Попытка модернизировать высокотемпературную горелку ГВТТ

Сначала представлю Вашему вниманию оригинал
Горелка с высокотемпературной топкой (гвтт)

Авторы патента:

Коныш Валерий Иванович (UA)

Пятковский Александр Фёдорович (RU)

Пятковский Вячеслав Михайлович (UA)



Изобретение относится к области теплоэнергетики и может использоваться как в бытовых отопительных системах, так и на небольших производствах, использующих тепловую энергию, а также для утилизации измельченных горючих бытовых отходов. Горелка с высокотемпературной топкой содержит корпус, выполненный в виде четырехгранной прямоугольной призмы, внутренняя поверхность которой выложена слоем футеровки, при этом в корпусе горелки имеется пиролизный отсек, соединенный с трубой подачи топлива, в которой имеется воздушный патрубок подачи воздуха и шнек подачи топлива, который связан с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора подачи топлива, кроме того, в корпусе горелки имеется зольное окно, смотровое окно, воздух подается в камеру сгорания тангенциально относительно нее же с переходом в ней в круговое движение, имеется камера дожига в форме прямоугольной четырехгранной призмы, в нижнюю часть которой входит сопло горелки, а верхняя часть камеры дожига выполнена в виде вертикально расположенных пластин с пространством между ними. Изобретение обеспечивает высокоэффективное высокотемпературное сжигание твердого сыпучего топлива, а также утилизацию измельченных горючих бытовых отходов. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может использоваться как в бытовых отопительных системах, так и на небольших производствах, использующих тепловую энергию, а также для утилизации измельченных горючих бытовых отходов.

Известен котел для сжигания топлива в псевдоожиженном слое (Патент RU 2168678), содержащий горизонтальную цилиндрическую камеру для проведения процесса сжигания топлива в псевдоожиженном слое с водоохлаждаемыми стенками, в нижней части которой размещена воздухораспределительная система.

Котел по указанному патенту обладает низкой теплопроизводительностью, так как зона горения окружена поверхностями теплообменника, которые препятствуют достижению высоких температур в зоне горения, из-за чего топливо при горении не спекается, и при подаче достаточного для полного сгорания топлива количества воздуха происходит повышенный унос мелких фракций топлива, особенно при сжигании топлива широкого фракционного состава, такого как: опилки, фрезерный торф, лузга подсолнуха, гречихи и т. п. Количество золы и недожженного топлива обратно пропорционально показателю качеству сгорания топлива, и чем ее больше, тем ниже этот показатель. У известного котла (Патент RU 2168678) существуют сложности, связанные с качественным сжиганием легкого и сыпучего топлива (по той причине, что при низких и средних температурах горения не происходит спекания топлива в конгломераты, и при интенсивном раздувании воздушным потоком происходит выброс золы и недогоревшего топлива из зоны горения), преодоление которых влечет за собой потребность в нагромождении разного рода уловителей мелкой летучей фракции золы и недогоревшего топлива, что в свою очередь усложняет конструкцию и ведет к ее удорожанию. Также эффект разлета золы влечет за собой ее осаждение на поверхностях теплообменника, что в свою очередь отрицательно влияет на КПД теплообменника и возникает нужда в частой очистке его поверхностей.

В ГВТТ этот негативный нюанс отсутствует, так как при высоких температурах сыпучее топливо во время горения спекается, и этот эффект предотвращает его разлет до полного сгорания. На теплообменнике же ГВТТ откладывается только незначительный слой пепла, который обычно образуется при розжиге горелки.

Известные высокотемпературные топки, которые применяются сегодня на ТЭС, имеют солидные габариты, высокие цены и жидкое золоудаление (Способ эксплуатации установки для сжигания для электростанции на каменном угле с топкой с жидким шлакоудалением и установка, работающая по этому способу (Патент RU 2152428), Циклонная топка с жидким шлакоудалением (Патент SU 112842). Все это не дает возможности использовать современные методы сжигания топлива в высокотемпературных режимах для бытовых назначений.

Предлагаемая конструкция высокотемпературной топки для бытовых нужд использует не жидкое золоудаление, а аэродинамику вертикального завихрения изотермических процессов, что и придает этому методу надежность в работе, простоту и дешевизну в изготовлении подобных установок. Требования к качеству топлива, используемого в ГВТТ, минимальные. Топить можно дешевым и зачастую бесплатным топливом.

Для решения поставленной задачи предлагается ГВТТ, которая так же как и прототип включает корпус, механизм подачи топлива и входящих отверстий для подачи воздуха.

Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является устройство для сжигания биомассы (Патент RU 2015449), которое призвано решать задачи, в большинстве своем схожие с задачами, ставящимися перед заявленным изобретением, включающее: входной скат, выполненный в виде сплошной пластины, нижний край выходной пластины заведен под нижний край последней до пересечения с воображаемой линией продолжения пластины входного ската.

Устройству для сжигания биомассы (Патент RU 2015449) присущ ряд недостатков:

Огромной площади холодное ядро, которое не позволяет создать высокие температуры - это большой площади входной скат, выходная пластина, а также стенки камеры, выполненные из металла и обеспечивающие отвод тепла из зоны горения. А низкие температуры в топочной камере - это некачественное горение топлива. Соответственно возникают и проблемы связанные с этим нюансом:

1. Входной скат и выходная пластина - слабое место топки, его труднее раскалить, чем потолочную поверхность топки. А если входной скат и выходная пластина "холодные", то на них не происходит равномерный прогрев до высоких температур всего объема топлива, при котором происходит спекание и коксообразование. Таким образом, на этих поверхностях будет обычное «холодное» горение топлива, при котором образуется зола, которая спекается в коржи и "пригорает" к холодным поверхностям камеры сгорания, образуя спекшиеся наросты, которые, в свою очередь, уже нужно удалять механическим путем, особенно при использовании низкокачественного топлива.

2. Соприкасаясь с "холодными" поверхностями камеры сгорания, происходит так называемый механический недожог. Топливо, не успев выгореть, остывает и превращается в зольные отложения, которые образуются в значительных объемах, и все это сбрасывается в зольный отсек. В дорогостоящих устройствах эти отсеки представляют собой емкости больших объемов, либо предусматривается механизированное шнековое удаление золы и недожженной фракции топлива (в конструкции которого предусматривается наличие датчиков и логических схем, что влечет за собой значительное удорожание устройства).

3. Прототип изготовлен из стали, которая со временем разрушается, уменьшая срок его службы, ее разъедает древесная кислота, которая всегда выделяется при горении древесины, и не разлагается при низких температурах горения.

В ГВТТ все эти негативы отсутствуют, так как горение происходит при высоких температурах, при которых древесная кислота как соединение углеводородов разлагается с выделением дополнительного тепла при прогоне ее через раскаленные прослойки углерода (это явление описано на интернет-ресурсе "Печи Кузнецова").Также при высоких температурах происходит максимальное выгорание топлива и к раскаленным футерованным поверхностям ничего не прилипает.

В описании прототипа указано, что температура не поднимается выше 1000°С (при использовании сухого (влажность не выше 15%) топлива) и что такое горелочное устройство можно использовать для сжигания влажного топлива с содержанием влаги, достигающим 60%, однако это повышенное содержание влаги является балластом, снижающим КПД (забирая из зоны горения большое количество теплоты для своего прогрева).

В ГВТТ этот эффект отсутствует. В топке с высокотемпературной камерой сгорания горит топливо с влажностью до 60%, и не просто без ухудшения КПД, а и с увеличением этого показателя за счет запуска ряда эндотермических реакций высокой интенсивности с образованием горючих соединений, которые, окисляясь, выделяют дополнительное количество теплоты. Этот эффект начинается при температурах более 950°С. А в ГВТТ температура поднимается до уровня 1300°С, так как водяной газ при сгорании дает ее повышение (стр. 534 Менделеев Д. И. «Горючие материалы» (1893). - Соч., т. XI. М., Изд-во АН СССР, 1949).

Известным изобретениям, относящимся к энергетике (Патент RU 2015449, Патент RU 2168678 и другие), присущ узкий диапазон выдаваемых мощностей. Максимальные значения мощности превышают минимальные не более чем в три-четыре раза, и плохо справляются с задачей в короткий срок поднять температуру теплоносителя до нужного уровня (в условной системе отопления), потому как невозможно в "холодной" топочной камере быстро сжечь избыточный объем топлива. Нужен значительный временной задел для того, чтобы топливо разгорелось.

А в ГВТТ диапазон мощности намного больше (от 5 до 70 кВт), максимальные значения мощности превышают минимальные более чем в десять раз. Это дает возможность за более короткий промежуток времени поднять температуру теплоносителя до нужного уровня (в условной системе отопления). В раскаленном топочном пространстве переход мощности горения с 5 кВт до 70 кВт занимает не более секунды.

ГВТТ содержит корпус горелки 9 в виде прямоугольной четырехгранной призмы, внутренняя поверхность которой выложена слоем футеровки 16. В горелке 9 имеется пиролизный отсек 10, соединенный с трубой 7 шнека 6, которая снабжена воздушным патрубком 8 подвода воздуха в шнековую подачу топлива и шнеком 6 для подачи топлива, который связан с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора 5 подачи топлива. Также к топливоподающим элементам горелки относятся: загрузочный люк топливного бункера 1, топливный бункер 2 прямоугольной формы с нижней частью в виде обратной пирамиды, в которой расположена ворошилка топлива 3, связанная с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора 4 привода ворошилки 3. В корпусе горелки 9 также имеется зольное окно 12, смотровое окно 14, патрубок 15 подвода воздуха в камеру сгорания, имеющий тангенциальное расположение, что обеспечивает придание потоку воздуха вращательного движения, соединенный с устройством нагнетания (на схеме не указано), а также камера дожига 18, выполненная в форме прямоугольной четырехгранной призмы, в нижнюю часть которой входит сопло 17 горелки, а верхняя часть камеры дожига 18 выполнена в виде вертикально расположенных пластин с пространством между ними для выхода жара.

ГВТТ обеспечивает высокоэффективное высокотемпературное сжигание твердого сыпучего топлива, такого как опилки, отходы элеваторов, отходы деревообработки, пеллеты (в том числе низкокачественные) и тому подобное. Изобретение призвано решать задачи автономного отопления помещений и автономного обеспечения потребителей тепловой энергией. Также изобретение решает задачи утилизации измельченных горючих бытовых отходов.

В отличие от прототипа, в заявляемом техническом решении корпус выполнен в виде прямоугольной четырехгранной призмы, внутренняя поверхность которой выложена слоем футеровки. В корпусе горелки имеется пиролизный отсек, соединенный с трубой шнека (в которой имеется воздушный патрубок подвода воздуха в шнековую подачу топлива) и шнеком для подачи топлива, который связан с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора подачи топлива. Также к топливоподающим элементам горелки относятся загрузочный люк топливного бункера, сам топливный бункер в виде прямоугольной четырехгранной призмы с нижней частью в виде обратной пирамиды, в которой расположена ворошилка топлива, связанная с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора привода ворошилки. В корпусе горелки также имеется зольное окно, смотровое окно, патрубок подвода воздуха в камеру сгорания, соединенный с устройством нагнетания (на схеме не указано), а также камера дожига, выполненная в форме прямоугольного отсека, в нижнюю часть которого входит сопло горелки, а верхняя часть камеры дожига выполнена в виде вертикально расположенных пластин из жаростойкого материала с пространством между ними для выхода жара.

Отличительные признаки заявленной ГВТТ новизны, достаточны и необходимы для выполнения поставленной задачи и имеют ряд положительных качеств, которые влияют на технический результат, а именно:

- внутренняя поверхность горелки выложена слоем футеровки, что препятствует утилизации тепла из зоны горения и создает в ней условия для достижения высокого уровня температур, приближая горение к адиабатическому;

- угол и интенсивность подвода воздуха в зону горения обеспечивают аэродинамику вертикального завихрения изотермических процессов;

- использование в конструкции горелки камеры дожига дает ГВТТ дополнительные преимущества, обеспечивая полное догорание горючих соединений;

- из-за непрерывных эндотермических процессов получаем значительную экономию топлива.

Все отличительные признаки находятся в причинно-следственной связи с полученным техническим результатом и позволяют на должном уровне решить поставленную задачу. Таким образом, признаки заявляемого технического решения являются существенными.

Сущность технического решения ГВТТ поясняется схемой.

ГВТТ работает следующим образом.

Вращением ворошилки 3 топлива, через электрорегулируемый привод мотор-редуктора 4 привода ворошилки 3, слежавшееся в бункере топливо разрыхленным подается на шнек 6 подачи топлива, который через электрорегулируемый привод мотор-редуктора 5 подачи топлива продвигает его в пиролизный отсек 10. Достигнув пиролизного отсека 10, при воздействии температур, из топлива начинает выделяться пиролизный газ, который продвигается к отсеку 11 образования кокса, толкаемый более высоким давлением, созданным подачей воздуха в патрубок 8 подвода воздуха в шнековую подачу топлива. Выделившийся пиролизный газ горит в отсеке 11 кругового вращения изотермических реакций 13, при участии воздуха, поданного через воздушный патрубок 15 подвода воздуха в камеру сгорания, тангенциальное расположение которого обеспечивает придание потоку вращательного движения, неоднократно проходя через раскаленный кокс в отсеке 11 образования кокса. После этого пламя через сопло 17 горелки попадает в раскаленную камеру дожига 18, в которой и происходит полное догорание всех способных гореть химических соединений, после чего раскаленные газы подаются на теплообменник (на схеме не указан).

Данное техническое решение новое и полезное, особенно когда остро стоит вопрос об альтернативных видах топлива.

Заявляемая ГВТТ конструктивно проста и технологически выполнима.

Горелка с высокотемпературной топкой, отличающаяся тем, что ее корпус выполнен в виде четырехгранной прямоугольной призмы, внутренняя поверхность которой выложена слоем футеровки, при этом в корпусе горелки имеется пиролизный отсек, соединенный с трубой подачи топлива, в которой имеется воздушный патрубок подачи воздуха и шнек подачи топлива, который связан с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора подачи топлива, кроме того, в корпусе горелки имеется зольное окно, смотровое окно, воздух подается в камеру сгорания тангенциально относительно нее же с переходом в ней в круговое движение, имеется камера дожига в форме прямоугольной четырехгранной призмы, в нижнюю часть которой входит сопло горелки, а верхняя часть камеры дожига выполнена в виде вертикально расположенных пластин с пространством между ними.

Великолепное изделие Прекрасно работающее...
Что не устраивает?
1) Не внушает доверия камера дожига.
2) Горелка очень чувствительна к передозировке топлива.
3) Не нравятся трубки для наддува.
4) Хотелось бы расширить возможности в плане многотопливности.

 

...Еще об оригинале:
Горелка под пеллеты, зерноотходы, опилки, полову, щепу с высокотемпературной топкой.

Еще в 19 веке Д. И. Менделеев ввел термин «жаропроизводнтельность», под которой понимается максимальная температура горения, развиваемая при полном сгорании топлива без избытка воздуха, т. е. в условиях, когда все выделяющееся при сгорании тепло полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания.
Сегодня, такой процесс горения, еще называют- адиабатическим Адиабатическое горение — горение, происходящее при постоянном давлении или объёме, при котором отсутствуют потери энергии в окружающую среду. Адиабатическая температура горения — это температура продуктов, достигаемая при полном протекании химических реакций и установлении термодинамического равновесия и отсутствии потерь.
Конструктив предложенной горелки- приближает условия сгорания топлива к такому горению. Работа горелки основана в первую очередь- на обогрев самое себя. Поверхность теплообменника, который греет воду от этой горелки- вообще не получает радиационного излучения от пламени сгораемого топлива. Это и дает возможность поднять температуру в самой горелке- более 1300гр, а в камере дожига- более 1500гр

Д. И. Менделеев в своих работах, посвященных научно обоснован¬ному использованию топлива, большое значение придавал достижению высоких температур при его сжигании. Рассматривая различные свой¬ства топлива, он указывал: «Когда горючие материалы служат для сла¬бого нагревания, например для отопления жилищ, для сушки, для по¬лучения паров и т. п., тогда теплопроизводительность топлива прямо может служить мерилом его относительного достоинства.» .Он отмечал, что в большинстве случаев имеют значение и другие свойства горючих материалов, «из которых важнейшим должно считать способность давать высокие температуры. Это последнее свойство горючего материала необходимо не только потому, что требуется нередко самим существом дела, например для плавления стали требуется иметь температуру около 1450°, но и потому, что, чем выше температура, тем скорее при прочих равных условиях совершается доведение нагреваемых предметов до желаемой температуры и, следовательно, тем скорее идет производ¬ство, а потому продукты его удешевляются» [5, с. 224].

А в наших теплообменниках, для обогрева жилых помещений- нужно греть воду. Её все равно более 100гр. не нагреть, но она много крат быстрее нагреется- если подавать на конвективную поверхность наших котлов температуру дымогазов не 700-800гр,- а более 1500гр.
При обычном сжигании топлива- получают стандартные температуры пламени, не превышающие 700-900гр. В модернизированных топках, работающих на “кипящем слое” – температуры достигают 1000гр. Причем,- во всех случаях получают стандартную теплотворность, присущую тем видам топлива- которые и сжигают в тех топках.
А конструктив горелки- предусматривает пиролизный отсек, где в начальной стадии попадания топлива в горелку-и происходит образование окиси углерода СО, метана, этилена, водяного газа и прочих горючих соединений

Сама горелка состоит из двух отсеков- пиролизного и факельного.

Шнековая подача топлива не только подает топливо к самой горелке, но еще и производит его перемещение в пиролизный отсек. Именно последним витком шнека и происходит это проталкивание. И благодаря этому- происходит равномерное уплотнение объема топливной массы, находящейся в пиролизном отсеке. В этом отсеке образуется большая, плотная пеллета. Протискиваясь сквозь раскаленные стенки этого отсека- происходит равномерный прогрев всего объема топлива с его последующей пиролизацией.


При нагреве топлива происходит разделение его на летучую часть и твёрдый остаток- кокс. Кокс у всех видов топлива состоит в основном из углерода. Углерод находится и в летучей части. Летучая часть - углеводороды. Если в эти два вещества добавлять кислород воздуха при высокой температуре, то происходит горение, в результате которого они превращаются в другие вещества, в том числе газ.
В пиролизном отсеке происходит нагрев топлива без доступа кислорода воздуха, при этом их него выделяются пары, газы и остается твердый, богатый углеродом кокс (древесный уголь, если топливо древесина). Термораспад древесины происходит в целом с выделением тепла, т. е. это процесс экзотермический, в связи с этим облегчается прогрев массива топлива. А. Н. Кислицин (2). Состав продуктов пиролиза многообразен и сложен. Летучие (парогазовая смесь) состоят из газов, которые представляют собой соединения углерода, водорода, кислорода и др. (СО, СО2, СН4, С2Н4, N2, О2, Н2), паров смолы, уксусной (древесной) кислоты (СН3СООН), паров воды и пр. Из этих газов, двуокись углерода (СО2), продукт полного сгорания углерода, не способный к дальнейшему горению и поэтому является вредной примесью в газе пиролиза. Азот (N2), простое газообразное, не способное сгорать, и является балластом. При этом образуется еще и смола, в состав которой входят углерод, водород, кислород и др. Смола способна гореть с выделением большого количества тепла. При нагревании смола испаряется, образуя газообразный продукт - пары смолы.

Полученные в результате пиролиза пары смолы, уксусную кислоту и газы- мы сжигаем в отсеке высокотемпературного горения. Процессы горения могут быть выражены с помощью химических уравнений, показывающих, в каких соотношениях и как взаимодействуют отдельные вещества. В правой части уравнения указывается тепловой эффект реакции, т. е. количество тепла выделяемое при реакции. Д. Б. Гинзбург (1) приводит уравнения горения некоторых веществ. Указанные вещества входят в состав выходящих продуктов, при внешнем нагреве древесины в замкнутой ёмкости.

С+О2=СО2+7940 ккал/кг С, или (33190 кДж/кг);

Н2+1/2О2=Н2О+2579 ккал/нм3 Н2, или (10780 кДж/нм3);

СО+1/2О2=СО2+3018 ккал/нм3 СО, или (12615 кДж/нм3);

СН4+2О2= СО2+2Н2О+8555 ккал/нм3 СН4, или (35760 кДж/нм3)

С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О+14107 ккал/нм3 С2Н4 (этилен), или (58967 кДж/нм3)

Э. Д. Левин, (приводит таблицу 2.32, в которой показывает выход и состав газов при внешнем нагреве древесины в замкнутой ёмкости при температурах 400-700 °С. Окислительные реакции происходят за счёт кислорода, выделяющегося при разложении органической массы пиролизуемого топлива. При повышении температуры пиролиза увеличивается выход газов, в основном за счёт увеличения окиси углерода (ст.6), водорода (ст.7), метана (ст. и уменьшается выход твердых продуктов ст. 2. Уменьшается выход двуокиси углерода (ст.3) и азота (ст.9), не желательных примесей в газе сухой возгонки. Увеличивается его теплотворная способность и уменьшается плотность (ст. 10, 11, 12).



При высоких температурах разбавление газа слабее и выжимание его сильнее. При температуре 700гр. гидростатический (гравитационный) напор очень велик.

При температурах выше 400гр. образование двуокиси углерода (СО2) не является продуктом окислительной реакции, а это результат взаимодействие паров воды с раскаленным углем. В результате такого взаимодействия образуется так же водород. В этом случае речь идет о внешнем нагреве сырья в замкнутой ёмкости.

Чем выше температура в зоне газификации, интенсивнее и равномернее обтекание газами кусков топлива, больше поверхность соприкосновения газов и топлива и выше реакционная способность топлива, тем полнее разложение водяного пара и двуокиси углерода, меньше балласта в получаемом газе, больше теплотворная способность газа и выше производительность газогенератора. Топливо с большей реакционной способностью кокса при более низкой температуре газификации дает тот же результат, что и топливо с меньшей реакционной способностью кокса при более высокой температуре. (ДБ. Гинзбург стр 23)

В представленной горелке, топливо., протискиваясь сквозь пиролизный отсек- нагревается до 800гр. При этом происходит его спекание. Будь это пеллеты, зерноотходы или опилки- все от высоких температур приобретает свойства пластичности и из самого пиролизного отсека топливо выходит уже в виде равномерной, спекшейся массой (без просыпания).

 

Продолжение...
На выходе нашей “большой пеллеты”- образуется вертикальный слой кокса.

В обычных топках, этот раскаленный углерод, при обдуве воздухом- сгорает как обычное топливо С+О2= СО2.

Но в этой горелке- он используется как катализатор для эндотермических реакций, то есть- для образования водяного газа, получения окиси углерода из его двуокиси, разложения древесной кислоты и т. д. В этой горелке воздух не подается на раскаленный кокс, на кокс подаются только сгоревшие в топке газы и сквозь него проходят пары влажности, которые в отопительный сезон в немалом количестве содержится как и в самом топливе, так и в атмосферном воздухе, который мы подаем в горелку.

Факт получения горючего газа через разложение водяного пара раскаленным углем открыт итальянским ученым, профессором Фелицием Фонтана, жившим в 1730-1805гг.

Водяной пар при прохождении через раскаленные угли дров разлагается, образуя водород, окись углерода и угольную кислоту. Количество последней зависит от температуры, при которой происходит процесс: при t=500°C пар разлагается на водород и углекислоту, а при t=1000-1200° C на водород и окись углерода. Хотя в газовой смеси водяного газа находится небольшое количество угольной кислоты и азота, отличительные его качества обусловливаются двумя главными составными частями: водородом и окисью углерода. Поэтому при определении нагревательной способности водяного газа и количества возможных единиц тепла (калорийности) нужно иметь в виду количества тепла, выделяемых при сгорании газа - переходе водорода в воду и окиси углерода в угольную кислоту. Расход теплоты сгорания топлива (углерода) на образование водяного газа по Науманну составляет около 8%. На основании этого считают, что при водяном газе наивыгоднейшим способом реализуется тепловая способность углерода
Водород. Вторым по значению компонентом топлива является водород.
При сгорании 1 кмоль газообразного водорода, с образованием воды, выделяется 68 260 ккал тепла, т. е. 33 860 ккал на 1 кг газообразного водорода, при 3046 ккал на 1 м3 водорода при нормальных условиях (температура 0°С, давление 1 кгс/см2).
Следовательно, при сгорании I кг газообразного водорода выделяется в 4,2 раза больше тепла, чем при сгорании 1 кг углерода. Поэтому теплота сгорания топлива значительно возрастает с повышением содержания в нем водорода. Так, теплота сгорания горючей массы кокса с минимальным содержанием водорода равна около 8000 ккал/кг, а теплота сгорания мазута, состоящего примерно из 88% углерода и 12% водорода, — более 10000 ккал/кг. Теплота сгорания 1 кг метана, состоящего из 75% углерода и 25% водорода, еще выше и равна — 12 000 ккал. (4. М. Б. Равич 16стр.)

А Менделеев в свое время писал:
Очевидно, что производство воздушного газа много проще, чем водяного, а потому первый и распространился в промышленности весьма сильно, а второй лишь понемногу пробивает себе дорогу в приложениях для топок, хотя распространяется для освещения (после карбурирования и т. п. О разложении воды. Начнем с водяного газа, потому что здесь-дело проще. Но и оно усложняется тем обстоятельством, что для реакции Н2 О+ С = Н2 + СО требуется большой калильный жар, около 1000°, при низших же температурах происходит более или менее углекислоты и водорода по уравнению: 2Н2 + С = 2Н* + СО2; очевидно, что и водяные пары должны быть нагреты, как уголь, до 1000°, иначе они его охладят (охлаждение произойдет и без того, потому что, как мы видели, при реакции тепло поглощается), а потому все то тепло, которое затрачивается для предварительного нагревания воды и угля до 1000°, надо считать теряющимся при образовании водяного газа. А затратить приходится на каждый I г угля, по крайней мере, 2300 единиц тепла;* следовательно, превращая 1 г угля в водяной газ, приходится побочно расходовать на предварительное нагревание по крайней мере еще 1/2г угля (в действительности гораздо более). Газ же, происходящий при реакции, в которой участвует 1 г угля, будет весить (2+28): 12, или 2.5 г. В нем по объему будет содержаться 50% водорода и 50% окиси углерода, следовательно, по весу: 6.7%водорода и 93.3% окиси углерода, т. е. на I г реагировавшего угля 0.1675 г. водорода и 2.3325 г окиси углерода. Они, вполне сгорая, разовьют 5779 +5682 или около 11 460 единиц тепла (следовательно, Q=4584 для 1 г водяного газа, считая происходящую воду жидкою, а если она в парах Q= 4222, а если происходящая вода останется в виде паров (как это и будет в топке) — около 10 500 единиц тепла (в действительности, конечно, меньше).* А так как для побочного предварительного нагревания идет по крайней мере 0.5 г угля, то, присчитывая его, можно принимать, что на 1 г израсходованного угля получается в виде водяного газа топливо, дающее около 7000 единиц тепла. Реакцию образования воздушного газа прямо из угля и воздуха должно пред¬ставить, в параллель с предшествующей, так: СО = СО, и побочного расхода топлива здесь нет. Следовательно, на 1 г употребленного угля здесь образуется 28/12 или 21/3 г окиси углерода, которая, сгорая, после охлаждения дает 21/3 х 2436 = 5684 единиц тепла. Отсюда очевидно, что водяной газ представляет лучшую, чем воздушный газ, утилизацию теплоты угля. Если же расчесть степень жара, доставляемого горением обоих газов, то преимущество водяного газа станет еще более очевидным. Но для этого предварительно надо расчесть пре¬дельный состав воздушного газа, для чего (чтобы упростить рас¬чет) примем, что воздух содержит 23% по весу кислорода и 77% азота, следовательно на 1 г по реагировавшего угля пойдет 1!/$г кислорода и 4.463 г азота, или 5.8 г воздуха, и к 2% г окиси углерода прибавится около 4.46 г азота, т. е. в пределе воздушный газ будет содержать но весу около 34.3% окиси углерода и 65.7% азота (по объему будет тот же состав, потому что плотности обоих газов одинаковы). Рассчитывая по способу, данному в § 9, получаем для такого воздушного газа жаропроизводительность XV, близкую к 1460°. * А так как водяной газ содержит около 6.7 весовых % водорода и 93.3% окиси углерода, то для него вычисляется' предельное XV около 1880°, т. е. гораздо более, чем для воздушного газа, и даже немного более, чем для чистого водорода (1827°). У водяного газа есть и еще одно очень важное 8 преимущество, зависящее от отсутствия в нем азота. При 0° и 760мм ] куб. м этого газа весит 672 г (по воздуху плотность = 0.52), следовательно может дать около 2837тыс. единиц тепла (или 2837 килограммовых единиц тепла) тогда как I куб м воздушного газа (разочтенного выше состава) весит 1256 г (плотность по воздуху около 0.962), следовательно, при горении даст 1256 х 835.5 — I 049 ООО единиц тепла (или 1049 килограммовых единиц тепла), т. е. при равных объемах почти в три раза менее греет и требует объемистых труб для своего провода.' Эти немаловажные преимущества водяного газа привлекли к нему лет 20 тому назад общее внимание, ему даже придали характерное название «газа будущего»,10 множество инженеров обратилось (особенно в Америке и Германии) к отысканию способов его удобного производства, стали строить заводы для его приготовления, пробовали употреблять на место воздушного газа для заводских топок — и кончили тем, что повсюду для отопления отдали практическое предпочтение воздушному газу по чрезвычайной простоте и верности его производства и даже по выгодности применения. Основная причина того, что водяной газ не удовлетворил возлагавшимся на него надеждам и его перестали пробовать применять на заводах (вместо воздушного газа), состоит в следующем: уголь, назначенный для реакции, надо сперва сильно (примерно до 1000°) накалить, а для этого пропускать чрез него воздух (т. е. получать воздушный газ) — иначе в водяном газе будет много угле-кислоты; в то же время надо накаливать (сильно прогревать)
водяные пары и их пропускать чрез накаленный уголь, заменяя проходивший воздух, так что в одном и том же генераторе происходят оба газа и их надо отдельно собирать, причем нельзя избежать ни взаимного смешения, из накопления побочно образующейся массы воздушного газа, которому надо находить свое местное потребление, 11 если требуется готовить только водяной газ. 12 Все это очень сложно и требует очень тщательного присмотра. Притом для сколько-либо выгодного приготовления

водяного газа требуется очень богатое углеродом топливо (кокс, антрацит), тогда как воздушный газ весьма выгодно готовится из самых убогих видов топлива (например бурых углей, богатых золою, из хвойных шишек и т. п.), что одно уже заставляет предпочитать это топливо водяному газу. Все это приводит к тому, что в фабрично-заводском отношении водяному газу, по крайней мере доныне, нельзя приписывать какого-либо существенного значения в деле топки (он зато получил большое значение в деле освещения, как о том будет говориться при описании производства светильного газа), тогда как воздушный газ имеет его в высокой мере. Однако же вся история с водяным газом не пропала бесследно для практики отопления, так как подмесь этого газа к воздушному, возвышая качество последнего, готовится очень легко чрез посредство простой прибавки водяных паров к воздуху при производстве воздушного газа, что и составляет так называемый Даусоновский газ, который мы рассмотрим, познакомившись ближе с самим воздушным газом и его способами производства.'* Менделеев ср. 534
В этой горелке как раз и присущи условия для получения не только воздушного газа, но и водяного. Как и отмечалось раньше- температуры в пиролизном отсеке- достигают более 700гр., а на выходе, из этого отсека- температура поднимается до 900гр. Здесь и происходит спекание топлива из за того, что при таких температурах- топливо приобретает пластичность. Это последняя стадия пиролизации, в этом отделении- образуется кокс. Температуры до 1000гр. А между вертикальным слоем кокса и самой камерой сгорания- температуры поднимаются более 1300гр. По этому, влажность в этой горелке не является балластом, как в обычных топках,- а служит отличным топливом, в виде водяного газа.

виде водяного газа.
В этой горелке отлично сгорают зерноотходы после аэрации, которые просто под открытым небом пять месяцев под дождем лежали.

Более того, в этой горелке отлично горит топливо, которое перед подачей в пиролизный отсек- увлажнялось водой в отношении- на 1кг. топлива добавляли - 0,2кг воды. Процесс превращения воды в водяной газ Н2 О+ С = Н2 + СО – эндотермический. При повышенном содержании влаги- температура коксового слоя снижается, но в связи с тем, что в горелке не прямоточное горение, а в самой камере сгорания идет непрерывное вертикальное завихрение (кружение) продуктов сгорания, то, попадая в это завихрение- влажность (перегретый пар) не вылетает прямотоком в сопло, а продолжает кружить и пронизывать раскаленный кокс, который опять разогревается до температур более 1000гр.- происходит образование водяного газа. Вся камера сгорания и весь объем камеры дожига при этом- наполняются ослепительно желтым, характерным для сгорания водорода- цветом пламени.

В саму камеру сгорания подается атмосферный воздух, который у нас на Украине, в зимний период- содержит влажность ~ 65-80%. При круговом завихрении та влага, равномерно смешиваясь с раскаленным метаном и проходя сквозь разогретый кокс- превращается в водородное топливо.

Эта реакция – промышленный процесс. В промышленности большое количество водорода получают именно из метана, добавляя к нему при высокой температуре перегретый водяной пар:

1) CH4 + H2O = CO + 3 H2

2) CO + H2O = CO2 + H2

В сумме этот процесс можно записать уравнением:

CH4 + 2 H2O = 4 H2 + CO2

Процесс горения метана СН4-заключается в реакции между метаном и кислородом, то есть в окислении простейшего алкана. В результате образуется двуокись углерода, вода и много энергии. Горение метана может быть описано уравнением: CH4 [газ] + 2O2 [газ] → CO2 [газ] + 2H2O [пар] + 891 кДж. То есть одна молекула метана при взаимодействии с двумя молекулами кислорода образует молекулу двуокиси углерода и две молекулы воды. При этом выделяется тепловая энергия, равная 891 кДж.

Кроме получения водяного газа, геометрия камеры сгорания- позволяет осуществлять восстановление горючего газа СО из двуоксида углерода СО2. Причем процесс этот- многоповторяем. Подвод воздуха позволяет создать внутрикамерное завихрение пирогазов в самой камере сгорания, по этому- прежде чем покинуть камеру сгорания- пирогазы кружат в самой камере, при этом происходит их тщательное перемешивание как с кислородом, который поступает через воздушный патрубок,- так и с парами влажности, которые содержатся в подаваемом воздуха, и с влажностью, которая образуется от сгорания метана, получаемого при пиролизе нашего топлива.

Внутрикамерное завихрение пирогазов- позволяет сосредоточить жар высоких температур не по всему объему камеры сгорания, а только на площади коксового слоя. Поверхность футеровки раскаляется до температур не более 1000гр., а вот в зоне коксообразования- температуры поднимаются до 1300гр. и более.

Использование этой горелки- дает возможность за 15минут вскипятить ~60- 100 литров воды- всего 1кг. опилок, или~ 1кг. пеллет, или~ 1кг. зерноотходов и т. д.

На сегодняшний день успешно применяются котлы с псевдосжиженным горением. В этих котлах, где процесс горения происходит в кипящем слое- показатели жаропроизводительности- гораздо больше, чем в котлах со слоевой топкой.

При сжигании агропеллет в кипящем слое прогнозируется более надежная работа котла, так как температура топочных газов на 100... 180 °С ниже температуры топочных газов при сжигании отходов растениеводства в плотном слое (меньше вероятность расплавления частиц летучей золы и образования плотных отложений этой золы на поверхностях нагрева котла), а очаговый остаток имеет порошкообразную структуру (агломераты расплавившейся и спекшейся золы отсутствуют). (3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЖИГАНИЯ АГРОПЕЛЛЕТ В КИПЯЩЕМ

При исследовании сжигания агропеллет в кипящем слое, ТГТУ получили следующие результаты (3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЖИГАНИЯ АГРОПЕЛЛЕТ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ)


В кипящем слое от 1кг. пеллет из древесных отходов получили 20,73МДж. Этот показатель- выше, чем при сжигании этих же пеллет, но в обычной топке- (17, 17МДж). Здесь еще стоит упомянуть, что котлы на “кипящем слое”- очень дорогостоящее оборудование и довольно- таки солидных размеров. Но и они имеют те же “больные места”, то есть- теплопотери, на которые указывал Менделеев.

. По сущности дела, неизбежна потеря тепла чрез передачу и лучеиспускание в окружающее пространство. Чем выше температура, тем эта потеря более. Чем больше поверхность охлаждения, тем потеря сильнее. Поэтому чем меньше масса горящего вещества, тем ниже достигаемая температура; чем равномернее и длительнее горение, тем она выше. Оттого для получения высших температур наиболее пригодны большие печи и непрерывное ровное горение в пространствах, окруженных худыми проводниками тепла. 226 ГОРЮЧИЕ МАТЕРИАЛЫ (Менделеев)

В кипящем слое рабочие температуры горения- до 1000гр. А в представленной горелке, температуры достигают более 1300- 1500гр. Это дает возможность увеличить репродуктивность изотермических реакций. В результате, с 1кг. опилок можно получить~ 30МДж тепловой энергии. Причем- эту теплотворность получаем с опилок, а не с пеллет- то есть,- с много крат дешевого топлива, по сравнению с пеллетами.
Запуск горелки состоит из двух этапов:
1 - разогрев горелки
2 - работа в автоматическом режиме

Я запускаю горелку меньше чем за минуту. Для этого у меня всегда под рукой мешок крупной сухой тырса от строгания досок. Эту тырсу я засыпаю в бункер и вручную включаю шнек для подачи тырсы в горелку. Горелку заполняю тырсой где-то на 80%. Дальше беру маленький кусок газеты, зажигаю и бросаю внутрь. Так как у меня дымосос, то сразу начинается бурное горение как на обычном колоснике. При этом основной вентилятор отключен. Горение только на тяге дымососа у меня длится не больше секунд 20, а дальше я включаю вентилятор и закрываю нижнюю заслонку. Горение при этом очень сильное, так как тырса очень быстро горит. Дальше я включаю подачу этой тырсы на 10 минут для разогрева горелки и при этом настройки 12сек пауза и 1.5сек подача. Если у меня этой дефицитной тырсы недостаточно, то я ее использую только для старта и уже на 2-й минуте забрасываю в горелку мелко нарубленные дрова, которые очень быстро введут горелку в режим.

Через 10минут горелка готова сжигать мелкие опилки или другое трудносгораемое топливо. Я засыпаю в бункер мелкие СУХИЕ опилки и настройки подачи у меня как правило 0.3сек подача и 12сек пауза. Также для уверенности я еще подкидаю 2-3 мелких кусков сухих дров, но чтобы они не мешали я их кидаю у стенок красного кирпича или делают тоненькими и бросаю на под горелки. Эти кусочки просто тают и дают возможность еще быстрее прогреться котлу. Через минут 30 можно посмотреть внутрь горелки и при необходимости немного убрать золу, а еще лучше отодвинуть ее к заслонке и создать "кратер" для горения.

Кроме этого я считаю неправильным вручную крутить патрубок и играться с ним. Горения требует времени для перехода с одного состояния на другое, а если вы постоянно дергаете патрубок, то вы никогда не увидите стабильного устойчивого горения. Просто зафиксируйте (приварите сваркой) патрубок как указано на чертеже. Также заделайте все дыры, а также на заслонку установите отражающий кусок шамотки, чтобы внутри было все цельное для сохранения устойчивой работы горелки.

Еще раз: зафиксируйте жестко патрубок по размерам как указано на рисунке и не изменяйте его положения, если не хотите "танцы с бубнами". Любые изменения требуют время для переходных процессов горения и вы можете никогда не увидеть стабильное горение, а только видеть переходные процессы.
Рисунок размеров под патрубок

 

Ну а теперь о своем...
1) Отказ от шнека в пользу наклонного канала и топливного бункер. В результате получаем:
а) возможность улучшить запуск горелки через щель в вертикальном колоснике (коричневого цвета)

б) получение доступа в зону пода, для очистки, шуровки (что невозможно в оригинале)
в) возможность сжигать любое твердое топливо от угля до дров (как в классической ракетной топке, поставив вертикально брусочки досочки, некрупные поленья)
Сразу о планируемом топливе: основное энергетические угли (Бурые-Балахтинского или Бородинского месторождения, Каменный уголь-марки Д илиТ). Если будут проблемы со спекаемостью, то можно использовать пеллеты или опилки...

Итак 1-я крупная проблема, вызывающая сомнения - спекаемость угля при высоких температурах.

Вторая серьезная проблема -решение в качестве камеры дожига применить Ракетную конструкцию-Райзер
Материал райзера-шамотный кирпич по резаный на пластинки 230*65*30мм, собранный в металлической трубе 180 диаметра и утепленный снаружи вспученным вермикулитом

 

Продолжим...
Проблема в следующем:
Камера сжигания работает с избыточным давлением, а райзер работает с очень приличным разряжением.
Между ними небольшой (в смысле длины) канал, а наша задача удерживать пирогазы в камере сгорания как можно дольше... Задачу пытаемся решить:

1. выход из камеры сгорания выполняем в виде вертикальной щели - размеры вертикально-ориентированного окна (хайло
в терминологии печников) и камеры сгорания в камеру дожига
191х150х30мм, хотя думаю что размеры можно уменьшить до 191х120*25 (возможно и это не предел)...
2. направленным дутьем навстречу потоку на входе газов в окно
препятствуя преждевременному выходу пирогазов и топки (решение компромисное, газы естественно вытянет, но в качестве небольшого тормоза думаю сгодится).
О подводе воздуха.

 

А не стыдно авторам патентов чужую разработку выдавать за свою?
Думаю, вы прекрасно знаете, о ком идет речь.

 

Идем дальше... топливо в отличии от оригинала подаем из бункера расположенного над топкой по наклонному каналу, перекрываемому автоматической заслонкой.

Эта заслонка дозирует топливо, перекрывает путь пирогазам в бункер (пожарная и взрывобезопасность) и совершенно необходима для реализации режима "СТАРТ-СТОП"(впрочем как и вентилятор).
Потому, что задача управления горелкой в приоритете...
Узел подачи воздуха именно такой как на макете позволяет решить смежную задачу-охлаждения низа топливного бункера, который находится вблизи от камеры горения с температурами под 1000 градусов (а может и выше).

 

В отношении теплообменника (чайник по терминологии автора горелки ГВТТ), изменений нет. Полностью согласен с Валерием Ивановичем (в плане взрывобезопасности).




В основном проблемы обозначены, Жду конструктивной критики своей конструкции...
Так, как сам по образованию инженер-строитель (не разу не теплотехник...), прекрасно понимаю, что любые компромиссные решения ведут к ухудшению оригинала. В данном случае насколько допустимы эти самые решения...
Прошу помочь разобраться.
Надеюсь, что мои конструктивные решения кому-нибудь помогут решить его проблемы (конструктив).

 

Нет не знаю... Поясните. Желательно со ссылками. Я не автор идеи. Просто пытаюсь модернизировать.

 

с горелкой
Коныш Валерий Иванович
при всей кажущейся простоте не у всех получилось -а у Вас уже усовершенствование



горелку Валеры вставить бы в такую конструкцию котла -

 

Я тоже думал над этим, хотелось бы приспособить к котлу Faci-Carbon




только пугают температуры (плавление чугуна-1100-1300 градусов). Но когда сгорит родная чугунная непременно прилажу!

 

У меня нет усовершенствования-у меня модернизация (причем компромиссная, а компромисс всегда хуже). Насколько хуже хотелось бы понять...

 

больше интересней все таки схема ТО в немецком биокомпакте (более правильна) -сварить может дешевле (если нет еще котла -теплообменника) будет чем покупать Faci-Carbon

 

если не ориентированно на дальнейшие производство -то влететь может в копеечку-времени-нервов как правильно Вы за метели с не известным результатом-наверное лучше сделать уже опробованное решение -с хорошим Т-все равно все килокалории спасти не возможно.

 

У немцев котел пеллетный? Или угольный? Они бесстрашные? В смысле скапливания в верху камеры сгорания пирогазов и последующих пыхов? Или броня крепка-выдержит? Это я о более интересной схеме ТО...
Ну а Faci уже в котельной... Правда этой зимой не пользую... Так, что поезд ушел.