Твердотопливная горелка
SOLID FUEL BURNER

Техническая область
Настоящее изобретение относится к работающей на новом принципе горелке для сжигания твердого топлива, в частности, но не исключительно, древесной щепы и пеллетов, которые могут иметь также температуру плавления золы ниже, чем это предусмотрено классом А2 по EN 14961-2. Это, например, гранулы из сельскохозяйственных отходов, торф и другие, которые имеют температуру плавления золы ниже 1100°С.
Современное состояние
Из настоящего уровня техники известна пеллетная горелка, которая предназначена для сжигания твердого топлива, в частности пеллетов (WO 02/079693 А1). Горелка состоит из взаимно параллельных на одинаковых расстояниях полых колосниковых стержней, через которые проходит первичный воздух. Полые колосниковые стержни расположены над зольным пространством и образуют колосниковую решетку, а первичный воздух после похождения через полые колосниковые стержни направляется сквозь расположенную в передней части горелки перфорированную пластину в камере сгорания.
Сжигание топлива с низкой температурой плавления золы в этой и других подобных горелках приводит к плавлению золы и образованию шлака, который попадает в щели между колосниками и/или в отверстия пластин (например, IWABO вилла - C1; ECOVARM - е) и прекращает доступ воздуха для сжигания. Очистка таких горелок может производиться только сжатым воздухом из компрессора. Это приводит к двум проблемам: циклическая работа горелки и шум, подобный выстрелу, при каждой очистке горелки, а также известны случаи, когда плиты с отверстиями перегреваются и деформируются от высокой температуры.
Одну из попыток решить эту проблему с топливом с низкой температурой плавления золы можно найти как в горелках со скользящей решеткой (например, IWABO VILLA-S2; ECOVARM-E+), так и в горелках с наклонной решеткой (например, у котла HERZ Pelletstar). Недостатком данных горелок является циклическая работа горелки - после сжигания определенного количества гранул, горелка заполняется золой и/или шлаком. После этого горелка входит в режим «затухание», процесс горения останавливается, и горелка очищается. Чем хуже гранулы, тем короче фаза горения. Для некоторых гранул, например, торфяных гранул время для розжига, выгорания и очистки больше, чем время, в течение которого топливо горит. Это приводит к снижению мощности (например, если горелка за один час только 20 минут находится в фазе горения, а остальные 40 минут - в фазе розжига, фазе выгорания и фазе очистки).
Известны горелки на твердом топливе, в частности на щепе и пеллетах, которые имеют подвижные колосники (например, HERZ Firematik. Strebel Taurus). При движении каждый второй колосник выталкивает топливо и/или уголь вперед. Верхний колосник должен очищать нижний колосник. В шлакообразующих топливах часто происходт слипание шлака, золы и пестревшего топлива в массу, покрывающую горелку, что препятствует подаче воздуха. Известны случаи, когда шлак прилипает к нижнему колоснику, а верхний колосник скользит по прилипшему шлаку. Таким образом, между обеими решетками проходит большое количество воздуха, и они прогорают.
Кроме этого, расплавленная зола (шлак) «заворачивает» часть топлива. Шлак препятствует подаче воздуха к топливу на колосниковой решетке, и это топливо не сжигается. Таким образом, мы имеем более высокий процент несгоревшего топлива в ящике для золы.
Еще одна попытка решить проблему зашлакованности горелки - это котел Vemer А251. Его горелка имеет подвижную решетку, которая проходит сквозь колосниковую решетку, перемещается линейно вперед и вверх, а затем возвращаются обратно. Эта решетка должна удалить шлак с колосниковой плиты горелки. На самом деле шлак удаляется только со щелей колосниковой решетки, но остается на других частях колосниковой решетки. Часто шлак приклеивается на подвижную решетку и движется с ней вперед и назад до тех пор, пока подача воздуха не будет затруднена. Кроме того, известны случаи, когда из-за слишком длинного хода подвижной решетки шлак, расплавленная зола и приклеенное к ним топливо выбрасываются из колосниковой решетки, тем самым прерывая горение.
Несколько лучшие результаты при сжигании шлакообразующего топлива показывает горелка, описываемая в патенте KR 100541280, у которой есть устройство для очистки колосника в виде очищающего гребня, который выполняет кругообразные движения между колосниковыми прутками. Данная конструкция имеет следующие недостатки:
a. Гребень чистки не может очистить прутки колосниковой решетки, которые остаются между лезвиями гребня чистки.
b. Все движущиеся части расположены в камере сгорания при весьма высокой температуры (более 1000°С) и поэтому имеют короткий срок службы.
c. Все движущиеся части находятся в одном пространстве с топливом и золой. Таким образом, зола падает не только под колосниковые прутки, но и на движущиеся части, такие как цепные колеса, цепь, валы и приводы, и вызывает интенсивный износ.
Из патента KR 100901365 известна открываемая сжатым воздухом заслонка бункера для топлива, которая служит защитой от выгорания. Применение сжатого воздуха в бункере для топлива нежелательно для легких видов топлива (щепа, пеллеты), так как, во-первых, это может вызвать обратный выброс топлива, а во-вторых, приводит к неконтролируемому попаданию дополнительного количества воздуха в камеру сгорания.
Из патента JP 2000266333 известна печь для обжига, в которой зола выдувается через отверстие в нижней части печи, которая открывается с помощью заслонки, падающей вниз. Такая конструкция не позволяет устанавливать горелку в котле с низко расположенной дверцей горелки, так как под горелкой не остается свободного места.
Горелка с двумя поршнями известна из патента US 1441293. Нижний поршень соединен с элементом скользящей решетки, причем первичный воздух поступает в скользящую решетку через отверстия в нижнем поршне. Верхний поршень используется для заправки топливом и не имеет отверстия для воздуха. Таким образом, он подвергнут высоким термическим нагрузкам.
Эти проблемы решаются с помощью изобретения, указанного в пункте 1 формулы изобретения.
Преимущества, достигаемые изобретением, заключаются, в частности, в том, что угли и расплавленная зола, расположенные на колосниковой решетке, перемешиваются гребнем очистки. Таким образом, достигается два эффекта: более полное сгорание топлива и дробление шлака до его затвердевания. При движении гребня чистки над решеткой в направлении открытия горелки зола и шлак удаляются из горелки. Согласно изобретению, достигается то, что, если шлак прилипает к верхней части решеток, он удаляется с решеток гребнем очистки при вращении колосников. Гребень очистки всегда перемещается над решеткой в одном направлении к выходу из горелки, а под решеткой возвращается обратно назад.
Топливо подается на колосниковую решетку с помощью поршня. Когда поршень находится в состоянии покоя, он закрывает отверстие воронки и таким образом обеспечивает противопожарную защиту.
Поршень имеет по крайней мере одно отверстие для вторичного воздуха на торце. Воздух, проходящий через поршень, охлаждает его и канал поршня, что исключает прилипание частиц топлива.
Топливо скользит через воронку под воздействием силы тяжести, поскольку наклонная стенка имеет угол наклона, который больше угла естественного разрушения. Воронка с топливом внизу имеет большее отверстие, чем сверху. Это предотвращает блокировку воронки.
У воронки есть противопожарный клапан, чья ось установлена таким образом, что противопожарный клапан опирается на наклонную стенку. Таким образом, противопожарный клапан закрывает воронку и открывается только при появлении давления от топлива сверху.
Все движущиеся части горелки расположены в зонах, через которые проходит воздух для горения, и таким образом они охлаждаются.
Вариант осуществления изобретения объяснен более подробно со ссылками на фигуры.
На фиг. 1 показана горелка согласно изобретению в боковом разрезе с эксцентриковым валом и поворотной осью.
Фиг. 2. Вид горелки со стороны ее выхода, в частичном разрезе.
Фиг. 3. Горелка в боковом разрезе с эксцентриковым валом и поворотной осью, гребнем очистки и поршнем в состоянии покоя.
Фиг. 4. Горелка в боковом разрезе с двумя эксцентриковыми валами.
Фиг. 5. Часть горелки в боковом разрезе, где показано движение гребня очистки.
Фиг. 6. Боковой разрез воронки с противопожарным клапаном.
Фиг. 7. Гребень очистки и колосниковые стержни с чистящим гребнем внизу (в состоянии, покоя).
Фиг. 8 Гребень очистки и колосниковые стержни с положением чистящего гребня вверху.
Фиг. 9. Разрушение и перемешивание слоя шлака и углей.
Фиг. 10. Удаление шлака с вращающихся колосниковых стержней через гребень очистки.
Изобретение относится к горелке для сжигания твердых топлив, в частности, пеллет и древесной щепы, которые могут также иметь температуру плавления золы ниже стандартной.
Горелка имеет, по меньшей мере, два колосниковых стержня 25, которые установлены параллельно друг другу на расстоянии и в которые поступает первичный воздух 26. Колосниковые стержни 25 расположены между внутренними стенками 1 горелки и установлены в отверстиях фланца горелки 7 на стержненесущей балке 24. Внутренние стенки 1 имеют по меньшей мере одно отверстие 2 для вторичного воздуха 5. Внутренние стенки 1 вместе с наружными стенками 3 образуют канал для вторичного воздуха 5.
Колосниковые стержни 25 могут вращаться при взаимодействии частиц шлака, прилипшим к ним, и движущегося гребня очистки 22, или колосниковые стержни 25 могут вращаться с помощью привода.
Все движущиеся части расположены либо под колосниковыми стержнями 25, либо в канале между внутренней стенкой 1 и наружной стенкой 3 и, таким образом, охлаждаются первичным воздухом 26, протекающим через решетку или вторичным воздухом, протекающим через канал 12.
Гребень очистки 22 находится в состоянии покоя под колосниковыми стержнями 25 и охлаждается первичным воздухом 26, протекающим через него. Гребень очистки 22 выполняет следующие движения: вверх через колосниковые стержни 25, разбивает слой 29 шлака и углей на колосниковых стержнях 22 и перемешивает слой 29 шлака и углей на колосниковых решетках 22. После этого гребень очистки 22 перемещается в сторону выхода горелки, и удаляет шлак 28 из горелки, и затем двигается вниз под решетку и далее в направлении фланца горелки 7. Это движение гребня очистки 22 также может быть круговым.
Горелка закрывается сверху крышкой 4, которая расположена на внутренних стенках 1.
Фланец 7 служить для монтажа горелки на котле или на другом устройстве. На фланце 7 могут быть смонтированы большинство деталей горелки, например детектор пламени 6, блок зажигания 17.
Топливо, которое подается в воронку 8, под действием силы тяжести попадает в отверстие для вторичного воздуха в поршень 15 в канале 12 для поршня 11, который выталкивает его на колосниковые стержни 25.
Зона с частями горелки с противоположной стороны фланца 7 закрыта корпусом 10. Корпус 10 плотно смонтирован к фланцу 7, а воронка 8 и вентилятор 13 также плотно смонтированы к корпусу 10.
Защита от выгорания осуществляется закрытием отверстия для топлива в канале 12 поршня 11 в состоянии покоя, а также противопожарным клапаном 9 и вентиляторной заслонкой 14.
Во время фазы очистки шибер 20 открывает отверстие в днище 30 горелки, и зола, попавшая между колосниковыми стержнями 25 на днище 30, при помощи вентилятора 13 выдувается из горелки.
Фиг. 1 и 2 показывают горелку сбоку и со стороны выхода горелки. Гребень очистки 22 приводится в движении от эксцентрикового вала 16 и маятниковой планки 18. Эксцентрики гребня очистки 22 и маятниковой планки 18 смещены относительно оси эксцентрикового вала 16. Таким образом, достигается тот эффект, что когда правая часть (на рисунке) гребня очистки 22 находится наверху, маятниковая планка 18 поворачивается направо, и поворотная ось 19 поднимает левую (на рисунке) часть гребня очистки 22 вверх.
Фиг. 3 показывает горелку сбоку с эксцентриковым валом 16 и маятниковой планкой18, с гребнем очистки 22 и поршнем 10 в состоянии покоя. Для гребня очистки 22 состояние покоя находится под колосниковыми стержнями 25, где он охлаждается первичным воздухом. Для поршня 10 состояние покоя является конечной точкой в направлении открытия горелки (как указано на рисунке).
Фиг. 4 показывает горелка сбоку с двумя эксцентриковыми валами 16 и 27, которые приводят в движение гребень очистки 22.
Фиг. 5 показывает части горелки (гребень очистки 22 и колосниковые стержни 25) и возможные движения гребня очистки 22.
Фиг. 6 показывает вид сбоку воронки 8 и противопожарного клапана 9 в закрытом положении (рис. 6а), открытом положении (рис. 6в), и вектор силы тяжести в открытом положении (6с).
Фиг. 7 и 8 показывают части горелки (гребень очистки 22 и колосниковые стержни 25) сбоку и позиции, когда гребень очистки 22 ниже (рис. 7) или выше (рис. 8) колосниковых стержней 25.
Фиг. 9 показывает дробление и перемешивание слоя 29 шлака и тлеющего угля, расположенного на колосниковых стержнях 25, гребнем очистки 22 во время его движения вверх. 9а показывает гребень очистки 22 в состоянии покоя под колосниковыми стержнями 25, прежде чем он начинает двигаться вверх. 9b показывает гребень очистки 22 над колосниковыми стержнями 25 после того, как он перемешал слой 29 шлака и углей.
Фиг. 10 показывает удаление прилипшего шлака 28 к колосниковым стержням 25 при помощи гребня очистки 22. На фиг. 10а показан шлак, прилипший к верхней части колосникового стержня 25, на фиг. 10b показан колосниковый стержень 25 уже повернутым, на фиг. 10с показан шлак 28, уже удаленный с колосникового стержня 25, и положение гребня очистки 22 в положении над колосниковыми стержнями 25.
Позиции:
1 внутренняя стенка
2 отверстия для вторичного воздуха
3 наружная стенка
4 крышка горелки
5 вторичный воздух
6 детектор пламени (например, фотосенсор)
7 фланец горелки
8 воронка
9 клапан воронки
10 корпус горелки
11 поршень
12 канал поршня
13 вентилятор
14 вентиляторная заслонка
15 отверстие для вторичного воздуха в поршень
16 эксцентриковый вал
17 блок зажигания
18 маятниковая планка
19 поворотная ось
20 шибер
21 осевой канал
22 гребень очистки
23 стержненесущая балка
24 передняя стенка горелки
25 колосниковые стержни
26 первичный воздух
27 эксцентриковый вал
28 шлак
29 слой шлака и углей
30 днище горелки