Пристрій для спалювання твердого палива

Реферат: Пристрій для спалювання твердого палива включає завантажувальний бункер, пов'язаний з камерою первинного горіння, порожнина якої з'єднана з патрубком відводу топкових газів. Усередині камери первинного горіння перебуває система колосникових ґрат у вигляді кошика, з можливістю регульованої подачі в неї первинного повітря. При цьому простір камери первинного горіння з'єднано з горизонтальним або слабопохилим вогневим тунелем, що формує зону первинного піролізного горіння. При цьому вогневий тунель з'єднаний з вертикально встановленою камерою допалювання піролізних газів, виконаною у вигляді з'єднаних між собою дифузора і конфузора. При цьому дифузорна частина камери допалювання обладнана тангенціально встановленими соплами типу сопла Лаваля, які пов'язані з теплообмінною порожниною, розташованою навколо конфузорно-рекупераційної частини камери допалювання для подачі вторинного попередньо нагрітого атмосферного повітря. При цьому теплообмінна порожнина рекупераційної частини камери допалювання зв'язана трубопроводом із пристроєм подачі в неї аерозольної повітряно-водяної суміші. UA 115106 U (12) UA 115106 U UA 115106 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплоенергетики і може бути реалізована для спалювання твердого палива з одержанням газів заданої температури, які використовуються у технологічних промислових цілях та пристроях для обігріву приміщень цивільних і промислових об'єктів. Корисна модель може бути використана при необхідності одержання максимальної кількості теплової енергії при раціональній витраті будь-яких паливних елементів у вигляді пелет (брикетів) або шматків різного геометричного розміру. Відомий пристрій для спалювання твердого палива, що включає корпус, у нижній частині якого розташована топка, пов'язана із завантажувальним бункером подачі палива примусово або під дією сил гравітації (http://teplowood.ru/burzhujka-iz-gazovogo-ballona.html). Під топкою розташовані колосники для подачі через них атмосферного повітря, що активує горіння палива. Над топкою розташована порожнина теплообмінника, що пов'язана з димарем. Всі елементи пристрою компактно розташовані по осі послідовно один над іншим. Як паливо використовуються всі його види, а геометричні розміри залежать від параметрів пристрою для спалювання палива. Недоліком відомого пристрою є те, що розташування колосників, розташованих під паливом, значною мірою погіршує експлуатацію пристрою, тому що ці колосники виконують подвійну функцію: забезпечують приплив повітря в зону горіння і служать для часткового переміщення золи у підтопочний простір. Це не забезпечує ефективне горіння палива через те, що прохідний перетин простору між колосниками змінюється і, відповідно, змінюється обсяг повітря, що підтримує горіння. У початковій фазі горіння надходження повітря інтенсивне через малий вміст золи, а в процесі горіння, у міру збільшення обсягу золи, прохідний переріз між колосниками зменшується, що вимагає додаткових зусиль для підтримки необхідного режиму процесу горіння. Розташування топки усередині печі по осі з порожниною теплообмінника прискорює процес горіння, зменшує тепловіддачу топкових газів і, відповідно, збільшує нераціональну витрату палива. Недоліком відомого пристрою є те, що топка і канал спалювання топкових газів перебуває на одній осі. Це забезпечує високу швидкість переміщення нагрітих газів у димохід і складність регулювання оптимальної швидкості для ефективного теплообміну при мінімальній витраті палива. Єдиним засобом, що дозволяє регулювати роботу печі залежно від теплових характеристик застосовуваного палива, є регулювання прохідного перетину димоходу. Разом з тим, при значному перекриванні живого перетину димоходу виникає ймовірність виділення газів в атмосферу котельної і отруєння персоналу, що працює по обслуговуванню печі. Збільшення прохідного перерізу приводить до зростання швидкості газів і спалювання палива за короткий проміжок часу. При такій витраті нераціонально витрачається паливо, збільшуючи вартість опалення, крім того, висока швидкість газів зменшує час взаємодії потоку нагрітих газів, знижуючи ефективність теплообміну. Відомий пристрій не передбачає можливість збільшення часу взаємодії топкових газів з теплообмінником залежно від калорійності палива і часу його згоряння. Найбільш близьким рішенням, вибраним як прототип, є пристрій для спалювання твердого палива, що включає завантажувальний бункер, пов'язаний з камерою первинного горіння, порожнина якої з'єднана з патрубком відводу топкових газів - димоходом (Патент Росії № 2293106 на винахід). Відомий пристрій має досить високу тепловіддачу, крім того, таке компонування печі забезпечує її компактність, що необхідно при використанні в мобільних установках. Недоліком відомого пристрою є те, що в цих пристроях горіння палива перебуває безпосередньо в зоні теплообміну. Це забезпечує низьку ефективність теплообміну, тому що гарячі гази, маючи короткий ефективний шлях, не встигають достатньою мірою остудитися, залишають ємність печі і віддаляються в димохід. Як і в аналогічно вищеописаному пристрої, обігрів потребує значних витрат через велику витрату палива і нераціональне використання нагрітих паливних газів. Істотним недоліком пристрою є те, що зона горіння перебуває в зоні теплообміну, а процес горіння відбувається в стані дефіциту окислювача - атмосферного повітря. При такому припливі повітря процес горіння є малокалорійним і призводить до прискореного утворення вуглецевих з'єднань - сажі, що викидається в атмосферу, погіршуючи екологію регіону, або відкладається на внутрішній поверхні печі, або теплообмінника, погіршуючи ефективність роботи печі. Відома піч не передбачає можливість активізації процесу горіння за рахунок інтенсивного перемішування повітря в зоні горіння. Приплив газів є практично ламінарним, вертикально спрямованим у бік димоходу. У цьому випадку топкові гази містять незгорілі частки, які могли б згоріти і збільшити ефективність печі. 1 UA 115106 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Задачею корисної моделі є вдосконалення конструкції пристрою для спалювання твердого палива за рахунок того, що: - пристрій забезпечує можливість зміни динамічного процесу горіння, що об'єднує максимальну теплотворність процесу і раціональний режим згоряння палива; - конструкцією пристрою передбачається формування різних термічних зон: зону первинного піролізного горіння, зону передачі процесу горіння за допомогою вогневого тунелю, зону допалювання піролізних газів, вона ж камера вторинного горіння палива. - конструкція пристрою передбачає поділ зони піролізного горіння окремо від зони вторинного горіння, що дозволяє оптимізувати процес горіння залежно від застосованого виду палива, його вологості, а також геометричних параметрів пелет, окремих шматків або брикетів; - передбачається усередині камери горіння палива пристрій у вигляді кошика з колосникових елементів, що дозволяє змінювати його кут нахилу і регулювання потоку первинного повітря, виходячи з вибраного режиму горіння палива; - вогневий тунель забезпечує стабілізацію процесу горіння для забезпечення його максимальної стабільності в зоні вторинного горіння, у якій забезпечується максимально ефективний процес допалювання піролізних газів для наступної теплопередачі утвореного тепла від топкових газів для утилізації; - виконання камери вторинного горіння у вигляді з'єднаних між собою дифузорного і конфузорного елементів, що забезпечують змінний переріз і відповідно змінну швидкість руху по осі камери сформованого теплового фронту в нижній частині камери і невелику передачу тепла теплообміннику навколо конфузора; - виконання порожнини вторинного горіння, що забезпечує активізацію процесу за рахунок подачі до неї окислювача - атмосферного повітря за допомогою тангенціального розташування сопел, які подають повітря і активно перемішують палаючі піролізні гази, активуючи процес, для повного спалювання палива; - пристрій передбачає незалежну подачу атмосферного повітря для роздільного регулювання процесів горіння в піролізній камері і камері допалювання піролізних газів; - пристрій містить незалежні канали подачі повітря: первинного - у камеру горіння палива і вторинного - у камеру допалювання піролізних газів; - ефективне спалювання піролізних газів забезпечується за рахунок того, що палаючі піролізні гази спалюються при безперервному обертанні, що утворює вогневий вихор за рахунок тангенціального розташування сопел у камері вторинного спалювання палива; - виконання сопел усередині камери вторинного згоряння у вигляді сопел Лаваля, які забезпечують обертальне прискорення газового потоку до високих швидкостей; - створення обертового вихрового потоку в сполученні із застосуванням попередньо нагрітого вторинного повітря збільшує різницю тиску в камері допалювання і зовнішнього атмосферного повітря, а також приводить до збільшення швидкості подачі вторинного повітря через сопла Лаваля; - попереднє нагрівання вторинного повітря в рекупераційній сорочці, розташованій навколо верхньої частини камери допалювання, перед подачею в нижню частину камери допалювання для підвищення температурного потенціалу і ефективності термічного процесу; - пристрій передбачає зволоження вторинного повітря перед подачею в рекупераційну сорочку для наступного нагрівання, що, крім оптимізації процесу горіння топкових газів, забезпечує кращі екологічні параметри топкових газів; - суміш нагрітих до високої температури повітря і водяної пари, в зоні сопел Лаваля, піддають впливу постійного електричного поля високої напруги, що дає можливість розкласти водяну пару на водень і кисень безпосередньо перед подачею для забезпечення активації і обертання палаючого потоку піролізних газів. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що пристрій для спалювання твердого палива включає завантажувальний бункер, пов'язаний з камерою первинного горіння, порожнина якої з'єднана з тунелем відводу піролізних газів. Відповідно до корисної моделі, у камері первинного горіння розміщений пристрій, виконаний із системи колосникових ґрат у вигляді з кошика. Камера первинного горіння має регульований зв'язок з атмосферним повітрям, яке як первинне повітря (окислювач) забезпечує горіння твердого палива. Простір камери первинного горіння з'єднано з горизонтальним або слабопохилим вогневим тунелем, який формує зону первинного - піролізного горіння газів, утворених при спалюванні палива, що перебуває в камері первинного горіння. Вогневий тунель з'єднаний з вертикально встановленою камерою допалювання піролізних газів, виконаною у вигляді з'єднаних між собою дифузора і конфузора. 2 UA 115106 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Дифузорна частина камери допалювання обладнана тангенціально встановленими соплами типу сопла Лаваля. Сопла своїми каналами пов'язані з теплообмінною порожниною, розташованою навколо конфузорно-рекупераційною частиною камери допалювання для подачі вторинного попередньо нагрітого атмосферного повітря. Теплообмінна порожнина рекупераційної частини камери допалювання зв'язана трубопроводом із пристроєм подачі в неї аерозольної повітряно-водяної суміші. Для підвищення ефективності процесу горіння піролізних газів вторинний регульований потік повітря насичують водою у вигляді пари або аерозолі і перед змішуванням з піролізними газами в дифузорному просторі піддають впливу постійного електричного поля високої напруги, для цього в соплах Лаваля розміщують електроди, що викликає розкладання води на кисень і водень, який є додатковим джерелом енергії і активізує процес горіння зі збільшенням максимальної температури горіння піролізних газів. Технічний результат від використання корисної моделі полягає в тому, що: - як паливо може використовуватись будь-який матеріал: від пелет (брикетів) з органічних матеріалів до пресованої крихти вугілля або відходів деревини; - пристрій дозволяє раціонально спалювати паливо при його максимальній тепловіддачі. Заявлена корисна модель пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана вертикальна проекція пристрою для спалювання твердого палива; на фіг. 2 - вигляд сопла Лаваля з електродом. Пристрій для спалювання твердого палива включає завантажувальний бункер 1, пов'язаний з камерою первинного горіння 2. У камері первинного горіння 2 шарнірно встановлений колосниковий кошик-топка 17, який виконаний з можливістю переміщення за допомогою штока 3 виконавчого механізму. Кількість первинного повітря, що надходить у камеру первинного горіння 2, здійснюється за допомогою регулюючих заслінок 4. Під камерою первинного горіння 2 розташований піддон для приймання золи 5 із пристроєм для її вивантаження 6. Камера первинного горіння 2 з'єднана з вогневим тунелем 7, що має теплоізолюючий кожух 8. Вогневий тунель 7 з'єднаний з вертикально встановленою камерою допалювання піролізних газів 9. Нижня частина камери допалювання піролізних газів 9 виконана у вигляді дифузора 10, а верхня - у вигляді конфузора 11. Дифузорна частина 10 камери допалювання 9 оснащена тангенціально встановленими соплами 12 типу сопла Лаваля. Сопла 12 пов'язані з теплообмінною порожниною 13, розташованою навколо конфузорнорекупераційною частиною 11 камери допалювання. Для попереднього підігріву атмосферного повітря, що надходить у дифузорну частину 10 камери 9, теплообмінна порожнина 13 зв'язана трубопроводом-каналом 14, що частково розташовується в кожусі 8 вогневого тунелю 7. Трубопровід 14 з'єднаний із пристроєм регламентованої подачі аерозольної повітряноводяної суміші 16 у рекупераційну частину 11 камери допалювання. Максимально нагріті продукти горіння у вигляді пічних газів надходять у вихідну трубу 15 для відводу їх у теплообмінник для утилізації тепла або технологічних процесів, для реалізації яких необхідна висока температура. У соплі 12 може бути розміщений електрод 18, виконаний з можливістю створення постійного електричного поля високої напруги в зоні надходження в камеру повітря, збагаченого високотемпературною водяною парою. Пристрій реалізується в такий спосіб. Особливістю пристрою є те, що його конструкцією передбачено винесення зон первинного і вторинного горіння за контури печі. Це забезпечує можливість точного налаштування процесів первинного і вторинного горіння з регламентованим виділенням піролізних газів для формування основного високотемпературного і ефективного процесу горіння, призначеного для одержання досить "чистих" високотемпературних топкових газів, для подальшого використання в теплообмінниках або безпосередньо в технологічних процесах. Конструктивне виконання завантаження залежить від палива (пелет, брикетів або шматків). Наявність бункера 1 обґрунтована тим, що це дозволяє цикл спалювання палива зробити безперервним для досить тривалого багатодобового процесу горіння. 3 UA 115106 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Істотним є те, що приймальний бункер 1 повинен мати необхідний ступінь герметичності. Герметичність необхідна для того, щоб процес первинного горіння, при якому утворюються піролізні гази, не порушувався через нерегламентоване надходження повітря. У камеру первинного горіння 2 паливо подається під дією гравітації по вертикальній або похилій трубі. Залежно від гранулометричного складу палива або геометричних параметрів окремих шматків, можуть застосовуватися різні конструкції живильників. Найбільш оптимальним є застосування саме поточного гравітаційного способу подачі палива, можливо застосування вібраційних або шнекових живильників, тому що вони дозволяють оперативно управляти процесом подачі палива і ефективно запобігати склепіння або зависання окремих шматків у бункері. Переміщуючись, паливо надходить між верхнім і нижнім рядом похило розташованих колосників камери первинного горіння 2. Нижні кінці верхніх і нижніх колосників з'єднані між собою, створюючи своєрідний колосниковий кошик 17 - топку. Процес горіння в первинній камері 2 супроводжується виділенням піролізних газів. Регульований процес забезпечується за рахунок зміни положення кошика 17 і припливу повітря за допомогою регулюючих заслінок 4, як при природній тязі, так і примусовій. Кут нахилу колосникового кошика 17 регулюють за допомогою штока 3 виконавчого механізму, чим забезпечують повільне горіння, необхідного для процесу газифікації (піролізу) при мінімально можливій витраті палива. Під камерою первинного горіння 2 розташований піддон для прийому золи 5 із пристроєм для її вивантаження 6. Камера первинного горіння 2, з'єднана з вогневим тунелем 7, що має теплоізолюючий кожух 8 і забезпечує формування необхідної сили тяги і формування потоку палаючих піролізних газів. Під дією сили тяги, що виникає в горизонтальному вогневому тунелі 7, піролізні гази, що горять, надходять у камеру допалювання 9. Камеру допалювання 9 виконують у вигляді з'єднаних між собою конфузора 11 і дифузора 10, як спрощений варіант камера допалювання виконується у вигляді циліндричної труби. Піролізні палаючі гази, надходячи в нижню дифузорну частину 10 камери допалювання 9, закручуються у вогненний вихор, що активізує процес горіння. Формування вихору здійснюють за рахунок спрямованих струменів вторинного повітря із тангенціально розташованих усередині дифузорної частини 10 камери допалювання 9 сопел 12, типу сопел Лаваля. Тангенціальне розташування сопел 12 забезпечує високу турбулентність потоку і підвищення до необхідного рівня температури горіння піролізних газів. Висока швидкість забезпечується за рахунок сили тяги і обертання потоку (кінетична енергія струменів вторинного повітря), через різницю тиску повітря навколишнього середовища і усередині камери допалювання 9. Тангенціальні канали в нижній частині камери допалювання 9 можуть бути розташовані в один і більше рядів на деякій відстані один від одного уздовж осі камери допалювання. Така подача вторинного повітря, яке попередньо нагрітого, забезпечує високу температуру і високоефективне спалювання піролізних газів. Геометричні розміри вогневого тунелю 7 і камери допалювання (довжини і перерізи) зв'язані між собою певними співвідношеннями, які підтверджені експериментально. Підвищення ефективності горіння в нижній частині камери допалювання 9 може бути досягнуто, за рахунок попереднього розкладання високотемпературної пари води на складові компоненти під дією постійного електричного поля високої напруги. Максимальна величина якої не повинна перевищувати величину пробивної напруги для поточних температури і вологості. У пристрої суміш перегрітих повітря і водяної пари проходить через сопла 12, у яких створюється постійне електричне поле високої напруги, за допомогою електрода 18, що дає можливість розкласти водяну пару на водень і кисень безпосередньо перед подачею суміші в камеру допалювання піролізних газів. Високотемпературні гази, сформовані в конфузорній частині 11 камери, виконують дві функції: основна - подаються у вихідну трубу 15 для відводу в пристрої, що обладнані теплообмінниками які забезпечують обігрів приміщень або технологічні процеси; другорядна нагрівання вторинного потоку повітря, призначеного для подачі у вихрові сопла в дифузорній частині 10 камери допалювання 9. Нагрівання повітря, що подається в камеру допалювання 9, призначене для підвищення температури горіння піролізних газів і збільшення ефективності роботи пристрою. Для нагрівання повітря використовують конфузорну частину 11 камери допалювання 9, у якій розташовують теплообмінну порожнину 13, канали якої з'єднують трубопроводами каналами 14, що прокладають за теплоізоляцією уздовж вогневого тунелю 7. Таке 4 UA 115106 U 5 10 15 20 25 розташування трубопроводу 14 дозволяє забезпечити попереднє нагрівання вторинного повітря, при цьому знижуючи температурне навантаження на наступне додаткове нагрівання вторинного повітря в теплообмінній порожнині. При необхідності високої продуктивності печі природної подачі повітря за рахунок створюваного розрядження може бути недостатньо. У цьому випадку може бути передбачена примусова подача первинного і вторинного повітря і/або примусове видалення димових газів, які забезпечать необхідний тиск повітря і швидкість вихрового потоку усередині камери допалювання. При необхідності збільшення часу горіння палива, між конфузорною 11 і дифузорною 10 частиною камери допалювання 9 можуть встановлювати порожнистий циліндр, за рахунок якого збільшують час допалювання палаючих піролізних газів і відповідно, збільшують повноту горіння палива і якість згорання палива. Дослідження показали, що процес горіння може бути активований у тому випадку, коли повітря, що подається у сопла, має необхідний ступінь вологості. Для цього трубопровід 14 з'єднують із пристроєм регламентованої подачі аерозольної повітряно-водяної суміші 16 у рекупераційну частину 11 камери допалювання. Застосування повітря, що містить аерозольну воду дозволяє: - забезпечити рівномірний процес горіння, що протікає з високою швидкістю і температурою, при цьому процес горіння відбувається з повною відсутністю продуктів неповного хімічного згоряння; - швидкість поширення полум'я збільшується пропорційно концентрації пари води; - збільшення температури в зоні горіння відбувається за рахунок часткового розкладання зволоженого повітря на компоненти, які при окислюванні виділяють додаткову кількість тепла. Зволоження вторинного повітря дозволяє одержати додаткову енергію і більш "чисті" топкові гази. Дослідно-промислові випробування показали, що пристрій може бути реалізований в різних галузях промисловості, а також у сільському господарстві. Пристрій з урахуванням необхідної продуктивності може бути виконано як у стаціонарному, так і у мобільному варіантах. Як паливо може бути використано будь-яке органічне паливо. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 1. Пристрій для спалювання твердого палива, що включає завантажувальний бункер, пов'язаний з камерою первинного горіння, порожнина якої з'єднана з патрубком відводу топкових газів, який відрізняється тим, що усередині камери первинного горіння перебуває система колосникових ґрат у вигляді кошика, з можливістю регульованої подачі в неї первинного повітря, при цьому простір камери первинного горіння з'єднано з горизонтальним або слабопохилим вогневим тунелем, що формує зону первинного піролізного горіння, при цьому вогневий тунель з'єднаний з вертикально встановленою камерою допалювання піролізних газів, виконаною у вигляді з'єднаних між собою дифузора і конфузора, при цьому дифузорна частина камери допалювання обладнана тангенціально встановленими соплами типу сопла Лаваля, які пов'язані з теплообмінною порожниною, розташованою навколо конфузорно-рекупераційної частини камери допалювання для подачі вторинного попередньо нагрітого атмосферного повітря, при цьому теплообмінна порожнина рекупераційної частини камери допалювання зв'язана трубопроводом із пристроєм подачі в неї аерозольної повітряноводяної суміші. 2. Пристрій для спалювання твердого палива за п. 1, який відрізняється тим, що в соплах Лаваля розміщені електроди, що виконані з можливістю створення постійного електричного поля високої напруги в гирлі сопла, в зоні надходження в камеру високотемпературного повітря, насиченого високотемпературною водяною парою. 5 UA 115106 U 6 UA 115106 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7