ВЕРТИКАЛЬНАЯ ТОПКА ПАРОВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СЫПУЧИХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ С КАМЕРАМИ ДОЖИГА ПИРОЛИЗНЫХ ГАЗОВ
VERTICAL FURNACE OF WATER-STEAM BOILER FOR CONVERSION OF LOOSE TYPES OF FUEL INTO THERMAL ENERGY WITH AFTERBURNER CHAMBERS OF PYROLYSIS GASES

Изобретение относится к устройствам для преобразования сыпучих видов топлива, в том числе биологических и синтетических углеродосодержащих отходов производственной и бытовой деятельности, в тепловую энергию при использовании всех компонентов топлива, в том числе в имеющихся в данном устройстве камерах дожига несгоревших в топке горючих пиролизных газов.
Практическое применение находит при создании экономичных механизированных систем для выработки тепловой энергии из сыпучих видов топлива при снижении загрязнения окружающей среды.
Известна топка пароводогрейного котла с рабочим объемом, ограниченным объемом нагревательного элемента котла с аккумуляторами высокой температуры для обеспечения стабильного режима горения отходов деревоперерабатывающей промышленности с различной степенью влажности, заполняющего весь объем топки (см. патент Российской Федерации на изобретение №2310124, МПК F23B 50/06 (2006/01), №2483246).
Недостатком указанных топок является унос несгоревших и неокислившихся в объеме топки горючих пиролизных газов в дымовую трубу.
Это приводит к ограничению возможностей выработки тепловой энергии с минимальными затратами.
Задачей заявленного технического решения является обеспечение стабильного режима термохимической реакции окисления топлива различной степени влажности и теплотворной способности по всему объему топки с переработкой углеводородосодержащих компонентов сыпучего топлива, в том числе и неокислившихся в объеме топки пароводогрейного котла горючих пиролизных газов в камерах дожига, в тепловую энергию.
Техническим результатом данного изобретения является:
1. Интенсификация процесса полной переработки углеводородосодержащих компонентов предварительно нагреваемого и подсушенного топлива при механизированном непрерывном заполнении топки сыпучими видами топлива распределением воздуха и высоких температур воспламенения по внутренней структуре сыпучего топлива с образованием максимальной площади горения в определенном объеме топки и нахождением теплопринимающих элементов пароводогрейного котла в «кипящем слое» сжигаемого топлива при отсутствии нерационального продува топки и уменьшения выбросов тепловой энергии и остатков продуктов горения в атмосферу.
2. Предотвращение нерационального уноса при переработке образованных и неокислившихся при недостатке кислорода в объеме топки горючих пиролизных газов в тепловую энергию в камерах дожига и обеспечение смешения воздуха и горючих газов в объеме топки, а также расширение арсенала топок пароводогрейных котлов, использующих и низкокалорийные сыпучие виды топлива, в том числе отходы.
Технический результат достигается посредством вертикальной топки пароводогрейного котла для преобразования в тепловую энергию сыпучих видов топлива, под действием силы тяжести опускающихся из находящегося вверху бункера в полностью заполняемую топку с объемом теплопередачи, состоящим из образованных элементами котла и установленными в топке аккумуляторами-проводниками высокой температуры и распределителями воздуха для стабильного режима горения топлива различной степени влажности и теплотворной способности по всему объему топки зон контакта топлива с воздухом; с колосниками, являющимися также аккумуляторами-проводниками высокой температуры и распределителями необходимого для горения воздуха, поступающего из зольной камеры с регулировочной дверкой через колосники и отверстия в аккумуляторах-проводниках и распределителях подогретого воздуха к зонам контакта. Согласно изобретению топка содержит вертикальные и горизонтальные аккумуляторы-проводники высокой температуры и распределители воздуха с каналами и отверстиями для смешивания горючих газов и воздуха и их сжигания в объеме топки и горизонтальные и вертикальную камеры дожига, имеющие системы поступления подогретого воздуха и температуру воспламенения не полностью сгоревших при недостатке кислорода в объеме топки горючих пиролизных газов для их дожига.
На фиг. 1 изображен пароводогрейный котел с топкой.
Топка 23 пароводогрейного котла 11 содержит загрузочное устройство 1 для механизированной загрузки сыпучего топлива 22 и блокирования поступления излишнего воздуха в бункер 7, зоны контакта 24 элементов 10 котла 11 и аккумуляторов - проводников 8 высокой температуры и распределителей воздуха 8, имеющих каналы 9 (отверстия) для движения газов, с необходимым для горения сыпучего топлива 22 воздухом, поступающим из зольной камеры 15 через воздухопроходы 13 в поворотных колосниках 14, горизонтальные камеры дожига 2 с инжекторами 3, вертикальные аккумуляторы-проводники высокой температуры и распределители воздуха 4 с каналами 25 и отверстиями 6 для смешивания газов, вертикальную камеру дожига 12 с системой 28 поступления подогретого воздуха с соплами 5 с коллектором распределения воздуха 26.
На фиг. 2 изображен разрез 1-1.
На разрезе пароводогрейного котла 11 показаны горизонтальная камера дожига 2 с инжекторами 3 для поступления подогретого воздуха, дополнительный люк 17, элементы 10 котла 11, вертикальные аккумуляторы-проводники высокой температуры и распределители воздуха 4 с отверстиями 6 и системой 28 поступления подогретого воздуха через сопла 5 в вертикальную камеру дожига 12, с системой 16 подачи подогретого воздуха в горизонтальную камеру дожига 2, с горизонтальными аккумуляторами-проводниками 8 высокой температуры и распределителями воздуха с каналами 9, элементами 10 котла 11, герметичной топочной дверкой 18, регулировочной дверкой 19 зольной камеры 15, регулировочной дверкой-клапаном 20, шибером 21 газохода, поворотными колосниками 14 с воздухопроходами 13, коллектором распределения воздуха 26.
На фиг. 3 изображен разрез 2-2.
На разрезе показан пароводогрейный котел 11 с элементами котла 10, соплами 5 системы 28 поступления подогретого воздуха в вертикальную камеру дожига 12, вертикальными аккумуляторами-проводниками высокой температуры и распределителями воздуха 4 с отверстиями 6 для смешения газов, горизонтальными аккумуляторами-проводниками 8 высокой температуры и распределителями воздуха с каналами 9, герметичной топочной дверкой 18.
На фиг. 4 и фиг. 5 показаны направления движения сыпучего топлива 22, горючих пиролизных газов и воздуха, шлака и золы, отработанных дымовых газов.
Работа топки 23 пароводогрейного котла 11 осуществляется следующим образом.
При помощи загрузочного устройства 1 сыпучее топливо 22 заполняет бункер 7. Под действием силы тяжести топливо 22 проваливается в топку 23, где подвергается розжигу. При минимальном объеме теплопередачи, состоящем из незаполненных топливом 22 пространств, топка 23 быстро нагревается при сжигании небольшого количества топлива для розжига.
Расположение загрузочно-расходного бункера 7 внутри процессов горения определяет поступление сыпучего топлива 22 в топку 23 после подсушивания и начального нагрева. В объеме топки 23 установлены аккумуляторы-проводники 8 высокой температуры и распределители воздуха  и элементы 10 котла 11 с интервалами для продвижения сыпучего топлива 22, образующие зоны контакта 24.
Зоны контакта 24 состоят из поверхности смешанной с воздухом структуры сыпучего топлива 22 с пустотами и заполненными воздухом пространствами, образованными по углу трения при продвижении сыпучего топлива 22 по объему топки 23, контуров аккумуляторов-проводников 8 высокой температуры и распределителей воздуха с каналами 9 и элементов 10 котла 11. Аккумуляторы-проводники 8 высокой температуры и распределители воздуха выполнены из способного накапливать и передавать тепловую энергию материала, а также длительное время выдерживать температуры воспламенения топлива 22, сохраняя форму. Пространственная форма тела аккумуляторов-проводников 8 высокой температуры и распределителей воздуха обеспечивается установленными по внутреннему объему топки 23 элементами 10 котла 11, которые также воспринимают излучение от образующейся в «кипящем слое» сжигаемого топлива 22 тепловой энергии. При продвижении сыпучего топлива 22 из бункера 7 в топку 23 расположение аккумуляторов-проводников 8 высокой температуры и распределителей воздуха с каналами 9, элементов 10 котла 11 формирует в объеме топки 23 вертикальные вставки - слои сыпучего топлива 22, имеющего в своей структуре зоны контакта 24 и заполненные воздухом пространства. По каналам 9 с отверстиями 6 в зоны контакта 24 поступают выделившиеся при розжиге летучие углеводороды в состоянии горения с подогретым воздухом, распространяя температуры воспламенения поверхностей сыпучего топлива 22 по всем зонам контакта 24.
При поступлении воздуха через регулировочную дверку 19 в зольную камеру 15 горение сыпучего топлива 22 и образующихся из него продуктов пиролиза осуществляется непосредственно в топке 23, что дает начало непрерывной управляемой термохимической реакции окисления углеродосодержащего сыпучего топлива 22 с целью получения тепловой энергии. В образующихся в топке 23 вокруг аккумуляторов-проводников высокой температуры и распределителей воздуха 8 в объеме сыпучего топлива 22 локальных реакционных окислительных зонах контакта 24 при поступлении воздуха идет процесс горения с температурой 1000-1300°С с образованием окислов и оксидов и передачей избыточного тепла находящейся в непосредственной близости структуре сыпучего топлива 22 для обеспечения процесса его автотермического разложения по всему объему топки 23. Стабильность термохимической реакции при низкой теплотворной способности и повышенной влажности сыпучего топлива 22 обеспечивается установленными в топке 23 аккумуляторами-проводниками высокой температуры и распределителями воздуха 8, получающими тепловую энергию от горящего сыпучего топлива 22 при поступлении воздуха и распределяющими ее по объему топки 23 для гарантированного получения температуры воспламенения или пиролиза сыпучим топливом 22 в зонах контакта 24. По мере удаления от зон контакта 24 в структуре сыпучего топлива 22 горение прекращается и в условиях нагрева сыпучего топлива 22 до температуры 250-400°С и недостатке кислорода (коэффициент избытка воздуха - 0,3) начинается образование продуктов термического распада, в том числе горючих газов, оксида углерода и жидких фракций, с расходованием некоторого количества тепла. Образовавшиеся пиролизные горючие газы при выходе из плотной структуры сыпучего топлива 22 в зоны контакта 24 с необходимым воздухом воспламеняются.
Несгоревшая твердая и жидкая фракции активного углерода проваливаются на поворотные колосники 14, являющиеся также аккумуляторами-проводниками высокой температуры и распределителями воздуха. В условиях поступления только необходимого воздуха в реакционной восстановительной зоне, образующейся по слою раскаленного углерода на поворотных колосниках 14 при давлении, близком к атмосферному, происходит процесс восстановления активного углерода в горючие газы (метан, водород) и оксида углерода. Оксид углерода при соединении с парами воды также образует водород. Основная часть горючих газов перерабатывается в тепловую энергию, воспламеняясь при контакте с накаленными поворотными колосниками 14 и аккумуляторами-проводниками высокой температуры и распределителями воздуха 8 при распределении ими необходимого для горения воздуха.
В топке 23 установлены вертикальные аккумуляторы-проводники 4 высокой температуры и распределители воздуха, имеющие каналы 25 с отверстиями 6 для смешения воздуха и горючих газов при стабильной термохимической реакции окисления углеродосодержащего сыпучего топлива 22. При наличии горючих газов в верхней части загрузочного бункера 7 они смешиваются через отверстия 6 с нагретым воздухом, поступающим по каналам 25 из зольной камеры 15 при открытой регулировочной дверке 19, получают температуру воспламенения от вертикальных аккумуляторов-проводников 4 высокой температуры и распределителей воздуха и перерабатываются в тепловую энергию в постоянном режиме, что предотвращает вспышки горючих газов в режиме взрыва.
Для полной переработки горючих газов в тепловую энергию в пароводогрейный котел 11 встроены имеющие температуру воспламенения несгоревших при недостатке кислорода в объеме топки 23 горючих пиролизных газов горизонтальные камеры дожига 2 с системой подачи подогретого воздуха 16 и вертикальная камера дожига 12, имеющая систему 28 поступления подогретого воздуха с соплами 5. Система 28 поступления подогретого воздуха  и система 16 подачи подогретого воздуха имеют общий распределительный коллектор 26 с регулировочной дверкой-клапаном 20. Имеющие меньший объемный вес по сравнению с остальными газами в топке 23 горючие пиролизные газы поднимаются в верхнюю часть пароводогрейного котла 11 и попадают в горизонтальную камеру дожига 2, где смешиваются с поступающим через инжекторы 3 системы 16 подачи подогретого воздуха воздухом и при наличии температуры воспламенения, получаемой от горящего в топке 23 сыпучего топлива 22, перерабатываются в тепловую энергию, которая передается пароводогрейному котлу 11. Отработанные газы удаляются через открытый шибер 21 газохода или при недостатке тяги через дополнительный люк 17.
В пароводогрейном котле 11 установлена вертикальная камера дожига 12 горючих газов. При герметично закрытом загрузочном устройстве 1 и дополнительном люке 17, а также топочной дверке 18 и регулировочной дверке 19 зольной камеры 15 при недостатке кислорода образовавшиеся и неокислившиеся в объеме топки 23 горючие газы поднимаются в верхнюю часть пароводогрейного котла 11. При этом горючие газы поступают в вертикальную камеру дожига 12, где смешиваются с поступающим через систему 28 поступления подогретого воздуха воздухом, при этом получают температуру воспламенения от вертикальных аккумуляторов-проводников высокой температуры и распределителей воздуха 4 и перерабатываются в тепловую энергию.
Принятой компоновкой элементов достигается увеличение мощности топки при определенном объеме, повышение коэффициента использования топлива при снижении тепловых и зольных выбросов в атмосферу, возможность механизации процесса и расширяется арсенал топок пароводогрейных котлов, использующих низкокалорийные сыпучие виды топлива.