ВЕРТИКАЛЬНАЯ ТОПКА ПАРОВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ СЫПУЧИХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ
VERTICAL FURNACE OF STEAM-WATER HEATING BOILER TO PROCESS LOOSE TYPES OF FUEL INTO THERMAL ENERGY

Изобретение относится к устройствам для переработки сыпучих видов топлива, в том числе биологических и синтетических углеродосодержащих отходов производственной и бытовой деятельности, в тепловую энергию при высокоэффективном использовании топлива и минимальных размерах топки пароводогрейного котла.
Практическое применение находит при создании экономичных механизированных систем для выработки тепловой энергии из низкокалорийных сыпучих видов топлива при снижении загрязнения окружающей среды.
Известна топка пароводогрейного котла с рабочим объемом, ограниченным объемом нагревательного элемента котла с аккумуляторами высокой температуры для обеспечения стабильного режима горения отходов деревоперерабатывающей промышленности с различной степенью влажности, заполняющего весь объем топки. (см. патент Российской Федерации на изобретение №2310124, МПК F23B 50/06 (2006.01), F23B 90/00 (2006.01).
Недостатком указанной топки является блокирование образования дополнительной площади и интенсивности горения теплоизоляционными свойствами сыпучего топлива при увеличении объема топки для повышения мощности пароводогрейного котла.
Это приводит к ограничению возможностей выработки тепловой энергии с минимальными затратами.
Техническим результатом данного изобретения является.
1. Получение тепловой энергии с низкой себестоимостью.
2. Использование в качестве топлива широкого набора сыпучих материалов и отходов, имеющих различную теплотворную способность без дополнительного подогрева другим топливом.
3. Эффективное использование поверхности котла, находящегося в «кипящем слое» сжигаемого топлива и продуктов его термического распада.
4. Требуемый нагрев состоящего из каналов, зазоров котла и зон контакта рабочего объема топки достигается при низкой теплотворной способности топлива.
5. Стабильный режим горения и пиролиза топлива с различной влажностью.
6. Поступление только необходимого для эффективного горения и пиролиза количества воздуха к внутренней структуре сыпучих видов топлива, заполняющего весь объем топки при отсутствии нерационального продува топки является одним из факторов достижения и поддержания требуемого уровня температуры в топке и уменьшения вредных выбросов тепловой энергии и остатков продуктов горения в атмосферу.
7. Вертикальная конструкция топки обеспечивает механизированное непрерывное заполнение объема топки сыпучими видами топлива, предварительный нагрев и частичную сушку топлива, организацию процесса горения и пиролиза при распределении высоких температур и воздуха по всей глубине объема топлива в топке до полной переработки топлива в тепловую энергию, золоудаление в непрерывном режиме.
8. Принятой компоновкой элементов устройства достигается наиболее интенсивная переработка теплотворных свойств сыпучих видов топлива в тепловую энергию, в том числе низкокалорийного и с высокой степенью влажности с образованием максимальной площади и мощности выделения тепловой энергии в определенном объеме топки и нахождением теплопринимающих элементов котла в «кипящем слое» сжигаемого топлива и продуктов термического разложения топлива при возможности регулирования вырабатываемой мощности.
9. Расширение арсенала топок водогрейных котлов, использующих низкокалорийные сыпучие виды топлива, в том числе отходы.
Технический результат достигается посредством вертикальной топки пароводогрейного котла для преобразования в тепловую энергию сыпучих видов топлива, под действием силы тяжести опускающихся из находящегося вверху бункера в полностью заполняемую топку с объемом теплопередачи, состоящим из зазоров и каналов котла, а также зон контакта, образованных элементами котла и аккумуляторами-проводниками высокой температуры, установленными в топке, зоны предназначены для контакта топлива с только необходимым воздухом для прохождения стабильного режима горения с пиролизом или пиролиза с горением топлива различной степени влажности и теплотворной способности по всему объему топки, установленного закрытием или открытием заслонки и шибера, с колосниками, являющимися также аккумуляторами-проводниками высокой температуры и распределителями только необходимого для горения воздуха, поступающего из зольной камеры с регулировочной дверкой через отверстия в колосниках к зонам контакта, причем горючие пиролизные газы смешиваются с поступающим через аккумуляторы-проводники и колосники подогретым воздухом и сжигаются в зонах контакта, каналах элементов котла, отвод дымовых газов осуществляется через каналы в конструкции котла и зазоры между котлом и водяной рубашкой в газоходы бункера топлива и дымовую трубу.
На фиг.1 изображен пароводогрейный котел с топкой. Топка 11 пароводогрейного котла 13 содержит загрузочное устройство 17 для механизированной загрузки сыпучего топлива 16 и блокирования поступления излишнего воздуха в бункер 18, состоящий из нескольких элементов пароводогрейный котел 13 с каналами 10, зазорами 6 между водяной рубашкой 2 и котлом 13 для движения газов, зоны контакта 12 элементов котла 13, колосников 4 и аккумуляторов-проводников высокой температуры 14 с только необходимым для преобразования в тепловую энергию сыпучего топлива 16 количеством воздуха, поступающим из зольной камеры 3 через отверстия 5 в поворотных колосниках 4, газоходы 15 в бункере 18, который расположен в верхней части топки 11 и через который осуществляется непрерывная подача сыпучего топлива 16, причем аккумуляторы-проводники высокой температуры имеют штробы 7 для движения воздуха и газов.
На фиг.2 изображен разрез 1-1
На продольном разрезе топки показаны вертикальные аккумуляторы-проводники высокой температуры 14 с штробой 7, регулировочные дверки 1 и 20 для поступления воздуха и контроля процесса горения, опускание сыпучего топлива 16 под собственным весом в топку 11, закрытый шибер 8 для осуществления режима горения с пиролизом при открытой заслонке 21, направление движения горючих пиролизных газов из топки 11 в зольную камеру 3 и обратно в топку 11 вместе с воздухом, выпадение отработанной золы в зольную камеру 3, движение дымовых и пиролизных газов и горящей воздушногазовой смеси через газоходы 15 и элементы водогрейного котла 13 в дымовую трубу 19.
На фиг.3 изображен пароводогрейный котел при работе топки в режиме пиролиза с горением как топлива, так и продуктов его термического распада.
На чертеже показано образование горючих газов в плотной структуре сыпучего топлива 16 вокруг зон контакта 12, в которых идет процесс горения топлива 16, находящегося в топке 11, их движение совместно с образующимися на колосниках 4 пиролизными газами из недоокислившихся в топке твердых продуктов пиролиза с дальнейшим смешиванием в зольной камере 3 с подогретым в штробах 7 воздухом и сгоранием в элементах водогрейного котла 13 и выходом отработанных газов в дымовую трубу 19.
На фиг.4 изображен разрез 2-2
На продольном разрезе показано поступление подогретого в штробе 7 воздуха в зольную камеру 3, его смешивание с поступающими через отверстия 5 в поворотных колосниках 4 пиролизными горючими газами, горение смеси воздуха и горючих газов в каналах 10 элементов водогрейного котла 13 и выходом отработанных газов в дымовую трубу 19.
Работа топки 11 пароводогрейного котла 13 осуществляется следующим образом. При помощи загрузочного устройства 17 сыпучее топливо 16 заполняет бункер 18 с встроенными газоходами 15. Под действием силы тяжести топливо 16 проваливается в топку 11, где подвергается розжигу. При минимальном объеме теплопередачи, состоящем из зазоров 6, каналов 10 и зон контакта 12 топка 11 быстро нагревается при сжигании небольшого количества топлива 16. Зоны контакта 12 образуются из объема штроб 7, пустот под аккумуляторами-проводниками высокой температуры 14 и пустот при выгорании топлива у колосников 4. При закрытом шибере 8 и открытой заслонке 21 и поступлении только необходимого воздуха через регулировочную дверку 1 в зольную камеру 3 горение сыпучего топлива 16 и образующихся из него продуктов пиролиза осуществляется в режиме горения с пиролизом непосредственно в топке 11, что дает начало непрерывной управляемой термохимической реакции окисления органического или синтетического углеродосодержащего сыпучего топлива 16 с целью получения тепловой энергии. В образующихся в топке 11 вокруг аккумуляторов-проводников высокой температуры 14 в объеме сыпучего топлива 16 локальных реакционных окислительных зонах контакта 12 при поступлении только необходимого воздуха идет процесс горения с температурой 1000-1300°С с образованием окислов и оксидов и передачей избыточного тепла находящейся в непосредственной близости структуре сыпучего топлива 16 для обеспечения процесса его автотермического разложения по всему объему топки 11. Стабильность термохимической реакции при низкой теплотворной способности и повышенной влажности сыпучего топлива 16 обеспечивается установленными в топке 11 аккумуляторами-проводниками высокой температуры 14, получающими тепловую энергию от горящего сыпучего топлива 16 при необходимом поступлении воздуха и распределяющими ее по объему топки 11 для гарантированного получения температуры воспламенения или пиролиза сыпучим топливом 16 в зонах контакта 12. По мере удаления от зон контакта 12 в структуре сыпучего топлива 16 горение прекращается и в условиях нагрева сыпучего топлива 16 до температуры 250-450°С и недостатке кислорода (коэффициент избытка воздуха - 0,3) начинается образование продуктов термического распада, в том числе горючих газов, оксида углерода и жидких фракций с расходованием некоторого количества тепла.
При выходе из плотной структуры сыпучего топлива 16 в зоны контакта 12 с необходимым воздухом воспламеняются образовавшиеся пиролизные горючие газы.
Несгоревшие твердая и жидкая фракции активного углерода проваливается на поворотные колосники 4, являющиеся также аккумуляторами-проводниками высокой температуры и распределителями воздуха. В условиях поступления только необходимого воздуха в реакционной восстановительной зоне, образующейся по слою раскаленного углерода на поворотных колосниках 4 при давлении, близком к атмосферному, происходит процесс восстановления активного углерода в горючие газы (метан, водород) и оксида углерода. Оксид углерода при соединении с парами воды также образует водород. Основная часть горючих газов перерабатывается в тепловую энергию, воспламеняясь при контакте с накаленными поворотными колосниками 4 и аккумуляторами-проводниками высокой температуры 14 при распределении ими только необходимого для горения воздуха. Имеющие высокую температуру дымовые газы направляются для передачи тепловой энергии через каналы 10 в элементах водогрейного котла 13, зазоры 6, газоходы 15 в бункере 18 и через заслонку 21 в дымовую трубу 19.
Работающая в режиме горения с пиролизом топка 11 пароводогрейного котла 13 может быть переведена в режим пиролиза с горением, то есть переработки сыпучего топлива 16 в горючие газы и их сжигания. Для этого заслонка 21 закрывается, открывается шибер 8 при закрытой регулировочной дверке 1, чем устанавливается режим пиролиза с горением. Стабильный положительный тепловой баланс в топке 11 обеспечивается наличием зон контакта 12, образованными элементами водогрейного котла 13 и установленными аккумуляторами-проводниками высокой температуры 14 в структуре сыпучего топлива 16, по которым осуществляется движение температур воспламенения и термического разложения сыпучего топлива 16, воздуха и пиролизных газов. При ограниченном поступлении воздуха плотная структура сыпучего топлива 16 по всему объему топки 11 находится в условиях нагрева до температуры свыше 250°С и недостатка кислорода для горения, что приводит к термическому распаду сыпучего топлива 16 и образованию продуктов пиролиза. Горючие пиролизные газы выходят из плотной структуры сыпучего топлива 16 в зоны контакта 12 и частично сгорают при наличии там кислорода, что повышает тепловой баланс и снижает количество кислорода в плотной структуре сыпучего топлива 16. Твердые фракции активного углерода проваливаются на поворотные колосники 4, являющиеся также аккумуляторами-проводниками высокой температуры и распределителями воздуха. В условиях поступления только необходимого воздуха в реакционной восстановительной зоне, образующейся по слою раскаленного углерода на поворотных колосниках 4 при давлении, близком к атмосферному, происходит процесс восстановления активного углерода в горючие газы (метан, водород) и оксида углерода. Оксид углерода при соединении с парами воды, выделяющимися из влажного топлива, также образует водород. По горизонтальным и вертикальным штробам 7, каналам 10 и зазорам 6 все образовавшиеся горючие газы попадают в зольную камеру 3, где смешиваются с пропускаемым через регулировочные дверки 1 и 20 подогретым воздухом. Смесь горючих пиролизных газов с накаленным аккумуляторами-проводниками высокой температуры 14 воздухом получает температуру воспламенения от элементов колосников 4, сжигается, а образованная тепловая энергия передается элементам котла 13. Отработанные в объеме топки 11 и каналах водогрейного котла 13 газы выходят через дымовую трубу 19.
Принятой компоновкой элементов достигается увеличение мощности топки при определенном объеме, повышение коэффициента использования топлива при снижении тепловых и зольных выбросов в атмосферу, возможность механизации процесса и расширяется арсенал топок пароводогрейных котлов, использующих низкокалорийные сыпучие виды топлива.