УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ВЛАЖНОЙ ЩЕПЫ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности - к отопительным устройствам, в которых твердое древесное топливо (дрова, щепа, отходы деревообработки) подвергается газификации с последующим сжиганием горючих газов и угольного/коксового остатка.
Древесная щепа является одним из наиболее распространенных и относительно дешевых видов возобновляемого биотоплива. Одной из главных проблем, ограничивающих возможность использования щепы в отопительных устройствах, является высокая влажность свеже-рубленной щепы (до 50%). При этом, в отличие от крупнокусковой древесины (дров), влажную щепу нельзя высушить естественным путем (за счет энергии солнца и ветра), т.к. при складировании в кучах щепа под воздействием микроорганизмов гниет и разогревается вплоть до самовозгорания; что же касается принудительной сушки щепы в специальных сушилках, то расходы энергии на сушку существенно снижают экономическую эффективность использование такой щепы в качестве топлива.
Из существующего уровня техники известны устройства для сжигания сырой щепы, в которых камера сгорания (топка) выполнена в виде горизонтально-ориентированного длинного туннеля, за время движения по которому щепа нагревается ИК-излучением раскаленных сводов туннеля и/или потоком горячих дымовых газов, движущихся навстречу движению топлива. При этом испаряющаяся из щепы влага уносится вместе с дымовыми газами в трубу и далее в атмосферу, а высохшая щепа сгорает в глубине туннеля. По сути дела, такое устройство представляет собой сочетание сушильной камеры и камеры сгорания, конструктивно объединенные в одном агрегате. Это техническое решение, известное еще с конца 19-о века и ставшее наиболее распространенным в отопительных котлах в 20-м веке, позволяет устойчиво сжигать влажную щепу.
Главным недостатком является высокий (в десятки раз превышающий экологические нормы 21-го века) уровень эмиссии моноокиси углерода (угарный газ, СО), который выделяется из древесины при ее первичном пиролизе и в устройствах описываемого типа неизбежно выносится вместе с потоком водяного пара из топки в атмосферу. Эффективному дожиганию остатков СО препятствует также поток продуктов сгорания (углекислый газ, водяной пар), поступающий из зоны первичного горения топлива на колосниковой решетке в зону/камеру дожигания. Кроме того, для обеспечения движения топлива (щепы) вдоль тоннеля топки нужны работающие в зоне высоких температур (до 900 С) механические устройства (подвижные колосниковые решетки, цепные транспортеры, толкатели), наличие которых усложняет и удорожает устройство, снижает его долговечность.
Из существующего уровня техники известно отопительное устройство (котел), содержащее объединенные общим вертикально ориентированным корпусом бункер для древесного топлива, ниже него камеру первичного горения и газификации, а также отдельную камеру дожигания, размещенную ниже или сбоку от камеры газификации. По такой схеме выполнено большинство современных (так называемых "пиролизных") отопительных котлов малой и средней мощности, например, серийные изделия фирм ARCA, Astra, Atmos, Attack, Buderus, Cichewic, Kalvis, Heiztechnik, Hargassner, Kostrzewa, Orlan, Solarbayer, Verner, Viessmann.
Достоинством такой конструкции являются простота и дешевизна (нет подвижных деталей в зоне высоких температур) и экологически чистое сгорание (низкий уровень эмиссии угарного газа и сажи), достигаемый благодаря тому, что продукты первичного горения (углекислый газ CO2 и водяной пар H2O) проходят через слой раскаленных углей в нижней части камеры первичного горения, где происходят химические реакции восстановления, в результате которых древесный уголь и препятствующие горению балластные газы (CO2 и H2O) превращаются в горючие газы (водород, угарный газ и метан).
Главным недостатком известных "пиролизных" котлов является невозможность использования в качестве топлива древесины (в том числе и щепы) высокой естественной влажности. Это обусловлено тем, что водяной пар, испаряющийся из древесного топлива в верхней части топливного бункера, движется с общим газовым потоком сверху вниз, заполняет камеру первичного горения, где, действуя как "огнетушитель", делает процесс горения неустойчивым или вовсе невозможным. Кроме того, соотношение масс водяного пара и угольного остатка у древесины естественной влажности таково, что угля для восстановительных реакций "водо-угольной газификации" не хватает, в результате оставшийся вне реакции водяной пар проходит через зону восстановления и гасит огонь в камере дожигания.
Известно несколько конструкций, позволяющих использовать в качестве топлива для котла т.н. "пиролизного" типа древесину (щепу) умеренно высокой влажности. Принципиальной основой решения является использование тепла из камеры дожигания для поддержание в камере первичного горения и газификации высокой (до 700-800°С) температуры. Как известно из физической химии, повышение температуры реагирующих газов расширяет концентрационные пределы горения; другими словами, эффективность парового "огнетушителя", препятствующего первичному горению, при высокой температуре снижается. Кроме того, высокая температура в зоне химического восстановления (в нижней части камеры первичного горения и газификации) позволяет использовать имеющееся количество угля для разложения бОльшего количества водяного пара.
По такой схеме выполнено отопительное устройство (патент RU 185863 U1), в котором камера дожигания (КДЖ) расположена внутри нижней части камеры первичного горения и газификации (КПГГ). Известен также пиролизный котел (патент RU 184378 U1), в котором КДЖ выполнена в виде двух горизонтально ориентированных отсеков, размещенных на боковых поверхностях нижней части КПГГ. Достоинством данного устройства (принятого в качестве прототипа) является подтвержденная экспериментально возможность сжигания в нем умеренно-влажной (до 30-35%) щепы при соблюдении современных жестких требований к эмиссии угарного газа.
Главным недостатком устройства-прототипа является неустойчивость горения при использовании топлива высокой влажности (более 40%), особенно в моменты дозагрузки новой порции влажного топлива. Теоретическим объяснением этого недостатка является то, что передача тепла из КДЖ в зону восстановления осуществляется за счет кондуктивной теплопроводности и ИК-излучения. Оба эти механизма имеют крайне низкую эффективность, т.к. слой древесного угля и древесной щепы обладает низкой теплопроводностью, а ИК-излучение быстро затухает внутри слоя частичек угля. Математическое моделирование поля температур, а затем и эксперимент показали, что прогреть зону восстановления до необходимой по условиям водо-угольной газификации температуры (700-800°С) на глубину более 50-60 мм от внешней стенки КДЖ практически не удается; что же касается расположенной выше зоны первичного горения, то она прогревается еще слабее, и при появлении новой порции относительно "холодной" и влажной щепы процесс первичного горения срывается.
Техническим результатом, для достижения которого предлагается заявляемая полезная модель, является устойчивое и экологически чистое сжигание древесной щепы естественной (т.е. высокой) влажности в простом и долговечном (без подвижных деталей в зоне высоких температур) устройстве.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для сжигания влажной щепы, содержащем вертикально ориентированный корпус с двойными стенками, пространство между которыми заполнено жидким теплоносителем; жаротрубный теплообменник, входной газоход которого соединен с внутренним объемом корпуса, а на выходном газоходе установлен дымосос; расположенный с воздушным зазором внутри корпуса вертикально ориентированный топливный бункер прямоугольного сечения, объединенный с камерой газификации, в нижней части которого симметрично относительно продольной оси расположены два окна для выхода горючих газов с колосниковыми решетками, а ниже окон размещен отсек для сбора золы; две камеры дожигания, установленные без зазора на боковых стенках бункера, а также воздуховоды подачи первичного и вторичного воздуха с сопловыми устройствами
внутри топливного бункера в плоскости продольной симметрии установлена камера первичного горения в виде пустотелого вертикально ориентированного прямоугольного короба, имеющего на левой и правой боковых поверхностях две группы сквозных отверстий, расположенных у нижнего и верхнего торцов короба, а внутри верхней части короба расположен воздуховод подачи первичного воздуха с сопловыми устройствами.
Упомянутые сопловые устройства подачи первичного воздуха выполнены в виде струйных насосов, всасывающие патрубки которых соединены газоходом с верхней группой сквозных отверстий, а выходные патрубки направлены вертикально вниз.
Указанные конструктивные решения обеспечивают достижение заявленного технического результата и в своей совокупности не встречаются ни в одном из известных устройств для сжигания древесного топлива, таким образом, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизны.
Заявляемое устройство может быть изготовлено на стандартном оборудовании с использованием известных и традиционных для производства отопительных устройств технологических процессов и материалов. Таким образом, заявляемая полезная модель соответствует критерию промышленной применимости.
Конструкция заявляемого устройства поясняется эскизами Фиг. 1 и Фиг. 2, на которых изображен поперечный и продольный разрезы устройства, и эскизом Фиг. 3, на котором изображен разрез соплового устройства подачи первичного воздуха в варианте исполнения в виде струйного насоса.
Устройство для сжигания влажной щепы содержит корпус 1 с двойными стенками, между которыми циркулирует жидкий (например, вода) или газообразный теплоноситель 2, расположенный с воздушным зазором внутри корпуса топливный бункер 3, в нижней части которого расположены два окна для выхода горючих газов с колосниковыми решетками 4, отсек для сбора золы 5, установленные на боковых стенках бункера две камеры дожигания 6, внутренние поверхности которых футерованы пластинами жаропрочной керамики 7, воздуховод подачи первичного воздуха 8, вентилятор подачи первичного воздуха 9, воздуховоды подачи вторичного воздуха 10 с сопловыми устройствами 11.
Внутри бункера 3 в плоскости продольной симметрии установлена камера первичного горения 12, на боковых поверхностях которой имеются две группы сквозных отверстий: верхние отверстия 13 и нижние отверстия 14. Внутренний объем корпуса 1 соединен газоходом 15 с жаротрубным теплообменником 16, на выходе которого установлен дымосос 17.
Устройство работает следующим образом. Влажное топливо 18 (например, древесная щепа естественной влажности) загружается в бункер 3 через загрузочный люк 19. Под действием силы тяжести топливо опускается вниз, нагреваясь от раскаленных стенок камер дожигания 6 и камеры первичного горения 12. Геометрические размеры бункера выбираются таким образом, чтобы за время движения от загрузочного люка 19 до верхней группы отверстий 13 температура частички топлива повысилась до 300-350°С.При такой температуре начинается активный процесс сухой возгонки (пиролиза) древесины. Под воздействием разрежения (пониженного давления), создаваемого дымососом 17, пиролизные газы (т.н. "летучие") движутся сверху вниз, к выходным окнам 4. Геометрические размеры бункера 3, камеры первичного горения 12, отверстий 13 и 14 выбираются таким образом, что газодинамическое сопротивление движению летучих через слой топлива больше газодинамического сопротивления входа в верхние отверстия 13 и выхода через нижние отверстия 14. Это условие вполне выполнимо, т.к. при типовых размерах топочного устройства сопротивление движению летучих через слой топлива составляет 20-30 Па, а суммарное сопротивление на входе-выходе в камеру первичного горения можно снизить до 1-2 Па. В результате часть летучих входит через верхние отверстия 13 в камеру первичного горения, где смешивается с первичным воздухом, поступающим из воздуховода 8, и воспламеняется.
Условия для горения летучих внутри камеры 12 значительно лучше, нежели в известных конструкция т.н. "пиролизных" котлов: относительно холодные частички твердого топлива не охлаждают смесь и не препятствуют смешению горючего и окислителя (пиролизных газов и первичного воздуха); раскаленные стенки камеры первичного горения обеспечивают стабильное воспламенение газовой смеси. Продукты сгорания летучих (углекислый газ CO2 и водяной пар H2O) выходят из камеры 12 через нижние отверстия 14 и проходят через слой древесного угля, лежащего на колосниковой решетке в нижней части бункера 3. Таким образом, кондуктивный и радиационный нагрев слоя угля дополняется гораздо более эффективным конвективным нагревом от потока раскаленных продуктов первичного горения. В результате создаются условия для интенсивного и устойчивого протекания реакций восстановления:
2
С+CO=2СО
2
2
С+HO=Н+СО
Важно отметить, что конвективный нагрев потоком раскаленных продуктов сгорания позволяет прогреть уголь в слое практически любой (из реально возможных по соображениям компоновки изделия) ширины, что выгодно отличает заявляемое устройство от прототипа.
Горючие газы из зоны восстановления (а также та часть летучих, которые не вошли в камеру 12, а двигались сверху вниз через слой топлива) под воздействием разрежения проходят через окна 4, разворачиваются на 180 град. и входят в камеры дожигания 6, где смешивается со вторичным воздухом, поступающим из воздуховодов 10, и воспламеняются. Для улучшения смешения компонентов горючей смеси в сопловые устройства 11 устанавливаются механические завихрители воздушного потока.
Продукты сгорания из камер дожигания 6 выходят во внутренний объем корпуса 1 и через газоход 15 поступают в жаротрубный теплообменник 16, где передают свое тепло жидкому или газообразному теплоносителю, а затем через дымосос 17 выбрасываются в атмосферу.
Газодинамическое сопротивление слоя топлива (от которого в значительной степени зависит первичное горение внутри камеры 12, а следовательно и вся работа устройства) зависит от фракционного состава топлива и текущего значения мощности устройства (секундного расхода топлива). Поскольку эти факторы могут в широком диапазоне изменяться в процессе эксплуатации, работоспособность устройства становится трудно предсказуемой. Для решения этой проблемы и обеспечения устойчивого и управляемого первичного горения внутри камеры 12 сопловые устройства подачи первичного воздуха могут быть выполнены в виде струйного насоса (см. Фиг. 3).
Вентилятор 9 подает первичный воздух в воздуховод 8 под напором 250-300 Па (этому требованию соответствуют характеристики наиболее распространенных вентиляторов малой мощности). Такой напор способен обеспечить скорость первичного воздуха, истекающего из сопла 20, порядка 40-50 м/сек. Под влиянием разрежения, создаваемого высокоскоростной струей воздуха, летучие через отверстия 13 и всасывающие патрубки 21 поступают в камеру смешения струйного насоса, где смешиваются с воздухом и воспламеняются. В этом случае расход летучих через камеру первичного горения 12 в меньшей степени зависит от сопротивления слоя топлива в бункере 3. Изменяя режим работы вентилятора 9, можно управлять работой струйного насоса и, соответственно, горением летучих внутри камеры 12.