ТОПКА ТВЕРДОТОПЛИВНОГО КОТЛА

Предлагаемая полезная модель относится к теплоэнергетике и касается топки твердотопливного котла, работающего преимущественно на биотопливе в виде щепы и пеллет из древесины.
Наиболее часто используемым решением для эффективного сжигания щепы с содержанием влаги до 50% является применение подвижной колосниковой решетки с переталкивающими колосниками. В этом случае обеспечивается постоянное перемещение топлива, его высушивание, качественное горение, удаление золы и борьба с образованием шлаков. Охлаждение колосников осуществляется за счет съема тепла первичным воздухом, проходящим через пазы между колосниками. В тоже время, для котлов мощностью более 200 квт становится актуальным дополнительное охлаждение колосников, например с помощью водоохлаждаемых колосников. Конструкция колосниковой решетки при этом существенно усложняется.
Особенностью сжигания древесины в виде щепы или пеллет является двухэтапность процесса - так называемый пиролиз. На первом этапе осуществляется нагрев и горение древесины, с подводом первичного воздуха и с выходом летучих газов до 85% по весу, и до 70% по теплоте сгорания. На втором этапе - сжигание летучих газов при подводе вторичного воздуха. В число летучих газов входят и смолы в парообразном состоянии. При снижении температуры в камере сгорания ниже 700°С, последние не сгорают, а осаждаются на стенках камеры сгорания и теплообменника. Для того, чтобы предотвратить осаждение смол и сажи на стенках камеры сгорания, необходимо обеспечить, при любых режимах, температуру в камере сгорания в диапазоне 800-1200°С. Для этого у камеры сгорания котла должны быть горячие теплоизолированные стенки, в результате получается так называемый адиабатический котел. У современного адиабатического котла, оптимизированного для сжигания древесины, КПД составляет более 92%.
Для котлов более мегаватта мощности, горячие стенки не так актуальны, поскольку объем камеры сгорания растет в кубе относительно линейных размеров, а поверхность теплообмена только в квадрате. Сказывается абсолютный размер котла и для такой мощности, достаточно эффективно, с КПД 85% могут применяться водотрубные угольные котлы.
Классическое решение для стенок адиабатического котла мощностью менее мегаватта - использование шамота, который отличается огнеупорностью и относительно невысоким коэффициентом теплопередачи.
Например, известен адиабатический котел на твердом топливе с подвижной ступенчатой колосниковой решеткой, которая перемещает топливо до точки удаления золы (DE 19851085, кл. F23H 7/08, опубл. 11.05.2000 г.). Охлаждение колосников осуществляется за счет съема тепла первичным воздухом, проходящим через пазы между колосниками. Дополнительное водяное охлаждения колосников не применяется. Стенки топки котла содержат огнеупор - шамот и воздушную прослойку.
К недостаткам указанного устройства относится большой вес и не оптимальный тепловой режим работы камеры сгорания. Шамот не является в полной мере теплоизоляционным материалом, его коэффициент теплопроводности в 3-4 раз выше, чем у легковесных материалов, а вес в 2-3 раза больше. Удовлетворительные качества теплоизоляции в данном котле могут быть обеспечены только за счет большого веса огнеупора. Распределение температуры стенок в камере сгорания неравномерно и зависит от локальной интенсивности тепловыделения в непосредственной близости от стенки.
Более эффективным решением является использование в камере сгорания многослойных стенок, состоящих из двух и более теплоизолированных слоев. Например, известна топка котла Turbomat фирмы Froling, Австрия: https://www.froeling.com/fileadmin/content/produkte/Prospekte_Flyer/RU/RU_Prospekt_Turbomat.pdf. Топка котла содержит подвижную колосниковую решетку, многослойные стенки, последовательно состоящие изнутри из шамота, теплоизоляции, воздушного канала, наружной теплоизоляции. Дополнительно топка содержит водяное охлаждение высокотемпературного участка зоны загрузки топлива в непосредственной близости от колосниковой решетки.
Недостатком использования шамота в качестве внутреннего слоя камеры сгорания данного котла, является неравномерность нагрева стенок, поскольку низкая теплопередача происходит как в глубину стенок, так и вдоль поверхности. Например, в зоне интенсивного горения температура поверхности стенок камеры сгорания будет 1200°С, а рядом в зоне нагрева древесины может быть и 300°С.
Современное решение - использовать в камере сгорания многослойные стенки с другим составом слоев. Внутренний слой - огнеупор с высоким коэффициентом теплопередачи. Например, карбит кремния имеет коэффициент теплопередачи выше, чем у стали. Второй слой - легковесный огнеупор с низким коэффициентом теплопередачи. Третий слой - воздушный канал для нагрева первичного и вторичного воздуха, и съема тепла с огнеупора. Наружный слой - теплоизоляционный материал. Использование в качестве внутреннего слоя огнеупора с высоким коэффициентом теплопередачи выравнивает температуру стенок камеры сгорания по длине и поддерживает ее в интервале 800-1200°С.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемой полезной модели является топка котла ETA HACK 333-350 kW, фирмы ETA, Австрия, https://www.eta.co.at/index.php?id=151&download=64240a23bfd8d805b40fclelb_а5b5е42, принятая за ближайший аналог (прототип).
Топка твердотопливного котла по прототипу содержит подвижную ступенчатую колосниковую решетку с переталкивающими колосниками, камеру сгорания, имеющую многослойные стенки, состоящие последовательно изнутри из тяжелой футеровки с высоким коэффициентом теплопередачи, легковесной футеровки с низким коэффициентом теплопередачи, воздушного канала, теплоизоляции. Равномерный нагрев стенок камеры сгорания исключает местное локальное осаждение несгоревших смол и сажи на стенках топки при любых режимах работы котла. Для дополнительного охлаждения колосников у колосниковой решетки выполнены водоохлаждаемые стенки. Устройство по прототипу обеспечивает более полное сгорание топлива, уменьшение необходимого объема вторичного воздуха и повышение КПД котла.
Однако, прототип не лишен недостатков. Система водоохлаждения стенок колосниковой решетки является отдельным, дополнительным устройством, что усложняет конструкцию топки и увеличивает ее вес.
В задачу предлагаемой полезной модели положено усовершенствование конструкции топки твердотопливного котла.
Технический результат от использования полезной модели заключается в упрощении конструкции и уменьшении веса топки твердотопливного котла.
Поставленная задача достигается тем, что топка твердотопливного котла, содержащая подвижную колосниковую решетку с переталкивающими колосниками, камеру сгорания с многослойными стенками, выполненными последовательно изнутри из тяжелой футеровки с высоким коэффициентом теплопередачи, легковесной футеровки с низким коэффициентом теплопередачи, воздушного канала, теплоизоляции, дополнительно содержит водоохлаждаемую раму, выполненную по периметру колосниковой решетки из металлической прямоугольной трубы, заполненной водой, при этом многослойные стенки камеры сгорания установлены на водоохлаждаемой раме.
На фиг. 1 приведен чертеж топки твердотопливного котла, поперечный разрез.
На фиг. 2 приведен чертеж топки твердотопливного котла, продольный разрез.
Конструктивно камера сгорания твердотопливного котла на фиг. 1-2 содержит:
1 - колосниковую решетку;
2 - камеру сгорания;
3 - тяжелую футеровку с высоким коэффициентом теплопередачи;
4 - легковесную футеровку с низким коэффициентом теплопередачи;
5 - воздушный канал;
6 - теплоизоляцию;
7 - водоохлаждаемую раму;
8 - сопла подачи вторичного воздуха;
9 – привод подвижных колосников;
10 - многослойный экран;
11 - теплоизоляционный слой.
Колосниковая решетка 1 выполнена с переталкивающими подвижными колосниками.
Камера сгорания 2 выполнена с многослойными стенками, состоящими последовательно изнутри из: тяжелой футеровки с высоким коэффициентом теплопередачи 3, легковесной футеровки с низким коэффициентом теплопередачи 4, воздушного канала 5, теплоизоляции 6.
Камера сгорания 2 установлена на водоохлаждаемой раме 7, выполненной по периметру колосниковой решетки 1 из металлической прямоугольной трубы, заполненной водой.
Многослойные стенки 3-6 камеры сгорания 2 установлены на вод охлаждаемой раме 7.
Колосники колосниковой решетки 1 приводятся в движение с помощью привода 9.
Вторичный воздух подается из воздушного канала 5 через сопла подачи вторичного воздуха 8.
Для предотвращения переохлаждения колосников между колосниковой решеткой 1 и водоохлаждаемой рамой 7 установлен многослойный экран 10.
Для поддержания температуры многослойных стенок 3-6 камеры сгорания 2 в рабочем диапазоне, между ними и водоохлаждаемой рамой 7 выполнен теплоизоляционный слой 11.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
Топливо в виде древесной щепы или пеллет подается на колосниковую решетку 1, где подсушивается и сгорает. Привод 9 перемещает подвижные колосники. Топливо нагревается, постоянно перемешивается и передвигается вперед с помощью подвижных колосников. Нагрев и сушка топлива осуществляется как за счет тепла сгорания топлива на колосниковой решетке 1, так и за счет излучения тепла от нагретых стенок тяжелой футеровки с высоким коэффициентом теплопередачи 3 камеры сгорания 2. Первичный воздух подается через отверстия в колосниках. Высушенное топливо сгорает. При этом выделяется большое количество летучих газов. Вторичный воздух нагревается в воздушном канале 5 и подается внутрь камеры сгорания 2 через сопла 8. При сгорании летучих газов выделяется основная часть теплоты сгорания топлива. Тепло нагревает многослойные стенки 3-6 камеры сгорания 2: сначала тяжелую футеровку 3, потом частично задерживается легковесной футеровкой с низким коэффициентом теплопередачи 4, нагревает воздушный канал 5 и окончательно задерживается теплоизоляцией 6.
Водоохлаждаемая рама 7 охлаждает колосниковую решетку 1 и снимает избыточное тепло с многослойных стенок камеры сгорания 2. С помощью многослойного экрана 10 предотвращают переохлаждение колосников. Температуру многослойных стенок 3-6 камеры сгорания 2 поддерживают в рабочем диапазоне за счет наличия теплоизоляционного слоя 11.
Водоохдаждаемая рама 7 разделяет топку на две зоны: верхнюю горячую, состоящую из камеры сгорания 2 с многослойными стенками 3-6, и нижнюю холодную, состоящую из колосниковой решетки 1, устройства привода 9 подвижных колосников и т.д. Такое разделение оптимизирует работу как камеры сгорания 2, так и колосниковой решетки 1. Излишнее тепло, идущее сверху, поглощается водоохлаждаемой рамой 7 и не мешает работе колосников колосниковой решетки 1, привода 9 подвижных колосников и т.д. При этом водоохлаждаемая рама 7 является частью предлагаемой конструкции, что обеспечивает упрощение конструкции и уменьшение веса топки твердотопливного котла.