ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ИНВЕРТОРНАЯ ДВУХХОДОВАЯ ГОРЕЛКА

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для высокоэффективного низкоэмиссионного сжигания органосодержащих разнофракционных топлив повышенной влажности, в том числе таких как шлифовальная пыль фанерно-мебельных и МДФ производств, опилки, стружка, щепа, торф, помет, иловые осадки, а также отходы повышенного класса опасности.
Известны различные технические решения в рассматриваемой области.
Так, известно изобретение RU №2350838, МПК F23C 5/24, опубл. 27.03.2009 г. Высокотемпературный циклонный реактор для сжигания низкосортных топлив, а именно для сжигания мелкодисперсных топлив угля, древесных отходов, горючих вторичных энергоресурсов и т.п., имеет цилиндрический вертикальный корпус, состоящий по меньшей мере из четырех цилиндрических секций (ступеней), предназначенных для разделения измельченного топлива на фракции, причем диаметр каждой последующей секции в 1,3-1,5 раза больше диаметра предыдущей секции, а верхняя секция соединена трубами золоудаления с бункером для отвода шлака и золы. Топливо и окислитель тангенциально подаются в нижнюю ступень реактора. Секции разделения между собой образуют полки, причем полка третьей ступени содержит вертикальные каналы рециркуляции топлива, соединяющие полки третьей и второй ступени. В третью секцию разделения тангенциально подается вторичный подогретый воздух, расход которого регулируется заслонками. Для удаления золы из верхней секции реактора предусмотрены трубы золоудаления, соединяющие верхнюю ступень с бункером для шлака и золы.
Недостатком известной установки является сложность конструкции, связанная с использованием каналов рециркуляции топлива и регулируемых заслонок подачи вторичного воздуха. Испытание данной конструкции при сжигании измельченного угля и биомассы показало низкую эффективность указанных элементов. Каналы рециркуляции забиваются коксующимся топливом.
Известно изобретение RU №2067724, МПК F23C 5/24, опубл. 10.10.1996 г. «Низкоэмиссионная вихревая топка». Топка содержит по меньшей мере одну горелку, выполненную в виде двух расположенных друг над другом каналов для подачи топливо-воздушной смеси. Каждый из каналов снабжен устройством для регулирования соотношения "топливо-воздух", обеспечивающего такое отношение количества воздуха к количеству топлива в каждом из каналов, что для вышерасположенного канала это отношение всегда оказывается больше, чем для нижерасположенного канала. Продольные оси каналов наклонены так, что углы между продольными осями вышерасположенного и нижерасположенного каналов (в проекциях этих осей на стенку топки по отношению к вертикали) для нижерасположенного канала оказываются меньше, чем для вышерасположенного канала. Топка также может быть снабжена устройством для подачи в каждый канал заданного фракционного (гранулометрического) состава топлива. При работе такой топки в топочном объеме формируются три функциональные зоны: зона воспламенения и активного горения, зона восстановления и зона дожигания. Этим обуславливается некоторое снижение выбросов оксидов азота на выходе из топки и одновременно высокие экономические характеристики топки.
Недостатки известного решения.
daf
При сжигании высокореакционных топлив тонкого гранулометрического состава, таких как каменные и бурые угли с большим выходом летучих веществ (V=30…40%), в такой топке образуется достаточно большое количество оксидов азота. Это особенно характерно для зон в районе горелок. Мелкие частицы высокореакционных топлив, поданные через два расположенных друг над другом канала, быстро воспламеняются на начальных участках факела вблизи горелок, что локально поднимает температуру процесса. Наличие в этой зоне первичного воздуха, поданного с топливно-воздушной смесью, и вторичного воздуха, поданного над струей топливно-воздушной смеси, оказывается избыточным для выгорания мелких частиц. Вследствие резкого подъема температуры и наличия свободного кислорода происходит локальная интенсивная генерация оксидов азота за счет рекомбинации осколков молекул азота, появившихся вместе с летучими веществами, в оксиды азота. Это является следствием высокой интенсивности перемешивания потоков топлива и воздуха, высокой интенсивности воспламенения мелких частиц топлива и резкого подъема температуры в этой зоне горения. Затем концентрация оксидов азота несколько понижается за счет разбавления дымовыми газами из нижней вихревой зоны, но остается все равно достаточно высокой к выходу из топки. Это приводит к достаточно большой концентрации оксидов азота в дымовых газах и ухудшению экологических показателей вихревой топки.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели является низкоэмиссионный циклонный реактор (см. патент RU на изобретение №2446350, МПК F23C 6/04; F23C 3/00; F23C 9/00, опубл. 27.03.2012 г.), который выбран в качестве прототипа.
Низкоэмиссионный циклонный реактор содержит вертикальный корпус, включающий по меньшей мере четыре ступени разделения топлива на фракции, первая коническая ступень имеет кольцевой канал перемешивания топлива и окислителя с прямоугольными соплами, а третья цилиндрическая ступень - кольцевой канал подвода вторичного воздуха с заслонками, при этом первая ступень выполнена конической, причем угол наклона стенки конуса и прямоугольных сопел β=2,5°. Заслонки выполнены с фиксированным углом поворота φ=78°-88°.
Основные недостатки известного решения по сравнению с предлагаемым решением:
- ограничение подаваемого фракционного состава топлива по размерам до 3 мм;
- присущий всем прямоточным горелкам главный недостаток - искрозолоунос и работа при низкой влажности топлива;
- коксование топлива и оплавление золы на разделительных полках.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание горелки с улучшенными характеристиками, благодаря чему будут устранены недостатки известных конструкций.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в улучшении характеристик высокотемпературной инверторной двухходовой горелки.
Технический результат достигается тем, что в высокотемпературной инверторной двухходовой горелке, включающей металлический корпус, состоящий из четырех секций, три секции представляют собой футерованные обечайки, соединеняемые на фланцах, а четвертая секция представляет собой футерованную крышку выгнутой формы, причем первая секция включает огневое цилиндрическое тело с боровом и футеровкой, между футеровками огневого тела и корпуса расположена камера сгорания конической формы, вверху которой размещен пережим, камера сгорания соединена с топливным шнеком и запально-защитным устройством, внизу огневого цилиндрического тела размещен горизонтальный щелевой циклон первичного дутья, соединенный с дутьевым вентилятором первичного дутья. Вторая секция включает вертикальный щелевой циклон вторичного дутья, соединенный с вентилятором вторичного дутья. Третья секция представляет собой купол для полного дожигания топлива. Первая и третья секции содержат смотровые трубы.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг. 1, на которой представлен фронтальный разрез горелки, где
1 - корпус горелки;
2 - крышка;
3 - циклон первичного дутья;
4 - циклон вторичного дутья;
5 - смотровые трубы;
6 - топливный шнек;
7 - запально-защитное устройство;
8 - коническая камера сгорания, образованная футеровкой корпуса и огневого тела;
9 - купол;
10 - вентилятор первичного дутья;
11 - вентилятор вторичного дутья;
12 - пережим;
13 - огневое тело с огневым боровом;
14 - футеровки.
Высокотемпературная инверторная двухходовая горелка содержит металлический корпус 1, включающий четыре секции, смотровые трубы 5, позволяющие наблюдать за процессом розжига и горения.
Первая секция включает горизонтальный щелевой циклон 3 первичного дутья, соединенный с дутьевым вентилятором 10 первичного дутья, огневое цилиндрическое тело с боровом 13, коническую камеру сгорания 8, футеровки 14 корпуса 1, пережим («жом») 12, топливный шнек 6, запально-защитное устройство 7.
Вторая секция включает вертикальный щелевой циклон 4 вторичного дутья, соединенный с вентилятором 11 вторичного дутья.
Третья секция представляет собой футерованную обечайку, формирующую купол 9. Их может быть несколько, в зависимости от планируемой мощности горелки.
Четвертая секция представляет собой съемную крышку 2 выгнутой формы.
Принцип действия.
Топливо поступает в горелку по топливному шнеку-дозатору 6. У шнека 6 убрана часть винтовой лопасти, топливо подпрессовывается и образовывается газонепроницаемый «пыж», не позволяющий огню прорваться в систему подачи топлива.
Горелка разжигается с помощью газового запально-защитного устройства 7, расположенного ниже уровня шнека 6.
Включается запально-защитное устройство 7, затем вентилятор 10 первичного дутья на небольшой расход, который отклоняет факел запально-защитного устройства 7 в сторону шнека 6.
Включается шнек 6, и топливо попадает в факел запально-защитного устройства 7. Топливо воспламеняется. Этот процесс наблюдается в смотровую трубу 5.
Появляется дым из огневого борова 13.
После образования огневого кольца у поверхности циклона 3 первичного дутья увеличиваются подача топлива и расход воздуха первичного дутья.
Запально-защитное устройство 7 выключается.
Включается вентилятор 11 вторичного дутья.
Тороидальный горящий топливный вихрь поднимается над поверхностью циклона 3 первичного дутья и располагается в конической камере сгорания, образованной футеровкой огневого тела 13 и корпуса 1.
В тороидальном вихре происходит расслоение топлива по весу, легкие и обгоревшие до определенного веса частицы выбрасываются через пережим 12 под купол в зону действия циклона 4 вторичного дутья.
Появляется огневой вихрь в куполе 9, температура быстро нарастает, исчезает цвет дыма, горелка переходит в стабильный стационарный режим.
Огневое тело 13 раскаляется до свечения, после чего влажность топлива не оказывает отрицательного влияния на работу горелки.
Преимущества предлагаемой полезной модели перед известными решениями
1. В конструкции активно используется сила гравитации, которая обеспечивает постоянство угловой и линейной скорости вращения торообразного тела.
2. В конструкции создано массивное раскаленное огневое тело и коническое пространство между огневым телом и наклонной расположенной футеровкой корпуса. Раскаленное огневое тело и объемная футеровка корпуса, а также организованная траектория горящих частиц позволяют сжигать топливо с повышенной влажностью.
3. В конструкции созданы щелевые циклоны. Циклон первичного дутья щелевой горизонтальный, являющийся дном горелки и поднимающий в вихре разнофракционное топливо, не давая топливу опуститься на свою поверхность. По мере увеличения сечения конического пространства давление дутья пропорционально уменьшается, что приводит к образованию тороидального вихря с градиентом частиц топлива внутри его по весу и фракционному составу. Такая конструкция не позволяет горящим частицам топлива проскочить в зону вторичного дутья через пережим, пока они не обгорят до определенного веса. Циклон вторичного дутья щелевой вертикальный, расположенный над пережимом, обеспечивает циркулирующий вихрь под куполом и обеспечивает полное химическое и механическое дожигание топлива.
4. Создание купола позволяет организовать полное дожигание топлива, регулирование положения факела относительно выхода огневого борова, получение бесцветного дыма за счет полного сгорания топлива, что позволяет использовать дым прямым подмешиванием без теплообменных поверхностей в различных тепловых устройствах.
5. Конструкция предлагаемого устройства позволяет, изменяя объем купола, обеспечивать работу с факелом или без него просто с бесцветным дымом.
6. Траектория частиц, раскаленное огневое тело и купольное пространство не позволяют частицам проскочить, не воспламенившись, не позволяя отрываться пламени и не допуская взрывов при любом фракционном составе топлива.
7. Конструкция предлагаемого устройства позволяет достигать высоких температур, необходимых и достаточных для разложения и полного безопасного сгорания отходов, содержащих полиароматические углеводороды, фенолформальдегидные смолы, и другие опасные отходы, требующие для утилизации температуры около 1250 градусов.
8. Отсутствие окрашивания дымовых газов позволяет использовать устройство в сушильных и других комплексах, обеспечивая или восстанавливая температуру используемых газовых сред прямым подмешиванием без передачи тепла через теплообменные поверхности, достигая максимальных КПД.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает улучшенными характеристиками по сравнению с известными конструкциями.