устройство для сжигания топливной смеси твердых материалов и конденсированных веществ

Формула изобретения

Устройство для сжигания топливной смеси из твердых материалов и конденсированных веществ, содержащее корпус с рекуперативным теплообменником, включающим патрубки подвода окисляющего воздуха и отвода газообразных продуктов горения, первые из которых сообщаются с атмосферой, а последние связаны со свободным объемом корпуса и вытяжным вентилятором, камеру сгорания, сформированную в свободном объеме корпуса, выполняющем функцию второй камеры сгорания для газообразных продуктов пиролиза, наклоненными к оси неконгруэнтными стенками, наружной стенкой, образованной набором колец с убывающими диаметрами кверху, установленных с частичным перекрытием и зазорами для подвода окисляющего воздуха и отвода продуктов горения, и внутренней стенкой, образованной набором дисковых пластин разного диаметра, установленных по убывающей снизу вверх с зазорами для подвода окисляющего воздуха, смонтированными с периферийным кольцевым зазором в основании над бункером сбора золы и твердого негорючего остатка, причем наружная стенка камеры сгорания сопряжена с бункером загрузки топливной смеси, отличающееся тем, что патрубки подвода окисляющего воздуха закреплены непосредственно в зазорах в обеих стенках камеры сгорания, дисковые пластины выполнены с осевыми отверстиями, образующими в наборе свободный конический открытый объем, сообщающийся с патрубком отвода газообразных продуктов горения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для сжигания кускового топлива с кольцевой конической камерой сгорания, использующей рекуперацию тепла, вторичное сжигание.

Из патентной литературы известны устройства для термической переработки и сжигания твердых материалов, отходов и топливных смесей, включающих конденсированные вещества (см., например, патенты RU 2076272, 1997 и 2135896, 1999, оба по классу F 23 G 5/027; 2137044, 1999, F 23 G 5/14), содержащие помещенные в корпусе узлы подачи сырья и выгрузки коксозольного остатка, камеру горения с зонами пиролиза и дожигания, систему подогрева и подачи окисляющего воздуха, рекуператор типа труба в трубе.

Недостатками указанных устройств являются их конструктивная сложность и функциональная ненадежность, определяющие необходимость комлектования дополнительными устройствами фильтрации газов, сепараторов, скруберов и т.п.

Наиболее близким устройством по числу совпадающих признаков и технической сущности является описанное в свидетельстве RU на полезную модель 12458, F 23 В 1/34, опубл. 10.01.2000 в бюл. 1., камера сгорания которого содержит две газопроницаемые перфорированные конические стенки, наружная из которых образована из колец с уменьшающимися кверху диаметрами, установленных друг в друге с гарантированным зазором и частичным перекрытием, а внутренняя стенка формообразована профилем конической дисковой решетки воздухораспределителя, смонтированного на центральном патрубке подачи окисляющего воздуха, который помещен в отводящем патрубке вытяжки, образующими рекуперативный теплообменник.

Коллектор узла подачи окисляющего воздуха выполнен в виде охватывающего камеру сгорания цилиндра, смонтированного на центральном патрубке и закрепленного на дисковой конической решетке воздухораспределителя, и периферийной рубашки корпуса с узлом подачи воздуха над свободным объемом второй коаксиальной камеры сгорания летучих горючих-газообразных продуктов пиролиза кусковой топливной смеси.

Наружная стенка камеры сгорания сопряжена с бункером загрузки топливной смеси. Коническая поверхность центрального воздухораспределителя, образующая внутреннюю стенку камеры сгорания, выполнена с углом естественного откоса для кусковой топливной смеси, что исключает необходимость в механизме предотвращения сводообразования. По конусу внутренней стенки камеры сгорания кусковая топливная смесь самопроизвольно под действием сил гравитации перемещается вниз, последовательно вдоль реакционных зон.

Формообразующие стенки камеры сгорания у основания закреплены с кольцевым зазором для выхода минерального остатка, для сбора и удаления которого в донной части корпуса выполнен трубчатый сепаратор и радиально подвижный поддон.

В патрубке отвода газообразных продуктов горения смонтирован вытяжной вентилятор, посредством которого внутри корпуса устройства создается разряжение, засасывающее атмосферный воздух в систему подачи его на окисление сжигаемой топливной смеси и газообразных продуктов горения.

Организованное встречное движение подаваемого окисляющего воздуха и отводимых газообразных продуктов в конструкции типа труба в трубе, представляющей собой рекуперативный теплообменник, обеспечивает предварительный, без внешних источников, нагрев окисляющего воздуха. Топливную смесь сжигают в камере сгорания, а промежуточные летучие, газообразные продукты горения - в свободном объеме корпуса устройства, в так называемой второй внешней камере сгорания.

Устройство представляет собой автономную компактную конструкцию, эффективно работающую по полному сжиганию кусковой топливной смеси, которая может содержать негорючие компоненты.

Недостатком известного устройства является сложность узла подачи окисляющего воздуха к внутренней стенке камеры сгорания и конструктивно ограниченный отвод летучих горючих только с верхней части наружной стенки в свободный объем корпуса, что тормозит процесс сжигания и снижает его качество образованием коксового остатка, затрудняющего ротацию топливной смеси в камере сгорания автоматически под действием сил гравитации.

Техническим результатом заявленного изобретения является усовершенствование известного устройства для повышения производительности и качества сжигания кусковой топливной смеси и расширение функциональных возможностей устройства.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном устройстве для сжигания топливной смеси из твердых материалов и конденсированных веществ, содержащем корпус с рекуперативным теплообменником, включающим патрубки подвода окисляющего воздуха и отвода газообразных продуктов горения, первые из которых сообщаются с атмосферой, а последние связаны со свободным объемом корпуса и вытяжным вентилятором, камеру сгорания, сформированную в свободном объеме корпуса, выполняющем функцию второй камеры сгорания для газообразных продуктов пиролиза, наклоненными к оси неконгруэнтными стенками, наружной стенкой, образованной набором колец с убывающими диаметрами кверху, установленных с частичным перекрытием и зазором для подвода окисляющего воздуха и отвода продуктов горения, и внутренней стенкой, образованной набором дисковых пластин разного диаметра, установленных по убывающей снизу вверх с зазорами для подвода окисляющего воздуха, смонтированными с периферийным, кольцевым зазором в основании над бункером сбора золы и твердого негорючего остатка, причем наружная стенка камеры сгорания сопряжена с бункером загрузки топливной смеси, согласно изобретению патрубки подвода окисляющего воздуха закреплены непосредственно в зазорах в обеих стенках камеры сгорания, дисковые пластины выполнены с осевыми отверстиями, образующими в наборе свободный конический открытый объем, сообщающийся с патрубком отвода газообразных продуктов горения.

Закрепление патрубков подвода окисляющего воздуха непосредственно в зазорах в обеих стенках камеры сгорания обеспечивает ориентированное по зонам горения дифференцированное распределение воздуха в камере сгорания, что интенсифицирует процесс и скорость реакций, увеличивает полноту сжигания топливной смеси без образования кокса, улучшает условия автоматического самопроизвольного вывода негорючего минерального остатка. Выполнение дисковых пластин с осевыми отверстиями, образующими в наборе свободный конический открытый объем, позволяет объединить его со свободным объемом корпуса, коаксиальным камере сгорания.

Связь конического открытого объема камеры сгорания с патрубком принудительного отвода газообразных продуктов горения замыкает газоводы устройства.

Свободный объем корпуса выполняет функции ресивера, где газообразные продукты горения, летучие горючие, вышедшие из зазоров стенок камеры сгорания, активно перемешиваются с дополнительным окисляющим воздухом, подогретым в рекуператоре до температуры воспламенения, и сгорают до конечных продуктов, экологически невредных.

В ресивере сглаживается давление от пульсаций неравномерного горения в различных реакционных зонах камеры сгорания, после чего газообразные продукты горения принудительно выводятся через сепаратор по патрубку, связанному с вытяжным вентилятором.

Отличительные признаки создают оптимальные условия для раздельного сжигания тугоплавких компонентов и летучих горючих пиролиза топливной смеси, позволяют перераспределять структурно образующуюся газовую смесь для полного сжигания до конечных продуктов окисления в корпусе устройства, вне камеры сгорания с кусковым топливом, и повысить производительность работ при гарантированной технологией функциональной надежности.

Связь узла подачи окисляющего воздуха с обеими перфорированными стенками камеры сгорания посредством трубчатых воздуховодов обеспечивает направленное по зонам реакций распределение окисляющего воздуха, подаваемого принудительно и непосредственно в камеру сгорания, чем обеспечивается необходимый режим горения с заданным газоприходом и требуемым градиентом температур.

Использование замкнутой системы воздуховодов позволило высвободить объем центрального конусного воздухораспределителя для вывода летучих горючих, где они дожигаются, а также исключить охватывающий камеру сгорания цилиндрический коллектор. Последнее упростило конструкцию устройства и обеспечило сообщение свободного объема конической внутренней стенки камеры сгорания и периферийного свободного объема корпуса, где летучие горючие перемешиваются с окисляющим воздухом и дожигаются до конечных продуктов, удаляясь через общий вытяжной патрубок отвода.

В протяженном рекуперативном теплообменнике обеспечивается предварительный нагрев окисляющего воздуха до температуры порядка 400^oС, что превышает температуру воспламенения практически всех органических материалов, который стабилизирует горение, утилизируя вторичное тепло, повышает скорость и качество сжигания топливной смеси и продуктов пиролиза.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения новизны качества, нового эффекта суммы, неприсущего признакам в разобщенности, то есть получен новый сверхэффект, а не сумма эффектов.

Заявленное техническое решение неочевидно, потому что для специалиста по машиностроению оно явным образом не следует из уровня техники, сравнение с выявленными аналогами которого позволяет сделать вывод о том, что устройство для сжигания топливной смеси является новым, и его возможно воспроизвести промышленно в серийном производстве для практической эксплуатации, то есть соответствует критериям патентоспособности.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом, где схематично изображены:

на фиг.1 - общий вид устройства;

на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1.

В корпусе 1 устройства для сжигания горючих материалов и отходов (фиг.1) смонтирована камера 2 сгорания, которая сформирована двумя коаксиальными коническими перфорированными поверхностями стенок 3 и 4, укрепленных с кольцевым зазором 5 в основании.

Наружная стенка 3 образована набором колец 6 с убывающим диаметром кверху, установленных с частичным перекрытием и зазорами 7. Внутренняя стенка 4 камеры 2 ограничена коническим наружным профилем центрального воздухораспределителя 8.

Воздухораспределитель 8 выполнен из набора дисковых пластин 9 разного диаметра по убивающей снизу вверх, собранных через равные зазоры 10, образуя наружную коническую перфорированную поверхность общую с камерой 2 сгорания, с углом естественного откоса для кускового топлива. Дисковые пластины 9 имеют осевые отверстия, которые в сборе образуют свободный объем 11, где в центре установлен патрубок 12 подачи окисляющего воздуха, оснащенный трубчатыми воздуховодами 13 и выходными отверстиями 14.

Выходы трубок воздуховодов 13 помещены в зазорах 10 между пластинами 9 на разной высоте, наглухо закрытых обечайками 15 от свободного объема 11 для обеспечения заданного распределения 9 (фиг.2) подаваемого по центральному патрубку 12 воздуха. При этом часть зазоров 10 не сообщается с воздуховодами 13, а коммутирует камеру 2 сгорания и свободный объем 11 воздухораспределителя 8, который сообщается со свободным объемом 16 корпуса 1, выполняющим функции второй камеры сгорания для летучих горючих, газообразных продуктов пиролиза в камере 2 сгорания. В продольном сечении воздухораспределитель 8 (фиг.1) представляет собой многоканальную решетку.

На периферии корпуса 1 выполнена рубашка 17, которая имеет входные отверстия 18 коммуникации с атмосферой и сообщающаяся с открытым торцем патрубка 12, закрепленного в днище 19 корпуса 1, там же расположена секторная шиберная заслонка 20, а для сбора золы и минерального остатка после сжигания топливной смеси в камере 2 сгорания под заслонкой 20 установлен съемный бункер 21.

В верхней части рубашка 17 (фиг.2) связана каналами 22 через отверстия 23 со свободным объемом 16 корпуса 1 и с трубчатыми воздуховодами 24, которые смонтированы в радиальных зазорах 7, частично совмещенных по высоте соседних колец 6 наружной стенки 3 камеры 2 таким образом, что сохраняется сообщение свободного объема 16 корпуса 2 с камерой 2 сгорания.

Свободный объем 16 корпуса сверху закрыт монтажной плитой 25, а снизу ограничен несущим кольцом 26 под стойки 27 центрального воздухораспределителя 8, в котором закреплен трубчатый сепаратор 28.

Цилиндрическая обечайка 29 свободного объема 16 корпуса 1 между плитой 25 и кольцом 26 вписана в отводящий патрубок 30 квадратной формы и тем самым связывает его объем под кольцом 26 посредством угловых каналов 31 (фиг.2) с объемом патрубка 30 над монтажной плитой 25.

Наружная стенка 3 камеры 2 совмещена с бункером 32 загрузки, вокруг которого смонтирован отводящий патрубок 30 с периферийным ресивером 33, снабженным патрубком 34 вытяжки, сообщающимся с вентилятором (не показан).

Работает устройство следующим образом.

При включенном вытяжном вентиляторе патрубка 30 в камере 2 разжигают легковоспламенимое кусковое топливо, деревянную щепу, бумагу, картон, которыми заполняют объем камеры 2 сгорания. Затем камеру 2 сгорания заполняют опилками, при сгорании которых камера 2 разогревается до рабочей температуры, когда становится возможным сжигать твердые материалы и конденсированные вещества.

Материалы, содержащие нефтепродукты, предварительно смешивают с опилками, древесными отходами для формирования кускового топлива, например осадки нефтехранилищ (в соотношении, мас.%: нефть - 10, песок - 7 и опилки - 20).

Кусковое топливо загружается в бункер 32, из которого под действием гравитационных сил оно самопроизвольно заполняет камеру 2 сгорания, перемещаясь по конической поверхности воздухораспределителя 8, и при этом воспламеняется, и сгорает.

Посредством вытяжной вентиляции в отводящем патрубке 30 внутри устройства создается разряжение, засасывающее атмосферный воздух через отверстия 18 в кольцевую цилиндрическую рубашку 17, по которой окисляющий воздух поступает в каналы 22 и в центральный патрубок 12. Из каналов 22 окисляющий воздух распределяется по воздуховодам 24 и далее поступает в камеру 2 сгорания через ее наружную стенку 3. Из центрального патрубка 12 окисляющий воздух поступает в коническую решетку 8 по ее воздуховодам 13 локально, между пластинами 9 в зазоры 10, откуда ориентировано подается в камеру 2 сгорания с противной стороны, через стенку 4.

Камера 2 спрофилирована с уменьшением поперечного сечения книзу для снижения толщины прослойки топлива, где необходимы повышенные температура и скорость горения без коксообразования. Для полноты сгорания топливной смеси окисляющий воздух подается с избытком относительно количества для реакций окисления.

Газообразные продукты пиролиза из камеры 2 удаляются через зазоры 7 между кольцами 6 наружной стенки 3 во вторую камеру сгорания - свободный объем 16 корпуса 1 и через зазоры 10 центрального воздухораспределителя 8 в его свободный объем 11. Газообразные продукты пиролиза активно перемешиваются с избытком окисляющего воздуха в камере 2 сгорания, зазорах 7 наружной стенки 3 и в зазорах 10 конической стенки 4 воздухораспределителя 8, а также поперечными струями воздуха непосредственно из отверстий 23 в свободном объеме 16 корпуса 1 и из отверстий 14 центрального воздухораспределителя 8 в свободном объеме 11 полого воздухораспределителя 8, что обеспечивает полноту их сгорания.

Газообразные продукты горения из объемов 16 и 11, смешиваясь между собой и окончательно догорая (дожигая возможные остатки неполностью сгоревших частиц), поступают через сепаратор 28 в отводящий патрубок 30. Далее газообразные продукты горения перемещаются по угловым каналам 31 корпуса 1 вверх и через ресивер 33 выводятся в вытяжной патрубок 34. При этом возможные пылевидные остатки несгоревших частиц оседают в сепараторе 28 на шиберную заслонку 20 и в ресивере 33, таким образом из устройства в атмосферу непосредственно выходят экологически чистые газообразные продукты горения.

Учитывая, что все газоводы устройства выполнены по схеме рекуперативного теплообменника типа труба в трубе, то отводимые газообразные продукты нагревают частью своего тепла встречные потоки окисляющего воздуха до температуры порядка 400^oС, что обеспечивает повышение рабочей температуры в камере 2 сгорания, автономно, без внешних источников энергии и, следовательно, производительность сжигания топливной смеси.

В кольцевом ресивере 33 газообразные продукты горения расширяются и затормаживаются, нагревая бункер 32 загрузки и подсушивая конвективным теплом топливную смесь в нем. При этом испаряемая влага удаляется через его открытый торец, что способствует повышению эффективности горения в камере 2 без потерь на предварительный нагрев топливной смеси.

Слой топливной смеси в бункере 32 загрузки создает большое гидравлическое сопротивление для газов в камере 2 сгорания и может быть выполнен открытым.

По мере сгорания топливной смеси она оседает в камере 2, а минеральные негорючие остатки в виде чистого песка просыпаются, увлекаемые газовыми потоками, в кольцевой зазор 5 между стенками 3 и 4, освобождая ее объем под грузом оседающей массы топливной смеси.

Газообразные продукты горения, выводимые по патрубку 30 вверх, отделяются от минеральных остатков в трубчатом сепараторе 28, которые собираются на шиберной заслонке 20 и накапливаются в устройстве. Периодически, выдвигая наружу сектора заслонки 20, минеральные остатки (золу и песок) пересыпают в бункер 21 до заполнения, после чего бункер 21 извлекают из корпуса 1, освобождают и возвращают на место.

По мере выгорания топливной смеси в камере 2 сгорания и оседания ее в бункере 32 до заданного уровня, который автоматически или визуально контролируется, порция топливной смеси добавляется в бункер 32.

Предложенное техническое решение позволило перераспределить газовую смесь для полного динамического сжигания в свободном объеме корпуса 1, вне камеры 2 сгорания с кусковым топливом.

Сравнительно с прототипом, при равных габаритах, новое устройство более чем в полтора раза производительнее.

Предложенное техническое решение обеспечивает эффективное и полное сжигание топливной кусковой смеси, включающей минеральные негорючие вещества. Установка автономна, компактна и высокопроизводительна, обеспечивает автоматическое разделение экологически невредных газообразных продуктов и чистых минеральных остатков.

Устройство универсально по сжигаемым топливным смесям и по режимам горения, которые принудительно регулируются варьированием расхода и места подачи окисляющего воздуха, выполнено автоматической самопроизвольной выгрузкой чистого твердого минерального остатка из камеры сгорания, раздельно от газообразных продуктов горения, окисляемых внутри корпуса до конечных продуктов, выводимых непосредственно в атмосферу.

Заявленное изобретение предназначено для утилизации маслоотходов металлургии и машиностроения, ликвидации разливов сырой нефти, смешанной с минеральными частицами почвы, для переработки иных нефтешламов, например отстоев в нефтехранилищах.