способ сжигания органических веществ и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ сжигания органических веществ, содержащий операции загрузки органического вещества в печь, поджигания органического вещества внешним источником пламени с подводом кислорода воздуха, горения органических веществ с отводом теплоты продуктов сгорания к теплоносителю, расположенному на внешней поверхности печи, и отвод продуктов сгорания через участки радиационного и конвективного теплообмена в дымовую трубу, отличающийся тем, что загрузку органического вещества осуществляют в камеру сушки, которую нагревают продуктами сгорания в газоходе до температуры около 100°С, полученными при запуске устройства, сухие органические вещества из камеры сушки по верхнему топливопроводу отводят в камеру пиролиза, размещенную в полости камеры горения, и нагревают их до температуры около 500°С путем повышения температуры камеры горения и с отводом газообразных продуктов пиролиза по трубопроводу в камеру горения газохода, где их сжигают, подводя кислород воздуха, а полученными продуктами сгорания в камере горения продолжают нагревать камеру пиролиза с радиационным теплообменником теплоносителя на ее поверхности и в газоходе нагревают конвективный теплообменник теплоносителя и камеру сушки; твердые продукты пиролиза по нижнему топливопроводу отводят в печь дожигания с отводом радиационной и конвективной теплоты через ее стенку к аккумулятору с жидкостным теплоносителем, а охлажденные газообразные продукты печи дожигания отводят по перепускному газоходу в камеру горения и смешивают с кислородом воздуха.

2. Устройство для сжигания органических веществ, содержащее печь с радиационной поверхностью теплообмена в виде топки с колосниковой решеткой и поддоном сбора золы, поддувалом подвода воздуха и аккумуляторным теплообменником с теплоносителем, сообщенным с системой обогрева помещения, и газоход с конвективным участком теплообмена и дымовой трубой, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расположенные в газоходе по вертикали друг под другом с наклоном камеру сушки, последовательно соединенные конвективный и радиационный теплообменники с теплоносителем, камеру пиролиза, сообщенную верхним топливопроводом с камерой сушки, и под ней камеру горения, расположенную над печью дожигания топлива, сообщенную перепускным газоходом с камерой горения, а посредством нижнего топливопровода сообщенную с камерой пиролиза, при этом топливопроводы между камерами сушки, пиролиза и печи дожигания топлива снабжены запорными задвижками, нижний топливопровод между камерами пиролиза и печи дожигания топлива снабжен отводным патрубком с запорными задвижками, радиационный теплообменник установлен в полости камеры горения, расположен на поверхности камеры пиролиза и соединен с конвективным теплообменником, размещенным в верхней полости камеры горения, посредством своего верхнего коллектора; камера горения в нижней части снабжена дополнительным поддувалом и трубопроводом подачи газообразных продуктов пиролиза, сообщенным входной оконечностью с нижней полостью камеры пиролиза, а выходная его оконечность содержит сквозные газовыпускные отверстия; с внешней стороны печи дожигания топлива размещена полость аккумулятора жидкостного теплоносителя, снабженная патрубком входа теплоносителя и перепускным патрубком, сообщающим ее с нижним коллектором радиационного теплообменника, причем конвективный теплообменник снабжен патрубком отвода теплоносителя от устройства, а камера сушки имеет патрубок выпуска газопаровой смеси.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что радиационный теплообменник выполнен в трубчатом виде.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к тепловым установкам для преобразования энергии топлива в тепловую энергию подогрева воздуха, в частности к печам для отопления различных жилых и производственных зданий, и может быть использовано для обогрева зданий площадью более 200 м² с помощью единой установки.

Известен способ сжигания органических веществ в печи для отопления зданий общей площадью до 200 м², реализованный в отопительной печи, содержащий операции загрузки печи древесным углем, поджигания снизу открытым источником пламени древесного угля и отводом продуктов сгорания топлива в атмосферу (см. Терещенко И.В., Кучумов Л.С. Отопительная печь. Патент РФ №2288410).

Недостатком известного способа является необходимость использования подготовленного для сжигания органического вещества в виде древесного топлива и невозможность сжигания увлажненных органических веществ естественного происхождения.

Известен способ сжигания органических веществ (топлива) в топке печного устройства, реализованный в теплоконвекторе (см. Сень Л.И. Теплоконвектор. Патент РФ №2210035), являющийся наиболее близким к заявляемому, содержащий операции загрузки топлива в печь, поджигания внешним источником пламени топлива с подводом кислорода воздуха, последующего его сжигания и перемещения продуктов сгорания через участки радиационного и конвективного теплообмена в дымовую трубу при отводе теплоты продуктов сгорания теплоносителю, расположенному на внешней поверхности печи.

Известно и устройство для сжигания органических веществ - печь-теплоконвектор, реализующее способ-прототип, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства (см. Патент РФ №2210035), содержащее корпус в виде топки с радиационной поверхностью теплообмена, колосниковой решеткой и поддоном сбора золы, поддувалом и аккумуляторным теплообменником с теплоносителем, сообщенным с системой обогрева помещения, газоход с топкой, камерой дожигания летучих продуктов сгорания, конвективным участком теплообмена и дымовой трубой.

Недостатками известного способа и устройства являются следующие.

- Чрезмерная высокая скорость горения топлива, определяемая количеством подаваемого воздуха для горения, обусловленная совмещенными в нем по времени процессами сушки, пиролиза и сгоранием углеродных остатков (древесного угля) в зоне высокой температуры топлива и продуктов сгорания. Увеличение подачи воздуха сопровождается увеличением потерь с уходящими газами и снижением эффективности процесса сгорания топлива. Снижение скорости горения путем ограничения подвода воздуха приводит к химической неполноте сгорания вследствие недостатка воздуха для газообразных продуктов пиролиза топлива, что в конечном итоге приводит к добавочным потерям располагаемой теплоты топлива и снижению эффективности процесса сгорания.

- Высокая скорость сгорания топлива предопределяет необходимость использования аккумулятора теплоты большой вместимости и частой загрузки топлива в топку.

- Возможность перегрева теплонапряженного участка стенки топки выше предельно допустимого значения температуры вследствие радиационного теплообмена от сгораемого топлива и недостатка воздушного охлаждения.

- Возможность механической неполноты сгорания топлива вследствие провала части несгоревшего топлива через колосниковую решетку.

Таким образом, в способе-прототипе и реализующем его устройстве не обеспечивается высокая эффективность сгорания топлива в виде органических веществ и передача теплоты теплоносителю. Кроме того, явно выражена зависимость цикличности тепловой мощности от частоты загрузки топки топливом, что в конечном итоге приводит к необходимости использования аккумулятора теплоты большой вместимости для системы теплоснабжения. Обслуживание такого устройства затрудняется.

Задачей предлагаемых способа и устройства для его осуществления является устранение указанных недостатков, а именно повышение эффективности сгорания топлива при разделении процессов сушки, пиролиза и дожигания углерода, при котором на каждом из этих этапов обеспечивается оптимальное соотношение между скоростью процессов и их высокой эффективностью за счет полного использования теплоты с минимальными потерями на нагрев избыточного воздуха, полного сгорания газообразных продуктов пиролиза, твердого углерода и при отсутствии потерь с механическим недожогом. При этом обеспечивается поддержание температуры теплонапряженных стенок камеры пиролиза ниже предельных значений для углеродистой стали, а само обслуживание установки упрощается.

Это достигается тем, что в известном способе сжигания топлива (органических веществ), содержащем операции загрузки органического вещества в печь, поджигания органического вещества внешним источником пламени с подводом кислорода воздуха, горения органических веществ с отводом теплоты продуктов сгорания к теплоносителю, расположенному на внешней поверхности печи, и отвод продуктов сгорания через участки радиационного и конвективного теплообмена в дымовую трубу, в отличие от него в заявляемом загрузку органического вещества осуществляют в камеру сушки, которую нагревают продуктами сгорания в газоходе до температуры около 100°С, полученными при запуске устройства, сухие органические вещества из камеры сушки по верхнему топливопроводу отводят в камеру пиролиза, размещенную в полости камеры горения, и нагревают их до температуры около 500°С путем повышения температуры камеры горения и с отводом газообразных продуктов пиролиза по трубопроводу в камеру горения газохода, где их сжигают, подводя кислород воздуха, а полученными продуктами сгорания в камере горения продолжают нагревать камеру пиролиза с радиационным теплообменником теплоносителя на ее поверхности и в газоходе нагревают конвективный теплообменник теплоносителя и камеру сушки. Твердые продукты пиролиза по нижнему топливопроводу отводят в печь дожигания с отводом радиационной и конвективной теплоты через ее стенку к аккумулятору с жидкостным теплоносителем, а охлажденные газообразные продукты печи дожигания отводят по перепускному газоходу в камеру горения и смешивают с кислородом воздуха.

Поставленная задача достигается также и тем, что в известном устройстве для сжигания органических веществ, содержащем печь с радиационной поверхностью теплообмена в виде топки с колосниковой решеткой и поддоном сбора золы, поддувалом подвода воздуха и аккумуляторным теплообменником с теплоносителем, сообщенным с системой обогрева помещения, и газоход с конвективным участком теплообмена и дымовой трубой, в отличие от него заявляемое устройство дополнительно содержит расположенные в газоходе по вертикали друг под другом с наклоном камеру сушки, последовательно соединенные конвективный и радиационный теплообменники с теплоносителем, камеру пиролиза, сообщенную верхним топливопроводом с камерой сушки, и под ней камеру горения, расположенную над печью дожигания топлива, сообщенную перепускным газоходом с камерой горения, а посредством нижнего топливопровода сообщенную с камерой пиролиза. При этом топливопроводы между камерами сушки, пиролиза и печи дожигания топлива снабжены запорными задвижками, нижний топливопровод между камерами пиролиза и печи дожигания топлива снабжен отводным патрубком с запорными задвижками, радиационный теплообменник установлен в полости камеры горения, расположен на поверхности камеры пиролиза и соединен с конвективным теплообменником, размещенным в верхней полости камеры горения, посредством своего верхнего коллектора. Камера горения в нижней части снабжена дополнительным поддувалом и трубопроводом подачи газообразных продуктов пиролиза, сообщенным входной оконечностью с нижней полостью камеры пиролиза, а выходная его оконечность содержит сквозные газовыпускные отверстия. С внешней стороны печи дожигания топлива размещена полость аккумулятора жидкостного теплоносителя, снабженная патрубком входа теплоносителя и перепускным патрубком, сообщающим ее с нижним коллектором радиационного теплообменника, причем конвективный теплообменник снабжен патрубком отвода теплоносителя от устройства, а камера сушки имеет патрубок выпуска газопаровой смеси. Технологически оправдано такое исполнение устройства, при котором радиационный теплообменник выполнен в трубчатом виде.

Предложенное устройство для сжигания органических веществ, совокупность элементов и совокупность предложенных операций, выполняемых с использованием именно этих элементов, обеспечивают повышение эффективности работы устройства.

Так, в частности:

1. За счет операции разделения процесса горения органических веществ на три составляющих - сушки, пиролиза и дожигания углеродного остатка, оказывается возможным:

A) - исключить разбавление продуктов сгорания испаряемой влагой топлива и тем самым уменьшить потери с продуктами сгорания;

Б) - произвести сжигание газообразных продуктов пиролиза при минимальном избытке воздуха, что также снижает потери теплоты с продуктами сгорания;

B) - произвести дожигание углеродного остатка органических веществ без потерь с механическим недожогом топлива, что увеличивает эффективность использования теплоты сгорания топлива.

2. Размещение в газоходе по вертикали друг под другом с наклоном камеры сушки, последовательно соединенные конвективный и радиационный теплообменники с теплоносителем, камеры пиролиза с радиационным теплообменником, камеры горения и печи дожигания топлива, сообщенных последовательно газоходом, позволяет, во-первых, наиболее полно использовать максимальный температурный напор теплообменивающихся сред в печи дожигания топлива, радиационном и конвективном теплообменниках и камере сушки, во-вторых, обеспечить оптимальные условия для сжигания (минимальный коэффициент избытка воздуха при горении) газообразных продуктов пиролиза и углеродных остатков посредством раздельного и независимого подвода воздуха в печь дожигания топлива и камеру горения и, в-третьих, снизить температуру продуктов сгорания в камере горения за счет разбавления продуктов сгорания продуктами сгорания, отводимыми из печи дожигания топлива в камеру горения. В последнем случае снижается опасность перегрева стенки камеры пиролиза.

3. Размещение радиационного теплообменника трубчатого исполнения с теплоносителем на внешней поверхности камеры пиролиза снижает температурный напор между теплообменивающимися средами камеры горения в виде продуктов сгорания и стенкой камеры пиролиза, позволяет предотвратить перегрев стенок камеры пиролиза.

4. Установка топливопровода, оборудованного задвижками, между камерами сушки, пиролиза и печи дожигания топлива позволяет после загрузки органических веществ в камеру сушки дальнейшее их перемещение под действием гравитационных сил в камеру пиролиза и затем в печь дожигания топлива или в запасную емкость для последующего использования в печи дожигания топлива.

5. Сообщение между собой аккумуляторного, радиационного и конвективного теплообменников трубопроводами с теплоносителем позволяет увеличить тепловую емкость системы отопления и большую длительность ее функционирования, что упрощает эксплуатацию системы.

Таким образом обеспечивается достижение поставленной задачи - разделение процессов сушки, пиролиза и дожигания углеродных остатков, при котором на каждом этапе обеспечивается оптимальное соотношение между скоростью процессов и их высокой эффективностью за счет полного использования теплоты топлива органических веществ с минимальными потерями на нагрев избыточного воздуха, сгорание газообразных продуктов пиролиза, твердого углерода и при отсутствии потерь с механическим недожогом. При этом обеспечивается поддержание температуры стенок камеры пиролиза ниже предельных значении для углеродистой стали и обслуживание установки упрощается.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, где представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит две камеры: камеру сушки 1 и камеру пиролиза 2, расположенные по вертикали с наклоном друг под другом, а также печь дожигания топлива 3, предназначенные все для последовательной загрузки, сушки, пиролиза органических веществ и сжигания твердых продуктов пиролиза. Камера сушки 1, камера пиролиза 2 и печь дожигания топлива 3 сообщены между собой на входе-выходе верхним топливопроводом 4 и нижним топливопроводом 5. Камера сушки 1 снабжена загрузочным бункером 6, задвижками 7 и 8 на торцах и патрубком выпуска газопаровой смеси 9. Камера пиролиза 2 снабжена задвижками 10 и 11 на торцах. Печь дожигания топлива 3 в нижней части снабжена колосниковой сеткой 12, а в верхней части через нижний топливопровод 5 сообщена с его задвижкой 13. Средняя часть нижнего топливопровода 5 снабжена отводным патрубком 14 с задвижками 15 и 16 на торцах и загрузочным бункером 17 с задвижкой 18.

По линии газохода в вертикальном исполнении снизу-вверх установлены поддон сбора золы (зольник) 19 с регулируемой задвижкой 20 над ним, печь дожигания топлива 3, ее перепускной газоход 21, сообщающий нижний топливопровод 5 с камерой горения 22, расположенной под камерой пиролиза 2, трубчатый радиационный теплообменник 23, сообщенный на выходе с конвективным теплообменником 24, размещенным в верхней полости камеры 22, и над ним камера сушки 1, и дымовая труба 25. Камера горения 22 в нижней части снабжена дополнительной регулируемой задвижкой 26 и трубопроводом 27 подачи газообразных продуктов пиролиза, сообщенным входной оконечностью с нижней полостью камеры пиролиза, а выходная его оконечность снабжена отверстиями выпуска газообразных продуктов пиролиза в камеру горения 22 (не показаны).

С внешней стороны печи дожигания топлива 3 размещена полость аккумулятора 28, которая снабжена в нижней части полости патрубком входа теплоносителя 29. Верхняя часть полости аккумулятора 28 снабжена перепускным патрубком теплоносителя 30, сообщенным верхней оконечностью с нижним коллектором 31 радиационного теплообменника 23. Верхний коллектор 32 теплообменника 23 сообщен перепускным патрубком 33 с конвективным теплообменником 24, который снабжен патрубком отвода теплоносителя 34 от устройства.

Способ при использовании описанного устройства осуществляют следующим образом. В период запуска устройства в работу исходное органическое вещество (древесные отходы, опилки и пр.) загружают в загрузочный бункер 6 камеры сушки 1 при открытой задвижке 7 и закрытой задвижке 8, после этого задвижку 7 закрывают. Через загрузочный бункер 17 нижнего топливопровода 5 при открытых его задвижках 18 и 13 загружают древесный уголь в печь дожигания топлива 3 и задвижки 18 и 13 закрывают. В зольник 19 через задвижку 20 засыпают некоторое количество древесного угля и поджигают открытым источником пламени, при этом регулируемую задвижку 20 открывают на величину, достаточную для воспламенения древесного угля в зольнике 19 и в печи дожигания топлива 3 с выделением теплоты и газообразных продуктов сгорания. Продукты сгорания (как показано светлыми стрелками) выходят из печи дожигания топлива 3, проходят через перепускной газоход 21 в камеру горения 22 и далее через радиационный 23 и конвективный 24 теплообменники обеспечивают подогрев теплоносителя и сушку исходного органического вещества через стенки камеры сушки 1, которую нагревают до температуры около 100°С. При сушке газопаровая смесь из камеры сушки 1 отводится в дымовую трубу 25 по патрубку выпуска газопаровой смеси 9.

После высушивания органических веществ в камере сушки 1 открывают задвижки 8 и 10 и по верхнему топливопроводу 4 сухое органическое вещество перемещают в камеру пиролиза 2, при этом задвижка 11 находится в закрытом положении. После загрузки органического вещества в камеру пиролиза 2 задвижки 8 и 10 закрывают. Через бункер 6 при открытой задвижке 7 загружают следующую порцию органических веществ в камеру сушки 1. Для пиролиза органических веществ в камере пиролиза необходимо обеспечить существенное увеличение температуры газов в камере горения 22. Для этого при открытой дополнительной задвижке 26 в нижнюю часть камеры горения загружают легко воспламеняемое топливо (например, дрова) и поджигают, не закрывая дополнительную задвижку 26 (поддувало). За счет выделения радиационной теплоты горящего пламени производят нагрев стенок камеры пиролиза 2 до температуры более 200°С (около 500°С). При этом начинают пиролиз органических веществ в камере пиролиза 2 и выделяют газообразные продукты пиролиза, которые через сквозные отверстия (не показаны) на выходной оконечности трубопровода 27 подводят в камеру горения 22. После выгорания легко воспламеняемого топлива дополнительную задвижку 26 частично прикрывают и продолжают работу камеры горения 22 на газообразных продуктах пиролиза с выделением большого количества радиационной теплоты. Для исключения перегрева стенок камеры пиролиза 2 на ее внешней поверхности размещен трубчатый радиационный теплообменник 23, заполненный теплоносителем, который одну часть радиационной теплоты принимает для подогрева теплоносителя, а другую часть теплоты пропускает в промежутках между трубами на стенки камеры пиролиза 2.

Окончание процедуры пиролиза органических веществ сопровождается прекращением выхода газообразных продуктов из отверстий трубопровода 27 и погасанием факела горения в камере горения 22. После окончания процесса пиролиза органических веществ задвижки 11 и 13 открывают и твердые продукты пиролиза из камеры пиролиза 2 перемещают по нижнему топливопроводу 5 в камеру дожигания топлива 3, где осуществляют их дожигание после закрытия задвижек 11 и 13. При их дожигании образующуюся радиационную и конвективную теплоту отводят через стенку печи дожигания топлива 3 к аккумулятору 28 с теплоносителем. Образующиеся газообразные продукты печи дожигания топлива 3 отводят по перепускному газоходу 21 в камеру горения 22 и смешивают с кислородом воздуха при частично открытой дополнительной заслонке 26. Если в камере дожигания топлива 3 на данный момент не произошло дожигание предыдущей загрузки твердых продуктов пиролиза, то окончание процесса пиролиза в камере 2 сопровождают выгрузкой твердых продуктов пиролиза в отводной патрубок 14 путем открытия задвижки 15. После охлаждения продуктов пиролиза в отводном патрубке 14 открывают задвижку 16 и выгружают твердые продукты пиролиза (древесный уголь) в бункер запаса (на схеме не показан) для последующего использования.

Одновременно с пиролизом органических веществ в камере пиролиза 2 осуществляют сушку свежей загрузки органических веществ в камере сушки 1. Очередную загрузку камеры пиролиза 2 и включение ее в работу осуществляют по вышеизложенной последовательности.

Тепловую мощность системы отопления регулируют посредством теплоносителя, заполняющего внутреннее пространство аккумулятора 28, радиационного 23 и конвективного 24 теплообменников, путем изменения загрузки камер 1, 2 и 3, а также изменяя площадь проходного сечения дополнительной регулируемой задвижки 26 (дополнительное поддувало) камеры горения 22 и регулируемой задвижки (поддувало) 20. Чем больше площадь проходного сечения регулируемых задвижек, тем больше тепловая мощность теплообменников 24, 23 и аккумулятора 28.