CZ22760U1 - Teplovodní kotel pro spalování dřevěného odpadu a mokré biomasy - Google Patents

Description

Teplovodní kotel pro spalování dřevěného odpadu a mokré biomasy

Oblast techniky

Technické řešení se týká teplovodního kotle pro spalování kusového dřeva, dřevěného drceného odpadu, zemědělského drceného odpadu a jiné biomasy o vlhkosti až 60 %.

Dosavadní stav techniky

Obecným problémem spalovacích zařízení na tuhá paliva je nedostatečné prohoření paliva, které se hromadí ve větších vrstvách na dně spalovací komory těchto zařízení, spalování má tak nedostatečnou účinnost a spalování topiva, které není zcela suché je často problematické,

V minulosti se projevily snahy efektivnějšího využití vzduchu vstupujícího zpravidla spodní ío částí zařízení do spalovacího prostoru, poblíž roštu pro odvod popela, tak zvaným dvoufázovým spalováním. Spalovací komora se dělila vertikální přepážkou na dva prostory, kde kromě regulace vstupu primárního vzduchu do jednoho prostoru se také reguloval vstup vzduchu z tohoto prostoru do druhého prostoru odděleného přepážkou, jako například v provedení podle dokumentu DE 31225163. Jiným příkladem oddělených spalovacích prostorů uvnitř spalovací nádoby je řešení podle mezinárodní přihlášky WO 9415148, popisující také tiysky, přivádějící přídavný vzduch do obou spalovacích prostorů se záměrem dosažení spálení i biomasy. Principem jiných provedení několikastupňového procesu pro spálení organického odpadu byl odvod vzniklých spalitelných částic paliva zachyceného na roštu spalovací komory do přídavného zařízení, jako například do cyklonového hořáku, jak uvádí mezinárodní přihláška WO 980559, kde probíhalo další spalování zplodin.

Určitá pozornost byla věnována také provedení roštu, kde místo horizontální polohy se užívalo zešikmených ploch, například podle dokumentu DE 102008028099 nebo EP 1004822, kde se využívalo také pohyblivého elementu schodovitého roštu.

Topná zařízení s násypnou šachtou užívaná v současné době jsou známá jako přídavná zařízení před teplovzdušné agregáty a kotle. Sestávají z násypné části s uzavíracím víkem a spalovací komory, z které je v některých případech vyvedena tryska, ve které dochází ke spalování plynů. Tryska však většinou nebývá přímo v části s nej vyššími teplotami, palivo leží nad roštem v okolí trysky ve vysokých vrstvách, není dosahováno dokonalého provzdušnění, prohoření a tím využití paliva, zvláště s vyšším obsahem vody. Provedení s tryskou uvádí patentový spis CZ 101972, kde topné zařízení s násypnou šachtou pro tuhá paliva s regulací vzduchu v homí části kotle používá jeden šikmý pevný nebo otočný vyhmovací rošt. Užitný vzor CZ 1076 U popisuje teplovodní kotel na dřevo a dřevěný odpad z oddělitelných částí. Spalovací komora je oddělená roštem od popelníkového prostoru a ústím trysky, procházející stěnou kotle, proudí spaliny do oddělitelného sekundárního spalovacího prostoru k tepelnému výměníku.

U dosud užívaných provedení byly vždy shledány nedostatky, čímž nesplňovaly požadavky na jednoduché, kompaktní provedení kotle na tuhá paliva s vysokou účinností a jednoduchou obsluhou, které by bylo možné využít jak pro zátop, tak i pro ohřev vody se spalováním odpadu i o vyšším obsahu vody, včetně biomasy.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky řeší teplovodní kotel podle technického řešení, jehož předmětem je teplovodní kotel na spalování dřeva, dřevěného odpadu, zemědělského odpadu a jiné biomasy o vlhkosti až 60 %. Teplovodní kotel sestává z násypky, pod kterou je umístěna spalovací komora s topeništěm. Stěnou spalovací komory prochází tryska vedoucí k tepelnému výměníku. V topeništi jsou umístěny dva rošty kuželového tvaru s kruhovou základnou a otvory ve stěnách, kde větší nepohyblivý rošt se zužuje směrem dolů a do tělesa většího nepohyblivého roštu je vložen menší pohyblivý rošt zužující se směrem nahoru, přičemž menší pohyblivý rošt má na vrcholu

-1 CZ 22760 Ul otvor, který je umístěn ve středu topeniště a ústí do trysky (obr. 3), kde podélná osa trysky svírá se stěnou spalovací komory úhel 0° až 75° a sahá až do 2/3 topeniště. V meziplášti, tvořícím prostor mezi pláštěm spalovací komory a pláštěm tepelného výměníku, je umístěno ovládání klapky pro regulaci toku plynů ze spalovací komory tryskou k výstupu do komína nebo ze spalovací komory k tepelnému výměníku a v zadní spodní části kotle je umístěna klapka přívod vzduchu do topeniště.

Kotel podle technického řešení má vzhled kompaktního tělesa válcového tvaru (obr. 1), které má v dolní části přední strany umístěn popelníkový prostor s dvířky, který je utěsněný. Na zadní straně kotle se nachází funkční prvky - ovládací klapka pro přívod vzduchu do topeniště, teploměr, ovládání klapky pro tok spalin a vyústění pro odvod spalin do komína. Veškerý materiál pro hoření se do spalovací komory sype násypkou v horní části kotle. Spalovací komora může být případně spojena se zásobníkem pro větší objem paliva, přičemž je v zásobníku umístěna bezpečnostní klapka, která zabraňuje tomu, aby se nedostal oheň pri násypu paliva do kontaktu s obsluhou.

Přívod vzduchu se reguluje podle teploty vody v zahřívaném plášti kotle, kterou ukazuje teploměr v tepelném výměníku, ze zadní strany kotle pomocí jedné ovládací klapky pro přívod vzduchu do topeniště, (obr. 4). Pod tryskou ve spodní části spalovací komory v topeništi dochází ke spalování paliva. V topeništi jsou umístěny dva rošty. Větší nepohyblivý rošt slouží k přívodu primárního vzduchu pomocí klapky pro přívod vzduchu ze zadní části kotle otvory do topeniště a odvodu popela. Rošt je kuželového tvaru s kruhovou základnou zužující se směrem dolů pro usměrnění vzduchu procházejícího do topeniště a snadnější odvod popela ze spalovací komory. Menší pohyblivý rošt je vsazen do tělesa většího roštu, je také kuželového tvaru s kruhovou základnou, otočen vrcholem směrem nahoru. Na vrcholu menšího roštuje otvor sloužící pro přívod sekundárního vzduchu pro hoření vycházejícího z menšího kuželového roštu do trysky, kde probíhá konečné spalování zplodin, které proudí dále tryskou do mezipláště. Otvor na vrcholu kužele menšího roštu je ve středu topeniště a pod otvorem trysky. Vzdálenost otvoru trysky od menšího roštu a průměr trysky závisí na velikosti kotle a jeho výkonu. Menší rošt je otočný s manipulací pomocí táhla pro ovládání roštu v popelníkové šachtě jeho pohybem do stran a otvory roštu tak snadno propadává přebytečný popel. Pohyb malého roštu také umožňuje zapálení topiva v topeništi přes popelník ve spodní části kotle pomocí knotu nebo jiného zápalného materiálu. U větších kotlů se může mechanický pohyb táhla zaměnit za motorový. Ve stěnách obou roštů jsou otvory pro dostatečný přívod primárního vzduchu pro hoření a odvod popela.

Prostor mezi stěnou spalovací komory a tepelným výměníkem tvoří tzv. meziplášť. Tepelná energie vycházející z trysky pres plášť spalovací komory do mezipláště, slouží k ohřevu druhého pláště, který má funkci tepelného výměníku, to znamená, že teplota spalin v meziplášti slouží k ohřevu vody. Tepelný výměník představuje jeden nebo více plášťů s alespoň jedním vodním pláštěm obepínajícím stěnu spalovací komory kotle nebo představuje externí zařízení připojené ke kotli. Spaliny obíhající v meziplášti naráží na stěny druhého pláště a ten se pak rovnoměrně nahřívá po celém obvodu. Meziplášť může být případně ohraničen jednou stěnou bez vodního pláště a druhou stěnou s vodním pláštěm nebo mohou být obě dvě stěny s vodním pláštěm. Teplo plynů procházející mezipláštěm se předává do vodního pláště po celé ploše kotle, do komína odcházejí spaliny co nejvíce ochlazené, aby se tím docílilo co největšího výkonu kotle. Vnější část kotle je pro lepší akumulaci izolovaná, aby přes tepelný výměník neprostupovalo teplo a nedocházelo tak k tepelným únikům. Tepelný výměník může být také u velkých kotlů umístěn vedle kotle. V tom případě spaliny proudí z trysky rovnou do externího tepelného výměníku, z něhož pak přecházejí do komína. Spaliny mohou odcházet také pomocí ovládání klapky pro tok spalin (obr. 5) tzv. „rychlou cestou“ přes meziplášť přímo do komína pro využití zejména při zátopu. V průběhu topení dochází k usazování popílku a postupnému zanášení trysky, mezipláště, případně externího výměníku a celé zařízení je třeba pravidelně Čistit.

-2CZ 22760 Ul

Všechny části kotle jsou vyrobeny z vysoce odolného žáruvzdorného materiálu. Tělo kotle i vodní výměník jsou vyrobeny z žárové oceli. Rošty jsou vyrobeny z křemíkového žáruvzdorného betonuje však možné použít i vysoce legovanou ocel nebo litinu.

Zátop je možné provést dvěma způsoby. Přes dvířka násypky se do spalovací komory pod trysku umístí nejprve suché kousky paliva, maximálně do 15 % vlhkosti, ovládání klapky pro tok spalin se přepne do polohy pro výstup spalin tryskou přes meziplášť do komína a kotel se nahřeje na provozní teplotu přibližně 60 °C v tepelném výměníku. Poté se do násypky umístí zbývající palivo, které může dosahovat až 60 % vlhkosti a ovládání klapky pro tok spalin se může přepnout z polohy pro výstup spalin tryskou do komína do polohy pro výstup spalin z trysky do mezipláště k tepelnému výměníku pro ohřev vody. Zátop je možné provést také vsunutím zápalného knotu pres popelník a pohyblivý rošt do topeniště. Ve spodní části topeniště, kde probíhá spalování, se teplota pohybuje kolem 450 až 1000 °C, dle druhu materiálu a vlhkosti. Palivo je na dvou roštech rovnoměrně rozloženo, provzdušněno a spalování s prouděním primárního, sekundárního vzduchu s dokončením spalování zplodin v trysce má vysokou účinnost. Horké plyny proudící do trysky zcela vysuší i palivo původně o vysoké vlhkosti a dojde k jeho úplnému spálení.

Teplovodní kotel podle technického řešení je použitelný pro spalování jakéhokoli odpadu dřevěného, vznikajícího pri kácení stromů, předzpracování a nebo obrábění dřeva, pilin, štěpků, kusového i drceného dřevěného materiálu, ale i odpadu z obilí, lučního odpadu a biomasy, a to nejen v suchém stavu, ale také o vlhkosti až 60 %. Vzhledem k tomu, že většina paliva zcela shoří, lze jeho provoz označit za ekologický.

Kotel s výkonem do 30 kW je určen především pro vytápění rodinných domů. Prostor spalovací komory s topeništěm a násypka mají celkový objem 0,15 m³ s předpokládanou dobou hoření 12 h. Podle požadovaného výkonu lze zkonstruovat tento teplovodní kotel také v provedení pro průmyslové provozy. Celé zařízení má dlouhou životnost a jeho provozní náklady jsou nízké. Popis obrázků na výkresech

Obr. 1: Teplovodní kotel - celkový pohled.

Obr. 2: Pohled na kotel zepředu.

Obr. 3: Pohled na kotel v podélném řezu A-A, kde je vidět vnitřní část spalovací komory - topeniště, oba rošty a tryska.

Obr. 4: Pohled na kotel zezadu, kde jsou vidět ovládací prvky - klapka pro přívod vzduchu do topeniště, vypouštěcí ventil a výstup do komína.

Obr. 5: Pohled shora, kde je vidět ovládání klapky pro tok spalin v meziplášti a teploměr.

Obr. 6: Pohled v příčním vřezu B-B, kde je vidět tryska, větší pevný rošt, meziplášť a tepelný výměník.

Technické řešení je dále popsáno pomocí příkladů provedení, které však neomezují jiná možná provedení v rozsahu nároků na ochranu.

Příklady provedení technického řešení

Příklad 1

Teplovodní kotel I na spalování dřeva a biomasy o výkonu 30 kW sestával z násypky 2, pod kterou byla umístěna spalovací komora 5 s topeništěm 9, kde stěnou spalovací komory 5 procházela tryska 7, jejíž podélná osa svírala se stěnou spalovací komory 5 úhel 75° a sahala do 2/3 topeniště 9, vedoucí k tepelnému výměníku 8. V topeništi 9 kotle I se nacházely dva rošty kuželového tvaru s kruhovou základnou a otvory ve stěnách, kde větší nepohyblivý rošt 10 se zužoval směrem dolů a nad větším nepohyblivým roštem W byl usazen menší pohyblivý rošt Π, zužující se směrem nahoru, přičemž menší pohyblivý rošt JT měl na vrcholu otvor umístěný ve středu topeniště a ústící do trysky 7. V meziplášti 6 kotle I, tvořícího prostor mezi pláštěm spalovací komory 5 a pláštěm tepelného výměníku 8 s jedním vodním pláštěm, bylo umístěno ovládání 16

-3 CZ 22760 Ul klapky pro regulaci toku plynů ze spalovací komory 5 tryskou 7 k výstupu 18 do komína nebo ze spalovací komory 5 k tepelnému výměníku 8 a v zadní spodní části kotle byla umístěna klapka 21 přívod vzduchu do topeniště. Do teplovodního kotle I se dvířky 3 násypky pod trysku 7 vložil papír a kousky suchého dřeva, které se zapálily, pomocí ovládání 16 klapky pro tok spalin se přepnul výstup spalin ze spalovací komory 5 tryskou 7 přes meziplášť 6 k výstupu 18 do komína a kotel se nahřál na 60 °C tepelného výměníku 8. Poté se do násypky 2 umístilo 10 kg slámy 50% vlhkosti, ovládání 16 klapky pro regulaci toku plynů ze spalovací komory 5 tryskou 7 k výstupu 18 do komína se přepnulo do polohy pro výstup spalin ze spalovací komory 5 k tepelnému výměníku 8 pro ohřev vody a postupně došlo k úplnému shoření paliva.

io Příklad 2

Teplovodní kotel i na spalování dřeva a biomasy o výkonu 30 kW sestával z násypky 2, pod kterou byla umístěna spalovací komora 5 s topeništěm 9, kde stěnou spalovací komory 5 procházela tryska 7, jejíž podélná osa svírala se stěnou spalovací komory 5 úhel 75° a sahala do 2/3 topeniště 9, vedoucí k tepelnému výměníku 8. V topeništi 9 kotle i se nacházely dva rošty kuže15 lového tvaru s kruhovou základnou a otvory ve stěnách, kde větší nepohyblivý rošt 10 se zužoval směrem dolů a nad větším nepohyblivým roštem 10 byl usazen menší pohyblivý rošt 11 zužující se směrem nahoru, přičemž menší pohyblivý rošt 11 měl na vrcholu otvor umístěný ve středu topeniště a ústící do trysky 7. V meziplášti 6 kotle 1, tvořícího prostor mezi pláštěm spalovací komory 5 a pláštěm tepelného výměníku 8 s jedním vodním pláštěm, bylo umístěno ovládání 16 klapky pro regulaci toku plynů ze spalovací komory 5 tryskou 7 k výstupu 18 do komína nebo ze spalovací komory 5 k tepelnému výměníku 8 a v zadní spodní části kotle byla umístěna klapka 21 přívod vzduchu do topeniště. Tryska 2 se zaházela suchou Štěpkou a popelníkem 12 se přes malý pohyblivý rošt H vsunul zápalný knot, který se nechal rozhořet ve spalovací komoře 5, pomocí ovládání 16 klapky pro tok spalin se přepnul výstup spalin ze spalovací komory 5 tryskou 7 přes meziplášť 6 k výstupu 18 do komína a kotel se nahřál na 60 °C tepelného výměníku 8, poté se do násypky umístilo 5 kg suchých pilin, ovládání 16 klapky pro regulaci toku plynů ze spalovací komory 5 tryskou 7 k výstupu 18 do komína se přepnulo do polohy pro výstup spalin ze spalovací komory 5 k tepelnému výměníku 8 pro ohřev vody a postupně došlo k úplnému shoření paliva.

Průmyslová využitelnost

Teplovodní kotel podle technického řešení nalezne uplatnění pri vytápění rodinných domů spalováním dřevěného odpadu. Konstrukce je navržena tak, aby odpovídala normám pro kotle do 30 kW sloužících k vytápění rodinných domů. Provedení není objemově omezeno, čímž nalézá uplatnění i v průmyslu. Výhodou kotle je jeho použitelnost pro spalování jakéhokoli odpadu dřevěného, lučního i zemědělského a to nejen suchého, ale až do 60 % vlhkosti. Celé zařízení má dlouhou životnost a jeho provozní náklady jsou nízké. Vzhledem k tomu, že většina paliva zcela shoří, lze jeho provoz označit za ekologický.

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Teplovodní kotel (1) na spalování dřeva a biomasy sestávající z násypky (2), pod kterou je 40 umístěna spalovací komora (5) s topeništěm (9), kde stěnou spalovací komory (5) prochází tryska (7) vedoucí k tepelnému výměníku (8), vyznačující se tím, že v topeništi (9) jsou umístěny dva rošty (10), (11) kuželového tvaru s kruhovou základnou a otvory ve stěnách, kde větší nepohyblivý rošt (10) se zužuje směrem dolů a do tělesa většího nepohyblivého roštu (10) je vložen menší pohyblivý rošt (11) zužující se směrem nahoru, přičemž menší pohyblivý rošt

   45 (II) má na vrcholu otvor, který je umístěn ve středu topeniště (9) a ústí do trysky (7), jejíž po-4CZ 22760 Ul délná osa svírá se stěnou spalovací komory (5) úhel 0° až 75° a sahá až do 2/3 topeniště (9), dále je v meziplášti (6), tvořícím prostor mezi pláštěm spalovací komory (5) a pláštěm tepelného výměníku (8), umístěno ovládání (16) klapky pro regulaci toku plynů ze spalovací komory (5) tryskou (7) k výstupu (18) do komína nebo ze spalovací komory (5) k tepelnému výměníku (8) a

   5 v zadní spodní části kotle je umístěna klapka (17) přívodu vzduchu do topeniště.
2. 2. Teplovodní kotel (1) podle nároku 1, vyznačující sc tím, že tepelný výměník (8) představuje jeden nebo více plášťů s alespoň jedním vodním pláštěm obepínající stěnu spalovací komory (5) kotle (1) nebo představuje externí zařízení připojené ke kotli (1).