WO2014148956A1 - Способ сжигания пеллета и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к производству тепловой энергии с использованием гранулированного топлива - пеллета. Пеллетная горелка, включает корпус горелки с частично закрытыми сверху сопловой пластиной торцами, с установленным сверху корпуса вертикально с образованием сквозного проема в корпусе каналом подачи, имеющим в средней части ряд вентиляционных отверстий, выполненным с возможностью сопряжения с устройством хранения запаса топлива бункером, камеру горения, находящуюся внутри корпуса, и ограниченную со стороны переднего торца корпуса передней перфорированной пластиной, со стороны заднего торца корпуса задней перфорированной пластиной, с нижней стороны перфорированной подовой пластиной, таким образом, что между нижними частями передней и задней пластин и подовой пластиной остается вертикальный зазор, а между подовой пластиной и нижней частью корпуса остается вертикальный зазор. Подаваемый воздух и топливо обеспечивают процесс горения с образованием горючих газов, которые смешиваются с вторичным воздухом образуя факел, твердые продуты горения напором воздуха выносятся камеры горения через щель и напором вторичного воздуха через щель выбрасываются из горелки.

Description

СПОСОБ СЖИГАНИЯ ПЕЛЛЕТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

ОПИСАНИЕ Заявляемое изобретение относится к области производства тепловой энергии с использованием гранулированного топлива (пеллета) и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства.

Известно, что в ходе деревообработки образуется большое количество побочных продуктов: стружки, щепы, опила и пр. Эти продукты представляют собой измельченную древесину, при этом одним из вариантов применения древесины является ее использование в качестве топлива. Поэтому идея использовать отходы деревообработки для производства тепловой энергии возникла давно. Однако при попытках реализовать идею на практике, изобретатели всегда сталкивались с одним и тем же набором проблем, как-то (на примере опила): малый удельный вес опила (а так же объемная теплотворная способность) и, вследствие этого, большие объемы транспортировки, хранения, подачи; склонность опила к слеживанию, образованию сводов; сложность организации стабильного процесса горения опила, решаемая, как правило, только механическим, либо газодинамическим перемешиванием горящего топлива и т.д. Решение указанных проблем на практике представляло большую сложность, в том числе и в плане снижения стоимости тепловой энергии, вследствие чего, опил и прочие отходы деревообработки были мало востребованы, так что у деревообрабатывающих предприятий накопились огромные отвалы опила.

Примерно в середине 20 века был изобретен способ изготовления из опила топливных гранул - пеллетов (pellets) с помощью механической прессовки, при этом существенно, в 3-3,5 раза увеличился удельный вес топлива, возросла сыпучесть, упростилась организация процесса горения. В дальнейшем пеллеты начали изготавливать также из отходов сельского хозяйства, например из шелухи подсолнечника, соломы, из таких видов топлива, как торф и даже из опавшей листвы. В настоящее время, в связи с ростом цен на нефть и газ, актуальность применения пеллета в качестве топлива для получения тепловой энергии постоянно растет, а производство пеллета достигает миллионов тонн в год.

Современная гранула (на примере гранулы, изготовленной из опила) представляет собой плотный цилиндр диаметром 6-8 мм с неровными торцами, длиной от 5 до 30 и более мм. Плотность гранулы составляет 0,9-1 ,1 г/см³, влажность 4-6%, теплотворная способность до 18 МДж/кг. Структурная прочность гранулы обусловлена, как правило, только лигниновой связкой и внутренним трением, т.е. посторонние связующие отсутствуют. Важным условием прочности гранулы является ее влажность. Некоторое повышение влажности против указанной выше приводит к необратимому разрушению гранулы - из твердой гранулы образуется кучка опилок.

Рассмотрим некоторые условия работоспособности устройства сжигания пеллета (пеллетной горелки), использующей гравитационную подачу и естественную тягу, выявленные автором изобретения в ходе исследований и экспериментов.

1. Горение топлива

В ходе сгорания древесная гранула проходит четыре стадии:

На 1 стадии горения начинается нагрев гранулы сторонним источником тепла (например, теплом горящего рядом топлива). При некотором прогреве начинается термическое разложение материала гранулы с образованием горючих газов, но без реакции окисления - гранула испускает аэрозоль горючих газов, темнеет. На этой стадии условия дутья должны быть таковыми, чтобы не допустить переохлаждения гранулы.

На 2 стадии горения температура гранулы повышается настолько, что реакция окисления начинается вблизи поверхности гранулы - появляется пламя, разогрев гранулы ускоряется. На этой стадии условия дутья должны быть таковыми, чтобы не допустить срыва пламени с гранулы.

На 3 стадии горения образование горючих газов достигает максимума - пламя разгорается, затем начинает постепенно уменьшаться до полного угасания, начинается окисление твердого углерода, входящего в состав древесины, поверхность гранулы разогревается до высокой температуры - раскаляется, гранула уменьшается в размерах. На этой стадии дутье можно регулировать в широких пределах.

На 4 стадии горения образование горючих газов закончено - пламя погасло, из гранулы образовался раскаленный уголек, скорость уменьшения гранулы снижается, на поверхности уголька появляется серый налет - слой негорючих тугоплавких материалов, входящих в состав древесины, т.н. зола, по мере выгорания углерода слой золы становится все толще, скорость уменьшения гранулы снижается еще больше, поверхность окисления постепенно уходит вглубь слоя золы, стадия заканчивается, когда весь углерод выгорает, а на месте уголька остается зольный шарик, который имеет некоторую прочность. Основная химическая реакция на 4 стадии 02 + С = С02. На этой стадии условия дутья должны быть таковыми, чтобы интенсивно окислять углерод, сдувать золу, разрушать зольный шарик, т.е. требуется максимально интенсивное дутье.

Организуя процесс горения, необходимо поддерживать стехиометрические отношения на оптимальном уровне. Как правило, это достигается за счет ввода в устройство вторичного, т.е. не проходящего через камеру горения, воздуха, который используется для сжигания горючих газов, образующихся в ходе термического разложения 90 материала гранулы и не сгоревших в слое топлива.

2. Организация дутья.

Дутье в камере горения должно быть организовано таким образом, чтобы тепловая энергия 3, 4 стадии горения поддерживала течение 1 , 2 стадии в объеме, достаточном для их проведения, а сила дутья должна

95 быть оптимальной на различных стадиях горения топлива.

Организация дутья должна проводиться с учетом весьма небольшого перепада давления, характерного для невысоких дымовых труб. Эксперименты показали, что газодинамическое сопротивления слоя топливных гранул (для гранул 8 мм) толщиной 60-70 мм

100 обеспечивает весьма слабое движение воздуха в слое гранул, в то время как слой гранул толщиной 20-25 мм позволяет поддерживать скорость дутья, достаточную для обеспечения 4 стадии горения.

Восходящее дутье через слой топлива, направленное или имеющее преимущественное направление против движения топлива, может

105 выполняться со скоростью, единой для всех стадий, ибо гранулы находящиеся на 3, 4 стадиях горения внизу слоя обеспечивают интенсивное тепловое воздействие на гранулы, находящиеся на 1, 2 стадии горения вверху слоя. При этом скорости дутья должно хватать для интенсификации 4 стадии горения, т.е. слой топлива не должен

110 превышать 20-25 мм. По условиям гравитационной подачи топлива создание подобного равномерного горизонтального слоя в камере горения является затруднительным.

Горизонтальное дутье через слой топлива, направленное или имеющее преимущественное направление поперек движения топлива,

115 должно выполняться с нарастанием скорости дутья от 1 стадии, как правило, находящейся вверху слоя топлива, к 4 стадии, как правило, находящейся внизу слоя топлива. При этом скорость дутья должна быть выбрана такой, чтобы не переохлаждать гранулу на 1 стадии, не сорвать пламя на 2 стадии и интенсифицировать 4 стадию горения. Иначе

120 говоря, требуется создать градиент дутья, совпадающий с направлением движения топлива. Подобный градиент может быть создан уменьшением слоя топлива сверху вниз в направлении дутья с величины 60-70 мм до величины 20-25 мм.

Нисходящее дутье через слой топлива, направленное или имеющее

125 преимущественное направление совпадающее с направлением движения топлива, должно применяться осторожно, ибо гранулы, горящие на 1, 2 стадии и находящиеся вверху слоя в этом случае находятся в потоке нисходящего холодного воздуха, стремящегося отодвинуть от них тепловой фронт от гранул, находящихся на 3, 4 стадиях внизу слоя.

130 Нисходящее дутье, как правило, применимо только для малых интенсивностей горения, причем в этом случае, как правило, стараются удалить из камеры горения 4 стадию горения или ее вторую часть, поскольку скорости дутья для ее проведения обычно не достаточно.

2. Движение топлива

135 Сила тяжести, используемая для подачи топлива в камеру горения, испытывает существенное противодействие со стороны сил трения, возникающих при трении топлива о стенки канала, бункера, гранул топлива между собой, потому давление, оказываемое топливом на камеру горения, весьма невелико. При отклонении подачи топлива от

140 вертикали, в наклонных каналах, или с созданием естественного откоса топлива в камере горения, сила трения увеличивается и давление снижается еще больше, что затрудняет оборот топлива в камере горения, делает его неравномерным или вообще невозможным.

Скорость движения топлива в камере горения должна

145 обеспечивать заданную тепловую мощность устройства. В то же время, скорость движения топлива в камере горения должна быть выбрана таким образом, чтобы не нарушалась геометрическая стабильность зон горения топлива.

Первый вариант нарушения геометрической стабильности связан с 150 тем, что зона 1 стадии горения начинает смещаться в сторону зон 2, 3, 4 стадий с их вытеснением из камеры горения, что приводит к остановке процесса горения. Процесс имеет место при горизонтальном дутье при его чрезмерной интенсификации на 4 стадии и при нисходящем дутье при общей чрезмерной интенсификации последнего. При восходящем - 155 это вариант нарушения стабильности не имеет места.

При применении горизонтального дутья противоречие может быть разрешено применением градиента подачи топлива, совпадающем с направлением дутья, таким образом, что передний (обращенный к дутью) слой топлива движется вниз медленнее, чем задние слои. При 160 этом тепло горения гранул в переднем слое топлива интенсифицирует процесс горения в заднем слое, не позволяя нарушаться геометрической стабильности зон горения. При применении нисходящего дутья разрешить противоречие удается только ограничением его интенсивности.

165 Второй вариант нарушения геометрической стабильности зон горения связан с тем, что зона 4 стадия горения постепенно разрастается, вытесняя 1 , 2, 3 зоны из камеры горения, что приводит к падению тепловой мощности устройства. В дальнейшем, за счет роста газодинамического сопротивления камеры горения, заполненной мелким

170 углем, ухудшается процесс золоудаления, камера горения заполняется золой, горение топлива прекращается. Процесс имеет место при любом варианте организации дутья, при недостаточной интенсификации дутья на 4 стадии горения.

Одним из способов решения проблемы указанного нарушения, 175 может быть удаление из камеры горения зоны 4 стадии горения топлива, либо второй части этой стадии, характеризующейся наиболее интенсивным золообразованием. В этом случае следует предусмотреть возможность проведения 4 стадии горения в другом месте, например, на поду теплового агрегата, поскольку недогоревшее топливо будет

180 снижать КПД устройства.

При размещении запаса топлива в герметичном (по условиям пожаробезопасности) бункере, связанном с зоной горения вертикальным или наклонным каналом подачи топлива, в отсутствие движения воздуха в канале и бункере, возникают условия для диффузии газов,

185 образующихся в зоне горения, вверх по каналу, что приводит к тому, что водяной пар, содержащийся в газах, конденсируется на холодных гранулах в канале и бункере. Увеличение влажности гранул приводит к их разбуханию, разрушению и, в конце концов, блокированию канала подачи. Нейтрализация процесса диффузии может быть достигнута за

190 счет нисходящей вентиляции канала.

4. Регулирование тепловой мощности и остановка устройства.

Регулирование мощности горения за счет изменения скорости подачи топлива в требуемых объемах затруднительно по причинам, связанным с гравитационным способом подачи, размерами устройства,

195 физическими характеристиками топлива. Этот способ, как правило, не применяется.

Регулирование мощности устройства (как правило, снижения от максимальной к минимальной) за счет снижения общего расхода воздуха на горение (например, прикрытием заслонки на входе воздуха) 200 неизбежно снижает общую скорость дутья и допустимо только в пределах, не критичных для 4 стадии горения. При снижении скорости дутья на 4 стадии до некоторого предела имеет место второй вариант нарушения геометрической стабильности зон горения. Регулирование мощности устройства за счет снижения силы тяги, 205 возникающей в дымовой трубе (что, по сути, то же самое, что снижение общего расхода воздуха) не допускается, как противоречащее требованиям безопасности устройства.

Эффективное регулирование мощности устройства может быть достигнуто за счет дифференцированного регулирования скорости дутья 210 по стадиям горения. При этом на 1 , 2, 3 стадии горения скорость дутья может регулироваться в пределах в соответствии с указанными выше особенностями их проведения, на 4 стадии горения скорость дутья должна оставаться постоянно максимально возможной. Указанный способ позволяет регулировать мощность в достаточных для 215 достижения технического результата пределах и может быть реализован изменением газодинамического сопротивления ограничивающих верхнюю часть камеры горения конструкций, либо изменением газодинамического сопротивления слоя топлива.

Еще одним вариантом изменения мощности устройства является 220 изменение объема камеры горения, который, как правило, связан с изменением ее ширины.

Снижение мощности устройства вызывает снижение объема и температуры газов, проходящих через дымовую трубу, что неизбежно ведет к снижению общей скорости дутья. Указанная обратная связь 225 ограничивает снижение мощности любого устройства пределом скорости дутья, достаточной для проведения 4 стадии горения.

Остановка устройства может быть проведена прерыванием потока топлива с использованием шиберной заслонки. Установлено, что наилучшим является шибер со штыревой рабочей частью.

230 5. Удаление золы

Ввиду большого оборота топлива в камере горения, полное удаление золы из зоны горения является обязательным условием достижения технического результата.

Гравитационное удаление золы, т.е. за счет ее падения под

235 действием силы тяжести в щели (отверстия) поддерживающей топливо конструкции, в случае применения восходящего дутья является неэффективным по причине очень низкой плотности золы, налипания золы на поддерживающие конструкции, противодавления оказываемого дутьем на силу тяжести действующую на золу. Указанное условие

240 остается актуальным даже для поддерживающих конструкций с очень высокой степенью перфорации (до 95%) и большими размерами отверстий в свету.

Гравитационное удаление золы при применении нисходящего дутья может быть признано достаточно эффективным при применении

245 конструкций с высокой степенью перфорации, большими размерами отверстий в свету, обеспечением равномерности дутья по всей площади поддерживающей конструкции.

Газодинамическое (т.е. напором воздуха) удаление золы является более эффективным. В случае применения восходящего дутья,

250 газодинамическое удаление золы возможно при толщине слоя гранул не превышающем 20-25 мм. По условиям гравитационной подачи топлива создание подобного равномерно-устойчивого горизонтального слоя в камере горения является затруднительным.

Газодинамическое удаление золы при применении

255 горизонтального дутья весьма эффективно, поскольку обусловлено самой организацией процесса дутья с градиентом (см. Организация дутья) при его максимальной интенсивности в нижней части камеры горения, где топливо находится на 4 стадии. Снижением слоя топлива на 4 стадии до 20-25 мм (что и требуется по условиям ее проведения)

260 достигается эффективный унос золы и мелких угольков из камеры горения. Отдельной проблемой устройств сжигания топлива является транспортировка золы из устройства, после ее удаления из камеры горения.

265 Использование зольного ящика в составе горелки (при гравитационном удалении золы) может быть признано эффективным лишь при применении ящика достаточного размера, не накладывающего ограничения на функциональность устройства.

Газодинамическая транспортировка золы является более

270 перспективной, поскольку позволяет транспортировать золу, мелкие угли в зольник теплового агрегата, имеющий, как правило, большие, по сравнению с горелкой, размеры. Газодинамическое удаление золы может быть проведено потоком вторичного воздуха с различными вариантами организации его потоков. Например, в случае применения

275 горизонтального дутья, организация потока вторичного воздуха, проходящего под камерой горения позволяет выдувать из устройства выбрасываемые из камеры горения золу и мелкий уголь.

6. Температурный режим

Большая часть тепловой энергии, производимой устройством, 280 должна выделяться за его пределами, иначе говоря, факел должен находится за пределами устройства. В ином случае неизбежен перегрев и быстрое разрушение конструкций устройства. Вариантом подобного регулирования является организация смешения горючих газов и вторичного воздуха, преимущественно в выходной части устройства 285 (сопле).

Нежелательно размещение бункера, канала подачи пеллета в свету факела пламени, ибо это приводит к нагреву канала лучистым теплом, в результате чего внутри канала начинается пиролиз топлива с выделением жидких и газообразных продуктов, загрязняющих канал. 290 Канал закоксовывается, стабильность подачи пеллета снижается, вплоть до прекращения подачи.

7. Пожарная безопасность

Конструкция устройства должна обеспечивать пожарную безопасность при максимальной проектной аварии (незакрытая крышка бункера + малый остаток топлива + завал дымохода), Необходимо также обеспечить безопасность при таких авариях как хлопок в тепловом агрегате, падение на устройство легковоспламеняющихся предметов.

Средствами обеспечения безопасности могут являться:

Герметичный бункер с герметичной крышкой. Противодавление со стороны бункера не позволяет горячим газам, образующимся в зоне горения интенсивно продвигаться вверх по каналу подачи и попадать в бункер.

Удлиненный выше вентиляционных отверстий канал подачи (либо эта функция может быть возложена на питатель бункера). В случае, когда крышка бункера остается открытой, исчезновения тяги и возникновения движения горячих газов вверх по каналу создает условия для блокирования канала подачи топлива разбухшими гранулами (см. Подача топлива).

Фиксация элементов камеры горения, применение в ограждающей конструкции дверки, отделяющей камеру горения от окружающей среды. В случае хлопка в тепловом агрегате препятствует выбросу конструкций камеры горения и топлива из устройства.

Использование вентилируемого кожуха устройства. Позволяет снизить температуру поверхности кожуха и не допустить возгорание упавших на устройство предметов.

8. Обслуживание и чистка

Конструкция устройства должна обеспечивать возможность замены быстроизнашивающихся частей (как правило, деталей камеры горения) и чистки устройства. 320 Из уровня техники известна пеллетная горелка, состоящая из камеры горения с решетчатой нижней и сплошными вертикальными стенками, в верхней части которой имеется отверстие для канала, подающего топливо, расположенного под острым углом к вертикали, под камерой горения расположен контейнер для сбора золы, отверстие

325 подачи воздуха в камеру сгорания расположено в торце камеры, отличающаяся тем, что нижняя часть камеры сгорания является поворотной и составной и состоит из двух сеток, в которой первая сетка отклонена от горизонтали под углом 25 до 40° что меньше, чем угол естественного откоса гранул, а вторая сетка расположена под углом от

330 50 до 90° к горизонтали, что больше, чем угол естественного откоса гранул, эти две сетки образуют зону горения, в верхней части камеры сгорания имеется отверстие для удаления газообразных продуктов сгорания, камера сгорания имеет периферийный канал (очевидно ,для подачи вторичного воздуха) соединяющийся с отверстием подачи

335 воздуха, а само отверстие подачи воздуха имеет механический регулирующий клапан связанный с термостатом, к каналу подачи топлива крепится бункер с крышкой (см. BG 1341 U1 ПЕЛЕТНА ГОРЕЛКА).

Анализ конструкции. Используется восходящее дутье, однако 340 толстый слой топлива, лежащий на сетках, не позволит поддерживать скорость дутья в необходимых для протекания 4 стадии горения пределах. Топливо подается с отклонением от вертикали с использованием реакции опоры, что снижает стабильность процесса оборота топлива в камере горения. В результате низкой скорости дутья 345 возможен 2 вариант нарушения геометрической стабильности зон горения. Регулирование мощности устройства производится за счет уменьшения общего потока воздуха, что снижает и без того недостаточную скорость дутья. Используется гравитационный метод удаления золы, при восходящем дутье являющийся неэффективным,

350 причем весьма слабая степень перфорации поддерживающих конструкций снижает эту эффективность еще больше. Отсутствует вентиляция канала подачи, отсутствует шиберная заслонка, канал подачи находится в свету факела пламени.

Достижение технического результата - маловероятно, в части

355 обеспечения длительности и регулируемости процесса горения.

Известна пеллетная печь, включающая (в части устройства сжигания) корпус, содержащий удлиненное тело первой секции печи... ...содержащий камеру сгорания, впускной канал подачи гранул, проходящий через верхнюю поверхность и расположенный на верхней

360 части камеры сгорания, таким образом, что гранулы поступают вниз под действием силы тяжести; перфорированную решетку поддержки гранул, расположенную в камере сгорания с множеством отверстий с несколькими вариантами прохода воздуха на горение впускной канал подачи гранул снабжен заслонкой, прерывающей подачу гранул зола

365 собирается в зольном ящике, находящемся под решеткой (см. US 8,020,547 В2 PELLET STOVE).

Анализ конструкции. Используется восходящее дутье, однако слой топлива, лежащий на решетке существенно больше, чем требуется для поддержания скорости дутья в нужных, для протекания 4 стадии,

370 пределах. Топливо подается с большим отклонением от вертикали, что снижает стабильность процесса оборота топлива в камере горения. В результате низкой скорости дутья может иметь место второй вариант нарушения геометрической стабильности зон горения. Регулирование мощности производится за счет уменьшения общего потока воздуха, что

375 снижает и без того недостаточную скорость дутья. Используется гравитационный метод удаления золы при восходящем дутье, являющимся неэффективным, причем весьма слабая степень перфорации поддерживающих конструкций снижает эту эффективность еще больше. Отсутствует вентиляция канала подачи топлива, возможен

380 перегрев канала подачи, находящегося в свету факела пламени

Достижение технического результата - маловероятно в части обеспечения длительности и регулируемости процесса горения.

Известна пеллетная горелка с гравитационной подачей включающая бункер для хранения топлива с отверстием для подачи

385 топлива, наклонный желоб расположенный вниз от указанного отверстия на нижнем конце имеющего горизонтальную полку расширяющую нижний конец желоба где и происходит горение топлива, желоб выполнен съемным, поток воздуха на горение регулируется заслонкой, имеющей регулировочный винт (см. US 4,989,521 GRAVITY

390 FED PELLET BURNER (полные аналоги в части устройства сжигания:

US 5,183,028; US 5,251,607).

Анализ конструкции. Изучение конструкции показало, что указанная полка на нижнем конце желоба не в состоянии удержать поток топливных гранул из бункера, поскольку известно, что угол

395 естественного откоса пеллета составляет 25-300, поэтому пеллет, будучи загруженным в бункер, двигаясь под действием силы тяжести будет скатываться по лотку, установленному под каналом подачи, минуя полку и заполняя камеру горения до достижения угла естественного откоса, засыпав, в том числе, и щель, образованную лотком и нижней

400 частью корпуса, которая, в ином случае, могла бы использоваться для организации интенсивного дутья вторичного воздуха, используемого, в том числе, для удаления золы из устройства. Вышеприведенный процесс полностью блокирует работу горелки, поскольку силы дутья через отверстия в нижней части лотка и слой вышележащего топлива явно

405 недостаточно для удаления золы из зоны горения. Отметим так же, что регулирование мощности производится за счет уменьшения общего потока воздуха, что снижает общую скорость дутья.

Достижение технического результата - маловероятно по причинам ошибок в конструкции устройства (по крайней мере, как это следует из

410 анализа материалов источника).

Известен проект печи на природных гранулах, включающий (в части устройства сжигания) наклонную решетку, ближе к верхнему краю, на периферии и немного выше которой имеется отверстие, соединенное с бункером, где хранится запас топлива, и которое

415 поступает на решетку под действием силы тяжести. Воздух на горение поступает через решетку снизу вверх посредством горизонтального канала, снабженного на входе воздуха поворотной заслонкой (см. ЕР 0854324 А2 NATURAL DRAFT PELLET STOVE).

Анализ конструкции. Размер отверстия для подачи гранул,

420 указанный на рисунке, пропорционально (очевидно) размерам гранулы, абсолютно недостаточен для организации сколько-либо стабильной подачи (сечение канала подачи, в случае подачи вертикально вниз и использовании гранул изометричной формы, должно превышать размер гранулы в 7 - 7,5 раза; любые отклонения от указанных параметров

425 требуют дальнейшего увеличения размера отверстия). Подача топлива на решетку производится очень тонким слоем, чуть ли не в одну гранулу, с большим отклонением от вертикали, по сути, в близком к горизонтали направлении, что вызывает большие сомнения в стабильности такого процесса и вообще в возможности ведения

430 процесса организованного таким образом. Если же отверстие в стенке бункера увеличить до требуемых пределов, толщина слоя топлива на решетке вырастет до 60 мм (для пеллета диаметром 8 мм), что вызовет пересыпание пеллета через край решетки, но в любом случае проявление проблем, связанных восходящим дутьем через толстый слой топлива,

435 гравитационным золоудалением и т.д. Иные недостатки: отсутствие шибера, отсутствие вентиляции.

Достижение технического результата - маловероятно по причинам ошибок в конструкции устройства (по крайней мере, как это следует из анализа материалов источника).

440 Известен садовый нагреватель, работающий на пеллете, приготовленном из биомассы, включающий (в части устройства сжигания) корпус с открытым передним и задним торцами, причем передний торец используется для входа воздуха, задний для выхода факела пламени, имеющий отверстие в верхней части, в которое входит

445 нижняя часть конусообразного бункера, имеющего шиберную заслонку; камеру горения, расположенную под нижней частью бункера и образованную со стороны входа воздуха наклонной перфорированной пластиной, со стороны выхода горючих газов задней стенкой бункера, таким образом, что образуется щель между наклонной пластиной и

450 задней стенкой бункера, которая препятствует свободному высыпанию пеллета, причем между нижним краем наклонной пластины и нижней частью корпуса имеется зазор. В зависимых пунктах указывается на возможность применения пластины V образной формы, на возможность движения пластины вдоль оси корпуса с целью регулирования размера

455 указанной щели (см. US 5,144,939 BIOMASS PELLET-BURNING ORCHARD HEATERS).

Анализ конструкции. Минимальным просветом между наклонной пластиной и задней стенкой бункера, используемой как задняя стенка камеры горения, является нормаль проведенная от нижнего края задней

460 стенки бункера к наклонной пластине. Топливо будет зависать в пределах указанной щели, а не так, как показано в оригинальном документе. В этом случае устройство будет работать с использованием, преимущественно, нисходящего дутья, действующего в слое топлива, зависшем в щели устройства и находящегося ниже верхнего края 465 перфорации пластины. Удаление золы осуществляется гравитационным способом, стабилизация зон горения достигается удалением зоны 4 стадии горения из камеры горения (т.е. зола и мелкий уголь просто падает через щель вниз), удаление золы и мелкого угля из устройства осуществляется потоком вторичного воздуха, проходящего в щель под

470 пластиной и нижней частью корпуса. Недостатки: отсутствие вентиляции канала подачи.

Достижение технического результата - при правильной регулировке размера указанной щели и степени перфорации пластины и наличии какого-либо средства нисходящей вентиляции (например, через

475 неплотности крышки бункера, через неплотности шибера) технический результат достигается с учетом ограничений, применяемых для нисходящего процесса дутья (малая мощность устройства).

Выбранный прототип: садовый нагреватель, работающий на пеллете, приготовленном из биомассы (US 5,144,939 BIOMASS

480 PELLET-BURNING ORCHARD HEATERS).

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в разработке способа длительно устойчивого, регулируемого, эффективного сжигания пеллета, с подачей пеллета в зону горения за счет гравитации и подачей воздуха в зону горения за счет естественной

485 тяги (в ряде случаев возможно использование дымососа), возникающей в дымовой трубе, с получением тепловой энергии в виде факела пламени; в разработке на базе указанного способа простого, надежного, недорогого (относительно автоматизированных устройств), регулируемого, легко обслуживаемого, способного продолжительное

490 время действовать без участия человека устройства сжигания пеллета (пеллетной горелки) с получением тепловой энергии в виде факела пламени с дальнейшей возможностью использования полученной энергии в тепловых агрегатах (печах, котлах, каминах) бытового и промышленного назначения.

495 Технический результат изобретения: длительно устойчивое производство тепловой энергии в виде факела пламени с возможностью регулирования его мощности и возможностью использования полученной тепловой энергии в различных тепловых агрегатах (печах, котлах, каминах).

500 Как показал анализ уровня техники, известные технические решение, как правило, не достигают указанного технического результата в основном по критериям длительной устойчивости и широте регулирования.

Решение задачи изобретения с достижением указанного 505 технического результата позволит создать простую и надежную пеллетную горелку, при помощи которой можно недорогим способом и без увеличения стоимости тепловой энергии механизировать немеханизированные твердотопливные отопительные агрегаты, потребляющие в качестве топлива дрова, уголь и использующие ручную 510 закладку топлива: водогрейные котлы, отопительные и банные печи, применяемые как в быту, так и в социальной сфере, промышленности и, таким образом, существенно снизить трудоемкость обслуживания подобных отопительных агрегатов.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:

515 Фиг. 1. - Схема, иллюстрирующая способ сжигания пеллета.

Фиг. 2. - Схема движения воздуха и газообразных продуктов сгорания в камере горения.

Фиг. 3. - Схема, иллюстрирующая конструкцию устройства сжигания пеллета.

520 Фиг. 4. - Схема реализации изобретения в виде отдельного устройства - пеллетной горелки.

Фиг. 5. - Камера горения, выполненная в виде отдельного, разбираемого на части устройства.

Фиг. 6. - Вариант установки изобретения в тепловой агрегат.

525 Осуществление изобретения поясняется примерами конкретного выполнения.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. В качестве топлива используют пеллет, запас которого 1 (фиг. 1) хранят над камерой горения 2, содержащей зоны горения 2.1 , 2.2, 2.3, 2.4,

530 ограниченной со стороны подачи воздуха наклонной перфорированной стенкой 3 со степенью перфорации от 5 до 90%, со стороны выхода горючих газов - вертикальной перфорированной стенкой 4 со степенью перфорации от 0 до 90%, с нижней стороны горизонтальной перфорированной стенкой 5 со степенью перфорации от 0 до 90%, с

535 боковых сторон вертикальными стенками (на чертеже не показаны), расположенной в канале 6, предназначенном для организации подачи воздуха на горение 7 с одной стороны, движения горячих газов 8 и выхода факела пламени 9 и с другой стороны.

Топливо 1 подают из места хранения в камеру горения 2 по каналу

540 подачи 10 за счет гравитации. Топливо подают сверху вниз с отклонением направления подачи от вертикали не более, чем на 30 градусов. Подача топлива в направлении, преимущественно совпадающем с направлением силы тяжести, позволяет уменьшить реакции опор и, неизбежное в этом случает, трение и увеличить

545 стабильность оборота топлива в камере горения. Топливо в камеру горения подают с градиентом скорости, направленным в направлении движения воздуха, и образующимся за счет применения наклонной стенки 3 камеры горения, оказывающей сопротивление продвижению топлива вниз, против вертикальной стенки 4 камеры горения, не

550 оказывающей такого сопротивления, таким образом, что скорость движения топлива со стороны подачи воздуха минимальна 1.1, со стороны выходы горячих газов максимальна 1.2. Создание подобного градиента позволяет увеличить оборот топлива (т.е. скорость его движения сверху вниз) в камере горения и, как следствие,

555 максимальную тепловую мощность, без нарушения стабильности процесса горения за счет того, что топливо, движущееся в задней части камеры горения, находится под интенсивным тепловым воздействием топлива, находящегося в передней части камеры горения, за счет чего его сгорание происходит более интенсивно и допустимо увеличить

560 скорость его движения сверху вниз.

Воздух 7 в камеру горения подают по каналу 6 за счет перепада давления (естественной тяги), возникающего в дымовой трубе 1 1 (фиг. 6) теплового агрегата 12, в котором используется способ сжигания. Как вариант, возможна подача воздуха в камеру горения дымососом (на

565 чертеже не показан), что позволяет отказаться от использования дымовой трубы. Воздух в камеру горения подают поперек движения топлива, с градиентом скорости, направленным сверху вниз и образующимся за счет изменения толщины слоя топлива сверху вниз и в направлении подачи воздуха от наибольшей его толщины в зоне 2.1

570 (фиг. 1) вверху камеры горения до наименьшей его толщины в зоне 2.4 внизу камеры горения и, как следствие, его газодинамического сопротивления, таким образом, что скорость движения воздуха вверху камеры горения, где топливо начинает горение, минимальна 7.1 , а внизу камеры горения, где топливо заканчивает горение, максимальна 7.2.

575 Подача воздуха в камеру горения поперек движения топлива и с градиентом, совпадающим с направлением движения топлива, позволяет создать в камере горения условия постепенного загорания и сгорания топлива при его движении сверху вниз, таким образом, что вверху камеры горения в зоне 2.1, куда поступает свежее топливо скорость

580 дутья минимальная, что не нарушает передачу тепла от нижележащих гранул вышележащим и позволяет им нагреться и вступить в процесс горения. По мере продвижения топлива в камере горения вниз через зоны 2.2 и 2.3 скорость дутья нарастает одновременно с нарастанием интенсивности горения, а объем занимаемый топливом уменьшается. В

585 зону 2.4 топливо поступает в виде раскаленных углей, здесь скорость дутья максимальна 7.2, что позволяет интенсивно окислять твердый углерод с дальнейшим уменьшением объема топлива, в результате создаются условия для поступления в камеру горения новых порций топлива. Образование градиента подачи воздуха производится за счет

590 изменения толщины слоя топлива с 60-100 мм вверху камеры горения (для 8 мм гранулы оптимальным является 60-65 мм), до 15-50 мм внизу камеры горения (для 8 мм гранулы оптимальным является 20-25 мм). Так же возможно увеличение градиента подачи воздуха за счет увеличения степени перфорации окружающих камеру горения стенок 5

595 и 6 сверху вниз.

Регулирование интенсивности горения производят за счет изменения степени перфорации и, как следствие, газодинамического сопротивления стенок 3 и 4, ограждающих зоны 2.1 , 2.2, 2.3 камеры горения, не затрагивая зону 2.4, что важно для сохранения

600 максимальной силы дутья в зоне 2.4, для интенсификации процесса окисления твердого углерода и удаления золы из камеры горения при любой интенсивности горения. Процесс регулирования (на примере снижения мощности от максимальной к минимальной) начинают увеличением газодинамического сопротивления (снижением

605 перфорации) стенки 4 камеры горения в направлении сверху вниз от величины максимальной перфорации 90% до полного отсутствия перфорации 0%. Про этом постепенно меняется направление и скорость движения воздуха в камере горения, что способствует снижению интенсивности горения топлива в зонах 2.1, 2.2, 2.3 и снижению общей 610 тепловой мощности. При необходимости снизить мощность еще больше уменьшают перфорацию стенки 3 равномерно по всей площади от величины максимальной перфорации 90% до минимального значения 5%, что способствует дальнейшему снижению интенсивности горения в зонах 2.1, 2.2, 2.3 камеры горения и дальнейшему снижению общей

615 тепловой мощности. На фиг. 2 показан поток газов внутри камеры горения на полной (а) и уменьшенной (б) мощности. При необходимости еще более снизить тепловую энергию горелки проводят уменьшение ширины камеры горения, сужением расстояния между ее боковыми стенками (на чертеже не показаны).

620 Выход горячих газов 8 (фиг. 1) из камеры горения производят преимущественно поперек движения топлива со стороны, противоположной стороне входящего воздуха.

Вторичный воздух 13, не проходящий через камеру горения, подают за счет естественной тяги, в направлении преимущественно

625 поперек движения топлива под камерой горения через щель 14, образованную между стенкой 5 и нижней частью канала 6. Вторичный воздух предназначен для сжигания горючих газов, образовавшихся в ходе термического разложения топлива и не окислившихся в камере горения.

630 Смешивание потока вторичного воздуха и горючих газов производят преимущественно на выходе из канала, путем использования стенки 15, ограничивающей выход из канала сверху и затрудняющей смешивание (вследствие различия плотностей горячей и холодной газовых сред) горячих газов и холодного вторичного воздуха внутри

635 канала 6 и, формируя факел пламени 9 за пределами канала, что позволяет снизить температурный режим всего устройства.

Удаление твердых продуктов сгорания из камеры горения производят напором воздуха 7.2, движущегося через слой топлива наименьшей толщины 2.4 в нижней части камеры горения, где стенки 3, 4 и 5 образуют зазор 16, равный 5-20 мм (для 8 мм гранулы оптимально 9 мм). При этом напора воздуха, проходящего через слой топлива (для 8 мм гранулы это 20-25 мм) в указанном зазоре достаточно, чтобы полностью выдуть золу и мелкие угли 17 из камеры горения. Удаление мелких угольков, скорость уменьшения которых существенно замедляется, позволяет улучшить процесс оборота топлива в камере горения, при этом выброшенные угли могут догореть на поду 18 (фиг. 6) теплового агрегата 12.

Для высокозольных сортов пеллета стенка 5 (фиг. 1) выполняется перфорированной, что позволяет интенсифицировать процесс золоудаления.

Дальнейшее удаление твердых продуктов сгорания из устройства в зольник теплового агрегата (на чертеже не показан) производят напором вторичного воздуха 13, движущегося под камерой горения через зазор 14 и уносящего выпавшие из нее твердые продукты горения 17.

Снижение мощности горения неизбежно приводит к падению тяги и, как следствие, снижению интенсивности дутья в зоне 2.4 камеры горения. Минимальной мощностью устройства является мощность, ниже которой скорости дутья в зоне 2.4 становится недостаточно для удаления золы и мелких углей и камеры горения.

В случае использования герметичного устройства хранения топлива, применяют нисходящую вентиляцию 19 канала подачи 10 пеллета через отверстия 20, что не позволяет горячим влажным газам из камеры горения диффундировать вверх по каналу. Вентиляция канала может быть организована и иным способом.

Пеллетная горелка, осуществляющая указанный способ сжигания гранулированного топлива растительного происхождения (пеллета) включает корпус горелки 6 (фиг. 3), формообразование которого приближено к горизонтально вытянутому параллелепипеду или

670 цилиндру, с открытым передним 21, предназначенным для входа воздуха, и частично закрытым сверху сопловой пластиной 15 задним 22, предназначенным для выхода факела пламени 9, торцами, с установленным сверху корпуса с отклонением от вертикали не более 30 градусов, с образованием сквозного проема в стенке корпуса, каналом

675 подачи 10, представляющим параллелепипед или цилиндр, с открытыми верхним и нижним торцами, имеющим в средней части ряд вентиляционных отверстий 20, выполненным с возможностью сопряжения с устройством хранения запаса топлива - бункером 23 (фиг. 6).

680 Внутри корпуса под проемом, образованным пересечением корпуса и канала подачи находится камера горения 2, ограниченная со стороны переднего торца корпуса передней перфорированной пластиной 3, степень перфорации которой составляет от 5% до 90%, со стороны заднего торца корпуса задней перфорированной пластиной 4, степень

685 перфорации которой составляет от 0% до 90%, с нижней стороны перфорированной подовой пластиной 5, степень перфорации которой составляет от 0% до 90%, установленными таким образом, что расстояние между верхними частями передней и задней пластин 50-100 мм, расстояние между нижними частями передней и задней пластин 15-

690 50 мм, между нижними частями передней и задней пластин и подовой пластиной остается вертикальный зазор 16 размером 5-20 мм, между подовой пластиной и нижней частью корпуса остается вертикальный зазор 14 размером 5-20 мм.

Пластины 3 и 5, 4 и 5 могут быть конструктивно объединены,

695 таким образом, что функцию зазора 16 будет выполнять развитая перфорация. Пластины 3, 4 и 5 могут быть съемными, как по отдельности, так и в виде отдельного единого или разбираемого на части устройства (фиг. 5). Подобное решение позволяет менять мощность горелки заменой 700 пластин, облегчает чистку горелки и замену изношенных частей камеры горения.

Пластины 3 и 4 могут быть выполнены с механически меняемой степенью перфорации. Подобное решение позволяет регулировать мощность горения без остановки горелки.

705 Заявляемое устройство (пеллетная горелка) работает следующим образом.

Пеллетная горелка 24 (Фиг. 6), оснащенная устройством хранения запаса топлива (бункером) 23 работает в составе теплового агрегата 12, имеющего дымовую трубу 1 1. Горелка устанавливается (встраивается) в

710 тепловой агрегат таким образом, чтобы задний торец корпуса 22 (фиг. 3) выходил в топку теплового агрегата. Запуск устройства производится на горячем тепловом агрегате в момент, когда в дымовой трубе образовался перепад давлений. После подачи топлива из устройства хранения в камеру горения, топливо в камере горения прогревается сторонним

715 источником тепла (на чертеже не показан) - небольшой газовой горелкой, факелом, вносимым в горелку через передний торец корпуса, до его воспламенения. После загорания топлива в камере горения, за камерой горения формируется поток горючих газов 8, который на выходе из устройства смешивается со вторичным воздухом 13 и

720 образует факел 9. Твердые продукты сгорания 17 удаляются из нижней части камеры горения напором воздуха через зазор 16, подхватываются потоком вторичного воздуха, движущегося через зазор 14, и удаляются из устройства 25. Поток воздуха 19, проходящий через вентиляционные отверстия 20, не позволяет горячим влажным газам диффундировать

725 вверх по каналу. Горелка работает с момента старта до окончания запаса топлива или принудительного прерывания подачи топлива в камеру горения. Регулирование мощности горелки осуществляется в момент ее остановки заменой перфорированных пластин 3 и 4 на пластины с требуемым уровнем перфорации (по отдельности или в составе

730 отдельного устройства), а также изменением ширины камеры горения от ширины равной ширине корпуса до ширины, близкой к ширине канала подачи пеллета, применением дополнительных, ограничивающих камеру горения с боков стенок.

Если тепловой агрегат 12 (фиг. 6) имеет в составе дымосос (на

735 чертеже не показан), запуск горелки может производиться без прогрева теплового агрегата.

Если горелка оснащена перфорированными пластинами 5 и 6 с механически меняемой степенью перфорации, то изменение тепловой мощности устройства можно вести без остановки горелки.

740 Пример конкретного выполнения.

Одним из вариантов реализации изобретения является использование его в виде самостоятельного устройства - пеллетной горелки, встраиваемой в различные тепловые агрегаты, внешний вид (а) и устройство (б) которой показаны на фиг. 4. В данном варианте

745 реализации изобретения пеллетная горелка имеет вентилируемый кожух 26 с дверкой 27, фиксируемой в закрытом состоянии, а камера горения выполнена отдельно от корпуса горелки в виде отдельной, разбираемой на части конструкции 28, фиксируемой внутри корпуса крепежным элементом, например в виде винта (на чертеже не показан). Кожух

750 крепится к горелке посредством фланцев 29, причем задний фланец имеет резьбовые втулки 30, предназначенные для крепления горелки к тепловому агрегату.

На фиг. 5 показано устройство камеры горения со съемной, заменяемой задней перфорированной пластиной с уменьшенным 755 расстоянием между боковыми стенками (а), с максимальным расстоянием между боковыми стенками (б), а также один из вариантов изменения степени перфорации задней пластины (в).

Вариант использования пеллетной горелки в виде ее установки на тепловой агрегат (водогрейный котел) показан на фиг. 6. Показана 760 горелка 24, установленная в дверку теплового агрегата 12 и оснащенная бункером 23.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ сжигания пеллета заключающийся в том, что запас топлива хранят над камерой горения, топливо подают в камеру горения за счет гравитации сверху вниз, отличающийся тем, что, топливо подают с градиентом скорости, направленным преимущественно в направлении движения воздуха таким образом, что скорость движения топлива со стороны подачи воздуха минимальна, со стороны выходы горячих газов максимальна, воздух в камеру горения подают за счет перепада давления, возникающего в дымовой трубе теплового агрегата, в котором используется способ сжигания, поперек движения топлива, с градиентом скорости, направленным сверху вниз таким образом, что скорость движения воздуха вверху камеры горения, где топливо начинает горение, минимальна, а внизу камеры горения, где топливо заканчивает горение, максимальна, вторичный воздух подают за счет перепада давления возникающего в дымовой трубе, в направлении поперечном движению топлива, под камерой горения, выход горячих газов из камеры горения производят поперек движения топлива, со стороны противоположной стороне входящего воздуха, регулирование интенсивности горения производят за счет изменения газодинамического сопротивления конструкций, ограждающих камеру горения и регулирования ее ширины, удаление твердых продуктов сгорания из камеры горения производят напором воздуха, движущегося через слой топлива наименьшей толщины в нижней части камеры горения, дальнейшее удаление твердых продуктов сгорания из устройства в зольник теплового агрегата производят напором вторичного воздуха, движущегося под камерой горения, смешивание горючих газов и вторичного воздуха производят преимущественно на выходе из устройства, в случае использования герметичного устройства хранения запаса топлива, применяют нисходящую вентиляцию канала подачи пеллета.

2. Способ сжигания пеллета по п. 1, отличающийся тем, что воздух в камеру горения и вторичный воздух подают за счет перепада давлений, образующегося при работе дымососа (вентилятора).

3. Пеллетная горелка, используемая для осуществления способа по п.1, включающая корпус с открытым передним торцом, канал подачи топлива, камеру горения, находящуюся под каналом подачи топлива, ограниченную со стороны входа воздуха наклонной перфорированной пластиной, отличающаяся тем, что формообразование корпуса горелки приближено к горизонтально вытянутому параллелепипеду или цилиндру, с открытым передним предназначенным для входа воздуха, и частично закрытым сверху сопловой пластиной задним, предназначенным для выхода факела пламени, торцами, с установленным сверху корпуса с отклонением от вертикали не более 30 градусов, с образованием сквозного проема в стенке корпуса, каналом подачи, представляющим параллелепипед или цилиндр, с открытыми верхним и нижним торцами, имеющим в средней части ряд вентиляционных отверстий, камеру горения, находящуюся внутри корпуса, под проемом, образованным пересечением корпуса и канала, и ограниченную со стороны переднего торца корпуса передней перфорированной пластиной, степень перфорации которой составляет от 5% до 99%, со стороны заднего торца корпуса задней перфорированной пластиной, степень перфорации которой составляет от 0% до 99%, с нижней стороны подовой перфорированной пластиной, степень перфорации которой составляет от 0% до 99%, установленными таким образом, что расстояние между верхними частями передней и задней пластин 50-100 мм, расстояние между нижними частями передней и задней пластин составляет от 15-50 мм, между нижними частями передней и задней пластин и подовой пластиной остается вертикальный зазор размером 5-20 мм, между подовой пластиной и нижней частью корпуса остается вертикальный зазор размером 5-20 мм.

4. Пеллетная горелка по п. 3, отличающаяся тем, что передняя перфорированная пластина, задняя перфорированная пластина, подовая пластина выполнены съемными, в том числе в виде отдельной единой или разбираемой на части конструкции с шириной между боковыми стенками, ограждающими камеру горения, равном или меньшем чем внутренняя ширина корпуса горелки.

5. Пеллетная горелка по п. 3, отличающаяся тем, что передняя и/или задняя пластины выполнены в виде устройств с изменяемой степенью перфорации.