Способ беспламенного сжигания углеродсодержащего топлива

Изобретение относится к области сжигания твердого топлива, имеющего в своем составе углеродсодержащие материалы, и может быть использовано для автономного, экологически чистого и экономичного обогрева жилых и хозяйственных помещений, теплиц и парников, дачных домиков, бытовок, палаток и железнодорожных вагонов, а также для переработки углеродсодержащих отходов.

Уровень техники

Известен способ сжигания топлива в плотном фильтрующем слое, которое размещается на воздухораспределительной (колосниковой) решетке. Слой топлива продувается воздухом со скоростью, при которой устойчивость слоя не нарушается (см. Теплогенерирующие установки: Учеб. для вузов. Г.Н. Делягин, В.И. Лебедев, Б.А. Пермяков, П.А. Хаванов. М.: ООО «ИД «БАСТЕТ»», 2010. С. 111-112). Твердое топливо загружают на прогорающие очаговые остатки топлива от предыдущей загрузки. Под колосниковую решетку подают воздух, который является источником кислорода, необходимым для процесса горения. Свежее топливо воспламеняется снизу от очаговых остатков по всей площади слоя. Фронт горения распространяется снизу вверх по толщине слоя топлива.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, является сжигание топлива в плотном фильтрующем слое, которое размещается на основе (колосниковой решетке). В процессе горения устойчивость слоя не нарушается.

Недостаток данного способа заключается в том, что он применяется только для кускового твердого топлива. Мелкодисперсное топливо просыпается через колосниковую решетку, а также уносится продуваемым воздухом, что приводит к нарушению устойчивости слоя топлива и процесса горения.

Известны способ получения диоксида кремния и тепловой энергии из кремнийсодержащих растительных отходов и установка для сжигания мелкодисперсных материалов (патент РФ 2291105, МПК С01В 33/12, F23C 9/00, опубл. 10.01.2007. Бюл. №1). Изобретение относится к области энерготехнологической переработки мелкодисперсных материалов, преимущественно к утилизации кремнийсодержащих растительных отходов, в результате получается диоксид кремния различной чистоты, и может быть применено для выработки тепловой энергии при сжигании дробленых твердых топлив или горючих отходов, которые используются, например, для отопления, горячего водоснабжения, технологических нужд, а также для выработки электроэнергии. Способ включает окислительный обжиг в непрерывном режиме предварительно подготовленного исходного сырья при движении плотного слоя в зоне горения с регулированием температуры горения, изменяя расход воды или пара, подаваемых в зону горения, и утилизацию тепла отходящих газов.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются возможность энерготехнологической переработки мелкодисперсных материалов и регулирование температуры горения.

Предлагаемое техническое решение может быть реализовано с помощью сравнительно больших и сложных установок, требующих наличия дымохода, что делает их непригодными для обогрева небольших помещений. Наличие шнековых устройств приводит к уносу мелкодисперсных частиц в атмосферу.

Наиболее близким по существу технического решения к заявляемому способу сжигания твердого топлива является известный беспламенный способ сжигания твердого топлива, включающий горизонтальную укладку твердого топлива плотным слоем, его зажигание и сжигание. Твердое топливо укладывают на колосниковой решетке, а в качестве твердого топлива используют топливные брикеты (патент РФ 2393381, МПК F23B 70/00, опубл. 27.06.2010. Бюл. №18). Данное изобретение может быть использовано для автономного, экологически чистого, экономичного обогрева и позволяет увеличить период между загрузками топлива до 11 часов.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются беспламенное сжигание твердого топлива и возможность сжигания пылевидного топлива.

К недостаткам данного способа можно отнести то, что он требует дополнительной операции приготовления брикетов из пылевидного топлива и он не пригоден для сжигания топлива с низким содержанием углерода. Отсутствует возможность регулировки тепловой мощности в процессе горения топлива.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка экологически чистого способа сжигания твердого топлива (без использования дымохода), применяемого для обогрева помещений, в том числе жилых, спальных помещений. В результате решения данной задачи при реализации способа могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в уменьшении потерь тепла с газообразными продуктами горения, а также с химическим недожогом углерода топлива, возможность сжигания мелкодсперсного топлива с повышенным содержанием негорючих материалов.

Технические результаты достигаются тем, что в беспламенном способе сжигания твердого топлива, включающем укладку твердого топлива на основу, его зажигание и сжигание, согласно изобретению в качестве твердого топлива используют углесодержащие сырье с содержанием не менее 10% углерода, а в качестве основы используют пористую теплостойкую перегородку, при этом сжигание топлива производят, осуществляя принудительное удаление газообразных продуктов сгорания через пористую теплостойкую перегородку.

Данные технические результаты достигаются тем, что в способе сжигания твердого топлива, включающем укладку твердого топлива, его зажигание и сжигание, твердое топливо укладывают горизонтальным слоем на пористую теплостойкую перегородку, через которую происходит удаление газообразных продуктов сгорания.

Отличительная особенность заявляемого способа сжигания твердого топлива состоит в том, что твердое топливо укладывают на пористую теплостойкую перегородку, через которую происходит принудительное удаление газообразных продуктов сгорания. Источником кислорода, необходимого для процесса горения, является воздух, который подают сверху сжигаемого слоя топлива. В отличие от традиционных способов сжигания зона горения при этом перемещается сверху вниз. Фильтрация газов через мелкодисперсный материал обеспечивает высокую эффективность теплообмена между газообразной и твердой фазой. В результате подаваемый воздух быстро нагревается, охлаждая золу (негорючие материалы), а продукты сгорания эффективно отдают тепло, подогревая топливо перед процессом горения. Потери тепла с продуктами сгорания уменьшаются, что позволяет поддерживать стабильный процесс горения топлива с высоким содержанием негорючих компонентов. При сжигании крупнокускового топлива и брикетов происходит длительное сгорание кусков и перемещение продуктов сгорания (углекислого газа) относительно разогретого углеродсодержащего материала, что приводит к повышенному содержанию угарного газа в продуктах сгорания:

СO₂ + С = 2СО.

К аналогичному эффекту приводят пары воды, содержащиеся в продуктах сгорания:

Н₂O + С = СО + Н₂.

В предлагаемом нами способе вероятность протекания данных реакций уменьшается из-за эффективного теплообмена и быстрого охлаждения углекислого газа и паров воды. Кроме того, частицы углерода, содержащиеся в мелкодисперсном топливе, выгорают, не успевая вступить в реакцию с образованием угарного газа.

Предлагаемое техническое решение реализуется в топочных камерах вертикального типа, в которых роль колосниковой решетки выполняет пористая теплостойкая перегородка, поверх которой засыпается пылевидное углеродсодержащее топливо. Снизу перегородки в топочной камере создается разрежение, стимулирующее поток воздуха, подаваемый в верхнюю часть камеры. Воздух проходит через золу, нагревается и попадает в зону горения. Слой топлива поджигается с верхней стороны слоя и беспламенно сгорает с окислением углерода в зоне сгорания, которая, в свою очередь, по мере выгорания углерода перемещается в сторону перегородки. Газообразные продукты сгорания фильтруются через мелкодисперсное топливо.

Предложенная схема сжигания обеспечивает нагрев воздуха, быструю отдачу тепла дымовых газов и нагрев нижележащих слоев топлива. Это обеспечивает снижение потерь тепла с продуктами сгорания, что позволяет сжигать топливо с повышенным содержанием негорючих материалов (перерабатывать отходы).

Температура горящего слоя при беспламенном горении не превышает 800°С, что практически не дает образовываться окислам азота, сопровождающим сжигание в печах с кипящим слоем и слоевых топках при интенсивном нижнем поддуве воздуха. Режим горения определяется величиной разрежения в нижней части топочной камеры либо регулированием расхода воздуха в верхней ее части. Низкая теплопроводность мелкодисперсного топлива сохраняет температуру, достаточную для воспламенения длительное время, что позволяет регулировать тепловую мощность установки прерывистой подачей воздуха, то есть временным прекращением процесса горения. Теплоотвод от топочной камеры может быть организован за счет теплообменников, расположенных на боковых ее поверхностях и в пористой перегородке.

Заявляемый беспламенный способ сжигания твердого топлива может быть подтвержден следующими примерами.

Пример 1. Циклонную пыль из системы газоочистки кремниевого производства, содержащую 10% углерода (древесный и каменный уголь) и негорючие компоненты (диоксид кремния 88% и 2% других неорганических соединений), укладывают в топочную камеру на пористую теплостойкую перегородку, осуществляют зажигание верхнего слоя пыли и принудительное удаление газообразных продуктов сгорания. Происходит беспламенное горение до выгорания уложенного слоя. Температура не превышает 700°С. Содержание углерода в золе 1.8%. Твердые остатки, образующиеся при сжигании, могут быть использованы при производстве строительных материалов.

Пример 2. Циклонную пыль из системы газоочистки кремниевого производства, содержащую 10% углерода (древесный и каменный уголь) и негорючие компоненты (диоксид кремния 88% и 2% других неорганических соединений), брикетируют, укладывают в топочную камеру на колосниковую решетку, осуществляют зажигание, после удаления источника зажигания горение затухает. Содержание углерода в оставшемся топливе 9,7%.

Пример 3. Циклонную пыль из системы газоочистки кремниевого производства, содержащую 8% углерода (древесный и каменный уголь) и негорючие компоненты (диоксид кремния 90% и 2% других неорганических соединений), укладывают в топочную камеру на пористую теплостойкую перегородку, осуществляют зажигание верхнего слоя пыли и принудительное удаление газообразных продуктов сгорания, после удаления источника зажигания горение затухает. Содержание углерода в оставшемся топливе 7,5%

Пример 4. Циклонную пыль из системы газоочистки кремниевого производства, содержащую 16% углерода (древесный и каменный уголь) и негорючие компоненты (диоксид кремния 82,5% и 1,5% других неорганических соединений), укладывают в топочную камеру на пористую теплостойкую перегородку, осуществляют зажигание верхнего слоя пыли и принудительное удаление газообразных продуктов сгорания. Через 30 минут принудительное удаление газообразных продуктов сгорания останавливают, горение прекращается, в течение часа температура нагретого слоя уменьшается до 610°С. После возобновления принудительного удаления газообразных продуктов сгорания беспламенное горение продолжается до выгорания уложенного слоя. Температура нагретого слоя не превышала 740°С. Содержание углерода в золе 1.6%. Твердые остатки, образующиеся при сжигании, могут быть использованы при производстве строительных материалов.

Пример 5. Мелкодисперсный древесный уголь, образующийся при его производстве, содержащий 72% углерода и 28% негорючих неорганических соединений, укладывают в топочную камеру на пористую теплостойкую перегородку, осуществляют зажигание верхнего слоя пыли и принудительное удаление газообразных продуктов сгорания. Происходит беспламенное горение до выгорания уложенного слоя. Температура не превышает 780°С. Содержание углерода в золе 0.5%. Твердые остатки, образующиеся при сжигании, могут быть использованы в качестве удобрения.

Предлагаемый беспламенный способ сжигания позволяет использовать в качестве топлива углеродсодержащие отходы (примеры 1 и 5) с содержанием углерода не менее 10% (примеры 1 и 3). Изготовленные брикеты с аналогичным составом самостоятельно не поддерживают горение (примеры 1 и 2). Разработанный беспламенный способ сжигания твердого топлива позволяет останавливать процесс горения на длительный период с последующим его возобновлением, тем самым осуществляя регулировку процесса тепловыделения (пример 4).