УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ ПОТОКЕ
DEVICE FOR BURNING SOLID FUELS WITHIN PULSATING FLOW

Изобретение относится к топочной технике и предназначено для сжигания твердых топлив в пульсирующем потоке, наиболее эффективно может быть использовано для сжигания твердых отходов, в том числе и брикетированных бытовых отходов.
Известно устройство для сжигания кускового твердого топлива в пульсирующем потоке, содержащее вертикальную шахту с двумя параллельно расположенными горизонтальными колосниковыми решетками и размещенным между ними слоем топлива, над верхней решеткой размещена труба, сечение которой меньше сечения шахты не более чем в 4 раза (А.С. №909417, МКИ F23В 1/36, F23С 11/04, 28.02.82 г.). Основные недостатки: маленькая площадь колосника и, как следствие, низкая производительность устройства. Конструкция двухрешетчатого колосника позволяет использовать твердое топливо только определенных размеров (кусков), при этом верхняя решетка находится в зоне высоких температур, из за которой она периодически прогорает, снижается тем самым надежность устройства.
1
4
Наиболее близким по совокупности совпадающих признаков и достигаемому техническому результату, выбранным заявителем в качестве прототипа, является устройство, содержащее камеру горения, резонансную трубу и топливовоздухоподводы, решетчатый колосник и поверхность нагрева, вмонтированную в резонансную трубу на расстоянии / от ее верхнего торца (патент на полезную модель РФ №14268, бюллетень №19 от 10.07.2000 г.). Данное устройство позволяет сжигать твердые топлива в пульсирующем потоке, причем объем камеры горения позволяет поместить большое количество топлива, к их размерам и формам существенных требований не предъявляется.
Однако в известном устройстве на горящее топливо воздействуют только пульсации скорости воздушного потока воздуха, при этом пульсации давления отсутствуют. Это приводит к тому, что в зольном остатке остается достаточное количество горючих веществ, вследствие чего значительно снижается кпд данного устройства и при использовании в качестве твердого топлива твердых бытовых отходов колосник сильно коксуется. Вследствие конструктивных особенностей устройства не обеспечивается равномерное распределение воздуха на колоснике для более интенсивного контакта воздуха с топливом (отходами), что значительно снижает его потребительские свойства в отношении унификации устройства и применения его для сжигания твердых топлив, в том числе и твердых бытовых отходов.
Таким образом, известное устройство в силу своих конструктивных особенностей обладает следующими существенными недостатками:
1 - низким кпд, вследствие отсутствия пульсации давления в топке (отсутствуют возможность создания полноценного автоколебательного процесса) ввиду наличия недостатков в конструкции устройства;
2 - возникновением процесса коксования колосника при сжигании твердых отходов, вследствие недостатков конструкции;
3 - необходимостью дополнительных трудозатрат по очистке колосника от продуктов коксования при использовании в качестве топлива твердых отходов.
Из литературы известно /1/, что наряду с пульсациями скорости знакопеременное давление существенно интенсифицирует горение твердых топлив. Сжигание твердых топлив при таких условиях позволяет избежать вышеуказанные недостатки.
Заявленное техническое решение поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 приведена принципиальная схема (общий вид) заявленного устройства.
На фиг.2, 3 приведены наиболее эффективные варианты выполнения устройства для равномерного распределения воздуха на колоснике.
На фиг.4 приведено описание примера конкретного выполнения устройства (вариант наиболее предпочтительного исполнения).
Заявленное устройство для сжигания твердых топлив в пульсирующем потоке наиболее эффективно может быть использовано при сжигании твердых отходов, в том числе и брикетированных бытовых отходов. Предложенное устройство для сжигания твердых топлив в пульсирующем потоке, содержащее камеру горения, трубу, воздухозаборник, дверцы для загрузки топлива, воздухоподводы, решетчатый колосник, устройство воспламенения, характеризуется тем, что отношение площадей поперечных сечений трубы и камеры горения воздухозаборника и камеры горения, соответствуют интервалу 1:(3-4), а решетчатый колосник выполнен с возможностью регулирования до 1/10 высоты камеры горения от ее нижнего среза посредством известных средств, например, в виде штока, а также характеризуется тем, что равномерное распределение воздуха, поступающего в зону горения, обеспечивается рассекателем конической формы, состоящим из не менее чем двух конических колец одинаковой высоты (высота колец составляет 1/2-2/3 высоты конического днища), установленных равноудаленно друг от друга под углом наклона конической части колец к вертикальной оси 40°-60°, размещенной в конической части воздухозаборника,
а также тем, что равномерное распределение воздуха, поступающего в зону горения, обеспечивается посредством использования днища, выполненного в виде усеченного конуса с равномерно распределенными в нем по площади отверстиями, при этом сумма площадей указанных отверстий соответствует площади сечения воздухозаборника,
а также тем, что равномерное распределение воздуха, поступающего в зону горения, обеспечивается трубками, приваренными равномерно по площади к плоскому днищу, при этом суммарная площадь сечения трубок соответствует площади сечения воздухозаборника, а их высота составляет (1-3)d, где d - диаметр трубки,
а также отличающееся тем, что решетчатый колосник выполнен с возмозможностью регулирования до 1/10 высоты камеры горения от ее нижнего среза посредством устройства, выполненного в виде штока, обеспечивающего возможность регулирования высоты размещения колосника, например, в виде электродвигателя с редуктором.
Предлагаемое устройство позволяет сжигать твердые топлива более качественно, обеспечив минимальное содержание горючих компонентов в зольном остатке и поддерживать устойчивый режим автоколебаний.
Это достигается следующим.
1. Выбором оптимального соотношения площадей поперечных сечений трубы и камеры горения, воздухозаборника и камеры горения, соответствующих интервалу 1:(3-4), а решетчатый колосник выполнен с возмозможностью регулирования до 1/10 высоты камеры горения от ее нижнего среза. При таком соотношении геометрических размеров в зоне горения отношение амплитуд пульсации акустического давления и пульсации скорости газовоздушного потока близко к единице, т.е. горящие угли находятся под одновременным воздействием пульсации давления и скорости.
2. Равномерным распределением воздуха, поступающего в зону горения через воздухозаборник. Воздухозаборник конструктивно может быть выполнен по-разному: конической формы с рассекателем воздуха; днища, выполненного в виде усеченного конуса с равномерно распределенными в нем по площади отверстиями; трубками, приваренными равномерно по площади к плоскому днищу. Воздухозаборник рассекателем конической формы состоит из не менее чем двух конических колец одинаковой высоты (высота колец составляет 1/2-2/3 высоты конического днища), установленных равноудаленно друг от друга под углом наклона конической части колец к вертикальной оси 40°-60°, размещенной в конической части воздухозаборника. Вышеуказанные геометрические размеры рассекателя обеспечивают разбивание поступающего через воздухозаборник воздуха на три потока, изменение их направления движения и равномерное распределение на колоснике. Первый поток проходит между наружным кольцом и стенкой воздухозаборника, второй между кольцами рассекателя, а третий - по центру. Наименьшая площадь поперечного сечения третьего потока. Это связано большей тягой в этой части камеры горения.
Равномерное распределение на колоснике поступающего воздуха конструктивно можно достичь посредством использования днища, выполненного в виде усеченного конуса с равномерно распределенными в нем по площади отверстиями, при этом сумма площадей указанных отверстий 11 соответствует площади сечения воздухозаборника (фиг.3) или обеспечивается трубками 9, приваренными равномерно по площади к плоскому днищу, при этом суммарная площадь сечения трубок соответствует площади сечения воздухозаборника, а их высота составляет (1-3)d, где d - диаметр трубки (фиг.2). Решетчатый колосник 3 выполнен с возможностью регулирования до 1/10 высоты камеры горения от ее нижнего среза посредством устройства, выполненного в виде штока 18, обеспечивающего возможность регулирования высоты размещения колосника 3, например, в виде электродвигателя 16 с редуктором 17.
Процессы горения (воспламенение, выделение горючих газов и их горение, горение коксовой части, золообразование) протекают одновременно по всей поверхности колосниковой решетки. Пульсации акустического давления, достигающие 160-170 дБ, позволяют сжигать твердые топлива более качественно, обеспечив минимальное содержание горючих компонентов в зольном остатке, и поддержать устойчивый режим автоколебаний. Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 приведена принципиальная схема (общий вид) заявленного устройства.
Устройство включает в себя камеру горения 2, трубу 1, решетчатый колосник 3 со штоком 18. Камера горения 2 выполнена в виде цилиндра, к нижней части которой приварен воздухозаборник 5. Сбоку на камере горения 2 размещена дверца 7. Кроме того, в конической части воздухозаборника размещен рассекатель воздуха 4, а под колосником 3 размещено устройство воспламенения 6. Устройство воспламенения 6 представляет собой трубчатое кольцо с отверстиями, в которое подается горючий газ.
Воздухозаборник конструктивно может быть выполнен по-разному: конической формы с рассекателем воздуха (фиг.1); днища, выполненного в виде усеченного конуса с равномерно распределенными в нем по площади отверстиями 11 (фиг.3); трубками 9, приваренными равномерно по площади к плоскому днищу (фиг.2).
Устройство работает следующим образом (на примере фиг.1).
Колосник 3 устанавливается в среднее положение от нижнего среза до 1/10 высоты камеры горения 2, загружается твердым топливом и поджигается устройством воспламенения 6. Благодаря пульсациям скорости тепловыделения, вызванными пульсациями скорости воздуха под колосником 3, в камере горения 2 самовозбуждаются колебания газа. В камеру горения 2 воздух поступает через воздухозаборник 5. Рассекатель воздуха 4 обеспечивает равномерное распределение воздуха на колоснике. В первоначальный момент, до возгорания твердого топлива, требуемая тепловая энергия в устройстве обеспечивается работой устройства воспламенения 6. После возгорания твердого топлива устройство воспламенения 6 выключается. Колосник 3 устанавливается в положение, соответствующее устойчивому режиму автоколебаний с максимальной амплитудой. Это достигается посредством регулирования высоты расположения колосника относительно нижнего среза камеры горения 2. В дальнейшем, пульсации скорости тепловыделения, в соответствии с критерием Релея, поддерживают автоколебания в камере горения 2. Аналогичный эффект достигается при работе устройства с вариантами воздухозаборника, указанными на фиг.2, 3 соответственно.
Пример конкретного исполнения заявленного устройства.
Заявленное устройство используется как огневой блок, например, в отопительной системе, который состоит из камеры горения 2, трубы 1, теплообменника 19, воздухозаборника 5, решетчатого колосника 3, штока 18, труб для подвода холодной 12 и отвода горячей 13 воды обогревательной системы, устройства воспламенения 6, газового баллона 14 с редуктором 15, электродвигателя 16 с редуктором 17.
В качестве твердого топлива используется как традиционное, так и альтернативное твердое топливо, в частности кусковые отходы резинотехнических изделий, брикетированный мусор и др.
Устройство работает следующим образом.
Колосник 3 устанавливается в среднее положение от нижнего среза до 1/10 высоты камеры горения 2. Через дверцу 7 в камеру горения 2 загружаются кусковые отходы резинотехнических изделий и поджигаются устройством воспламенения 6.
Горючий газ на устройство воспламенения подается из баллона 14. Расход газа регулируется редуктором 15. После возгорания топлива подача горючего газа из баллона прекращается.
Устойчивые автоколебания в устройстве достигаются изменением местоположения колосника 3 относительно нижнего среза цилиндрической части камеры горения 2. Опытами установлено, что положение колосника в камере горения, соответствующее до 1/10 высоты камеры от ее нижней части, является наиболее благоприятным для возбуждения колебаний. При этом на горящие угли одновременно воздействуют пульсации скорости с амплитудой от 15-25 м/с и давления, максимальные значения которых достигают 0,05-0,1 атм. В камере горения 2 высоконагретые газы совершают колебательное движение, которое увеличивает теплоотдачу от газа к стенке камеры горения. Вода в теплообменнике 19 нагревается и начинает циркулировать по отопительной системе потребителя. Так как теплоотдача в камере горения высокая, предпочтительно принудительная циркуляция теплоносителя, например, посредством насоса. По мере выгорания топлива в камеру подается свежая порция топлива.
2
Результаты анализа коэффициента избытка воздуха над колосником свидетельствуют о равномерном распределении воздуха в зоне горения. При коэффициенте избытка воздуха, соответствующего диапазону 1,2-1,8, в камере горения поддерживаются устойчивые автоколебания, а газовые и твердые продукты сгорания создают минимальное количество вредных веществ. Так, например, в газовых выбросах содержание канцерогенных веществ в несколько раз ниже предельно допустимых значений (содержание NO не более 150 ppm, NO - не более 6 ppm).
В предложенном устройстве сжигались также отсортированные брикетированные твердые горючие отходы. Опыты показали, что при соблюдении вышеуказанных условий и режимов настройки в устройстве эффективно можно сжигать и твердые горючие отходы. Следует отметить важный фактор, связанный с коксообразованием колосника. В ходе испытаний не было замечено ни одного случая образования твердых отложений на колоснике и на стенках.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет сжигать твердые топлива более качественно, обеспечив минимальное содержание горючих компонентов в зольном остатке, уменьшить вредные выбросы в атмосферу, поддержать устойчивый режим автоколебаний, устранить условия коксообразования на колоснике и на внутренних стенках.
Литература
1. Шакуров Р.Ф. Исследование влияния термоакустических колебаний, генерируемых в трубе Рийке, на слоевое горение твердых горючих веществ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. наук. КГТУ, Казань, 2001 г.