ПИРОЛИЗНЫЙ КОТЕЛ

Техническое решение относится к области теплоэнергетики, а именно - к области средств генерирования тепловой энергии, и может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, на транспорте и других областях для автономного водяного отопления и воздушного обогрева, а также горячего водоснабжения жилых и производственных помещений, зданий и сооружений: гаражей, теплиц, хранилищ, ферм, дачных домиков и т.д.
Для генерирования тепловой энергии предпочтительно использовать устройства, использующие возобновляемые твердотельные источники энергии, предпочтительно, дрова.
Известно (RU, свидетельство на полезную модель 20155, 2001) отопительное устройство для дровяного топлива, содержащее топочную камеру, на которой смонтирован кожух с разнесенными по высоте входным и выходным каналами для циркуляции теплоносителя, и помещенный в кожух пучок вертикальных дымогарных труб, сообщенных нижними концами с камерой, а верхними - с дымовой трубой, имеющей подвижную заслонку. На входах дымогарных труб установлены воздушные жиклеры, связанные с атмосферой. Жиклер смонтирован в диффузоре, установленном на входе соответствующей дымогарной трубы, а над диффузором расположен завихритель газового потока. Завихритель выполнен в виде втулки с эллиптическим проходным сечением, определяемым из соотношения d=(0,7-0,8)D, где d - малая ось эллипса, а D - большая ось эллипса, равная внутреннему диаметру дымогарной трубы. В дымовой трубе над заслонкой установлен завихритель газового потока. Кожух внутри разделен по высоте параллельными горизонтальными полуперегородками, расположенными в шахматном порядке. Кожух заполнен пористым теплоемким материалом, например металлической стружкой.
Недостатками известного устройства следует признать недостаточно высокий кпд, сложность конструкции применительно как в производстве, так и в обслуживании.
Известна (RU патент 2372555, 2009) горелка на древесном гранулированном топливе, содержащая корпус, бункер, вентилятор, сопла дутья, камеру сгорания и камеру дожигания. Кроме того, горелка содержит трубу-дозатор для подачи топлива в горелку, в корпусе горелки размещен шток с возможностью осевого перемещения и фиксации для регулирования расхода топлива, в штоке соосно установлен резьбовой стержень с конусным клапаном с возможностью плавного регулирования подачи первичного и вторичного воздуха в горелку посредством вентилятора, обеспечивающего подачу воздуха в бункер и горелку, при этом перед камерой сгорания и дожигания размещена пиролизная камера, а камеры сгорания и дожигания топлива размещены последовательно и представляют собой сопло горелки, соединенное по касательной с вихревой камерой сгорания, выполненной в виде полой цилиндрической обечайки, заглушенной в нижней части и зауженной в верхней части соответственно, с возможностью обеспечения вращательного движения продуктов сгорания топлива в вихревой камере, при этом кожух снабжен окном для розжига, бункер снабжен герметично закрывающейся крышкой, кроме того, горелка имеет дополнительный воздушный канал с клапаном для подачи первичного воздуха в бункер.
Недостатком известного устройства следует признать ограничение в топливе (только гранулированное топливо - пеллеты), а также сложность конструкции, затрудняющее как производство устройства, так и его обслуживание. Кроме того, разогрев элементов устройства до 800-1000°C приводит к возникновению пожароопасности, так и к опасности для обслуживающего персонала.
Известна установка (RU, патент 2282788, 2006) обезвреживания и уничтожения твердых отходов, содержащая загрузочное устройство, камеру газификации с отверстиями вывода пиролизного газа, установленную в корпусе с возможностью образования зоны отбора пиролизного газа для подачи его в камеры сжигания и к внешнему потребителю, камеру дожигания, устройство отвода газообразных продуктов сжигания, при этом часть камер выполнена с возможностью полного сжигания пиролизного газа, другая часть камер сжигания - с возможностью получения при сжигании пиролизного газа газифицирующего агента и размещена в корпусе с возможностью подачи газифицирующего агента в камеру газификации. Установка снабжена дефлекторами, расположенными в камере дожигания и выполненными в виде плоских лент, охватывающих по винтовой линии камеру газификации, камеры сжигания пиролизного газа установлены под углом наклона винтовых линий дефлекторов таким образом, что образующиеся на выходе камер сжигания высокотемпературные скоростные потоки продуктов сгорания поступают в каналы, образованные винтовыми поверхностями дефлекторов и, двигаясь вдоль канала, омывают наружную поверхность камеры газификации, передавая ей большую часть тепловой энергии.
Известная установка может быть применена в качестве средства генерирования тепловой энергии, но к ее недостаткам следует отнести сложность конструкции, ограничивающие ее применение в бытовых условиях, также затрудняющее производство и обслуживание.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2379596, 2010) теплогенератор, содержащий вертикально ориентированный корпус с входом для подачи топлива и выходом для отработанных газов, включающий, по меньшей мере, три камеры: камеру горения в нижней части корпуса и расположенные над ней две камеры дожига, при этом камеры образованы горизонтально ориентированными перегородками, расположенными с зазором относительно стенок корпуса для прохода продуктов горения, блок регулируемой подачи воздуха, расположенный в нижней части камеры горения; блок подачи вторичного воздуха в камеру дожига, расположенную непосредственно над камерой горения, и выполненный с возможностью распределения воздуха по объему камеры; теплообменный блок, при этом все стенки корпуса выполнены двойными с внешней изоляцией.
Недостатком известного устройства следует признать недостаточную его эффективность.
Техническая задача, решаемая настоящим устройством, состоит в разработке средства генерирования тепловой энергии с использованием твердого топлива.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в повышении эффективности генерирования тепловой энергии.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать пиролизный котел разработанной конструкции. Пиролизный котел разработанной конструкции содержит вертикально ориентированный корпус с входом для подачи топлива и выходом для отработанных газов, в нижней части корпуса расположена камера горения, сообщенная с входом для подачи топлива, и расположенная над ней, по меньшей мере, одна камера дожига, при этом камеры образованы горизонтально ориентированными перегородками, в средней части корпуса размещен блок подачи вторичного воздуха в камеру дожига, выполненный с возможностью распределения воздуха по объему камеры, а также теплообменный блок, при этом все стенки корпуса выполнены двойными с внешней изоляцией. Разработанное устройство отличается от известного тем, что оно содержит две камеры дожига, установленные одна над другой, при этом объем верхней камеры дожига составляет от 8 до 20% от объема нижней камеры дожига, а для подачи вторичного воздуха в камеру дожига использованы инжекторы.
В ходе проведения отработки данной конструкции было установлено, что использование одной камеры дожига не позволяет полностью утилизировать образовавшиеся в камере горения продукты пиролиза (пиролизных газов) с максимальным эффектом выделения тепловой энергии. Также было установлено, что расположение двух камер пиролиза параллельно друг другу не только усложняет конструкцию котла за счет сложности подвода продуктов пиролиза последовательно в обе камеры дожига, но и не позволяет полностью их утилизировать. Поэтому камеры дожига разместили одну над другой с получением максимального возможного результата для этого признака. В ходе экспериментов было установлено, что существенным для утилизации продуктов пиролиза с выделением тепловой энергии является соотношение объемов камер дожига. Экспериментально было установлено, что оптимальным является использование второй (верхней) камеры дожига, объем которой составляет от 8 до 20% от объема нижней камеры дожига. В этом случае утилизация продуктов пиролиза позволяет получить максимальный эффект по выделению тепловой энергии. Также было выявлено влияние на эффективность выделения тепловой энергии условий подачи вторичного воздуха в нижнюю камеру дожига. Как было экспериментально установлено, наибольший эффект может быть получен при использовании для подачи вторичного воздуха инжекторов. Количество инжекторов задано объемом камеры дожига. В предпочтительном варианте реализации котел содержит до 80 инжекторов, преимущественно равномерно распределенных по поперечному сечению котла.
Предпочтительно, в верхней части камеры горения размещен неподвижный слой катализатора. В качестве катализатора могут быть использованы хлорид натрия или калия, хлориды металлов группы железа, шамотовый кирпич.
Конструкция разработанного пиролизного котла в базовом варианте приведена на рисунке, при этом использованы следующие обозначения: корпус 1, камера 2 горения, нижняя камера 3 дожига, верхняя камера 4 дожига, перегородка 5 между камерами дожига 3 и 4, перегородка 6 между камерой 2 горения и нижней камерой 3 дожига, щель 7 для прохода пиролизных газов в перегородке 6, зазор 8 между перегородкой 5 и корпусом 1, инжекторы 9, загрузочное окно 10, штуцер 11 входа в теплообменник, трубы 12 теплообменника, штуцер 13 выхода теплообменника, средство 14 подачи вторичного воздуха, средство 15 подачи воздуха в камеру 2 горения, газоотвод 16.
Пиролизный котел содержит вертикально ориентированный корпус 1, объем которого разделен двумя горизонтально ориентированными перегородками 5 и 6 на три камеры: камеру 2 горения в нижней части корпуса и расположенные над ней две камеры дожига: нижнюю 3 и верхнюю 4. При этом в камере 2 горения выполнено загрузочное окно 10, приспособленное для подачи твердого топлива. Стенки корпуса 1 предпочтительно выполнены двойными с внешней теплоизоляцией. Внутри стенок проходят трубы 12 теплообменника, в нижней части корпуса 1 на его боковой поверхности установлен штуцер 11 входа в теплообменник, в верхней части корпуса 1 установлен штуцер 13 выхода теплообменника. В перегородке 6 выполнена щель 7 для передачи пиролизных газов из камеры 2 горения в нижнюю камеру 3 дожига. В перегородке 5 выполнен зазор 8 для прохода пиролизных газов и продуктов их дожига. В верхней части корпуса 1 установлен газоотвод 16. На средней части корпуса 1 расположено средство 14 подачи вторичного воздуха в нижнюю камеру 3 дожига через инжекторы 9, подключенные к средству 14 трубопроводами (не показаны). В нижней части корпуса 1 установлено средство 15 подачи воздуха в камеру 2 горения.
Пиролизный котел разработанной конструкции работает следующим образом.
Осуществляют розжиг на сухом твердом топливе (предпочтительно, дрова) и прогрев пиролизного котла до достижения необходимой температуры теплоносителя (50-60°C) в трубах 12. Затем осуществляют основную загрузку твердого топлива через загрузочное окно 10. При этом для основной загрузки может быть использовано любое твердое топливо, в том числе и влажное. После возгорания загруженного топлива ограничивают подачу воздуха в камере 2 горения с получением режима беспламенного горения. При этом в камере горения 2 происходит активное тление топлива с образованием пиролизных газов.
Образующиеся в камере 2 горения 4 пиролизные газы поступают через щель 7 в нижнюю камеру 3 дожига. Вторичный (подогретый) воздух через средство 14 и инжекторы 9 поступает в нижнюю камеру 3 дожига, смешивается с пиролизными газами, при этом происходит дожигание (доокисление) пиролизных газов с выделением значительного количества тепловой энергии, поглощаемой теплоносителем, находящимся в трубах 12. Остаточные пиролизные газы поступают в верхнюю камеру 4 дожига, где и завершается процесс доокисления пиролизных газов с выделением тепловой энергии, также поглощаемой теплоносителем, находящимся в трубах 12. Отходящие газы выводятся из устройства через газоотвод 16.
Проведенные исследования коэффициента полезного действия (КПД) в соответствие с ГОСТ 9817-95 показали, что кпд разработанного пиролизного котла составляют 96%, в то время как кпд устройства-прототипа 93%.