стальной водогрейный котел малой мощности для слоевого сжигания твердого топлива

Формула изобретения

1. Стальной водогрейный котел малой мощности для слоевого сжигания твердого топлива, содержащий топку, включающую колосниковую решетку и топочные экраны, выполненные из стальных труб, систему подачи топлива и систему золоудаления, а также газоход, снабженный конвективными пакетами из стальных труб, каркас котла, отличающийся тем, что топка снабжена, по крайней мере, одним теплоотражающим экраном, установленным над колосниковой решеткой, и который выполнен из огнеупорного материала в виде плит, размещенных сверху на стальной водоохлаждаемой трубной решетке, установленной относительно горизонтали под углом 0-60°, а топка в нижней части снабжена зажигательным поясом, выполненным по периметру колосниковой решетки из огнеупорного материала, при этом газоход выполнен переменного сечения с возможностью сохранения постоянных скоростей дымовых газов, а топочные экраны выполнены из модулей, причем каркас котла выполнен из скрепленных между собой модулей топочных экранов.

2. Стальной водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что плотность топочных экранов составляет 1,08-1,25 и определяется по формуле

где Р_эк - плотность топочных экранов;

S - шаг труб в топочном экране;

d_н - наружный диаметр труб топочных экранов.

3. Стальной водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что на каркасе котла закреплена съемная щитовая обмуровка.

4. Стальной водогрейный котел по п.3, отличающийся тем, что каждый элемент съемной щитовой обмуровки выполнен из металлического каркаса с закрепленными на нем теплоизоляционными матами и стальной наружной облицовки в виде листов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в отопительных водогрейных котлах малой мощности, работающих на твердом топливе.

В настоящее время в городах и поселках России сформировалось большое количество систем централизованного теплоснабжения небольшой мощности.

Это вызвано тем, что в последние годы из-за прекращения производственной деятельности градообразующих предприятий крупные промышленно-отопительные котельные, снабжавшие раньше теплом жилые поселки этих предприятий, оказались нерентабельными (главным образом из-за значительного снижения присоединенной нагрузки). Поэтому возникла потребность в сооружении новых котельных (уже муниципальных) мощностью от 1-2 до 10-15 Гкал/ч.

В связи с этим появилась и значительная потребность (особенно в угольных регионах России) в водогрейных котлах мощностью 0,5-3 Гкал/ч для замены отработавших свой ресурс котлов и для установки во вновь строящихся котельных.

Был проведен конъюнктурный анализ по водогрейным котлам малой мощности, работающих на твердом топливе, и оказалось, что у ведущих производителей котельного оборудования в России нет готовых как промышленных образцов, так и проектов по котлам малой мощности.

Такая ситуация была вызвана субъективными отношениями к котлам небольшой мощности, поверхности нагрева которых работают в достаточно напряженных условиях. Это обусловлено тем, что при плохом качестве воды (в теплотехническом смысле) и топлива эти котлы долго не служат, и требуется их частая замена.

Известен стальной водогрейный котел для сжигания твердого топлива, содержащий топку, включающую колосниковую решетку и радиационную поверхность нагрева (два боковых, задний и потолочный экранов), выполненную из стальных труб, систему подачи топлива и систему золоудаления, газоход, снабженный конвективными пакетами из стальных труб, и каркас котла.

Циркуляция воды в котле происходит следующим образом. Сетевая вода подводится к боковым топочным панелям, из них поступает сначала к нижнему коллектору заднего экрана, а затем - к верхнему. Далее вода параллельно по двум необогреваемым трубам подается в нижние коллекторы боковых экранов. По трубам боковых экранов, переходящим в потолочный экран, вода поступает в коллектор, из него по трем внешне расположенным трубам в конвективные пакеты, расположенные в газоходе, откуда в сборный коллектор (см. Ю.Л.Гусев, Основы проектирования котельных установок. М.: Изд-во литературы по строительству, 1967, с.55-57).

Данное техническое решение принято за прототип.

К недостаткам данной конструкции котла следует отнести:

- недостаточно эффективное сжигание углей, особенно низкокачественных;

- значительные габариты и высокая масса котла за счет теплоизоляции и его каркаса;

- высокая загрязненность поверхностей нагрева как снаружи, так и изнутри в процессе эксплуатации, снижающих эффективность теплопередачи;

- высокая стоимость изготовления, монтажа, демонтажа, ремонта и очистки поверхностей нагрева в процессе эксплуатации, низкая степень ремонтопригодности.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение технико-экономических показателей стальных водогрейных котлов малой мощности для слоевого сжигания твердого топлива.

Техническим результатом данного предложения является интенсификация процессов горения и теплообмена и снижение габаритов и массы котла.

Технический результат достигается тем, что в стальном водогрейном котле малой мощности для слоевого сжигания твердого топлива, содержащем топку, которая включает в себя колосниковую решетку и топочные экраны, выполненные из стальных труб, систему подачи топлива и систему золошлакоудаления, а также газоход, снабженный конвективными пакетами из стальных труб, каркас котла, топка снабжена, по крайней мере, одним теплоотражающим экраном, установленным над колосниковой решеткой, а сам теплоотражающий экран выполнен из огнеупорного материала в виде плит, размещенных сверху на стальной водоохлаждаемой трубной решетке, которая установлена относительно горизонтали под углом 0°-60°, при этом топка в нижней части снабжена зажигательным поясом, выполненным из огнеупорного материала по периметру колосниковой решетки, кроме того, газоход выполнен переменного сечения с возможностью сохранения относительно постоянных скоростей дымовых газов, кроме того, топочные экраны выполнены из отдельных модулей, причем каркас топки котла выполнен из скрепленных между собой модулей топочных экранов.

Кроме того, в котле плотность топочных экранов составляет 1,08-1,25, которая определяется как отношение шага труб в топочном экране к наружному диаметру труб в нем.

Кроме того, на каркасе котла закреплена быстросъемная щитовая обмуровка, каждый элемент которой может быть выполнен из облегченного металлического каркаса с закрепленным на нем теплоизоляционных матов и стальной наружной листовой облицовки.

Кратко техническая сущность предлагаемого решения сводится к повышению КПД котла, сокращению выбросов вредных веществ в окружающую среду, снижению веса котла, а также упрощению и удешевлению изготовления, монтажа, демонтажа и повышению ремонтопригодности.

Все вышеуказанные показатели реализуются использованием в предлагаемой конструкции котла полного экранирования топочной камеры. Высокая эффективность экранов обеспечивается плотным расположением труб в экранных модулях за счет расположения труб в экранах с минимально возможным по технологическим условиям шагом.

Размеры котла и экранных труб позволяют сделать топочную камеру котла без каркаса. Экраны топочной камеры образуют достаточно прочную и жесткую пространственную конструкцию, на которой крепятся тепловая изоляция и стальная обшивка, обеспечивающая газовую плотность котла.

Использование теплоотражающих экранов и зажигательного пояса в топочной камере котла повышают эффективность сжигания твердого топлива.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается от него:

- наличием в топке, по крайней мере, одного теплоотражающего экрана, выполненного из огнеупорного материала, размещенного сверху на стальной водоохлаждаемой трубной решетке, установленной относительно горизонтали под углом 0-60;

- снабжением топки, в нижней ее части, зажигательным поясом, выполненным из огнеупорного материала, по периметру колосниковой решетки;

- выполнением конвективного газохода переменного сечения;

- выполнением топочных экранов из отдельных модулей;

- выполнением каркаса котла из скрепленных между собой модулей топочных экранов;

- выполнением топочных экранов высокой плотности составляющих 1,08-1,25;

- снабжением каркаса котла быстросъемной щитовой обмуровкой.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что предложенное техническое решение отвечает критерию изобретения - "новизна".

Для проверки соответствия заявленного технического решения требованию "изобретательский уровень" был проведен поиск в этой области по патентной и научно-технической литературе.

В процессе дополнительного поиска было выявлено следующее:

- известно использование в топках сводов, выполняющих роль теплоотражающих экранов (см. О.М.Рабинович, "Котельные агрегаты". М.: Машгиз, 1963, пояснение к фиг.42, стр.108-110).

Назначением этих сводов является частичная защита горящего слоя топлива от излучения тепла, что способствует повышению температуры слоя и интенсификация как процесса сушки, так и процесса горения. Наличие свода также улучшает перемешивание летучих и вынесенных из слоя топлива твердых частиц топлива с воздухом, снижая тем самым химический и механический недожог.

К недостаткам таких сводов следует прежде всего отнести (как показывает практика) их высокая разрушаемость из-за воздействия высоких температур, которая приводит к их обрушению на колосниковую решетку, выводя топку из строя.

В предлагаемом же техническом решении теплоотражающие огнеупорные экраны установлены сверху на стальных водоохлаждаемых трубных решетках. Такое выполнение позволяет предотвратить аварийные ситуации.

В этом заключается отличие предлагаемого решения от известного.

Других технических решений отраженных в отличительных признаках формулы изобретения не было обнаружено.

Совокупность признаков как известных, заявленных в ограничительной части формулы, так и неизвестных, заявленных в отличительной части формулы изобретения, позволяет получить технико-экономический результат более высокого уровня по сравнению с известными, а именно:

- повысить КПД котла до 82-86% по сравнению с известными, имеющими 60-70%;

- значительно упростить конструкцию котла, а также снизить его вес ~ на 30%.

Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения - "изобретательский уровень".

Были проведены опытно-промышленные испытания котлов различной малой мощности, которые подтвердили их высокую эффективность.

На фиг.1 показан разрез общего вида стального водогрейного котла малой мощности, на фиг.2 - плотный змеевиковый конвективный пакет, на фиг.3 - плотный конвективный пакет из плоских секций.

Предложенный водогрейный котел содержит корпус 1, топку 2, включающую колосниковую решетку 3 и топочные экраны 4, выполненные в виде отдельных модулей из стальных труб, систему подачи топлива 5 и систему золоудаления 6, а также газоход 7, снабженный плотными конвективными пакетами 8, выполненными также из стальных труб. Топка 2 дополнительно снабжена теплоотражающими экранами 9, выполненными из огнеупорного материала и установленными над колосниковой решеткой 3 на стальных водоохлаждаемых трубных решетках 10 под углом 0-60° относительно горизонтали. Кроме того, топка 2 в нижней части снабжена зажигательным поясом 11, выполненным по периметру колосниковой решетки 3, из огнеупорного материала. Газоход выполнен переменного сечения за счет использования перегородки 12 для сохранения в нем относительно постоянных скоростей дымовых газов.

Газоход 7 может быть снабжен плотными конвективными пакетами 8 из плоских секций 13 либо плотными змеевиковым конвективным пакетами 14.

Корпус 1 выполнен из скрепленных между собой топочных экранов 4, на которых закреплена быстросъемная щитовая обмуровка 15.

Котел работает следующим образом.

Через систему подачи 5 твердое топливо подают в топку 2 на колосниковую решетку 3, где происходит его горение. Для обеспечения качественного горения топлива на колосниковой решетке 3, в нижней части топочной камеры, установлены теплоотражающие экраны 9 и зажигательный пояс 11, которые позволяют ускорить воспламенение топлива, повысить устойчивость горения, а также обеспечить более полное выгорание горючих компонентов при использовании, например, каменных и бурых углей низкого качества.

Размещение теплоотражающих экранов в топке под углом 0-60° относительно горизонтали обуславливается максимальной защитой горящего слоя топлива от излучения тепла, а также более высокой степени турбулизации продуктов горения.

Образуемое тепло при сгорании топлива передается фронтовому, заднему, боковым и потолочным экранам 4, плотность которых составляет 1,08-1,25 (обычная плотность экранов составляет 2,5-3,0). Высокая эффективность топочных экранов 4 обеспечивается за счет плотного расположения труб в экранных панелях, когда трубы в экранах 4 расположены с минимально возможным по технологическим условиям изготовления шагом. Размеры котла и параметры экранных труб позволяют сделать топочную камеру котла без каркаса. Экраны 4 топочной камеры образуют достаточно прочную и жесткую пространственную конструкцию, на которой закреплена быстросъемная щитовая теплоизоляционная обмуровка 15. Интенсивный теплообмен в конвективных поверхностях нагрева достигается за счет высоких скоростей газа и воды. Высокие скорости газов достигаются использованием трубных пакетов с относительно небольшим поперечным шагом. Высокие скорости воды обусловлены соответствующим выбором количества параллельно включенных труб.

Высокие скорости газов препятствуют быстрому загрязнению поверхностей нагрева золой и сажей, а высокие скорости воды в трубах обеспечивают надежное охлаждение металла и, кроме того, замедляют процесс образования и отложения накипи на внутренней поверхности труб. После топочной камеры дымовые газы направляются в газоход 7 переменного сечения, которое обеспечивается установкой в нем перегородки 12 для сохранения относительно постоянных скоростей дымовых газов. Тепло дымовых газов отдается плотным конвективным пакетам 8.