УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к устройствам для сжигания твердых органических отходов, в частности печам колосникового типа, и может быть использована в коммунально-бытовом хозяйстве для отопления жилых и нежилых помещений, теплиц, замены перегретого пара в технологических процессах, создания тепловых завес в технологических помещениях и складах.
Недостатком всех известных методов заброски топлива является неравномерность процесса горения по времени (Щеголев М.М., Гусев Ю.Л., Иванова М.С. Котельные установки. - М.: Издательство литературы по строительству, 1972). В начальный период после заброски свежего топлива наступает процесс газифицирования топлива и бурное выделение горючих летучих веществ, для их сжигания требуется большое количество воздуха, больше чем подается вентилятором через колосниковую решетку. В результате топка работает с недостатком воздуха. В дымовых газах появляются продукты неполного сгорания: угарный газ (СО), сажа и т.д. За счет этого теряется часть теплоты сгорания топлива, загрязняется окружающая среда, и засоряются поверхности нагрева самого котла. Периодически котел приходится останавливать и очищать его поверхности от сажевых частиц. Появление химической неполноты горения особенно проявляется при сжигании несортированного угля с большим содержанием летучих веществ. Постепенно выделение летучих веществ из горящего топлива прекращается, и на решетке догорает кокс. При этом требуется уже меньше воздуха, чем подается вентилятором через колосниковую решетку. С точки зрения работы котла такой режим тоже невыгоден, поскольку значительная часть тепла расходуется на нагрев избыточного воздуха. В оптимальном режиме топка работает очень непродолжительный период времени в течение цикла горения заброшенного топлива.
Известен способ сжигания твердых органических отходов при повышенном давлении и устройство для его осуществления (патент РФ №2479792, 2013 г.), отличающийся тем, что создают кольца из прессованных отсортированных твердых органических отходов, которые собирают в блок, имеющий высоту, равную высоте зоны сгорания, блок помещают в зону сгорания, в которой создают температуру 1450…1500°C при давлении 0,8-1,0 МПа, и осуществляют сжигание блока с образованием потока продуктов сгорания, поток продуктов сгорания направляют в зону дожигания, на вход в которую подают воздух под давлением 0,8-1,0 МПа с расходом, достаточным для обеспечения полного сгорания твердых частиц с получением потока газов, на выходе из зоны дожигания в поток газов подают под давлением воду с получением потока парогазовой смеси, при этом расход воды выбирают таким образом, чтобы обеспечить снижение температуры потока парогазовой смеси ниже минимальной температуры образования диоксинов в газовом потоке, затем поток парогазовой смеси направляют в зону эжекции, в которой она смешивается с атмосферным воздухом и происходит дальнейшее снижение ее температуры за время меньшее, чем время каталитического образования диоксинов, далее, из зоны эжекции поток парогазовой смеси направляют в зону рекуперации энергии, в которой энергию потока передают потоку атмосферного воздуха, подаваемому в зону сгорания и на вход зоны дожигания, а выходящий поток сбрасывают в атмосферу.
Таким образом, продукты сгорания подаются в зону эжекции, и газы охлаждаются, что не обеспечивает сохранение давления после сжигания веществ в воздухе повышенного давления, а это ведет к снижению КПД устройства в целом, поскольку топливо полностью не сгорает, а также невозможности дальнейшей утилизации газов.
Задачей полезной модели является обеспечение полного сжигания органического топлива в газогенераторных печах с неподвижными колосниками с последующей передачей топочных газов под высоким давлением и с высокой температурой в магистраль отопления помещений или для технологических операций, к примеру: вместо водяного пара высокой температуры и давления.
Поставленная задача решается устройством для утилизации топочных газов при сжигании твердого органического топлива, помещенным в теплоизолирующий стальной корпус и состоящим из вертикально расположенного бункера для хранения запаса топлива и его газификации первичным воздухом, поступающим из эжекторов с возможностью временного нагрева воздуха выше температуры воспламенения топлива для первоначального поджигания, с загрузочным люком для топлива, расположенным в верхней части бункера, внутри которого или рядом с ним расположена вертикально расположенная топка в виде трубы для дожигания топлива вторичным воздухом с термостойкой защитой стенок топки от высокой температуры сгорающих газов, связанная с бункером воздуховодом и снабженная термостойкими эжекторами для поступления вторичного воздуха, а также нижней колосниковой решетки внутри бункера, расположенной перед воздуховодом в топку, и колосниковой решетки, расположенной выше эжектора первичного воздуха, закрывающихся люков для удаления золы, расположенных внизу бункера и толки, компрессора для подачи первичного и вторичного сжатого воздуха, расположенного с наружной стороны корпуса бункера, циклона для очистки продуктов сгорания от твердых частиц не сгоревшего топлива, находящегося в верхней части топки, имеющей контрольное окошко наблюдения за процессом дожига пиролизных газов с обдувом дополнительным вторичным воздухом, отличающимся тем, что корпус бункера выполнен из листовой стали типа 0952 с, позволяющей работать под повышенным давлением и при температуре от -70 до 450°С, и снабжен трубкой, расположенной на верхней части топки, для выхода под давлением сжатых и нагретых продуктов сгорания твердого топлива, для подсоединения к системе отопления помещений.
Конструкция устройства представлена на фиг. 1 (вертикальное сечение), где
1 - нижняя сферическая крышка топливного бункера,
2 - люки для выгрузки золы из зоны первичного горения,
3 - нижние колосниковые решетки,
4 - эжектор первичного воздуха для газогенерации твердого топлива,
5 - объем для твердого топлива,
6 - стенка бункера,
7 - резьбовая крышка загрузочного люка,
8 - пневматический предохранитель,
9 - выход нагретых продуктов сгорания твердого топлива под давлением,
10 - выходной циклон для очистки выходящих газов от несгоревших твердых частиц,
11 - верхнее крепление топливного бункера и топки сгорания,
12 - труба перемещения отделенной пыли в зольный накопитель,
13 - термостойкое покрытие топки,
14 - эжектор вторичного воздуха для сжигания генераторных газов,
15 - воздуховод генераторных газов из бункера в топку,
16 - крышка люка для удаления золы из топки,
17 - нижняя сферическая крышка топки,
18 - силовая перегородка,
19 - топка и стенка топки,
20 - верхняя сферическая крышка бункера,
21 - окошко для контроля процесса сгорания,
22 - разделительная пластина.
Устройство работает следующим образом.
Через загрузочный люк 7 внутрь бункера 6 помещается любое твердое топливо - опилки, стружки, технологическая щепа, дрова, топливные пеллеты, кусковой и навальный торф, брикеты из угля, торфа, отходов деревообработки и с/х отходов, мелкий неспекающийся бурый или каменный уголь. Через эжектор 4 подается предварительно нагретый при помощи электричества до температуры выше температуры воспламенения топлива (только на момент зажигания огня) первичный сжатый воздух из компрессора.
После воспламенения топлива дополнительный нагрев подаваемого сжатого воздуха при помощи электричества отключается.
В топку через воздуховод 15 первичные продукты сгорания движутся через массу нагретого топлива и газифицируют топливо. Зола от топлива проваливается сквозь отверстия колосников 3 и накапливается внизу бункера на нижней сферической крышке бункера 1. На место сгоревшего топлива опускается новое.
На входе в топку 19 генераторные газы из бункера смешиваются со вторичным воздухом от инжектора 14 и происходит полное сгорание генераторных газов, произведенных в топливном бункере. Крупные частицы золы падают вниз топки в зольный накопитель.
В вертикальной топке происходит окончательное сгорание, процесс и параметры которого можно контролировать через контрольное окошко 21, обдуваемое изнутри вторичным воздухом через отвод эжектора 14.
Перед выходом из топки топочные газы проходят через циклон 10 и очищаются от остатков золы и несгоревшего топлива, покидают устройство через трубку 9, подключаются к трубопроводной системе отопления и направляются потребителям:для прямого обогрева нежилых помещений и теплиц, в теплообменники для обогрева жилых помещений, для нагрева воды и других веществ, для сушилок различных веществ, для технологических надобностей в химических и других производствах, взамен перегретого пара, для создания тепловых завес на входе в нежилые помещения и склады и других технологических процессов, где требуются высокая температура и большие объемы сжатого нагретого газа.
После полного сгорания всего топлива прекращают подачу сжатого воздуха, и внутри устройства давление падает до атмосферного. После этого через люки 2 и 16 удаляется зола, и через люк 7 снова загружается топливо. Люки прочно закрываются и герметизируются.
Процесс повторяется.
Применение сжатого воздуха в двухстадийном процессе первичной газификации и вторичного дожигания позволяет повысить температуру первичной газификации до 900-1200 и горения до 1200-1500°С, что приводит к полному разложению твердого топлива до газообразных продуктов и золы, которые без остатка сжигаются вторичным воздухом, и зола удаляется из зоны горения, а также автоматизировать процесс горения.
Использование топливного бункера большого объема позволяет увеличить время работы с одной загрузки до десятков часов, что делает применение этого устройства удобным для потребителей и сокращает время простоя для загрузки и очистки до менее 1-3% от всего времени работы.
Перегретые продукты сгорания твердого топлива с большими преимуществами заменяют в качестве теплоносителя перегретый пар, так как отсутствует необходимость в снабжении водой и в водоподготовке, делает ненужным возврат теплоносителя на место нагрева - как при паровом и водяном отоплении, позволяет очень быстро запускать и почти мгновенно останавливать процесс генерации нагретых продуктов сгорания твердого топлива - сверхнизкая тепловая инерция из-за простоты и эффективности использования воздуха вместо воды.
Использование дешевого местного органического топлива значительно снижает стоимость получаемого тепла до 10-15 раз по сравнению с углеводородными топливами.
Технический результат состоит в возможности сохранения высокого давления топочных газов на выходе из устройства, что позволяет упростить передачу теплоносителя на среднее расстояние (100-200 м) без дополнительных затрат по обычному металлическому трубопроводу с теплоизоляцией.