CZ201374A3

CZ201374A3 - Kotel pro spalování celých balíků biomasy

Info

Publication number: CZ201374A3
Application number: CZ2013-74A
Authority: CZ
Inventors: Tomáš Kašpar
Original assignee: Step Trutnov A.S.
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2015-03-11
Also published as: EP2762777A1; CZ304985B6; UA136061U

Abstract

Kotel pro spalování celých balíků biomasy, zejména kotel pro spalování celých balíků biomasy ve formě slámy, obsahující spalovací komoru (1) a nejméně jeden výměník (2), jehož spalovací komora (1) obsahuje spalinový kanál (3) uspořádaný v její horní části, přičemž vstup (24) spalin do spalinového kanálu (3) je uspořádán na té straně spalovací komory (1), která je opačná ke straně, na které je uspořádán nejméně jeden přívod (25) spalovacího vzduchu.

Description

Kotel pro spalování celých balíků biomasy

Oblast techniky

Vynález se týká kotle pro spalování celých balíků biomasy, který obsahuje spalovací komoru a nejméně jeden výměník.

Dosavadní stav techniky

V současné době je známá celá řada zařízení pro spalování biomasy a způsobů spalování biomasy. Mezi tato zařízení patří také kotle umožňující spalování balíků slámy. Tato zařízení je možné rozdělit na ty, které obsahují zařízení pro dávkování slámy z balíku před vložení spalované slámy do spalovacího prostoru, a ty které umožňují umístění celých balíků slámy do spalovacího prostoru.

Mezi výše uvedená zařízení lze zařadit zařízení pro spalování rostlinného původu hmoty popsané v patentovém dokumentu CS 228635. Toto zařízení obsahuje lisovací komoru, která navazuje na zásobník volně loženého paliva. Lisovací komora je opatřena lisovacím šnekem, uloženým na duté hřídeli, přičemž je napojena na vzduchový přívod a zaústěna do spalovací komory, do níž je zaveden i výstup lisovací komory. Nevýhodou toho zařízení je to, že použitý lisovací šnek umožňuje dodávání hmoty, které sestává z malých částic, přičemž neumožňuje například dodávání celých balíků slámy.

Z patentové přihlášky CZ PV 2001-1178 je znám způsob spalování biomasy slisované do velkoobjemových balíků a zařízení k provádění tohoto způsobu. Způsob spočívá v tom, že podélně uložený slisovaný balík se přivádí horizontálním dopravníkem ze zásobníku do sklopného zakladače, sklopeného v horizontální rovině, dále se zakladač překlopí do vertikální roviny a přesouvací rameno zakladače přidržuje spodní čelo balíku, dále se nad překlopený zakladač s balíkem přesune zavážecí komora, dále přesouvací rameno zakladače vysune přidržovaný balík vertikálně nahoru do zavážecí komory, kde vnitřní úchyty vertikálního dopravního zařízení zavážecí komory upnou zasunutý balík, a dále se zavážecí komora s upnutým balíkem přesune nad vertikální spalovací šachtu ohniště a zaveze vertikálním spuštěním upnutý balík dolů do spalovací šachty ohniště, kde balík svým spodním čelem dosedne na provzdušňovací mechanismus. Zařízení k provádění tohoto způsobu sestává ze zavážecí linky a ze spalovacího kotle, vybaveného provzdušňovacím zařízením, a spojeného s výměníkem tepla. Nevýhodou tohoto kotle je jeho složitá, rozměrná a drahá konstrukce.

Zařízení pro spalování celých balíků slámy je dále známo z užitného vzoru CZ 16473. Toto zařízení je vybaveno sacím spalinovým ventilátorem a spalinovým potrubím. Spalovací komora je ohraničena dělicí stěnou a zadní stěnou, a je uvnitř pláště zhotoveného na základní ploše levou stěnou, pravou stěnou a stropem, dále předkomora je ohraničena otevírací přední stěnou a dělicí stěnou, levou stěnou, pravou stěnou a stropem a zadní stěna je provedena v celé výši pláště ke stropu, pod kterým jsou v této zadní stěně provedeny spalinové otvory. Dělicí stěna je ve spodní části zkrácena a v místě zkrácení je opatřena jednou nebo více trubkami připojenými pod dělicí stěnou k pravé a levé stěně s vůlí, dále nad základní plochou je ve spádu od otevírací přední stěny k zadní stěně situován přesuvný pohyblivý rošt, který přesahuje částečně do spalovací komory a mezi horní plochou přesuvného pohyblivého roštu a nejníže uloženou trubkou je vytvořena mezera pro přívod slámy do spalovací komory. Prostor předkomory je ve spodní části uzavřen přesuvným pohyblivým roštem, ale spalovací komora je ve spodní části vymezena přesuvným pohyblivým roštem jen za dělicí stěnou a u zadní stěny je na základní plochu umístěn popelník, a za spalinovým otvorem je proveden spalinový kanál.

Z dalšího patentu CZ 303224 je znám způsob spalování balíků biomasy v kotli s regulovaným přívodem spalovacího vzduchu přiváděného prostřednictvím dmychadla nebo odtahového ventilátoru spalin do spalovací komory alespoň jednou tryskou ve směru proměnném ve vertikální rovině spočívá v tom, že spalovací vzduch je po celou dobu hoření balíku přiváděn v podstatě tangenciálně k horní hořící ploše balíku a odvod spalin probíhá ve smyslu přiváděného vzduchu. Kotel k provádění tohoto způsobu má alespoň jednu trysku pro přívod spalovacího vzduchu, která směřuje ze stěny jeho spalovací komory v podstatě v úrovni horní plochy balíku a která je otočná kolem vodorovné osy, přičemž odvod spalin z komory se nachází v místě protilehlém trysce. Nevýhodou tohoto kotle je poměrná konstrukční složitost jeho přívodu primárního vzduchu, přičemž výhody z této konstrukce plynoucí nejsou zásadně přínosné pro zvýšení celkových užitných vlastností celého kotle.

Z užitného vzoru CZ 17061 je známa spalovací komora na biomasu a uhlí doplněná zařízením pro dodávku celých balíků slámy do spalovací komory a šnekovým vynašečem popela a nespalitelných zbytků z komory. Spalovací komora je rozdělena na první spalovací prostor a druhý spalovací prostor, přičemž je tato spalovací komora vymezena dole přesuvným roštem a nahoře stropem, na délku čelní stěnou a zadní stěnou, dále na šířku levou boční stěnou a pravou boční stěnou, které jsou provedeny jako trubkové, vodou chlazené, a strop je za ohybem pokračováním čelní stěny, jeho stropní trubky stoupají šikmo vzhůru k zadní stěně a jsou napojeny na horní komoru zadní stěny, a v čelní stěně je zhotoven plnicí otvor balíků slámy, pod kterým je umístěn ve spádu od čelní stěny k zadní stěně přesuvný rošt a nad tímto je do zadní stěny připojena první komora šikmé stěny, provedené z trubek a keramického materiálu, tyto trubky směřují šikmo vzhůru, jsou napojeny na druhou komoru a tato je svislými trubkami napojena na stropní trubky, dále na spodní stranu druhé komory a na čelní stěnu jsou napojeny s mezerami nosné trubky a na tyto nosné trubky jsou shora umístěny v celé šířce spalovací komory dva keramické bloky, čímž je vytvořen přestupní otvor mezi prvním spalovacím prostorem pod šikmou stěnou a keramickými bloky a druhým spalovacím prostorem nad keramickými bloky a šikmou stěnou, ve kterém je za svislými trubkami směrem k zadní stěně připojena ke stropu první keramická příčka, směřující svisle dolů k šikmé stěně a tato první keramická příčka zasahuje do druhého spalovacího prostoru a blíže k zadní stěně je od šikmé stěny vertikálním směrem vzhůru provedena druhá keramická příčka tak, že její horní hrana končí těsně pod úrovní spodní hrany první keramické příčky a mezi druhou keramickou příčkou a zadní stěnou je vytvořen spalinový kanál, na který navazuje spalinový otvor v zadní stěně. Nevýhodou této konstrukce je to, že neobsahuje žádné pomocné zařízení pro dávkování jednotlivých balíků slámy.

Z patentu DK 621286 je znám způsob spalování celých balíků slámy řízeným hořením a zařízení k provádění tohoto způsobu. Podle způsobu spalování jsou spalovány celé stlačené slaměné balíky bez předchozího dělení. Slaměný balík odhořívá z jednoho konce takovým způsobem, přičemž hoří pouze jeho část tak, že odhořívání je kontinuální. Toho je dosaženo tím, že do spalovací komory jsou hydraulickým pístem postupně za sebou vtlačovány jednotlivé balíky slámy. Výkon kotle je dán rychlostí, jakou píst vtlačuje balíky slámy do spalovací komory. Konstrukce tohoto kotle je opět poměrně složitá a proto i drahá.

Z výše uvedeného je zřejmá celá řada nevýhod současného stavu techniky, přičemž jako nejvýraznější se jeví to, že známé konstrukce kotlů jsou poměrně konstrukčně složité, přičemž tato konstrukční složitost nepřináší zásadní přínos pro

4_ i ; » » « * » » 99··· í í O·» ₍ I j , > ·» J « · <J ’ ·♦ zvýšení užitných vlastností celého kotle. Další nevýhodou většiny známých konstrukcí kotlů je jejich rozměrnost.

Cílem vynálezu je jednoduchá a levná konstrukce kotle, který umožní efektivní spalování při dodržení emisních limitů celých balíků slámy obilnin a travin, přičemž dávkování těchto spalovaných hmot bude jednorázové naplnění spalovací komory.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje a cíle vynálezu naplňuje kotel pro spalování celých balíků biomasy, zejména kotel pro spalování celých balíků biomasy ve formě slámy, obsahující spalovací komoru a nejméně jeden výměník, podle vynálezu jehož podstata spočívá vtom, že spalovací komora obsahuje spalinový kanál uspořádaný v její v horní části, přičemž vstup spalin do spalinového kanálu je uspořádán té straně spalovací komory, která je opačná ke straně, na které je uspořádán nejméně jeden přívod spalovacího vzduchu. Toto provedení prodlužuje cestu spalin tak, že jejich zbytek dohoří nejpozději ve spalinovém kanálu, což zvyšuje účinnost celého kotle a výrazně snižuje množství vypouštěných škodlivých látek.

V nejvýhodněším provedení je spalinový kanál vymezen žárovzdornou klenbou a stropem spalovací komory, přičemž žárovzdorná klenba je plechová, což minimalizuje její rozměry. Toto uspořádání je konstrukčně jednoduché, přičemž je výhodné s ohledem na prodloužení dráhy spalin a dokonalejší dohoření spalin před vstupen do výměníku a následné zvýšení účinnosti kotle.

Je výhodné, když je přívod spalovacího vzduchu spojen se zdrojem spalovacího vzduchu, který je výhodném provedení se spalovací komorou spojen potrubím, které je opatřeno rozdělovníkem, na který navazuje potrubí primárního vzduchu a potrubí sekundárního vzduchu. Rozdělovník rozděluje proud spalovacího vzduchu před jeho vstupem do spalovací komory na proud primárního vzduchu a proud sekundárního vzduchu.

Potrubí primárního vzduchu je s výhodou spojeno s nejméně jednou tryskou primárního vzduchu, která je uspořádána v pevné horizontální rovině ve spodní úrovni zadní části spalovací komory, a potrubí sekundárního vzduchu je spojeno s nejméně jednou tryskou sekundárního vzduchu, která je uspořádána v pevné horizontální rovině pod žáruvzdornou klenbou v horní úrovni zadní části spalovací komory. Spalovací vzduch proudí podle množství O₂ ve spalinách buď do trysek

-i Λ

primárního nebo sekundárního vzduchu. V nejvýhodnější provedení obsahuje potrubí primárního vzduchu regulační klapku primárního vzduchu a potrubí sekundárního vzduchu regulační klapku sekundárního vzduchu. Řízením regulačních dvoucestných uzavíracích klapek je zajištěno efektivní spalování s nízkými plynnými emisemi ve spalinách.

Spalovací komora je opatřena vraty, která jsou uspořádána v celém jejím průřezu. Vrata jsou většinou uspořádána v přední části spalovací komory. To umožňuje jednak minimalizovat celkové rozměry kotle a současně maximalizovat velikost vloženého paliva, kterým je většinou balík slámy, který je s výhodou vložen jednorázově. To je výhodné, protože není potřeba nákladné a rozměrné dělící zařízení balíku slámy nebo složité dávkovači zařízení, jak jsou známa ze stavu techniky. Výhodou tohoto kotle je dále to, že má jednoduchou a levnou konstrukci, která umožňuje velice snadné ovládání. Vrata, která jsou uspořádáná v celém jejím průřezu, a která se otvírají dostrany, umožňují snadné přiložení celého válcového balíku slámy do kotle.

Spalovací komora má s výhodou válcový tvar a je celá chlazená, nejvýhodněji vodou. Toto uspořádání je nejvýhodnější s ohledem na snížení výrobních nákladů a dále s ohledem na dobré spalování stébelnatin, kde je potřeba nižší teplota spalování než např. u dřevní hmoty. Pro zjednodušení konstrukce a zlevnění celého kotle je výhodné pokud jsou vrata do spalovací komory kruhová a nechlazená. Dále je výhodné, pokud je nejméně část spalovací komory je opatřena žáruvzdornou izolací, která zaručuje udržení optimální teploty ve spalovací komoře.

Kotel je dále s výhodou opatřen spalinovým ventilátorem, který zajišťuje řízený tah spalin po celou dobu spalování.

Kotel podle vynálezu má výhodný poměr mezi svými celkovými rozměry kotle a velikostí vloženého paliva, kterým je většinou balík slámy nebo sena, který má válcový tvar. Kotel pro svoji činnost nepotřebuje další speciální zařízení, jako jsou například zařízení pro přípravu a dělení biomasy slisované do velkých balíků. Celková konstrukce kotle je jednoduchá a levná, přičemž má minimální požadavky na velikost prostoru, ve kterém je instalován.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, na kterém obr. 1 znázorňuje kotel pro spalování biomasy v bočním pohledu s částečným řezem, obr. 2 znázorňuje kotel pro spalování biomasy v čelním pohledu, obr. 3 znázorňuje kotel pro spalování biomasy v bočním pohledu s výměníkem umístěným nad spalovací komorou a obr. 4 znázorňuje kotel pro spalování biomasy v bočním pohledu s výměníkem umístěným vedle spalovací komory.

Příklad provedení vynálezu

Kotel pro spalování celých balíků 20 biomasy (obr. 1, obr. 2), kterou je sláma, obsahuje spalovací komoru 1 a výměník 2.

V$řední část 17 spalovací komory 1 je opatřena vraty 15, která jsou uspořádána v celém jejím průřezu.

V horní části spalovací komory 1 je uspořádán spalinový kanál 3, který je vymezen plechovou žárovzdornou klenbou 6 a stropem 19 spalovací komory 1.

Vstup 24 spalin do spalinového kanálu 3 je uspořádán té straně spalovací komory 1, která je opačná ke straně, na které jsou uspořádány přívody 25 spalovacího vzduchu do spalovací komory 1_.

Přívody 25 spalovacího vzduchu, kterými jsou trysky 14 primárního vzduchu a trysky 23 sekundárního vzduchu, jsou potrubím 26 spojeny se zdrojem 13 spalovacího vzduchu. Spalovací vzduch je před vstupem do spalovací komory 1 rozdělen na proud primárního vzduchu a proud sekundárního vzduchu, přičemž potrubí 26 je proto opatřeno rozdělovníkem 27, na který navazuje potrubí 28 primárního vzduchu a potrubí 29 sekundárního vzduchu. Zdrojem 13 spalovacího vzduchu je ventilátor.

Potrubí 28 primárního vzduchu je spojeno s tryskami 14 primárního vzduchu, které jsou uspořádány v pevné horizontální rovině ve spodní úrovni zadní části 18 spalovací komory 1. Potrubí 28 primárního vzduchu obsahuje regulační klapku 21 primárního vzduchi^s pohonem.

Potrubí 29 sekundárního vzduchu je spojeno s tryskami 23 sekundárního vzduchu, které jsou uspořádány v pevné horizontální rovině pod žáruvzdornou klenbou 6 v horní úrovni zadní části 18 spalovací komory 1. Potrubí 29 sekundárního vzduchu obsahuje regulační klapku 22 sekundárního vzduchu s pohonem.

·» i

Výměník 2 je žárotrubný a horizontální. Výměník 2 (obr. 3) umístěný nad horní částí spalovací komory 1, obsahuje dva tahové průchody 8,10, přičemž je se spalovací komorou 1 spojen obratovou komorou 7, která navazuje na spalinový kanál 3. Výměník 2 je opatřen spalinovým ventilátorem 12.

Výměník 2 může být variantně (obr. 4) umístěný vedle spalovací komory 1.

Spalovací komora 1 má válcový tvar, přičemž je opatřena kruhovými nechlazenými vraty 15. Spalovací komora 1 je celá chlazená vodou.

Stěna zadní části 18 spalovací komory 1 je obložena žárovzdornou izolací 5 či žárovzdornou vyzdívkou. Strop 19 spalovací komory 1 je obložen žárovzdornou izolací 4 či žárovzdornou vyzdívkou.

Ve střední úrovni v zadní části 18 jsou uspořádána zapalovací dvířka 16.

Kotel je dále vybaven neznázorněným řídícím termostatem, který v případě dosažení nastavené hodnoty teploty vody tlumí výkon kotle. Proti přetopení a překročení maximálního tlaku je kotel dále vybaven neznázorněným omezovačem teploty a neznázorněným pojistným ventilem.

Kotel pro spalování celých balíků 20 biomasy pracuje tak, že nejprve je do něho zavezen celý balík 20 slámy, který je s výhodou uspořádán ve válcové formě. Následně dojde zavřením vrat 15, k uzavření spalovací komory 1. Současné dojde ke spuštění zdroje 13 spalovacího vzduchu a otevřenými zapalovacími dvířky 16 k zapálení balíku 20 slámy.

Spaliny ze spalovací komory 1 vystupují spalinovým kanálem 3, přes první obratovou komoru 7, do prvního tahového průchodu 8 výměníku 2, a následně, přes druhou obratovou komoru 9, do druhého tahového průchodu 10 výměníku 2, z něhož jsou přes výstup 11 spalin odtahovány spalinovým ventilátorem 12 do neznázorněného komínového tělesa. Zdroj 13 spalovacího vzduchu mění během spalování své otáčky v závislosti na množství O₂ ve spalinách. Spalinový ventilátor 12 na výstupu 11 spalin z kotle udržuje vlivem měnících se otáček konstantní podtlak ve spalovací komoře 1.

V okamžiku, kdy balík 20 slámy dohořívá, jsou otevřena vrata 15, do spalovací komory 1 je přemístěn další balík 20 slámy, který je obvykle zapálen dohořívajícím balíkem 20 slámy. Následně dojde k opakování celého procesu spalování.

Popel z topeniště je v případě potřeby vybírán otevřenými vraty 15 ručně pomocí popelové škrabky do přistaveného neznázorněného zásobníku.

— 8 —

Průmyslová využitelnost

Kotel podle vynálezu lze využít pro spalování biomasy, zejména pro spalování biomasy uspořádáné do podoby balíků, zejména velkých válcových balíků slámy či sena.

12Seznam vztahových značek spalovací komora výměník spalinový kanál žáruvzdorná izolace I žáruvzdorná izolace II žárovzdorná klenba obratová komora I tahový průchod I obratová komora II tahový průchod II výstup spalin spalinový ventilátor zdroj spalovacího vzduchu tryska primárního vzduchu vrata zapalovací dvířka přední část zadní část strop balík regulační klapka primárního vzduchu regulační klapka sekundárního vzduchu tryska sekundárního vzduchu vstup spalin přívod spalovacího vzduchu potrubí rozdělovník potrubí primárního vzduchu potrubí sekundárního vzduchu

Claims

Patentové nároky

1. Kotel pro spalování celých balíků biomasy, zejména kotel pro spalování celých balíků biomasy ve formě slámy, obsahující spalovací komoru (1) a nejméně jeden výměník (2), vyznačující se tím, že spalovací komora (1) obsahuje spalinový kanál (3) uspořádaný v její ý horní části, přičemž vstup (24) spalin do spalinového kanálu (3) je uspořádán té straně spalovací komory (1), která je opačná ke straně, na které je uspořádán nejméně jeden přívod (25) spalovacího vzduchu.
2. Kotel/ podle nároku 1,vyznačující se tím, že spalinový kanál (3) je vymezen žárovzdornou klenbou (6) a stropem (19) spalovací komory (1).
3. Kotel, podle nároku 2, vyznačující se tím, že žárovzdorná klenba (6) je plechová.
4. Kotel_z podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že přívod (25) spalovacího vzduchu je spojen se zdrojem (13) spalovacího vzduchu.
5. Kotel/podle nároku 4, vyznačující se tím, že zdroj (13) spalovacího vzduchu je se spalovací komorou (1) spojen potrubím (26).
6. Kotel, podle nároku 5, vyznačující se tím, že potrubí (26) je opatřeno rozdělovníkem (27), na který navazuje potrubí (28) primárního vzduchu a potrubí (29) sekundárního vzduchu.
7. Kotel, podle nároku 6, vyznačující se tím, že potrubí (28) primárního vzduchu je spojeno s nejméně jednou tryskou (14) primárního vzduchu, která je uspořádána v pevné horizontální rovině ve spodní úrovni zadní části (18) spalovací komory (1).
8. Kotel, podle některého z nároků 6 až 7, vyznačující setím, že potrubí (29) sekundárního vzduchu je spojeno s nejméně jednou tryskou (23) sekundárního vzduchu, která je uspořádána v pevné horizontální rovině pod žáruvzdornou klenbou (6) v horní úrovni zadní části (18) spalovací komory (1).
9. Kotel/ podle některého z nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že potrubí (28) primárního vzduchu obsahuje regulační klapku (21) primárního vzduchu a potrubí (29) sekundárního vzduchu obsahuje regulační klapku (22) sekundárního vzduchu.

3 · #//
10. Kotel, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že výměník (2) je opatřen spalinovým ventilátorem (12).
11 .Kotel_r podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že spalovací komora (1) má válcový tvar, přičemž je opatřena kruhovými vraty (15), která jsou uspořádána v celém jejím průřezu.
12. Kotel,· podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že spalovací komora (1) je celá chlazená.