 1, где грубодисперсные горючие частицы догорают с самопроизвольным пересыпанием золы, включающей минеральные примеси и не догоревшие
частицы отходов, в зону действия средства 16 принудительного удаления золы и откуда аэрозоль, состоящий из тонкодисперсных горючих твердых частиц и горючего газа, принудительно всасывается через зазоры между кольцеобразными элементами 9 внутрь камеры 7 пиролиза и далее через жаровую трубу 10 поступает в смеситель 13 для интенсивного перемешивания с воздухом и для последующего сжигания в подходящей топке.
Естественно, что расход воздуха, подаваемого через отверстие 3, устанавливают на уровне, достаточном лишь для частичного сжигания утилизируемых отходов в указанном нижнем слое между рассекателем 8 и днищем 4 внешнего корпуса 1 и для окислительного пиролиза (газификации) мелкодисперсных твердых частиц внутри камеры 7 пиролиза, тогда как расход воздуха, подаваемого в смеситель 13, должен быть не менее чем стехиометрически достаточным для сгорания продуктов пиролиза.
Воздух в смеситель 13 подают одним из указанных выше и показанных на фигурах 8-12 средств. При этом газо-мазутную горелку 25 со встроенным вентилятором (см. фиг.9) обычно используют в случаях, когда теплотворная способность продуктов пиролиза утилизируемых отходов недостаточна для работы используемых водогрейных или паровых котлов.
Золу по меньшей мере периодически принудительно удаляют с помощью одного из указанных выше и показанных на фигурах 3-7 средств 16.
Промышленная применимость
Предложенное устройство можно легко изготовить на существующих машиностроительных заводах из доступных на рынке жаропрочных и иных конструкционных материалов и комплектующих узлов. Оно легко сочетается с водогрейными или маломощными паровыми котлами и может быть использовано преимущественно в системах отопления и/или горячего водоснабжения отдельно стоящих жилых, общественных и производственных зданий.
Предложенное устройство особо эффективно при сжигании бытового мусора, который в последнее время стал одним из основных загрязнителей окружающей природной среды.