ТОПКА С НАКЛОННО-ПЕРЕТАЛКИВАЮЩЕЙ КОЛОСНИКОВОЙ РЕШЕТКОЙ ДЛЯ СЖИГАНИЯ БИОТОПЛИВ
FURNACE WITH INCLINED PUSHING GRILLE FOR BIOFUEL COMBUSTION

Изобретение относится к устройствам для сжигания биотоплив в виде пеллет, древесной щепы, отходов фанерного производства и др. с размером частиц не более 50×50×15 мм, относительной влажностью не более 40% 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 теплоты 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 2,5-3,0% [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, 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 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].
Известны топочные камеры BIOTEC-F Uniconfort (https://www.uniconfort.com/ru/assets/uploads/caldaie/Caldaia_Biotec_Uniconfort.pdf) с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками для сжигания биотоплив с умеренной влажностью (относительная влажность до 33,0-37,5%); в которых биотопливо подается на колосниковую решетку шнековым питателем, первичный воздух подается под решетку позонно (три зоны), а вторичный воздух вводится в топочный объем над первой и второй зонами колосниковой решетки со стороны боковых стен с помощью горизонтальных 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 задней стенке топочной камеры, и через выходное окно прямоугольного сечения, расположенное в своде арочного типа у задней стенки топки, направляются в камеру дожигания и охлаждения, в которой над выходным окном со стороны боковых стен с помощью горизонтальных сопл, расположенных встречно в одной вертикальной плоскости, вводится третичный воздух, обеспечивающий завершение процесса горения. При дальнейшем движении высокотемпературных продуктов сгорания к фронтовой стенке топочной камеры происходит их охлаждение перед поступлением в газоводяной теплообменник. [Котлы на биотопливе компании Uniconfort, MONN Эксперт в выборе оборудования, с. 6 и 19].
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 к фронтовой стенке топки. Раннее воспламенение топлива, сопровождающееся интенсивным выделением летучих веществ, и подача в данную область вторичного воздуха, вызывают значительный рост температур в данной области камеры сгорания, что приводит к оплавлению боковых стен и особенно арочного свода, выполненных из огнеупорного кирпича, а также прогоранию колосниковой решетки. Подача газов рециркуляции, забираемых из газохода после основного дымососа, под наклонно-переталкивающую колосниковую решетку позволяет несколько уменьшить интенсивность данных негативных факторов, однако устранить их не может. Анализ опыта эксплуатации котлов, имеющих подобную конструкцию, показал, что для восстановления последствий частичного выгорания обмуровки боковых стен и обрушения верхнего свода, а также замены выгоревших колосников продолжительность ремонтных работ составляет более месяца. При этом данные явления наблюдаются ежегодно, что приводит к снижению эффективности и надежности работы топок и котлов в целом.
Данное топочное устройство принято нами за прототип.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание высокоэффективного низкоэмиссионного топочного устройства для сжигания биотоплив в виде пеллет, древесной щепы, отходов фанерного производства и др. с размером частиц не более 50×50×15 мм, с относительной влажностью не более 40%.
Это достигается тем, что у топки с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой, содержащей разделенные арочным сводом камеру сгорания, снабженную устройствами подачи топлива, позонного ввода первичного воздуха и газов рециркуляции под колосниковую решетку, вторичного воздуха в надслоевой объем камеры сгорания и третичного воздуха в камеру дожигания и охлаждения через сопла, расположенные на боковых стенах, и камеру дожигания и охлаждения, соединенную с камерой сгорания выходным окном, расположенным у задней стены топочной камеры, сопла подачи газов рециркуляции расположены на противоположных стенках над первой зоной колосниковой решетки со смещением на полшага относительно сопл противоположной стенки, сопла вторичного воздуха, расположены на противоположных стенках в одной наклонной плоскости над второй зоной колосниковой решетки со смещением на полшага относительно сопл противоположной стены, сопла ввода третичного воздуха в камеру дожигания и охлаждения расположены на противоположных стенах в одной горизонтальной плоскости со смещением на полшага относительно сопл противоположной стены, первичный воздух вводится под вторую и третью зоны наклонно-переталкивающей колосниковой решетки, а газы рециркуляции под первую и вторую зоны колосниковой решетки, задняя стенка топочной камеры и ее фронтовая стенка в зоне камеры дожигания и охлаждения и поворотной камеры, а также стены поворотной камеры закрыты газоплотными водоохлаждаемыми экранными поверхностями нагрева, выполненными из стальных труб, между которыми приварены проставки из стальной полосы.
На фиг. 1 изображена предлагаемая топка, продольный разрез; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А фиг. 1, на фиг. 3 - местный разрез Б-Б фиг. 1, на фиг. 4 - местный разрез В-В (колосниковая решетка условно не показана) 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, у задней стены 4 топочной камеры в своде выполнено выходное окно 5, над которым горизонтально встречно-смещенно установлены сопла 6 для ввода третичного воздуха. На фронтовой стене 7 топки установлен питатель топлива 8, а на боковых стенах над первой зоной наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 9 установлены встречно-смещенно сопла ввода газов рециркуляции 10, а над второй зоной колосниковой решетки 9 расположены встречно-смещенно в наклонной плоскости сопла подачи вторичного воздуха 11. Подача вторичного воздуха к соплам осуществляется с помощью воздуховодов 12, проложенных в боковых стенах камеры сгорания 1. Мелкодисперсная зола, просыпающаяся через зазоры колосников, с помощью толкающей штанги 13 перемещается к поперечному транспортеру 14, а крупнодисперсная зола и шлак поступает на него непосредственно с наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 9. Первичный воздух подается под вторую и третью зоны наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 9, а газы рециркуляции, забираемые после основного дымососа, направляются под первую и вторую зоны колосниковой решетки. Для снижения температурного уровня в камерах сгорания 1, дожигания и охлаждения 2 до безопасных значений, обеспечивающих длительный жизненный цикл обмуровки стен, верхнего арочного свода и колосниковой решетки при оптимальных с позиции экологии долях газов рециркуляции, задняя стенка 4 топочной камеры и ее фронтовая стенка 7 в зоне камеры дожигания и охлаждения 2 и поворотной камеры 15, а также стены поворотной камеры 15 закрыты газоплотными водоохлаждаемыми экранными поверхностями нагрева, выполненными из стальных труб 16, между которыми приварены проставки 17 из стальной полосы. Данные поверхности нагрева включены в циркуляционный контур котлоагрегата.
Работа топки с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой для сжигания биотоплив осуществляется следующим образом.
Биотопливо из бункера питателем 8 подается на наклонно-переталкивающую колосниковую решетку 9, на участке первой зоны которой, происходит термическая подготовка и воспламенение биотоплива, во второй и третьей зонах происходит, соответственно, активное горение и догорание горючих компонент топлива, первичный воздух подается под вторую и третью зоны колосниковой решетки, в количестве меньшем, чем теоретически необходимо для сгорания топлива. Соотношение между первичным и вторичным воздухом определяется теплофизическими характеристиками сжигаемого топлива, с ростом влажности топлива доля первичного воздуха увеличивается. Ввод газов рециркуляции под и над первой зоной наклонно-переталкивающей колосниковой решетки, температура которых в несколько раз больше температуры подаваемого воздуха, интенсифицирует термическую подготовку биотоплива к воспламенению, снижает эмиссию оксидов азота и расширяет возможности топки по влажности сжигаемого топлива, чему также дополнительно способствует подача газов рециркуляции и под вторую зону колосниковой решетки. Продукты неполного горения, выходящие из слоя топлива, попадают в вихревые потоки, образующиеся при взаимодействии встречно-смещенных струй газов рециркуляции в объеме камеры сгорания 1 над первой зоной колосниковой решетки и вихревые потоки, образующиеся при взаимодействии встречно-смещенных струй вторичного воздуха, выходящих из сопл 11 над второй зоной решетки. Вихревые потоки горячих топочных газов оказывают воздействие и на слой топлива, расположенный на колосниковой решетке 9, повышая равномерность распределения топлива по ее ширине и увеличивая ее жизненный цикл. Пройдя выходное окно 5, расположенное в арочном своде 3 у задней стенки 4 топочной камеры, высокотемпературные продукты сгорания попадают в вихревые потоки, образующиеся при взаимодействии встречно-смещенных струй третичного воздуха, выходящих из сопл 6. При этом обеспечивается окисление оставшихся продуктов неполного сгорания. Наличие газоплотных водоохлаждаемых экранных поверхностей нагрева на задней стенке 4 топочной камеры, ее фронтовой стенке 7 в зоне камеры дожигания и охлаждения 2 и поворотной камеры 15, а также на стенках поворотной камеры 15 позволяет значительно уменьшить уровень максимальных температур и обеспечить длительный жизненный цикл обмуровки стен топочной камеры, верхнего арочного свода и колосниковой решетки при оптимальных с позиции экологии долях газов рециркуляции. Наличие системы вихревых потоков в надслоевой области камеры сгорания 1 и над выходным окном 5 уменьшает вынос твердой фазы из камеры сгорания 1 в камеру дожигания и охлаждения 2, увеличивая компанию котла по условиям чистки. Дополнительная турбулизация газового потока на входе в камеру дожигания и охлаждения 2 интенсифицирует теплообмен в камере и улучшает условия работы газоводяного теплообменника. Мелкодисперсная зола, просыпающаяся через зазоры колосников, с помощью толкающей штанги 13 перемещается к поперечному транспортеру 14, а крупнодисперсная зола и шлак поступает на него непосредственно с наклонно-переталкивающей колосниковой решетки 9. Снижение уровня максимальных температур в топочной камере и их выравнивание по ее объему исключает спекание очаговых остатков и обеспечивает надежную работу системы золошлакоудаления.
т
Опыт исследовательских работ на котлоагрегатах, сжигающих различные виды биотоплив и имеющих различное конструктивное исполнение, позволяет прогнозировать высокоэффективное низкоэмиссионное сжигание биотоплив в виде пеллет, древесной щепы, отходов фанерного производства и др. с размером частиц не более 50×50×15 мм, с относительной влажностью до 40% в предлагаемом топочном устройстве. Кроме этого, применение данного топочного устройства создает предпосылки для повышения КПД брутто котла не менее чем на 1,5% за счет уменьшения потерь тепла с уходящими газами и с химической неполнотой сгорания топлива, обеспечит возможность работы при сверхмалых избытках воздуха на выходе из топки (α=1,15-1,25), снизит эмиссии оксидов азота на 20-35% и оксида углерода на 30-50%, а также продлит жизненный цикл наклонно-переталкивающей колосниковой решетки, обмуровки стен топочной камеры и ее арочного свода.