ГОРЕЛКА С ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТОПКОЙ (ГВТТ)
BURNER WITH HIGH-TEMPERATURE FURNACE (BHTF)

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может использоваться как в бытовых отопительных системах, так и на небольших производствах, использующих тепловую энергию, а также для утилизации измельченных горючих бытовых отходов.
Известен котел для сжигания топлива в псевдоожиженном слое (Патент RU 2168678), содержащий горизонтальную цилиндрическую камеру для проведения процесса сжигания топлива в псевдоожиженном слое с водоохлаждаемыми стенками, в нижней части которой размещена воздухораспределительная система.
Котел по указанному патенту обладает низкой теплопроизводительностью, так как зона горения окружена поверхностями теплообменника, которые препятствуют достижению высоких температур в зоне горения, из-за чего топливо при горении не спекается, и при подаче достаточного для полного сгорания топлива количества воздуха происходит повышенный унос мелких фракций топлива, особенно при сжигании топлива широкого фракционного состава, такого как: опилки, фрезерный торф, лузга подсолнуха, гречихи и т.п. Количество золы и недожженного топлива обратно пропорционально показателю качеству сгорания топлива, и чем ее больше, тем ниже этот показатель. У известного котла (Патент RU 2168678) существуют сложности, связанные с качественным сжиганием легкого и сыпучего топлива (по той причине, что при низких и средних температурах горения не происходит спекания топлива в конгломераты, и при интенсивном раздувании воздушным потоком происходит выброс золы и недогоревшего топлива из зоны горения), преодоление которых влечет за собой потребность в нагромождении разного рода уловителей мелкой летучей фракции золы и недогоревшего топлива, что в свою очередь усложняет конструкцию и ведет к ее удорожанию. Также эффект разлета золы влечет за собой ее осаждение на поверхностях теплообменника, что в свою очередь отрицательно влияет на КПД теплообменника и возникает нужда в частой очистке его поверхностей.
В ГВТТ этот негативный нюанс отсутствует, так как при высоких температурах сыпучее топливо во время горения спекается, и этот эффект предотвращает его разлет до полного сгорания. На теплообменнике же ГВТТ откладывается только незначительный слой пепла, который обычно образуется при розжиге горелки.
Известные высокотемпературные топки, которые применяются сегодня на ТЭС, имеют солидные габариты, высокие цены и жидкое золоудаление (Способ эксплуатации установки для сжигания для электростанции на каменном угле с топкой с жидким шлакоудалением и установка, работающая по этому способу (Патент RU 2152428), Циклонная топка с жидким шлакоудалением (Патент SU 112842)). Все это не дает возможности использовать современные методы сжигания топлива в высокотемпературных режимах для бытовых назначений.
Предлагаемая конструкция высокотемпературной топки для бытовых нужд использует не жидкое золоудаление, а аэродинамику вертикального завихрения изотермических процессов, что и придает этому методу надежность в работе, простоту и дешевизну в изготовлении подобных установок. Требования к качеству топлива, используемого в ГВТТ, минимальные. Топить можно дешевым и зачастую бесплатным топливом.
Для решения поставленной задачи предлагается ГВТТ, которая так же как и прототип включает корпус, механизм подачи топлива и входящих отверстий для подачи воздуха.
Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является устройство для сжигания биомассы (Патент RU 2015449), которое призвано решать задачи, в большинстве своем схожие с задачами, ставящимися перед заявленным изобретением, включающее: входной скат, выполненный в виде сплошной пластины, нижний край выходной пластины заведен под нижний край последней до пересечения с воображаемой линией продолжения пластины входного ската.
Устройству для сжигания биомассы (Патент RU 2015449) присущ ряд недостатков:
Огромной площади холодное ядро, которое не позволяет создать высокие температуры - это большой площади входной скат, выходная пластина, а также стенки камеры, выполненные из металла и обеспечивающие отвод тепла из зоны горения. А низкие температуры в топочной камере - это некачественное горение топлива. Соответственно возникают и проблемы связанные с этим нюансом:
1. Входной скат и выходная пластина - слабое место топки, его труднее раскалить, чем потолочную поверхность топки. А если входной скат и выходная пластина "холодные", то на них не происходит равномерный прогрев до высоких температур всего объема топлива, при котором происходит спекание и коксообразование. Таким образом, на этих поверхностях будет обычное «холодное» горение топлива, при котором образуется зола, которая спекается в коржи и "пригорает" к холодным поверхностям камеры сгорания, образуя спекшиеся наросты, которые, в свою очередь, уже нужно удалять механическим путем, особенно при использовании низкокачественного топлива.
2. Соприкасаясь с "холодными" поверхностями камеры сгорания, происходит так называемый механический недожог. Топливо, не успев выгореть, остывает и превращается в зольные отложения, которые образуются в значительных объемах, и все это сбрасывается в зольный отсек. В дорогостоящих устройствах эти отсеки представляют собой емкости больших объемов, либо предусматривается механизированное шнековое удаление золы и недожженной фракции топлива (в конструкции которого предусматривается наличие датчиков и логических схем, что влечет за собой значительное удорожание устройства).
3. Прототип изготовлен из стали, которая со временем разрушается, уменьшая срок его службы, ее разъедает древесная кислота, которая всегда выделяется при горении древесины, и не разлагается при низких температурах горения.
В ГВТТ все эти негативы отсутствуют, так как горение происходит при высоких температурах, при которых древесная кислота как соединение углеводородов разлагается с выделением дополнительного тепла при прогоне ее через раскаленные прослойки углерода (это явление описано на интернет-ресурсе "Печи Кузнецова").Также при высоких температурах происходит максимальное выгорание топлива и к раскаленным футерованным поверхностям ничего не прилипает.
В описании прототипа указано, что температура не поднимается выше 1000°С (при использовании сухого (влажность не выше 15%) топлива) и что такое горелочное устройство можно использовать для сжигания влажного топлива с содержанием влаги, достигающим 60%, однако это повышенное содержание влаги является балластом, снижающим КПД (забирая из зоны горения большое количество теплоты для своего прогрева).
В ГВТТ этот эффект отсутствует. В топке с высокотемпературной камерой сгорания горит топливо с влажностью до 60%, и не просто без ухудшения КПД, а и с увеличением этого показателя за счет запуска ряда эндотермических реакций высокой интенсивности с образованием горючих соединений, которые, окисляясь, выделяют дополнительное количество теплоты. Этот эффект начинается при температурах более 950°С. А в ГВТТ температура поднимается до уровня 1300°С, так как водяной газ при сгорании дает ее повышение (стр. 534 Менделеев Д.И. «Горючие материалы» (1893). - Соч., т. XI. М., Изд-во АН СССР, 1949).
Известным изобретениям, относящимся к энергетике (Патент RU 2015449, Патент RU 2168678 и другие), присущ узкий диапазон выдаваемых мощностей. Максимальные значения мощности превышают минимальные не более чем в три-четыре раза, и плохо справляются с задачей в короткий срок поднять температуру теплоносителя до нужного уровня (в условной системе отопления), потому как невозможно в "холодной" топочной камере быстро сжечь избыточный объем топлива. Нужен значительный временной задел для того, чтобы топливо разгорелось.
А в ГВТТ диапазон мощности намного больше (от 5 до 70 кВт), максимальные значения мощности превышают минимальные более чем в десять раз. Это дает возможность за более короткий промежуток времени поднять температуру теплоносителя до нужного уровня (в условной системе отопления). В раскаленном топочном пространстве переход мощности горения с 5 кВт до 70 кВт занимает не более секунды.
ГВТТ содержит корпус горелки 9 в виде прямоугольной четырехгранной призмы, внутренняя поверхность которой выложена слоем футеровки 16. В горелке 9 имеется пиролизный отсек 10, соединенный с трубой 7 шнека 6, которая снабжена воздушным патрубком 8 подвода воздуха в шнековую подачу топлива и шнеком 6 для подачи топлива, который связан с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора 5 подачи топлива. Также к топливоподающим элементам горелки относятся: загрузочный люк топливного бункера 1, топливный бункер 2 прямоугольной формы с нижней частью в виде обратной пирамиды, в которой расположена ворошилка топлива 3, связанная с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора 4 привода ворошилки 3. В корпусе горелки 9 также имеется зольное окно 12, смотровое окно 14, патрубок 15 подвода воздуха в камеру сгорания, имеющий тангенциальное расположение, что обеспечивает придание потоку воздуха вращательного движения, соединенный с устройством нагнетания (на схеме не указано), а также камера дожига 18, выполненная в форме прямоугольной четырехгранной призмы, в нижнюю часть которой входит сопло 17 горелки, а верхняя часть камеры дожига 18 выполнена в виде вертикально расположенных пластин с пространством между ними для выхода жара.
ГВТТ обеспечивает высокоэффективное высокотемпературное сжигание твердого сыпучего топлива, такого как опилки, отходы элеваторов, отходы деревообработки, пеллеты (в том числе низкокачественные) и тому подобное. Изобретение призвано решать задачи автономного отопления помещений и автономного обеспечения потребителей тепловой энергией. Также изобретение решает задачи утилизации измельченных горючих бытовых отходов.
В отличие от прототипа, в заявляемом техническом решении корпус выполнен в виде прямоугольной четырехгранной призмы, внутренняя поверхность которой выложена слоем футеровки. В корпусе горелки имеется пиролизный отсек, соединенный с трубой шнека (в которой имеется воздушный патрубок подвода воздуха в шнековую подачу топлива) и шнеком для подачи топлива, который связан с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора подачи топлива. Также к топливоподающим элементам горелки относятся загрузочный люк топливного бункера, сам топливный бункер в виде прямоугольной четырехгранной призмы с нижней частью в виде обратной пирамиды, в которой расположена ворошилка топлива, связанная с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора привода ворошилки. В корпусе горелки также имеется зольное окно, смотровое окно, патрубок подвода воздуха в камеру сгорания, соединенный с устройством нагнетания (на схеме не указано), а также камера дожига, выполненная в форме прямоугольного отсека, в нижнюю часть которого входит сопло горелки, а верхняя часть камеры дожига выполнена в виде вертикально расположенных пластин из жаростойкого материала с пространством между ними для выхода жара.
Отличительные признаки заявленной ГВТТ новы, достаточны и необходимы для выполнения поставленной задачи и имеют ряд положительных качеств, которые влияют на технический результат, а именно:
- внутренняя поверхность горелки выложена слоем футеровки, что препятствует утилизации тепла из зоны горения и создает в ней условия для достижения высокого уровня температур, приближая горение к адиабатическому;
- угол и интенсивность подвода воздуха в зону горения обеспечивают аэродинамику вертикального завихрения изотермических процессов;
- использование в конструкции горелки камеры дожига дает ГВТТ дополнительные преимущества, обеспечивая полное догорание горючих соединений;
- из-за непрерывных эндотермических процессов получаем значительную экономию топлива.
Все отличительные признаки находятся в причинно-следственной связи с полученным техническим результатом и позволяют на должном уровне решить поставленную задачу. Таким образом, признаки заявляемого технического решения являются существенными.
Сущность технического решения ГВТТ поясняется схемой.
ГВТТ работает следующим образом.
Вращением ворошилки 3 топлива, через электрорегулируемый привод мотор-редуктора 4 привода ворошилки 3, слежавшееся в бункере топливо разрыхленным подается на шнек  6 подачи топлива, который через электрорегулируемый привод мотор-редуктора 5 подачи топлива продвигает его в пиролизный отсек 10. Достигнув пиролизного отсека 10, при воздействии температур, из топлива начинает выделяться пиролизный газ, который продвигается к отсеку 11 образования кокса, толкаемый более высоким давлением, созданным подачей воздуха в патрубок 8 подвода воздуха в шнековую подачу топлива. Выделившийся пиролизный газ горит в отсеке 11 кругового вращения изотермических реакций 13, при участии воздуха, поданного через воздушный патрубок 15 подвода воздуха в камеру сгорания, тангенциальное расположение которого обеспечивает придание потоку вращательного движения, неоднократно проходя через раскаленный кокс в отсеке 11 образования кокса. После этого пламя через сопло 17 горелки попадает в раскаленную камеру дожига 18, в которой и происходит полное догорание всех способных гореть химических соединений, после чего раскаленные газы подаются на теплообменник (на схеме не указан).
Данное техническое решение новое и полезное, особенно когда остро стоит вопрос об альтернативных видах топлива.
Заявляемая ГВТТ конструктивно проста и технологически выполнима.