Механическое топочное устройство для сжигания твердого топлива (варианты)

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к топкам слоевого сжигания твердого топлива, характеризующимся неподвижным слоем на неподвижной колосниковой решетке и механизацией процессов верхней загрузки топлива и удаления золы, шлака и огарка с топливоподдерживающей поверхности. Техническое решение может найти свое преимущественное применение в составе тепловых установок котлов, предназначенных, в частности, для отопления помещений различного назначения совместно с жидкостной замкнутой системой теплоснабжения.

Слоевые твердотопливные топки обладают рядом преимуществ над твердотопливными топками других типов. Одно из основных достоинств слоевых твердотопливных топок заключается в отсутствии необходимости использования сложных пылеприготовительных устройств. Топки данного типа не требуют больших объемов камеры сгорания, просты в эксплуатации, пригодны для различных сортов твердого топлива и способны функционировать в условиях значительных колебаний тепловой нагрузки. При всем том работа топочных устройств, основанных на сжигании твердого топлива в слое, требует загрузки топлива на колосниковую решетку или иную топливоподдерживающую поверхность и удаления в дальнейшем нелетучих продуктов сгорания, включая зольные остатки, шлак, нагар и смоляные загрязнения. Данные операции очень трудоемки и при большой доле ручного труда в обслуживании подобных топок физически тяжелы для машиниста, что определяет высокую актуальность механизации ручных топок, в том числе и небольших котлоагрегатов.

Из патентного документа US 4646662 А от 03.03.1987 известна механическая топка, содержащая камеру сгорания с колосниковой решеткой, расходный бункер твердого топлива (предпочтительно, коксующегося угля), плунжерный питатель-дозатор и трубу для верхней загрузки топлива в топочную камеру, механизм золошлакоудаления и приемный бункер для золы и шлака. В процессе автоматического режима работы топки мотор через пружинно-эксцентриковый привод придает питателю-дозатору возвратно-поступательное движение для периодического забрасывания топлива на горящий слой. Указанный привод также связан с механизмом золошлакоудаления для очистки колосниковой решетки встряхиванием, благодаря которому продукты сгорания проваливаются сквозь отверстия решетки и падают вниз в приемный бункер.

Однако если поршень плунжерного питателя-дозатора не полностью проходит путь до камеры сгорания, то на стенках топливной трубы и загрузочного окна во фронте топки обильно скапливаются сажа и смолистые наслоения, лишь в малой степени удаляемые проходящими порциями топлива. Данные загрязнения необходимо периодически удалять вручную, кроме того, они повышают пожароопасность топочного устройства из-за возможного воспламенения смолы и перехода пламени из камеры сгорания в топливную трубу и расходный бункер топлива, вероятность чего возрастает при засорении дымохода или теплообменника котла частицами несгоревшего топлива и сажей, а также при нарушении отвода дымовых газов, что способно вызвать обратную тягу. Также известное устройство не обеспечивает быструю аварийную остановку горения и принудительное охлаждение теплообменника котла продувкой его холодным воздухом, что может потребоваться в случае перегрева, например при нарушении циркуляции жидкости в системе отопления. Указанные недостатки связаны с тем, что в известной топке отсутствует механизация удаления не успевшего сгореть топлива из камеры сгорания и не предусмотрена возможность создания в ней избыточного давления.

Решение технических проблем с очисткой и аварийной остановкой направлено на увеличение временных интервалов между ручным обслуживанием топочного устройства и повышение безопасности работы тепловой установки.

Обеспечиваемый настоящим изобретением технический результат заключается в более полной очистке топочного устройства от нелетучих продуктов сгорания топлива и ускоренном вхождении аппарата в режим аварийной остановки горения. Кроме того, устройство сохраняет свою компактность.

Технический результат достигается благодаря тому, что первый вариант топочного устройства для сжигания твердого топлива содержит расходный бункер твердого топлива, камеру сгорания с загрузочным окном во фронте, плунжерный питатель-дозатор с поршнем подачи топлива и топливную трубу для верхней загрузки твердого топлива в камеру сгорания, колосниковую решетку с топливоподдерживающей поверхностью, механизм очистки топливоподдерживающей поверхности и приемный бункер для нелетучих продуктов сгорания. При этом расходный бункер связан с камерой сгорания через топливную трубу, внутри которой размещен поршень питателя-дозатора, выполненный с возможностью продольного возвратно-поступательного движения и нахождения в положениях, первое из которых характеризуется открытым входным отверстием топливной трубы, второе положение характеризуется полным перекрытием входного отверстия топливной трубы при нахождении рабочего торца поршня внутри данной трубы, а в третьем положении рабочий торец поршня выступает из топливной трубы внутрь камеры сгорания. Причем поршень подачи топлива полностью перекрывает при этом проходное сечение топливной трубы и загрузочного окна.

В частном случае осуществления данного варианта изобретения камера сгорания выполнена с форсунками верхнего воздуха, а устройство дополнительно содержит камеру наддува, смежную с камерой сгорания, и механический нагнетатель воздуха, выход которого связан с нижней стороной колосниковой решетки и указанными форсунками верхнего воздуха.

Также в частном случае производительность нагнетателя воздуха выбрана из условия возможности продувки для прочистки камеры сгорания от осевших частиц продуктов сгорания топлива и ее охлаждения.

В другом частном случае механизм очистки топливоподдерживающей поверхности размещен внутри камеры наддува, а производительность нагнетателя воздуха выбрана из условия возможности удаления осевших частиц продуктов сгорания топлива с поверхности указанного механизма очистки.

Также технический результат достигается благодаря тому, что второй вариант топочного устройства для сжигания твердого топлива содержит камеру сгорания с топливоподдерживающей поверхностью и приемный бункер для нелетучих продуктов сгорания, расположенный ниже указанной топливоподдерживающей поверхности, нагнетатель воздуха, камеру наддува и поршень очистки топливоподдерживающей поверхности. При этом камера сгорания связана с нагнетателем воздуха через камеру наддува. Причем камера наддува выполнена из условия вмещения поршня очистки и возможности отвода рабочей торцевой части данного поршня вглубь своей полости.

В частном случае нагнетатель воздуха выполнен с возможностью продувки камеры наддува, камеры сгорания и обдува поршня очистки с повышенным объемным расходом воздуха относительно расхода при нормальном режиме работы устройства.

В другом частном случае устройство содержит плунжерный питатель-дозатор для подачи твердого топлива, выполненный с возможностью самоочистки.

Также в частном случае поршень очистки расположен параллельно питателю-дозатору в нижней части корпуса устройства и выполнен с возможностью обратного хода для увеличения производительности камеры наддува.

Кроме того, технический результат достигается выполнением поршня очистки топливоподдерживающей поверхности, являющегося частью устройства для сжигания твердого топлива. Конструкция данного поршня содержит корпус, нагревательный элемент и теплозащитный кожух. При этом корпус является полым и выполнен с отверстием в рабочем торце поршня, отверстием в своем основании для удаления пепла и отверстием для подвода воздуха от внешнего механического нагнетателя воздуха. Причем теплозащитный кожух образует канал для нагревательного элемента, связанный с отверстием в рабочем торце поршня с одной стороны и отверстием для подвода воздуха от нагнетателя воздуха с другой стороны.

В частном случае нижняя поверхность поршня выполнена с выступами, перекрывающими преимущественно всю ширину данного корпуса, а форма которых выбрана из условия сгребания продуктов сгорания в одном направлении.

Изобретение поясняется следующими чертежами, на которых в качестве примера показана предпочтительная конструкция механического топочного устройства для слоевого сжигания твердого топлива в составе системы котлоагрегата.

Фиг. 1: система тепловой установки с бойлерным котлом, вид спереди.

Фиг.2: механическое топочное устройство, вид спереди в продольном осевом разрезе.

Фиг. 3: топочное устройство, вид сбоку через выходное окно в камеру сгорания, показано без расходного бункера топлива.

Фиг. 4: поршень для очистки топливоподдерживающей поверхности со снятой верхней крышкой корпуса.

Фиг. 5: структурная схема управления устройством.

Фиг. 6, 7: загрузка топлива, вид спереди в продольном осевом разрезе.

Фиг. 8: розжиг и горение топлива, показано движение потоков воздуха.

Фиг. 9: прочистка топливной трубы при плановом гашении топлива.

Фиг. 10, 11: прочистка топливоподдерживающей поверхности колосниковой решетки.

Фиг. 12, 13: аварийное гашение топки.

Система тепловой установки (фиг. 1) содержит бойлерный котел 1 малой мощности, дымоходную трубу 2 для отвода дымовых газов с летучими продуктами сгорания, топочное устройство 3 с расходным бункером твердого топлива 4 и электронным устройством управления 5.

Топочное устройство 3 (фиг. 2) предназначено для камерного сжигания твердого топлива в горящем слое. Данное устройство содержит несущий корпус 6, бункер топлива 4, топливную трубу 7, камеру сгорания 8, камеру наддува 9 и приемный бункер 10 для шлака, золы и иных нелетучих продуктов сгорания.

Бункер 4 содержит топливоприемник и патрубок 11, снабженный датчиками уровня топлива.

Камера сгорания 8 содержит фронт (переднюю стенку) 12 и выходное окно в бойлерный котел 1, расположенное напротив фронта 12. Внутри камеры сгорания 8 установлена неподвижная колосниковая решетка 13, представляющая собой перфорированный топливный поддон. Верхняя плоскость решетки 13 является топливоподдерживающей поверхностью. В боковых стенках камеры сгорания 8 выполнены форсунки верхнего воздуха 14. Элементы конструкции камеры сгорания 8 выполнены из листового жаростойкого материала.

Кроме того, топочное устройство 3 содержит механический нагнетатель воздуха 15, воздуховод 16, плунжерный питатель-дозатор и механизм очистки топливоподдерживающей поверхности.

Механический нагнетатель воздуха 15 содержит крыльчатку с лопастями, приводимую в действие электромотором. На фиг. 2 крыльчатка нагнетателя воздуха 15 лежит в горизонтальной плоскости.

В состав плунжерного питателя-дозатора входит поршень подачи топлива 17, размещенный в топливной трубе 7 с возможностью продольного перемещения, связанный с приводом 18. В топливной трубе 7 установлен ряд датчиков для определения пространственного положения рабочего торца поршня подачи 17 топлива.

Механизм очистки топливоподдерживающей поверхности содержит поршень 19, установленный на направляющих или в трубе. Поршень 19 связан со своим приводом 20. Кроме того, механизм очистки включает в себя датчики пространственного положения поршня 19.

Приводы 18, 20 являются электромеханическими и обеспечивают управляемое линейное перемещение связанных с ними поршней 17 и 19.

Камера наддува 9 представляет собой внутреннюю полость корпуса 6 с входными и выходными отверстиями для воздуха, а также с окном очистки и розжига. Камера наддува 9 характеризуется величиной своей производительности, под которой понимается объем воздуха, проходящего через нее за единицу времени.

В передней стенке камеры сгорания 8, граничащей с камерой наддува 9, выполнено загрузочное окно 21 (фиг. 3), окно очистки и розжига 22, нижние и верхние отверстия для датчиков пламени 23 и 24 соответственно, установленных на противоположной стенке камеры наддува 9. Подрешеточная полость и боковые полости наглухо закрыты со стороны выходного окна соответственно пластинами 25, 26.

Поршень 19 механизма очистки топливоподдерживающей поверхности колосниковой решетки 13 содержит коробчатый корпус 27 (фиг. 4), термоэлектрический нагревательный элемент (ТЭН) 28 для розжига, теплозащитный кожух 29 и соединительный элемент 30 для связи поршня 19 с осью привода 20. В рабочем торце корпуса 27 выполнено отверстие обдува топлива 31, в дне корпуса 27 образовано отверстие (щель) 32 для удаления пепла, а также отверстия 33 для введения в корпус 27 воздуха. Все указанные отверстия и щель являются сквозными. Нижняя сторона корпуса 27, то есть подошва, снабжена чистящими выступами (рифлями) 34. Геометрические размеры и масса поршня 19 выбраны из условия эффективности его функционирования в качестве шлакоснимателя, шлакового толкателя и шлакосбросника топочного устройства 3.

Расходный бункер 4 связан с камерой сгорания 8 через топливную трубу 7, находящуюся в верхней части корпуса 6. Камера сгорания 8 расположена полностью внутри котла 1, в рабочем объеме которого также размещены теплообменные трубки с теплоносителем, и сообщается с ним через свое выходное окно. Размеры поршня 17 выбраны из условия настолько максимально полного перекрытия им проходного сечения топливной трубы 7 и загрузочного окна 21, при котором еще обеспечивается свободное движение поршня 17 без чрезмерного трения и заклинивания. Колосниковая решетка 13 расположена в нижней части камеры сгорания 8. Верхняя плоскость полотна решетки 13 находится вровень или выше края приемного бункера 10, вплотную с которым расположен край решетки 13. Поршень 19 выполнен с возможностью перемещения в непосредственной близи от топливоподдерживающей поверхности и имеет длину хода, не меньшую длины решетки 13 в плане.

Камера наддува 9 расположена в центральной части корпуса 6 и сообщается напрямую как с подрешеточной, так и с надрешеточной полостями камеры сгорания 8. Поршень очистки 19 размещен в камере наддува 9 точно под топливной трубой 7 в нижней части корпуса 6 параллельно оси поршня 17.

Механический нагнетатель воздуха 15 связан с входным и выходным каналами воздуховода 16, через которые атмосферный воздух способен поступать в камеру наддува 9, создавая в ней избыточное давление. Конструкция устройства выполнена с возможностью дальнейшего прохода потоков воздуха в подрешеточную полость и внутрь корпуса 27 поршня очистки 19 сквозь отверстия 33. Из подрешеточной полости воздух попадает в рабочий объем камеры сгорания 8 через колосники. Также воздух поступает из подрешеточной полости в боковые полости и выходит в рабочий объем камеры сгорания 8 через форсунки верхнего воздуха 14. Кроме того, воздух из камеры наддува 9 обдувает поршень очистки 19, проникая из корпуса 27 в рабочий объем камеры сгорания 8 сквозь окно 22 и отверстие 31. Раскаленные дымовые газы покидают камеру сгорания 8 через выходное окно топочного устройства 3.

Устройство управления 5 (фиг. 5) электрически связано своими информационными входами/выходами с датчиками уровня топлива в патрубке 11 бункера 4, датчиками пламени 23, 24, датчиками положения поршня 17 и датчиками положения поршня 19, управляющими приводами 18, 20, мотором нагнетателя воздуха 15, датчиком температуры теплоносителя 35, внешними органами управления 36, включая дистанционные.

Аппарат функционирует следующим образом.

Сначала, в зависимости от вида твердого топлива, его куски при необходимости измельчают на молотковой дробилке или формируют пеллеты, придавая топливу требуемую крупность.

Автоматическое устройство управления 5 считывает показания датчиков для определения пространственного положения поршня подачи 17 и поршня очистки 19. В случае отклонения их позиции от изображенной на фиг. 6, характеризующейся полным перекрытием боковой поверхностью верхнего поршня 17 входного отверстия топливной трубы 7, устройство управления 5 генерирует сигналы для приведения приводов 18, 20 в движение и установки поршней 17, 19 в исходное рабочее положение.

Затем вручную или используя механическую топливоподачу, например, течку, загружают топливо в топливоприемник бункера 4. Так как входное отверстие топливной трубы 7 перекрыто и поршень 17 препятствует выходу топлива из патрубка 11, то данный патрубок полностью заполняется топливом и с датчиков уровня топлива в устройство управления 5 поступает сигнал, характеризующий готовность аппарата к работе.

Для наполнения камеры сгорания 8 топливом устройство управления 5 дает поршню подачи 17 обратный ход и отводит его назад от фронта 12, втягивая данный поршень вглубь топливной трубы 7 как показано на фиг. 7. При этом поршень 17 открывает входное отверстие топливной трубы 7, через которое под действием гравитации ссыпается часть топлива из патрубка 11 бункера 4. Совершая несколько возвратно-поступательных движений поршнем 17 проталкивают необходимое количество топлива из топливной трубы 7 вперед и сбрасывают его в камеру сгорания 8, где топливо падает сверху на колосниковую решетку 13.

По достижении достаточной заполненности топливом камеры сгорания 8 включают нагнетатель воздуха 15 и питание ТЭНа розжига 28. Нагнетатель 15 засасывает атмосферный воздух в воздуховод 16 (фиг. 8) и создает избыточное давление внутри камеры наддува 9. При этом воздух обдувает поршень 19 снаружи и проникает через его отверстия 33 под теплозащитный кожух 29, препятствующий рассеиванию тепла, где воздух сильно нагревается от ТЭНа 28 и выходит сквозь отверстие обдува 31 и окно 22 в камеру сгорания 8. Контакт с раскаленным воздухом осуществляет тепловую подготовку топлива, завершающуюся его нижним воспламенением. Кроме того, воздух проникает в подрешеточную полость через отверстия в передней стенке камеры сгорания, способствуя горению. Отверстия для датчиков 23 участвуют в раздувании пламени попутно, продувая воздух через кучу топлива возле передней стенки камеры сгорания 8. Момент воспламенения топлива фиксируется автоматикой по сигналу от датчиков 24, реагирующих на свет от огня, поступающий на чувствительные элементы через отверстия в передней стенке камеры сгорания 8, после чего питание ТЭНа 28 отключают. Далее аппарат входит в режим нормального горения органического топлива с получением высоконагретых дымовых газов, передающих свою тепловую энергию бойлерному котлу 1 или используемую для других целей. При этом нагнетатель 15 создает поток первичного воздуха, пронизывающий горящий слой топлива снизу вверх через воздушные зоны колосниковой решетки 13 и поступающий в надрешеточное пространство, куда также нагнетается вторичный воздух через форсунки 14, а также отверстия для датчиков 23, для интенсификации горения и более полного сгорания топлива. Горение поддерживают периодически повторяя процесс загрузки топлива в камеру сгорания 8, причем рабочий торец поршня 17 при движении вперед не доводят как минимум на 1 см до проема загрузочного окна 21. В данном режиме возможно верхнее зажигание топлива от соприкосновения с горящим слоем и под действием ИК-излучения сводов камеры сгорания 8, что позволяет не задействовать повторно ТЭН 28 для розжига.

По достижении установленной температуры теплоносителя в котле 1, измеряемой датчиком температуры теплоносителя 35, начинают плановое гашение топочного устройства 3. Для этого полностью освобождают трубу 7 от топлива, выдвигая поршень 17 максимально вперед как показано на фиг. 9, при этом рабочий торец поршня 17 в крайнем положении выступает из топливной трубы 7 внутрь камеры сгорания 8 на расстояние Z, предпочтительно не меньшее 5 мм, что позволяет краем рабочего торца поршня 17 полностью срезать и счистить отложения продуктов сгорания на стенках топливной трубы 7 и загрузочного окна 21 благодаря полному прилеганию внешней поверхности поршня 17 к внутренней поверхности топливной трубы 7 и загрузочного окна 21. Отделенные от указанных стенок продукты сгорания сбрасывают вниз на решетку 13, проводя таким образом самоочистку питателя-дозатора. После чего поршень 17 отводят в исходное положение (фиг. 6). Момент гашения пламени определяют по показаниям датчиков пламени 23 через верхние отверстия во фронте 12 топки.

Далее продувают камеру сгорания 8 воздухом и механически очищают топливоподдерживающую поверхность решетки 13. Для этого включают воздушный нагнетатель 15 на максимальных оборотах вращения его крыльчатки, позволяющих оперативно охладить камеру сгорания 8 и частично выдуть несгоревшие остатки топлива, золу и пр. При этом поршень 19 сначала отводят от камеры сгорания 8, втягивая его назад на расстояние W (фиг. 10) от проема окна 22 для сдувания попавшего на поршень 19 пепла воздухом в камере наддува 9, проходящего из камеры наддува к поршню через щели между направляющими или верхние и нижние отверстия в трубе, несущей поршень 19. Расстояние W предпочтительно составляет не менее 2 см. Затем поршень 19 перемещают максимально вперед (фиг. 11), сдвигая и сбрасывая передним торцом данного поршня шлак, золу и огарок в бункер 10. Указанные движения циклически повторяют несколько раз для более полной очистки топливоподдерживающей поверхности выступами 34 на подошве поршня 19. В показанном на фиг. 11 положении поршня 19 отверстие (щель) 32 оказывается над зевом бункера 10, благодаря чему пепел, попавший внутрь корпуса 27 поршня 19 через отверстие 31, высыпается в бункер 10. По окончании данного действия устанавливают поршень 19 в исходное положение (фиг. 6), выключают нагнетатель 15 и ожидают снижения температуры теплоносителя ниже заданного уровня по датчику 35, после чего начинают рабочий цикл заново.

В случае необходимости быстрого аварийного гашения и охлаждения аппарата, освобождают трубу 7 от топлива, изолируют бункер топлива 4 от камеры сгорания 8 поршнем 17, разрывающим топливную непрерывность и препятствующим прохождению обратного пламени в бункер 4 и возгоранию топлива. Потом сбрасывают горящее топливо в приемный бункер 10, совершая поршнем 19 несколько полноамплитудных движений (фиг. 12). После чего останавливают поршень 19 в показанном на фиг. 13 положении. Обратный ход поршня 19 увеличивает производительности камеры наддува 9 благодаря открытию боковых отверстий в данной камере и полному раскрытию проема окна 22. Потом включают нагнетатель 15 на максимальную мощность потока воздуха, характеризующуюся повышенным объемным расходом воздуха относительно расхода при нормальном режиме работы устройства, проходящего через отверстия камеры наддува 9, решетку 13 и форсунки 14. Так как поток воздуха проходит выше края бункера 10, то попавшее в него еще горящее топливо быстро гаснет, а температура теплоносителя падает до безопасного значения. Данная ситуация может возникнуть, например, при отказе циркуляционного насоса теплоснабжения, приводящем к кипению теплоносителя в теплообменнике с последующим разрушением системы теплоснабжения давлением пара или выбросом теплоносителя из системы.

Управление работой топочного устройства осуществляется в автоматическом или ручном режиме, в том числе дистанционно и/или в составе интеллектуальной системы управления инженерными системами здания.

Верхняя загрузка топлива с нижним подводом первичного воздуха создает хорошие условия для зажигания и горения, однако падающие в рабочую зону ненагретые куски топлива вызывают снижение температуры горения, что сопровождается образованием смол и вызывает необходимость частой чистки топочного устройства. Если сжигаемое топливо характеризуется высокой зольностью и способностью к шлакообразованию, то процесс горения сопровождается образованием крупных агломератов золы и шлака.

Благодаря тому, что плунжерный питатель-дозатор выполнен с возможностью выступания рабочего торца поршня из топливной трубы внутрь камеры сгорания при полном перекрытии проходного сечения топливной трубы и загрузочного окна, осуществляется самоочистка стенок топливной трубы устройства и проема загрузочного окна во фронте камеры сгорания от сажевого нагара и смол, что ведет к увеличению степени очистки внутренних элементов конструкции топочного устройства для сжигания твердого топлива. Выполнение камеры сгорания с форсунками верхнего воздуха способствует более полному сжиганию топлива, уменьшает этим количество нелетучих продуктов сгорания и дополнительно увеличивает чистоту внутренних элементов конструкции топочного устройства. Так как камера наддува вмещает в себя поршень очистки, а производительность нагнетателя воздуха выбрана достаточно большой, то это позволяет удалять осевшие частицы продуктов сгорания топлива с поверхности поршня очистки. Также высокая производительность нагнетателя воздуха позволяет эффективно очищать внутренние элементы конструкции топочного устройства продувкой мощным потоком воздуха. На увеличение степени очистки внутренних элементов конструкции топочного устройства, кроме того, положительно влияет выполнение поршня очистки топливоподдерживающей поверхности с отверстием в основании для удаления пепла и с продуваемым в камере наддува каналом. Очистка наиболее эффективна при выполнении подошвы поршня очистки с широкими выступами, форма которых позволяет отделять продукты сгорания от топливоподдерживающей поверхности и сгребать их в приемный бункер.

Ускорение вхождения топочного устройства в режим аварийной остановки горения и продувка устройства достигается включением в состав конструкции устройства нагнетателя воздуха, поршня очистки топливоподдерживающей поверхности, выполненного с возможностью обратного хода для увеличения производительности камеры наддува, расположением приемного бункера для нелетучих продуктов сгорания ниже указанной топливоподдерживающей поверхности.

Компактность топочного устройства достигается расположением поршня очистки параллельно питателю-дозатору в нижней части корпуса и совмещению его с устройством розжига в едином корпусе.