Устройство для сжигания твердого топлива в пульсирующем потоке

Изобретение относится к теплоэнергетике и экологии, в частности к устройствам для сжигания твердых малореакционных топлив, например, отработанных шин, или резиновых отходов с целью утилизации тепла, при содержании в их продуктах сгорания малой концентрации канцерогенных веществ. Техническим результатом от использования полезной модели является создание высокоэффективной установки, обеспечивающей пожаробезопасность и экологичность за счет повышения полноты сгорания процесса сжигания и уменьшения тепловыделения в окружающую среду. Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для сжигания твердого топлива в пульсирующем потоке, содержащем камеру воспламенения 1, камеру предварительной тепловой подготовки топлива 9, герметичную крышку камеры предварительной тепловой подготовки 11, воздуховод 8, резонаторную трубу, состоящую из двух частей (верхней 4 и нижней 5), сетчатый турбулизатор 22, состоящий из нескольких составных частей, сборник инертного материала 15, колосник 2, многосопловую диффузионную горелку 20, кольцевую газовую горелку 6, цилиндрический теплообменник 17 с входным и выходным штуцерами, тросик 14, плиту 13, введена газоотводящая труба 23, верхний срез которой расположен в камере предварительной тепловой подготовки топлива 9 на расстоянии 2-3 диаметра этой трубы от нижней части герметичной крышки камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11, а нижний срез расположен в нижней части резонаторной трубы 5 и введена автоматическая система регулирования температуры с термодатчиком системы регулирования температуры 28, который прикреплен к камере предварительной тепловой подготовки топлива 9, и блоком автоматического изменения температуры 29 расположенного напротив воздуховода 8 с возможностью соединения и регулирования его проходного сечения, причем воздуховод 8 выполнен в виде аэродинамического клапана с изменяемым проходным сечением, обеспечивающим поддержание в камере предварительной тепловой подготовки топлива 9 заданной температуры газов в автоматическом режиме и термическое разложение твердого топлива в виде изношенных шин 27 с возможностью выделения легких фракций для дальнейшего сжигания, причем в верхней части сборника инертного материала 15 размещена система снижения температуры инертного материала 7, которая выполнена в виде группы форсунок, расположенных симметрично по диаметру сборника инертного материала 15, а форсунки установлены в количестве, определяемом объемом охлаждаемого инертного материала. 1 с.п.ф., иллюстраций - 2,

Изобретение относится к теплоэнергетике и экологии, в частности к устройствам для сжигания твердых малореакционных топлив, например, отработанных шин, или резиновых отходов с целью утилизации тепла, при содержании в их продуктах сгорания малой концентрации канцерогенных веществ.

Известно устройство для сжигания резинотехнических отходов, содержащее циклон, в котором крупные частицы сжигаются до некоторого размера и выносятся потоком, камеру воспламенения, резонаторную трубу для дожига несгоревших горючих элементов (Сб. Вибрационное горение в некоторых модельных устройствах. Казань, изд-во КГУ, 1970, с.148-149).

Недостатком вышеприведенного устройства является необходимость дробления изношенных шин на куски, неустойчивость вибрационного горения, связанная с неравномерностью подачи топлива в камеру воспламенения, большой механический унос вредных продуктов сгорания из резонаторной трубы в атмосферу.

Известно также устройство, содержащее камеру воспламенения, примыкающую к ней резонансную трубу, воздуховоды, камеру предварительной тепловой подготовки топлива (А.С. СССР 237324, МПК F23d 11/34, 1969, БИ 8).

Это устройство имеет такой недостаток, как срыв вибрационного горения, возникающий вследствие плохой термической обработки топлива в камере, из-за отсутствия возможности регулирования подачи горючих элементов при сильных порывах ветра. При срывах пульсаций потока зона воспламенения перемещается в резонансную трубу, а конструкция устройства не позволяет вернуть горение в пульсационный режим. Вследствие этого резко ухудшаются экологические параметры на срезе резонансной трубы. Данное устройство не обеспечивает возможности удерживания механических примесей, выносимых потоком в окружающую среду и защиты его от теплового загрязнения. Данное устройство также предполагает необходимость предварительной механической обработки топлива с целью его превращения в пылевидную форму, в результате чего, данное устройство является неэффективным и приводит к снижению к.п.д. агрегата.

Наиболее близким по технической сущности и заявляемому техническому решению выбранным в качестве прототипа, является «Устройство для сжигания топлив в пульсирующем потоке», содержащее: камеру воспламенения и предварительной тепловой подготовки топлива, воздуховод, резонаторную трубу, состоящую из двух частей (верхней и нижней), сетчатый турбулизатор, состоящий из нескольких составных частей, колосник, многосопловую диффузионную горелку, кольцевую газовую горелку, цилиндрический теплообменник с входным и выходным штуцерами, сборник инертного материала, крышку, патрубок, тросик, плиту, (Патент на полезную модель РФ 11302, МПК F23D 11/34, опубликован 16.09.1999).

Недостатками данного технического решения являются: 1) при многократной загрузке установки твердым топливом из-за физического явления конденсации на внутренней стенке камеры предварительной тепловой подготовки топлива происходит осаждение летучих компонентов (смолообразной массы). Вследствие этого, объем камеры предварительной тепловой подготовки топлива уменьшается, что препятствует закладке очередной партии твердого топлива. Кроме того, не обеспечивается полная пожаробезопасность, которая связана с накоплением легковоспламеняющихся горючих (смолообразных) веществ на внутренних стенках камеры предварительной тепловой подготовки топлива; 2) из-за конструктивной особенности установки, не обеспечивается защита окружающей среды от вредных выбросов, так как при высоких температурах (более 450°С) в камере предварительной тепловой подготовки топлива образуются соединения серы, которые вместе с выходящими продуктами сгорания попадают в атмосферу; 3) продуктом переработки твердого топлива в устройстве для сжигания твердых топлив в пульсирующем потоке является твердый остаток в виде сожженной сажи, что приводит к потере ценного материала в виде инертного порошка. Все это ведет к снижению экологичности, безопасности, экономичности, и в целом - неэффективности установки.

Решаемой задачей полезной модели является создание высокоэффективной установки, обеспечивающей пожаробезопасность и экологичность за счет повышения полноты сгорания процесса сжигания и уменьшения тепловыделения в окружающую среду.

Техническим результатом от использования заявляемого технического решения является эффективная, экологически безопасная установка для сжигания твердого топлива, позволяющая утилизировать изношенные шины и одновременно получать вторичное сырье.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для сжигания твердого топлива в пульсирующем потоке, содержащем камеру воспламенения, камеру предварительной тепловой подготовки топлива, герметичную крышку камеры предварительной тепловой подготовки, воздуховод, резонаторную трубу, состоящую из двух частей (верхней и нижней), сетчатый турбулизатор, состоящий из нескольких составных частей, сборник инертного материала, колосник, многосопловую диффузионную горелку, кольцевую газовую горелку, цилиндрический теплообменник с входным и выходным штуцерами, тросик, плиту, и введена газоотводящая труба, верхний срез которой расположен в камере предварительной тепловой подготовки топлива на расстоянии 2-3 диаметра этой трубы от нижней части герметичной крышки камеры предварительной тепловой подготовки топлива, нижний срез расположен в нижней части резонаторной трубы и введена автоматическая система регулирования температуры, состоящая из термодатчика системы регулирования температуры, причем один конец термодатчика прикреплен к камере предварительной тепловой подготовки топлива, а второй конец его расположен напротив воздуховода с возможностью соединения и регулирования его проходного сечения, причем воздуховод выполнен в виде аэродинамического клапана с изменяемым проходным сечением, обеспечивающим поддержание в камере предварительной тепловой подготовки топлива заданной температуры газов в автоматическом режиме и термическое разложение твердого топлива в виде изношенных шин с возможностью выделения легких фракций для дальнейшего сжигания, причем в верхней части сборника инертного материала размещена система снижения температуры инертного материала, которая выполнена в виде группы форсунок, расположенных симметрично по диаметру сборника инертного материала, а форсунки установлены в количестве, определяемом объемом охлаждаемого инертного материала.

Новым в устройстве является:

Предлагаемое устройство является высокоэффективным за счет новой конструктивной особенности, а именно введения газоотводящей трубы соединенной с камерой предварительной тепловой подготовки топлива и резонаторной трубой, а также системы регулирования температуры в камере и системы снижения температуры инертного материала, что в целом повышает полноту сгорания и уменьшает тепловыделение в окружающую среду продуктов сгорания в виде смолообразной массы на внутренних стенках камеры предварительной тепловой подготовки, с одновременным получением инертного материала, полученного при сжигании изношенных шин, состоящего из 75-85% сажи, 5-10% серы и 10-20% минеральных веществ, который является хорошим сырьем при производстве резиновых изделий, строительстве дорог. Выход газообразных продуктов сгорания получается экологически чистым за счет конструктивного исполнения устройства для сжигания твердого топлива в пульсирующем потоке и избежания жидкой фракции в процессе утилизации.

Для пояснения технической сущности полезной модели рассмотрим чертежи: фиг.1 - принципиальная схема (общий вид) заявленного устройства, фиг.2 - устройство для сжигания твердого топлива в пульсирующем потоке (пример конкретного исполнения), где:

1 - камера воспламенения,

2 - колосник,

3 - ударный механизм,

4 - верхняя часть резонаторной трубы,

5 - нижняя часть резонаторной трубы,

6 - кольцевая газовая горелка с электрическим запальником,

7 - система снижения температуры инертного материала,

8 - воздуховод,

9 - камера предварительной тепловой подготовки топлива,

10 - сборник твердых отходов,

11 - герметичная крышка камеры предварительной тепловой подготовки топлива,

12 - рычаг для открывания крышки камеры предварительной тепловой подготовки топлива,

13 - плита,

14 - тросик,

15 - сборник инертного материала,

16 - люк сборника инертного материала,

17 - цилиндрический теплообменник,

18 - входной штуцер,

19 - выходной штуцер,

20 - многосопловая диффузионная горелка,

21 - окно с заглушкой,

22 - сетчатый турбулизатор,

23 - газоотводящая труба,

24 - золоуловитель,

25 - электродвигатель с редуктором,

26 - рамное основание,

27 - твердое топливо в виде изношенных шин,

28 - термодатчик системы регулирования температуры,

29 - блок автоматического изменения температуры.

Термореактор выполнен в виде цилиндра и состоит из камеры воспламенения 1, камеры предварительной тепловой подготовки топлива 9, и сборника твердых отходов 10. В заявленном устройстве камера предварительной тепловой подготовки топлива 9 цилиндрической формы с герметичной крышкой камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11. Для открывания и закрывания герметичной крышки камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11 предусмотрен рычаг 12 с защелкой. Внутри камеры предварительной тепловой подготовки топлива 9 размещена плита 13, которая служит для уменьшения объема твердого топлива в виде изношенных шин 27 по мере его выгорания. Плита 13 связана с герметичной крышкой камеры предварительной тепловой подготовки 11 тросиком 14, предназначенным для подъема плиты 13 при открывании герметичной крышки камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11. Герметичная крышка камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11 в открытом положении фиксируется защелкой.

К основанию камеры предварительной тепловой подготовки топлива 9 присоединен сборник твердого материала 10 со сборником инертного материала 15 с люком 16 для удаления инертного материала (отходов). К сборнику твердых отходов 10 примкнут воздуховод 8. Под колосником 2 размещена кольцевая газовая горелка 6 с электрическим запальником. Камера воспламенения 1 соединена с резонаторной трубой, состоящей из двух частей - верхней 4 и нижней 5. На верхней части резонаторной трубы 4 смонтирован цилиндрический теплообменник 17 с входным и выходным штуцерами 18 и 19 соответственно. К основанию верхней части резонаторной трубы 4 прикреплена многосопловая диффузионная горелка 20. Для поджига горелки на боковой поверхности камеры воспламенения 1 имеется окно с заглушкой 21. Над горелкой в резонаторной трубе размещен сетчатый турбулизатор 22, состоящий из нескольких составных частей (пластин), причем зазор между пластинами регулируется. Верхний срез газоотводящей трубы 23 расположен в камере предварительной тепловой подготовки топлива 9 на расстоянии 2-3 диаметра этой трубы от нижней части герметичной крышки камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11, а нижний ее срез - в нижней части резонаторной трубы 5.

Устройство для сжигания твердого топлива в пульсирующем потоке работает следующим образом:

Рычагом 12 открывается герметичная крышка камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11, которая тросиком 14 тянет за собой плиту 13. В открытом положении герметичная крышка камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11 удерживается защелкой. В камеру предварительной тепловой подготовки топлива 9 загружается твердое топливо в виде изношенных шин 27. Герметичная крышка камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11 закрывается и фиксируется защелкой. При этом плита 13 плотно прилегает к верхней части твердого топлива в виде изношенных шин 27. Герметичное закрывание камеры предварительной тепловой подготовки топлива 9 обеспечивается уплотнителем между камерой и герметичной крышкой камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11. Электрозапальником поджигается горючий газ, поступающий в кольцевую газовую горелку 6, который воспламеняет твердое топливо в виде изношенных шин 27. Температура в камере предварительной тепловой подготовки топлива 9 поддерживается в диапазоне от 350 до 450°С. Регулировка температуры осуществляется подмешиванием воздуха в нагретые газы, поступающие в камеру предварительной тепловой подготовки топлива 9 через воздуховод 8, выполняющий функцию аэродинамического клапана. С этой целью в заявленном устройстве предусмотрена система регулирования подачи воздуха в камеру предварительной тепловой подготовки топлива 9, включающая термодатчик системы регулирования температуры 28 (фиг.2), блок автоматического изменения температуры 29 и воздуховод 8. При повышении температуры в камере предварительной тепловой подготовки топлива 9 выше 450°С термодатчик системы регулирования температуры 28 фиксирует температуру, блок автоматического изменения температуры 29 уменьшает проходное сечение воздуховода 8, выполняющего функцию аэродинамического клапана, доступ воздуха в область горения уменьшается, а при температуре ниже 350°С увеличивается. Соответственно интенсивность горения от термического разложения продуктов сгорания понижается или повышается, что ведет к полноте сгорания процесса сжигания и улучшению экологических характеристик продуктов сгорания и уменьшению тепловыделения. При такой температуре в камере предварительной тепловой подготовки топлива 9 из твердого топлива в виде изношенных шин 27 выделяются летучие составляющие, содержащие горючие элементы, и поступают в резонаторную трубу 4, 5 для последующего дожигания. По мере выгорания твердого топлива в виде изношенных шин 27 использованием ударного механизма 3, работающем в частотном диапазоне 1-10 Гц с периодичностью 3 цикла в 1 час, продолжительностью цикла 5 минут, отделяется инертный материал от металлических частей. Температура твердых продуктов сжигания и инертного материала высокая, поэтому предусмотрена система снижения температуры в сборнике инертного материала 15, при этом впрыск известковой воды производится автоматически при работе ударного механизма 3, а также в случае превышения температуры в сборнике инертного материала 450°С. Использование известковой воды повышает экологичность устройства, так как она вступает в реакцию с газообразными загрязняющими веществами, в том числе окислом серы, которые адсорбируются с последующим оседанием в сборнике инертного материала 15.

Продукты термического разложения твердого топлива в виде изношенных шин 27 (летучие составляющие), содержащие большое количество горючих элементов, через кольцевой зазор между верхней 4 и нижней 5 частями резонаторной трубы попадают в сетчатый турбулизатор 22. При включении многосопловой диффузионной горелки 20, работающей на газовом или жидком топливе, продукты термического разложения (газовые отходы) турбулизируются за сетчатым турбулизатором 22 и воспламеняются. Образуется плоская зона горения, расположенная на высоте одной четверти общей длины резонаторной трубы, где возбуждаются акустические колебания, способствующие энергичному перемешиванию газовоздушной смеси. Воздух в зону горения подводится из нижней части резонаторной трубы 5. Продукты разложения твердого топлива в виде изношенных шин, скопившиеся в камере предварительной тепловой подготовки 9, по газоотводящей трубе 23 за счет эффекта эжекции всасываются в нижнюю часть резонаторной трубы 5. Несгоревшие элементы, содержащиеся в продуктах сгорания твердого топлива в виде изношенных шин 27, проходя через высокотемпературную зону полностью догорают, увеличивая теплонапряженность этой зоны.

По мере установления достаточной температуры в камере предварительной тепловой подготовки топлива 9 горючий газ, поступающий в кольцевую газовую горелку 6, отключается. В зоне горения поддерживается температура в диапазоне 350°С-450°С, происходит термическое разложение твердого топлива в виде изношенных шин 27. При прохождении горючих газов (летучие составляющие) через сетчатый турбулизатор 22, происходит их смешивание с вторичным воздухом и активное догорание горючих элементов. Вследствие этого тепловая напряженность сетчатого турбулизатора 22 остается достаточно высокой для поддержания автоколебательного процесса. В резонаторной трубе 4, 5 продукты сгорания совершают колебательное движение, которое увеличивает теплоотдачу от газа к стенке и препятствует шлаковому отложению на стенках резонаторной трубы 4, 5.

Пример конкретного исполнения (фиг.2).

Устройство для сжигания твердого топлива в пульсирующем потоке на примере утилизации изношенных шин является огневым аппаратом, работающим по принципу пульсирующего горения. Процесс сжигания осуществляется в две ступени: 1) газификация твердого топлива в виде изношенных шин в восстановительной среде, 2) дожигание газообразных продуктов в режиме пульсаций в резонаторной трубе.

Загрузка твердого топлива в виде изношенных шин 27 осуществляется циклически без механического дробления. Устройство для сжигания твердого топлива в виде изношенных шин в пульсирующем потоке установлено на рамном основании 26, сваренном из стальных уголков. К верхней части резонаторной трубы 4 прикреплен золоуловитель 24. Изменение положения трубы 5 осуществляет электродвигатель с редуктором 25.

С помощью тельфера твердое топливо в виде изношенных шин 27 загружается в камеру предварительной тепловой подготовки топлива 9. Твердое топливо в виде изношенных шин поджигается бытовыми газовыми горелками «Пламя-1», работающими на баллонном газовом горючем (C₃H ₈) пропане. Необходимое для горения количество воздуха, поступает через воздуховод 8. После возгорания твердого топлива в виде изношенных шин 27 газовые горелки выключаются. Время выхода на рабочий режим составляет 18-20 минут. В дальнейшем горение твердого топлива в виде изношенных шин 27 в камере предварительной тепловой подготовки топлива 9 происходит без сопровождения горючим газом. Температура в камере предварительной тепловой подготовки топлива 9 поддерживается в диапазоне 350°-450°С. Регулировка температуры осуществляется подмешиванием воздуха в нагретые газы, поступающего в камеру воспламенения 1. С этой целью в заявленном устройстве предусмотрена система подачи воздуха в камеру, включающая термодатчик системы регулирования температуры 28, блок автоматического изменения температуры 29 и воздуховод 8. При повышении температуры в камере воспламенения 1 и в камере предварительной тепловой подготовки топлива 9 выше 450°С термодатчик системы регулирования температуры 28 фиксирует температуру, блок автоматического изменения температуры 29 уменьшает проходное сечение воздуховода 8, выполняющего функцию аэродинамического клапана, доступ воздуха в область горения уменьшается, а при температуре ниже 350°С увеличивается. Соответственно интенсивность горения понижается или повышается, что ведет к полноте сгорания процесса сжигания, повышения пожаробезопасности и улучшению экологических характеристик продуктов сгорания за счет наличия газоотводящей трубы, системы регулирования температуры, включающей термодатчик системы регулирования температуры, блок автоматического изменения температуры и воздуховод. При такой температуре в камере предварительной подготовки топлива 9 с твердого топлива в виде изношенных шин 27 выделяются летучие составляющие, которые по газоотводящей трубе 23, верхний срез которой находится от нижней части герметичной крышки камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11 на расстоянии 2-3 диаметра этой трубы (расстояние от верхнего среза газоотводящей трубы до нижней части герметичной крышки камеры предварительной тепловой подготовки топлива 11 составляет 2-3 диаметра, так как под действием сил Архимеда летучие компоненты концентрируются в верхней части камеры предварительной тепловой подготовки топлива 9), поступают в резонаторную трубу 4, 5 для последующего дожигания, и, подмешиваясь с вторичным воздухом сгорают в режиме пульсаций, что также ведет к полноте сгорания и повышению экологичности установки для сжигания твердого топлива в пульсирующем потоке. При чрезмерном повышении скорости воздушного потока (более 8 м/с) в резонаторной трубе 4, 5 автоколебания исчезают, так как не выполняется критерий Релея. Для уменьшения скорости воздушного потока расстояние между решетками сетчатого турбулизатора 22 необходимо уменьшить. Это приводит к увеличению гидродинамического сопротивления - уменьшению скорости воздушного потока. В резонаторной трубе 4, 5 продукты сгорания совершают колебательное движение, которое увеличивает теплоотдачу от газа к стенке и препятствует шлаковому отложению на стенках резонаторной трубы 4, 5. Металлический корд и часть твердого остатка опускаются в сборник твердых отходов 10, а инертный материал опускается в сборник инертного материала 15. Для повышения экологичности установки предусмотрена система снижения температуры инертного материала, содержащая группу форсунок, расположенных симметрично по диаметру сборника инертного материала, уменьшающая тепловыделение от инертного материала в окружающую среду.

Таким образом, по сравнению с известными аналогами преимуществом заявляемого технического решения является создание высокоэффективной установки, с повышенной пожаробезопасностью и экологичностью, за счет конструктивной особенности - ввода газоотводящей трубы, работающей на эффекте эжекции, за счет ввода системы регулирования температуры, что ведет к полноте сгорания процесса сжигания, уменьшая отложения смолообразных масс на внутренних стенках камеры предварительной тепловой подготовки топлива, и исключается необходимость дополнительных затрат времени и материальных средств на очистку внутренних стенок камеры, что также повышает эффективность установки в целом, позволяющей получить вторичное сырье.

Устройство для сжигания твердого топлива в пульсирующем потоке, содержащее камеру воспламенения, камеру предварительной тепловой подготовки топлива, герметичную крышку камеры предварительной тепловой подготовки, воздуховод, резонаторную трубу, состоящую из двух частей (верхней и нижней), сетчатый турбулизатор, состоящий из нескольких составных частей, сборник инертного материала, колосник, многосопловую диффузионную горелку, кольцевую газовую горелку, цилиндрический теплообменник с входным и выходным штуцерами, тросик, плиту, отличающееся тем, что в него введена газоотводящая труба, верхний срез которой расположен в камере предварительной тепловой подготовки топлива на расстоянии 2-3 диаметра этой трубы от нижней части герметичной крышки камеры предварительной тепловой подготовки топлива, нижний срез расположен в нижней части резонаторной трубы, и введена автоматическая система регулирования температуры, состоящая из термодатчика системы регулирования температуры, причем один конец термодатчика прикреплен к камере предварительной тепловой подготовки топлива, а второй конец его расположен напротив воздуховода с возможностью соединения и регулирования его проходного сечения, причем воздуховод выполнен в виде аэродинамического клапана с изменяемым проходным сечением, обеспечивающим поддержание в камере предварительной тепловой подготовки топлива заданной температуры газов в автоматическом режиме и термическое разложение твердого топлива в виде изношенных шин с возможностью выделения легких фракций для дальнейшего сжигания, причем в верхней части сборника инертного материала размещена система снижения температуры инертного материала, которая выполнена в виде группы форсунок, расположенных симметрично по диаметру сборника инертного материала, а форсунки установлены в количестве, определяемом объемом охлаждаемого инертного материала.