Пиролизный котел

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности - к отопительным устройствам, в которых твердое топливо растительного происхождения (дрова, отходы деревообработки, щепа, солома) подвергается высокотемпературной газификации (пиролизу) с последующим сжиганием пиролизных газов.
Из существующего уровня техники известен пиролизный (газифицирующий) котел, содержащий объединенные общим вертикально ориентированным корпусом бункер для твердого топлива, камеру газификации и камеру сгорания пиролизного газа, при этом корпус имеет двойные стенки, в промежутке между которыми циркулирует жидкий теплоноситель (вода). По такой схеме выполнено абсолютное большинство серийно выпускаемых пиролизных котлов, например, изделия фирм Astra, Atmos, Attack, Buderus, Dakon, Cichewic, Heiztechnik, Kostrzewa, Orlan, Opop, Viessmann.
Достоинством такого технического решения, обусловившим его широкое распространение, является эффективная передача тепла горения жидкому теплоносителю. В то же время конструкция, где вода, температура которой не может быть выше 100 град. С, непосредственно контактирует с внешними стенками топливного бункера и камеры газификации, обладает несколькими неотъемлемыми недостатками, первопричину которых можно сформулировать так: "охлаждается то, что должно быть очень горячим". Для обеспечения эффективной и устойчивой газификации древесины необходимо поддерживать температуру 100-200 град. С в верхней части бункера (зона сушки), 300-550 град. С в нижней части бункера (зона сухой перегонки) и 750-900 град. С в активной зоне камеры газификации, но окружающая бункер и камеру газификации "водяная рубашка" препятствует обеспечению такого теплового режима.
Практическим следствием этого являются низкая эффективность и нестабильность процесса газификации твердого топлива, необходимость использовать в качестве топлива древесину многолетней сушки с влажностью не более 20% (о чем прямо предупреждают пользователя добросовестные производители), отложения смолы и золы на стенках топливного бункера и камеры газификации, что удорожает и усложняет эксплуатацию отопительного устройства.
Кроме того, непосредственный контакт жидкого теплоносителя (воды) со стенками камеры газификации, внутри которой находятся десятки или даже сотни кг раскаленных углей, может привести к быстрому вскипанию воды и взрыву котла в случае аварийного отказа системы принудительной циркуляции. Предотвращение этой опасности требует включения в состав отопительного устройства дополнительных систем, усложняющих и удорожающих его.
Известно несколько технических решений, направленных на обеспечение высокой температуры в камере газификации пиролизного котла.
Так, известен пиролизный отопительный котел, содержащий бункер для твердого топлива и камеру газификации, размещенные в общем вертикально ориентированном корпусе с "водяной рубашкой", в котором камера сгорания пиролизного газа выполнена в виде скрученной в спираль трубы и размещена внутри камеры газификации (см. ЕР 2821698 А1). Недостатком данного технического решения, наряду с вышеупомянутыми недостатками непосредственного контакта жидкого теплоносителя со стенками бункера и камеры газификации, являются: сложность и дороговизна изготовления спиральной камеры (поверхность двойной кривизны) из жаропрочной стали, отсутствие предварительного подогрева вторичного воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания, а также высокая трудоемкость очистки внутренних поверхностей бункера и камеры газификации
Известно пиролизное нагревательное устройство, содержащее бункер для твердого топлива, камеру газификации, камеру сгорания пиролизного газа, объединенные общим вертикально ориентированным корпусом, внутри которого спиральный водотрубный теплообменник окружает только камеру сгорания пиролизного газа, а боковая поверхность и дно камеры газификации имеют мощную теплоизоляцию (см. ЕР 2615369 А1). Недостатками данного технического решения являются: использование неэффективной с точки зрения передачи тепла схемы теплообменника (жидкость в спиральной трубе, окруженной медленным потоком горячих продуктов сгорания), высокая трудоемкость обслуживания (чистки от нагара) такого теплообменника, крайне затрудненная передача тепла от зоны горения пиролизного газа к закрытому толстым слоем теплоизоляции дну камеры газификации.
Известно газогенераторное отопительное устройство, в котором топливный бункер и камера газификации объединены в едином вертикально ориентированном корпусе, а камера сгорания пиролизного газа выполнена в виде кольца, концентрически окружающего камеру газификации в ее верхней части (см. DE 3411822 А1). Недостатком данного технического решения являются: выбор неоптимальной для газификации древесного топлива прямой (восходящей) схемы газификации, отсутствие подогрева вторичного воздуха, крайне неравномерный состав газовой смеси в камере сгорания, обусловленный подачей вторичного воздуха в одной точке кольцевой камеры, затрудненная наличием широкого воздушного промежутка передача тепла из зоны горения в "водяную рубашку".
По аналогичной с DE 3411822 А1 схеме выполнено газогенераторное отопительное устройство (см. RU 2578550 С1), в котором указанные выше недостатки усугублены наличием сложной в эксплуатации и дорогой в изготовлении шарообразной, подвижной и вращающейся колосниковой решетки. Кроме того, в устройствах по ЕР 2615369 А1, DE 3411822 Al, RU 2578550 С1 используются цилиндрический бункер и цилиндрическая камера газификации, что накладывает дополнительные ограничения на форму и размеры используемого древесного топлива
Известно газогенераторное отопительное устройство, содержащее объединенные в едином вертикально ориентированном корпусе прямоугольного сечения топливный бункер, камеру газификации и камеру сгорания пиролизного газа, в котором поток раскаленных продуктов сгорания, выходящих из камеры сгорания, омывает и нагревает не имеющие теплоизоляции боковые металлические стенки бункера и камеры газификации (см. CZ 2008191 A3). В данном патенте нигде (ни в формуле изобретения, ни в текстовом описании, ни на графической иллюстрации) не указан способ передачи тепла горения теплоносителю, не указано место возможного нахождения (циркуляции, продувки) теплоносителя. Таким образом, реализация описанного технического решения невозможна без дополнительной изобретательской деятельности, что ставит под сомнение правомерность выдачи патента.
Кроме того, испытания теплогенераторов подобного типа показали, что в них возникает положительная обратная связь следующего типа: случайное повышение генерации пиролизного газа приводит к повышению температуры в камере сгорания, продукты сгорания еще сильнее нагревают стенки камеры газификации, генерация пиролизного газа еще более усиливается и.т.д. Даже если использование дорогостоящих жаропрочных сталей позволяет предотвратить разрушение конструкции, такой режим работы - форсированый и неуправляемый - не соответствует требованиям потребителей отопительных устройств.
Известно пиролизное отопительное устройство, состоящее из двух соединенных газоходом модулей: теплогенератора и жаротрубного теплообменника, при этом теплогенератор содержит размещенные в едином вертикально ориентированном корпусе прямоугольного сечения бункер для твердого топлива, камеру газификации с жаростойким теплоизоляционным покрытие внутренней поверхности боковых стенок и ниже нее камеру сгорания, разделенную на два симметричных, параллельных, горизонтально-ориентированных отсека, в которые подается воздух в количестве, в 2-3 раза превышающем необходимое для полного сгорания пиролизного газа (см. RU 164691 U1).
Испытания такой конструкции показали, что принятая схема передачи тепла горения пиролизного газа в камеру газификации (только со стороны дна камеры газификации) не обеспечивает по всей высоте камеры газификации температурный режим, необходимый для газификации особо трудных типов топлива (например, сырой щепы 50% влажности). Кроме того, предложенная схема передачи тепла жидкому теплоносителю (массо-перенос раскаленных продуктов сгорания смешанных с избыточным воздухом) вынуждает использовать жаротрубный теплообменник большого веса и габаритов.
Техническим результатом, для достижения которого предлагается заявляемая полезная модель, являются: устойчивая и управляемая газификация древесного топлива естественной (т.е. высокой) влажности, полное и чистое (с минимальными выбросами угарного газа и сажи) сжигание пиролизного газа в сочетании с высоким к.п.д. передачи тепла горения жидкому теплоносителю при минимальных габаритах и весе конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в пиролизном котле,
содержащем размещенные в едином вертикально ориентированном корпусе прямоугольного сечения бункер для твердого топлива и ниже него камеру газификации, имеющую внутреннее жаростойкое теплоизоляционное покрытие и окно для выхода пиролизных газов с колосниковой решеткой; камеру сгорания пиролизного газа, выполненную в виде двух симметричных, параллельных, горизонтально-ориентированных отсеков; воздуховоды подачи первичного и вторичного воздуха, а также установленный вне корпуса нагнетающий воздух вентилятор; полость для воды с двойными стенками, окружающую камеру сгорания пиролизного газа таким образом, что внешняя стенка камеры сгорания является одновременно внутренней стенкой полости для воды,
камера газификации размещена без зазора между двумя отсеками камеры сгорания пиролизного газа, и при этом на обращенных к камере газификации боковых поверхностях отсеков камеры сгорания выполнены горизонтальные прорези, обеспечивающие проход потока пиролизного газа из выходного окна камеры газификации в камеру сгорания с разворотом потока на 90 град. влево и вправо.
Воздуховоды подачи первичного и вторичного воздуха могут быть выполнены в виде плоских коробов и установлены на обращенных к камере газификации боковых поверхностях отсеков камеры сгорания, при этом упомянутые короба покрывают только часть площади боковой поверхности отсеков камеры сгорания
Воздуховоды подачи первичного и вторичного воздуха могут быть выполнены и в виде плоской решетки из труб круглого или прямоугольного сечения, установлены на обращенных к камере газификации боковых поверхностях отсеков камеры сгорания, при этом упомянутые трубы покрывают только часть площади боковой поверхности отсеков камеры сгорания
Сопловые отверстия подачи вторичного воздуха могут быть размещены в воздуховоде таким образом, что выходящий из них поток вторичного воздуха движется со скоростью порядка 10-20 м/сек параллельно, в одном направлении и в непосредственной близости от потока пиролизного газа, входящего через упомянутые выше горизонтальные прорези в отсеки камеры сгорания
Упомянутые выше горизонтальные прорези входа пиролизного газа могут иметь длину в 2-3 раза меньшую, чем длина отсека камеры сгорания и располагаться у переднего торца отсеков камеры сгорания
В каждом отсеке камеры сгорания напротив горизонтальной прорези входа пиролизного газа может быть установлена фигурная вставка из жаропрочного теплоизоляционного материала, закрывающая по меньшей мере две поверхности отсека камеры сгорания - дно и боковую стенку, находящуюся напротив упомянутой горизонтальной прорези
В каждом отсеке камеры сгорания может быть установлена продольная горизонтальная перегородка, длина которой меньше длины отсека, при этом перегородка без зазора соприкасается с передним торцом отсека камеры сгорания
Упомянутая выше продольная горизонтальная перегородка может быть выполнена в виде плоского короба, внутри которого движется поток воздуха, а на внешней поверхности короба размещены сопловые отверстия подачи вторичного воздуха в камеру сгорания
Внутри упомянутой выше полости для воды могут быть размещены по меньшей мере две жаровые трубы, вход в которые соединен газоходом с выходом отсеков камеры сгорания, а выход соединен газоходом с открытой в атмосферу дымовой трубой
Указанные конструктивные решения обеспечивают достижение заявленного технического результата и в своей совокупности не встречаются ни в одном из известных пиролизных котлов, таким образом заявляемая полезная модель соответствует критерию новизны.
Заявляемое устройство может быть изготовлено на стандартном оборудовании с использованием известных и традиционных для производства отопительных котлов технологических процессов и материалов. Таким образом, заявляемая полезная модель соответствует критерию промышленной применимости.
Устройство заявляемого пиролизного котла поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен поперечный разрез устройства, на фиг. 2 изображен продольный разрез устройства в варианте исполнения с жаровыми трубами и сопловыми отверстиями подачи дополнительного вторичного воздуха.
Пиролизный котел содержит бункер для твердого топлива 1, камеру газификации 2 с жаростойким теплоизоляционным покрытием 3 и окном выхода пиролизного газа с колосниковой решеткой 4, два отсека камеры сгорания пиролизного газа 5 с горизонтальными прорезями 6 и фигурными жаропрочными вставками 7, окружающую камеру сгорания полость с водой 8, выполненные в виде плоских коробов воздуховоды 9 с сопловыми отверстиями для подачи первичного воздуха 10 и вторичного воздуха 11, установленные в виде продольной горизонтальной перегородки в отсеках камеры сгорания плоские коробчатые воздуховоды 12 с сопловыми отверстиями для подачи дополнительного вторичного воздуха 13, газоход 14, жаровые трубы 15, дымовую трубу 16, установленный ниже колосниковой решетки ящик для сбора золы 17.
Пиролизный котел работает следующим образом. Твердое топливо (например, дрова или щепа естественной влажности) загружается в бункер 1. Под действием силы тяжести древесное топливо опускается вниз, последовательно проходя через зону сушки (верхняя часть бункера), зону сухой перегонки (нижняя часть бункера) и попадает в камеру газификации 2.
Воздух, нагнетаемый внешним вентилятором (на чертеже не показан) в коробчатый воздуховод 9, нагревается через стенки короба от пламени в камере сгорания 5 и сквозь сопловые отверстия 10 с высокой скоростью подается в верхнюю часть камеры газификации, где происходит процесс неполного сгорания (тление) древесного топлива. Под воздействием тепла тления, а также нагреваясь от раскаленных стенок отсеков камеры сгорания, древесное топливо газифицируется, а образующийся при этом пиролизный газ движется через слой раскаленных углей к выходному окну 4, расположенному на дне камеры газификации, и далее, развернувшись на 90 град. влево и вправо через прорези 6 поступает в отсеки камеры сгорания. Жаростойкое теплоизоляционное покрытие внутренних стенок камеры газификации предохраняет металлические поверхности от выгорания (термической эрозии) и за счет своей теплоемкости сглаживает случайные колебания температуры внутри камеры газификации.
Поток горячего вторичного воздуха, с высокой скоростью (10-20 м/сек) выходящий из коробчатого воздуховода 9 через сопловые отверстия 11, увлекает за собой поток пиролизного газа, перемешивается с ним, и образовавшаяся газовая смесь воспламеняется. Фигурная жаропрочная вставка 7 за счет своей большой теплоемкости и малой теплопроводности обеспечивает поддержание стабильной высокой температуры в зоне воспламенения и своей формой способствует вихревому движению газовой смеси, что обеспечивает качественное смешение топлива (пиролизный газ) и окислителя (воздух). Для обеспечения оптимальных условий горения вторичный воздух подается в двух зонах: через отверстия 11 на входе в камеру сгорания и через отверстия 13 далее по ходу потока пламени.
Поток раскаленных продуктов сгорания движется к противоположному торцу отсека камеры сгорания, разворачивается там на 180 град. и возвращается назад, двигаясь над горизонтальной перегородкой 12; такая схема движения продуктов сгорания обеспечивает интенсивный прогрев камеры газификации по всей ее высоте. Далее продукты сгорания через газоход 14 поступают в жаровые трубы 15, на выходе из которых газовый поток через дымоход 16 выбрасывается в атмосферу.
Оптимальная для газификации влажного древесного топлива температура боковых стенок камеры газификации достигается регулировкой скорости воздушного потока, движущегося через коробчатый воздуховод 9, подбором соответствующей площади поверхности коробчатого воздуховода или заменой сплошного короба на плоскую решетку из отдельных труб; таким образом, конструкция позволяет добиться стабильной и управляемой газификации древесного топлива.
Передача тепла жидкому теплоносителю (воде), циркулирующему в полости 8, осуществляется в двух зонах: на поверхности внешней стенки отсеков камеры сгорания 5 и через жаровые трубы 15; в первой зоне конвективная передача тепла от газообразных продуктов сгорания к стенке камеры сгорания дополняется мощным тепловым излучением высокотемпературного (более 1000 град. С) факела пламени. Таким образом, заявляемая конструкция, сохраняя главное преимущество традиционной схемы (эффективная передача тепла от раскаленных стенок в "водяную рубашку"), свободна от главного недостатка традиционной схемы, т.к. в заявляемой конструкции жидкий теплоноситель ни в одной точке не контактирует с камерой газификации и не охлаждает ее.