Топочное устройство с водяным охлаждением с поворотными колосниками для сжигания-утилизации всех видов древесных отходов

Полезная модель относится к области теплотехники, в частности к топочным устройствам вихревого циклонного типа, и предназначена для сжигания-утилизации всех видов древесных отходов, включая различные виды кородревесных отходов различных производств (кора, щепа, опилки, скоп и т.п.) в различном соотношении. Топка может быть использована, в том числе, для утилизации отходов в сельскохозяйственной отрасли, таких как: подстилочный слой от птицефабрик, различные виды соломы, шелуха подсолнечная, рисовая и т.п. Имеется возможность использовать в качестве топлива торф.
Известно герметизированное топочное устройство древесных отходов, выполненное с водяным охлаждением колосниковой решеткой (охлаждаемой посредством воды) для сжигания древесных отходов. Топочное устройство имеет кожух и футеровку, между которыми образовано воздушное пространство по всему периметру и фурменные отверстия, расположенные под углом для подачи воздуха в зону горения топлива и завихрения воздуха внутри топки (US 4233914, 18.11.1980).
Однако колосниковая часть указанного топочного устройства имеет сложную конструкцию и не поддерживает горящую массу топлива, поскольку не обеспечивает достаточную циркуляцию воздуха через горящую массу топлива, а также необходимо использовать механические средства для удаления остатков продуктов горения.
Техническая проблема, на решение которой направлена предложенная полезная модель, заключается в необходимости расширения арсенала технических средств топочных устройств, параметры, характеристики которых обеспечивают прохождение воздуха для горения и сжигание древесных отходов без помех, в то время как зола удаляется либо непрерывно или через определенные промежутки времени, при этом не останавливается процесс горения древесных отходов в топочном устройстве и уменьшается размер золы (остатков продуктов горения древесных отходов).
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в повышении эксплуатационных характеристик топочного устройства в целом за счет обеспечения максимально высоких термодинамических параметров сжигания древесных отходов при отсутствии выноса недогоревших частиц из топочного устройства, что позволяет работать ему с КПД приблизительно 92% (зольность и недожог при топливе 57% влажности незначительны).
Указанный технический результат достигается в топочном устройстве, состоящем из камеры горения и колосниковой части, корпус которой имеет конструкцию прямоугольного сечения с установленными в нем поворотными валами-колосниками, наружная поверхность которых выполнена с зубьями, расположенными с шаговым смещением, перекрывая друг друга, не входя в зацепление, а внутренняя конструкция каждого вала-колосника выполнена с возможностью подачи и одновременного отвода воды охлаждения с одной стороны корпуса, при этом камера горения имеет кожух, внутри которого установлена монолитная огнеупорная футеровка с образованием между наружной поверхностью футеровки и кожухом зоны воздушного пространства по всему периметру, причем монолитная огнеупорная футеровка выполнена с фурменными отверстиями для подачи воздуха в зону горения топлива, расположенными под углом, а в колосниковой части применен гидравлический питатель для подачи топлива по всей ширине валов-колосников.
Корпус колосниковой части и кожух камеры горения могут представлять собой жесткую металлоконструкцию.
Валы-колосники могут быть выполнены из высоколегированной жаропрочной стали, установлены в корпусе на подшипники качения/скольжения и связаны с поворотными муфтами охлаждения, обеспечивающими подачу и одновременный отвод воды охлаждения.
В корпусе колосниковой части может быть расположено от четырех до двенадцати поворотных валов-колосников, которые образуют пары, каждая из которых выполнена с возможностью вращения от одного гидравлического привода через систему подвижных муфт, при этом вращение ведомого вала-колосника осуществляется при помощи зубчатой передачи между валами-колосниками и каждая пара валов-колосников может вращаться как в одну, так и в другую сторону.
Корпус колосниковой части в районе валов-колосников для защиты металлоконструкции может быть футерован пластичным высокоогнеупорным материалом с температурой применения до 1650°С.
Корпус колосниковой части может быть связан с системой распределения воздуха и системой золоудаления.
Монолитная огнеупорная футеровка камеры горения может являться продолжением футеровки колосниковой части и является «самонесущей».
В зону воздушного пространства подают воздух, необходимый для горения.
Камера горения может быть выполнена с люком для внутреннего осмотра и чистки.
Заявленное топочное устройство за счет конструктивного выполнения камеры горения и колосниковой части обеспечивает эффективное сжигание древесных отходов без приостановки самого процесса сжигания и незначительного выноса недогоревших частиц (золы), что в свою очередь повышает эксплуатационные характеристики, так как имеет следующие преимущества:
- устойчивая турбулизация внутри камеры горения;
- возможность создания в камере горения высоких тепловых напряжения, что позволяет уменьшить потери тепла;
- наличие условий для более полного сжигания древесных отходов (топлива) существенно повышает КПД топочного устройства;
- стабильное горение с интенсивным тепломассообменом;
- удаление золы без остановки топочного устройства;
- нет необходимости создавать большое статическое давление воздуха, что снижает операционные расходы.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2 показано топочное устройство в разрезе; на фиг. 3 - колосниковая часть, вид сверху.
Топочное устройство состоит из двух частей, непосредственно из колосниковой части 1 с поворотными (зубчатыми) валами-колосниками 3 и второй части - камеры горения 2.
Колосниковая часть 1 предназначена для создания зольной подушки, сушки древесного топлива и непосредственного воспламенения древесного топлива с относительной влажностью топлива до 55-63%. Воспламенение топлива достигается за счет формирования «правильной» кипы древесного топлива на колосниковой решетке и скоростью вращения валов-колосников 3. В зависимости от физических свойств древесного топлива (влажность, фракционный состав и т.п.) скорость вращения валов-колосников 3 подбирается таким образом, чтобы высота зольной подушки была не менее 100-200 мм (скорость вращения минимальна - один оборот валов-колосников 3 в 45-60 минут). Наличие данного слоя обеспечивает равномерную сушку древесного топлива за счет нагрева первичного воздуха (подколосниковое дутье), принудительно подаваемого в подрешеточное пространство, проходящего через валы-колосники 3 и, соответственно, через зольную подушку. Первичный воздух может быть предварительно нагрет через систему воздухоподогревателя или взят непосредственно из помещения или с улицы. Первичный воздух необходим для обеспечения сушки влажного топлива на колосниковой решетке и его воспламенения.
Камера горения 2 предназначена для сжигания продуктов возгонки древесного топлива, а также мелких несгоревших частиц топлива, уносимых воздухом горения. Специально спроектированная конструкция высокоогнеупорной монолитной футеровки 4 позволяет не только защитить металлоконструкции топочного устройства от высоких температур, но и за счет большого количества фурменных отверстий 5 в стенке футеровки 4 (огнеупора) обеспечить полное сжигание топлива путем подачи воздуха в зону горения по всему периметру и всей площади камеры горения 2.
Колосниковая часть 1 содержит данную часть, представляющую сбой жесткую металлическую конструкцию прямоугольного сечения с установленными в нее валами-колосниками 3, образуя колосниковую решетку. Колосниковая решетка в зависимости от тепловой мощности топочного устройства может состоять от четырех до двенадцати валов-колосников 3. Валы-колосники 3 имеют специальную внутреннюю конструкцию, обеспечивающую 100%-ное охлаждение поверхности валов-колосников 3, предотвращая их перегрев. Температура наружной поверхности валов-колосников 3 ограничивается температурой охлаждаемой воды и не превышает 100-105°С. Валы-колосники 3 выполнены из высоколегированной жаропрочной стали. Наружная поверхность валов-колосников 3 представляет собой зубчатую конструкцию. Зубья 6 валов-колосников 3 расположены с шаговым смещением, перекрывая друг друга, не входя в зацепление. За счет вращения пары валов-колосников 3 навстречу друг другу обеспечивается дробление больших кусков золы и шлака, образующихся в процессе сгорания топлива, до размеров частиц, не превышающих 5-8 мм, что является гарантией безопасной эксплуатации зольных конвейеров любого типа. Данные валы-колосники 3 работают по принципу зубчато-валковой дробилки. Валы-колосники 3, вращаясь по заданному циклу, обеспечивают удаление золы и шлака с колосниковой решетки.
Валы-колосники 3 устанавливаются в корпус 7 на подшипники качения/скольжения. Каждая пара валов-колосников 3 вращается от одного гидравлического привода через систему специально разработанных подвижных муфт 8. Вращение ведомого вала осуществляется при помощи зубчатой передачи 9 между валами. Каждая пара валов-колосников 3 может вращаться как в одну, так и в другую сторону при необходимости. Направление вращения выбирается оператором вручную в зависимости от требований технологического процесса.
Внутренняя конструкция вала-колосника 3 спроектирована и изготовлена таким образом, чтобы вода охлаждения подавалась и одновременно отводилась с одной стороны топочного устройства. Таким образом, система охлаждения валов-колосников 3 и гидравлический привод валов-колосников 3 разнесены в противоположенные стороны - простое и легкое обслуживание системы в целом. Данный процесс обеспечивается за счет применения поворотных муфт охлаждения 10.
Колосниковая часть 1 в районе валов-колосников 3 для защиты металлоконструкций футеруется пластичным высокоогнеупорным материалом 11 с температурой применения до 1650°С. В нижней части колосниковой части 1 предусмотрена система распределения воздуха, а также система золоудаления, выполненная, например, в виде зольного бункера 12.
Камера горения 2 содержит кожух 13 - жесткая металлоконструкция с люком для внутреннего осмотра и чистки топочного устройства при необходимости. Внутри металлоконструкции данной части устраивается монолитная огнеупорная футеровка 4 специальной конструкции. Данная футеровка 4 является продолжением футеровки 11 колосниковой части 1 и является «самонесущей». Футеровка 4 организуется так, чтобы между наружной поверхностью футеровки 4 и металлическим кожухом 13 камеры горения 2 было образована зона 14 воздушного пространства по всему периметру огнеупорной стенки футеровки 4. В стенке футеровки 4 (огнеупора) сформировано большое количество фурменных отверстий 5. Количество фурменных отверстий 5 зависит от тепловой мощности топочного устройства, применяемого вида древесных отходов (топлива) и т.п. Воздух, необходимый для горения, подается в зону между футеровкой 4 (огнеупором) и металлическим кожухом 13 камеры горения 2. За счет избыточного давления воздуха и его распределения по всему внутреннему периметру/объему межстенного пространства происходит равномерное распределение воздуха через фурменные отверстия 5. Фурменные отверстия 5, расположенные под определенным углом, обеспечивают непосредственную подачу воздуха в зону горения топлива, а завихрения первичного воздуха внутри топочного устройства обеспечивает максимальный теплообмен и КПД топочного устройства.
Для обеспечения формирования «правильной» кипы топлива на колосниковой решетке применяется гидравлический питатель, который обеспечивает подачу топлива по всей ширине колосниковой решетки. Т.е. ширина питающего окна должна быть равна внутренней ширине топочного устройства. Выполнение данного условия гарантирует отсутствие пустого пространства на колосниковой решетке и предотвращает снижение эффективности топочного устройства за счет «протечек» воздуха на горение через свободную, не закрытую топливом поверхность валов-колосников 3.
Древесные отходы (топливо, кородревесные отходы) при помощи гидравлического питателя (не показано) согласно заданному алгоритму работы подаются непосредственно в топочное устройство на колосниковую решетку (валы-колосники 3), образуя необходимый слой топлива для горения. Отходы за счет подачи части первичного воздуха горения под колосниковую зону подсушиваются и воспламеняются. Продукты возгонки отходов и мелкие частицы догорают в камере горения. Камера горения имеет огнеупорную футеровку (монолитный огнеупор с рабочей температурой применения 1650°С) с фурменными отверстиями, обеспечивающими подачу первичного воздуха непосредственно в зону горения. Фурменные отверстия имеют определенный угол наклона, который позволяет формировать вихревые потоки, тем самым обеспечивая хорошее перемешивание кислорода с продуктами возгонки отходов (летучие компоненты), интенсифицируя процессы горения. В результате повышается КПД топочного устройства, а также снижаются вредные выбросы (NO, NOX, СО и др.).
Зола и возможный шлак (в случае использования загрязненного топлива) удаляется из топочного устройства за счет вращения валов-колосников по заданному алгоритму. Зола через зольный бункер топки попадает в зольный тракт/транспортер (не показан) и выводится в сменный зольный контейнер. В этот же зольный тракт выводится летучая зола, которая уносится газовым потоком.
Топочное устройство устанавливается на фундаментные опоры через систему металлоконструкций.