Горелка газифицирующая

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности - к устройствам для сжигания топливных гранул (пеллет), изготовленных из отходов растениеводства (лузга подсолнечника, солома, рисовая шелуха, стебли и початки кукурузы и.т.п.)
Использование древесины и отходов растениеводства в качестве возобновляемого источника тепловой энергии является одним из важнейших направлений развития мировой экономики, а производство устройств для сжигания битоплива стало одним из наиболее быстро развивающихся секторов промышленности. Среди множества видов биотоплива опережающими темпами растет использование пеллет (прессованных топливных гранул). Этот вид топлива привлекает внимание потребителей удобством хранения и транспортировки, возможностью использования для его подачи в котел и сжигания механизированных и даже полностью автоматизированных устройств.
Наиболее перспективным представляется использование так называемых "агро-пеллет", изготавливаемых из отходов растениеводства (соломы, лузги подсолнечника, пшеничной, ржаной и рисовой шелухи, стеблей и початков кукурузы и.т.п.). Сырье для производства агро-пеллет в огромном количестве накапливается практически во всех обитаемых регионах планеты; в большинстве случаев это сырье имеет нулевую или даже "минусовую" стоимость (ни одно животное не способно питаться шелухой, а её утилизация методом закапывания в грунт требует затрат). Тем не менее, несмотря на столь очевидные преимущества использования отходов растениеводства для производства топливных гранул, агро-пеллеты составляют не более 5-7% от общего объема потребления пеллетного топлива в странах ЕС.
Главной и практически единственной причиной, тормозящей использование агро-пеллет, является присущая им низкая температура плавления золы: химический состав минерального содержимого отходов растениеводства существенно отличается от химического состава древесного топлива (в первом случае преобладают оксиды щелочных металлов), что и обуславливает температуру плавления золы порядка 900 С, а для некоторых видов сырья (пшеничная солома, лоза винограда) - до 800 С. Учитывая, что типичная температура слоя интенсивно горящих углей достигает 900 и более градусов С, зола растительного топлива плавится, растекается, перекрывает воздухоподающие отверстия, срывает процесс горения, а после угасания пламени застывает в виде куска жесткого шлака ("коржа") произвольной формы, что окончательно выводит из строя горелочное устройство.
Из существующего уровня техники известны горелки для сжигания агро-пеллет,    в которых механическое разрушение "коржа" шлака осуществляется возвратно-поступательным движением элементов колосниковой решетки (PL 126627, KR 20170119041), специальными зубцами, периодически входящими снизу вверх в прорези колосниковой решетки (PL 123114), поворотом колосниковой решетки на 180 град. в направлении неподвижной плиты с зубцами (PL 41154215), вращением стенок цилиндрической камеры сгорания вокруг неподвижной колосниковой решетки (KR 101125278), вращением крюка-скребка ("кочерги") внутри камеры сгорания (GR 20120100052).
Общим недостатком всех этих устройств является наличие подвижных элементов в зоне высоких (до 1000 С) температур. Это вынуждает использовать  жаропрочные стали, специальные подшипники и смазки, что неизбежно повышает стоимость горелки, сокращает срок службы и повышает вероятность поломок. Кроме того, перемещения и перевороты колосниковой решетки приводят к периодическому затуханию огня в горелке, что заставляет осуществлять многократный повторный розжиг пеллет в горелке, повышающий выбросы сажи и угарного газа в атмосферу.
Известно устройство для газификации и сжигания агро-пеллет (WO/2006/117579), в котором для снижения температуры ниже точки плавления золы через слой агро-пеллет, горящих на подвижной колосниковой решетке, продувается поток отходящих дымогазов. Так как дымогазы состоят главным образом из углекислого газа (СО2), то при прохождении их через слой раскаленных углей осуществляется реакция восстановления по формуле: СО2 + С = 2 СО. Эта реакция происходит с поглощением тепла, что и приводит к снижению температуры в слое.
Главным достоинством данного устройства является попытка устранить причину (высокая температура в слое горящих пеллет) плавления золы, что гораздо эффективнее, нежели дорогостоящие и ненадежные способы борьбы со следствием (вращающаяся кочерга и/или подвижные колосники для разрушения "коржа" спекшейся золы).
Главным недостатком является использование для охлаждения слоя реакции восстановления углекислого газа, т.к. для устойчивого протекания этой реакции нужна температура не менее 800 С (при меньших температурах равновесие реакции сдвигается в сторону обратной реакции по формуле: 2СО = С + СО2). Такая температура уже вполне сопоставима с температурой начала плавления золы растительных отходов. Ситуация еще более осложняется тем, что в обсуждаемом устройстве на колосниковой решетке происходят одновременно эндотермическая (с поглощением тепла) реакция восстановления и экзотермические (с выделением тепла) реакции окисления (горения) газов пиролиза и угольного остатка; при этом весьма вероятно формирование отдельных зон с температурой 900-1000 С, в которых плавление золы станет неизбежным.
Техническим результатом, для достижения которого предлагается заявляемая полезная модель, является стабильное, исключающее возможность плавления золы сжигание агро-пеллет и/или отходов растениеводства в простом и долговечном устройстве, не имеющем подвижных деталей в зоне высоких температур.
Указанный технический результат достигается тем, что в
горелке для сжигания топливных гранул, содержащей вертикально ориентированный осе-симметричный корпус, устройство механической подачи топливных гранул, установленное на нижнем торце корпуса, камеру сгорания в виде осе-симметричного короба с центральным трубчатым коллектором подвода воздуха и сопловыми аппаратами для выхода воздуха во внутреннюю полость камеры сгорания,
корпус выполнен в виде перевернутого дном вверх стакана, камера сгорания установлена соосно и внутри корпуса, при этом верхний открытый торец камеры сгорания находится ниже упомянутого верхнего дна корпуса, а кольцевой канал между внешней поверхностью камеры сгорания и внутренней поверхностью корпуса заполнен топливными гранулами; в нижней части камеры сгорания имеются по меньшей мере два поперечных газохода, соединяющих внутреннюю полость камеры сгорания с окружающим корпус пространством, а на дне камеры сгорания установлена пустотелая камера-испаритель воды.
Вокруг и соосно с корпусом может быть установлен осе-симметричный кожух, при этом нижний торец кожуха находится ниже упомянутых поперечных газоходов и этот торец соединен с внешней поверхностью корпуса горизонтальной кольцевой перегородкой.
В качестве горизонтальной кольцевой перегородки, соединяющей нижний торец упомянутого кожуха с внешней поверхностью корпуса, может быть использовано дно топки, в которой установлена горелка.
Внутренняя поверхность камеры сгорания может быть покрыта слоем жаропрочной керамики, при этом толщина керамического слоя составляет не  менее 10% от внутреннего диаметра камеры сгорания.
Упомянутая пустотелая камера-испаритель может быть выполнена в виде вертикально ориентированного конуса, обращенного вершиной вниз, при этом угол при вершине конуса составляет не более 45 град.
Подача воды в упомянутую камеру-испаритель может происходить от внешнего источника через регулятор расхода воды, связанный с системой управления горелкой.
На внутренней поверхности корпуса может быть выполнено оребрение в виде металлических пластин, установленных параллельно продольной оси корпуса.
Указанные конструктивные решения обеспечивают достижение заявленного технического результата и в своей совокупности не встречаются ни в одной из известных горелок для сжигания топливных гранул, таким образом заявляемая полезная модель соответствует критерию новизны.
Заявляемое устройство может быть изготовлено на стандартном оборудовании с использованием известных и традиционных для производства горелочных устройств технологических процессов и материалов. Таким образом, заявляемая полезная модель соответствует критерию промышленной применимости.
Конструкция заявляемой горелки поясняется эскизами фиг. 1 и фиг. 2, на которых изображены продольный и поперечный разрез устройства в варианте исполнения с внешним кожухом и конической камерой-испарителем на дне камеры сгорания.
Горелка содержит корпус 1 в виде вертикально ориентированного осе-симметричного (например, цилиндрического) стакана; камеру сгорания 2 в виде осе-симметричной (например, цилиндрической) трубы, установленной соосно с корпусом 1, при этом в нижней части камеры сгорания имеются по меньшей мере два поперечных газохода 3 для выхода продуктов сгорания за пределы корпуса, а на дне камеры сгорания размещена вершиной вниз коническая камера-испаритель 4 с отверстиями для выхода пара 5; установленный соосно с камерой сгорания коллектор подвода воздуха 6 с соплами выхода воздуха 7 (сопловыми аппаратами)и внешний осе-симметричный (например, цилиндрический) кожух 8, в нижней части которого размещен отсек для сбора золы 9. Горелка устанавливается внутри топки 10, при этом нижний торец кожуха 8 герметично соединен с дном топки, в которой механический дымосос (на эскизе не показан) создаёт разрежение (область пониженного давления).
Горелка работает следующим образом. Мелкодисперсное топливо 11 ( пеллеты, рубленая солома, шелуха подсолнечника и.т.п.) под воздействием шнекового транспортера (на эскизе не показан) принудительно движется снизу вверх внутри корпуса 1 и заполняет кольцевой канал, образованный внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью камеры сгорания. Коническая внешняя поверхность камеры-испарителя направляет поток топлива, не допуская его заклинивания.
Вода из внешнего источника-дозатора (на эскизе не показан) в потребном для работы устройства количестве поступает во внутреннюю полость испарителя 4, где вскипает, превращается в пар и через отверстия 5 проникает в слой движущегося топлива.
Факел пламени в камере сгорания 2 через стенку камеры нагревает топливо, находящееся в кольцевой канале, и дно камеры-испарителя; затем раскаленные продукты сгорания под  воздействием разрежения в топке 10 проходят через поперечные газоходы 3, разворачиваются на 90 град и движутся вверх вдоль внешней стенки корпуса 1, дополнительно нагревая топливо в кольцевом канале.
Размеры корпуса и камеры сгорания, толщина и материал стенок подбираются таким образом, что в кольцевом канале топливо разогревается до температуры 600-700 град С. При этой температуре порядка 70-80% массы древесного топлива газифицируется в процессе пиролиза (термодеструкции), а твердый угольный остаток вступает в химическую реакцию с парами воды ( водо-угольная газификация, ВУГ ) по формулам:
Н2О + С = Н2 + СО
2Н2О + С = 2Н2 + СО2
Важно отметить, что от системы регулирования подачи воды/пара не требуется ни высокого быстродействия, ни высокой точности. Уже при температуре 550 С в зоне водо-угольной газификации формируется смесь газов, способная устойчиво гореть; с учетом поступления потока горючих продуктов пиролиза устойчивость горения будет еще выше. Таким образом, необходимо поддерживать в зоне ВУГ температуру порядка 650 плюс/минус 100 град С, т.е. допустимы отклонения температуры порядка плюс/минус 15%.  Вопрос быстродействия решается наличием массивного, обладающего большой теплоемкостью, керамического покрытия внутренней поверхности камеры сгорания.
Газообразные продукты пиролиза древесного топлива и продукты водо-угольной газификации образуют горючую смесь газов 12, которая выходит из кольцевого канала (зоны газификации), разворачивается на 180 град и под  воздействием разрежения в топке 10 поступает в камеру сгорания, где смешивается с воздухом, поступающим из коллектора 6 через сопла 7, и воспламеняется.
Так как указанная выше температура в зоне газификации значительно ниже температуры плавления даже самой легкоплавкой золы, шлакования золы и образования "коржей" не происходит; температура пламени в камере сгорания значительно выше температуры плавления золы, но время нахождения (пролёта) золы внутри камеры сгорания исчисляется долями секунды, и зола не успевает расплавиться и создать твердые агломераты. Пылевидная зола выносится потоком газов через камеру сгорания 2 и поперечные газоходы 3 в отсек для сбора золы 9. В дальнейшем эта зола (поскольку она накапливается в виде мелкодисперсного порошка, а не окаменевшего "коржа") может быть использована в качестве минерального удобрения для растениеводства.
Раскаленное до высоких температур керамическое покрытие внутренней поверхности камеры сгорания обеспечивает стабильное воспламенение смеси и предотвращает отрыв факела пламени. В конечном итоге заявляемое устройство, в котором горение происходит исключительно и только в газовой фазе, может обеспечить максимально полное и экологически чистое сжигание топлива.
На внутренней поверхности корпуса может быть выполнено оребрение в виде металлических пластин, установленных параллельно продольной оси корпуса. Это оребрение, благодаря высокой теплопроводности металлических пластин,  способствует равномерному прогреву топливных гранул в кольцевом канале (в зоне газификации).
Заявляемое устройство может быть использовано не только для сжигания агро-пеллет, но и для сжигания разнообразных видов мелкодисперсного твердого топлива (например, мелкой угольной крошки или древесных пеллет). В случае использования топлива, обладающего собственной влажностью по меньшей мере достигающей 30% (древесные опилки, мелкая древесная щепа, торфяная крошка), подача воды от внешнего источника становится не нужной, соответственно, эксплуатация горелки значительно упрощается. При этом, как показывают расчеты, даже максимально-возможная естественная влажность опилок, щепы или торфяной крошки (50-60%) не препятствует горению газовой смеси в заявляемом устройстве.
В заключении отметим, что предлагаемое техническое решение не имеет ничего общего с шарлатанскими проектами "сжигания воды". В заявляемом устройстве горит не вода, а уголь, превращенный с помощью воды в смесь горючих газов (Н2 и СО). Суммарный тепловой выход процесса (эндотермическое восстановление в зоне водо-угольной газификации + экзотермическое окисление в камере сгорания) теоретически равен расчетной теплоте прямого сжигания угольного остатка.