ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПАРОВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ НА БИООТХОДАХ. альтернативная энергетика, дешевая тепловая энергия, утилизация отходов, минимальные выбросы

English version

The Timber Industry Worker

Журнал "Лесопромышленник"

Интернет-журнал "Лесопромышленник"

Новости лесной промышленности Автономный водогрейный котел на отходах. альтернативная энергетика
СЕГОДНЯ: БИОЭНЕРГЕТИКА

  

ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПАРОВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ НА БИООТХОДАХ

Барболин Сергей Павлович

Ключевые слова: альтернативная энергетика, дешевая тепловая энергия, утилизация отходов, автономный водогрейный котел, минимальные выбросы.

ИННОВАЦИОННОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ

Предлагается к внедрению в производство запатентованная технология переработки сыпучих видов топлива, в том числе биоотходов производственной и бытовой деятельности в топке пароводогрейного котла в тепловую энергию с низкой себестоимостью при уменьшении загрязнения окружающей среды. (далее)

Нарастание потребностей в тепловой энергии при необходимости её минимальной стоимости и экологической безопасности диктуют условия создания новых типов теплогенерирующих мощностей.

Основную составляющую в стоимости тепловой энергии имеет топливо. Наиболее низкую стоимость имеют различные отходы производственной и бытовой деятельности при их наличии в избыточных количествах. Использование местных видов топлива, в том числе и низкокалорийного, так же снижает стоимость тепловой энергии. Под эти виды топлива, имеющих недостатки, требуется комплектация соответствующего оборудования.

Предлагается к применению вертикально-секционный моноблочный паро- водогрейный котел с механизированным загрузочно – расходным бункером в его верхней части для переработки сыпучих видов топлива, в том числе отходов бытовой и производственной деятельности и низкокалорийного с повышенной влажностью местного топлива в тепловую энергию.

Данное устройство перерабатывает в тепловую энергию сыпучие виды топлива от пылевидной фракции до фракций и размеров, обеспечивающими возможность загрузки топлива в топку без повреждения устройства, а так же с влажностью от 0% до 100% без сопутствующего подогрева-«подсветки» легкосгораемыми видами топлива. В качестве топлива используются биоотходы производственной и бытовой деятельности, в том числе опилки, фракцией 0,05 мм, щепа и обрезки до 1м, торф, горючие сланцы, низкокалорийные каменные угли и их пылевидные фракции как по отдельности, так и совместно и аналогичные виды углеродосодержащих материалов с различной степенью влажности. Резервными видами топлива без переконструирования паро - водогрейного котла могут быть дрова, высококалорийные каменные угли, брикеты, древесные гранулы, другие виды твердого топлива.

Автономный водогрейный котел на отходах. альтернативная энергетика

На это устройство выданы патенты Российской Федерации за № 2310124 (ТОПКА ПАРОВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ОТХОДОВ ДЕРЕВОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ) и № 2426028 (ВЕРТИКАЛЬНАЯ ТОПКА ПАРОВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ СЫПУЧИХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ).

Принятое конструктивное решение обеспечивает минимальную материалоёмкость устройства при изготовлении, так как роль несущего каркаса и ограждающих конструкций топки и котла выполняют теплопринимающие элементы котла, одновременно являясь стенками газоходов и элементами организации процесса горения. Это дает возможность снизить себестоимость изготовления пароводогрейного котла при его конструктивной простоте и ремонтопригодности. Материалом для пароводогрейного котла могут являться стандартные жаростойкие трубы, не требующие предварительного изготовления профилированных заготовок и допускающие применение принципа движения воды внутри теплопринимающих элементов котла закрученным потоком для предотвращения образования накипи на внутренних стенках труб. Возможно производство модулей-секций для комплектации требуемой мощности с унифицированным оборудованием для механизированной или автоматизированной загрузки топлива в топку водогрейного котла и золоудаления, что упрощает транспортирование и монтаж на месте.

Процесс переработки сыпучих видов топлива в тепловую энергию и теплопередача при снижении затрат и потерь осуществляется следующим образом.

Имеющее сыпучую структуру топливо загружается механизированным способом в находящийся для обеспечения непрерывности процесса в верхней части пароводогрейного котла загрузочно – расходный бункер 1 ( см. схему котла) с встроенными газоходами 3 для подсушивания и начала нагрева топлива. Под воздействием автоматического механизированного загрузочного устройства 2 и силы тяжести топливо 5 из бункера 1 опускается в топку, заполняя её объём полностью и подвергается розжигу. При минимальном объёме теплопередачи, обусловленном конструкцией устройства, и отсутствии излишнего продува рабочий объём топки быстро нагревается при сжигании небольшого количества подогретого в бункере топлива.

Для достижения и поддержания требуемой температуры в рабочем объёме топки моделируется схема процесса горения по максимально возможной активной площади- зеркалу горения 6 - соприкосновения сыпучего топлива с необходимым для интенсивного горения воздухом при использовании всего объёма топки при тенденции стремления к стехиометрической реакции. Время пребывания топлива в топке определяется фактором потери массы при его переработке в тепловую энергию до достижения зольного остатка. При этом температура топлива в топке стремится к повышению. Воздух поступает в топку из зольной камеры через отверстия в колосниках 11 только в необходимых для горения количествах и распределяется по всему объёму заполненной сыпучим топливом топки. Для большего смешения топлива с воздухом по всему объёму топки устанавливаются катализаторы горения и смешения пористого топлива с воздухом с интервалами для беспрепятственного опускания сыпучего топлива до уровня колосников11. Вокруг катализаторов горения образуются пустоты - зоны контакта топлива с воздухом, которые увеличивают активную поверхность горения по их контурам и контурам находящихся там же элементов котла, чем и создают эффект цепной реакции нагрева «вставками» топлива 5 друг друга, обеспечивая распределение и смешение необходимого для термохимической реакции воздуха с топливом без нерационального продува топки. При этом эффективно используется поверхность теплопринимающих элементов 4 пароводогрейного котла, находящихся в зоне максимальной разницы температур - «кипящем слое» сжигаемого топлива и пиролизных газов. Передача тепловой энергии осуществляется излучением, конвекцией и линейной теплопередачей.

Стабильность и управляемость процесса термохимической реакции окисления топлива обеспечивается поддержанием требуемого теплового баланса в топке при помощи установленных катализаторов горения и распределителей воздуха, а так же элементов водогрейного котла.

Для более полного использования теплотворных свойств топлива в топке пароводогрейного котла может устанавливаеться режим пиролиза с горением продуктов термического распада. Для этого при помощи регулировочных дверок расход воздуха в зонах пиролиза устанавливается с недостатком (коэффициент избытка воздуха -0,3-0,6). При наличии в топке положительного баланса ( более 600 град. С ) температуры устанавливается режим термического распада топлива с образованием продуктов пиролиза, в том числе и горючих газов.

Образующиеся при контакте топлива с газоходами бункера, катализаторами горения и в смежных с очагами горения зонах пиролиза в структуре топлива горючие газы частично сгорают при выходе из пористой структуры топлива, контактируя с катализаторами воспламенения и распределителями воздуха, поддерживая положительный тепловой баланс. При отсутствии излишнего продува и регулируемом поступлении необходимого для горения подогретого воздуха горючие газы сжигаются в топке практически полностью, вследствие чего они придают термическому распаду топлива характер цепной реакции. Имеющие температуру воспламенения горючие газы проникают в пористую структуру сыпучих видов топлива совместно с воздухом и содействуют процессу термохимической реакции.

Жидкая фракция продуктов термического распада топлива при опускании на колосники 11, являющиеся аккумуляторами высокой температуры, попадает в реакционную восстановительную зону. При стабильном режиме процесса жидкая фракция так же восстанавливается в горючие газы. Неокислившиеся в топке пиролизные газы попадают в камеру смешения с подогретым –«вторичным»- воздухом, находящуюся в зольной камере 12. Затем воздушногазовая смесь попадает в камеру дожига, так же состоящую из элементов котла и катализаторов воспламенения и горения со свойствами форсунки и там сгорает.

Дымовые газы проходят в каналы 8 пароводогрейного котла, отдавая тепловую энергию и через газоходы в конструкции котла 10 и бункере 3 проходят в дымовую трубу. При поступлении только необходимого для горения воздуха зола не продувается в газоходы, а проваливается с шлаками в зольную камеру 12 и удаляется через герметичную дверку. Снижение выбросов NO-X достигается регулированием подачи вторичного воздуха и охлаждением камеры дожига теплоносителем котла.

Эксплуатация пароводогрейного котла происходит при стабильном режиме выработки тепловой энергии без значительного снижения мощности при загрузке топлива и шлакозолоудалении. При постоянной рабочей температуре в топке свыше 600 град. С и отсутствии начального периода горения летучие углеводороды, в том числе СО сгорают более полно, что повышает КПД и снижает выбросы.

Принятой компоновкой элементов достигается увеличение регулируемой мощности топки при определённом объёме, повышение коэффициента использования топлива при снижении тепловых и зольных выбросов в атмосферу, возможность механизации и автоматизации процесса.

На основе данного изобретения созданы действующие модели водогрейных котлов мощностью до 100 кВт. Предлагается строительство моноблочных пароводогрейных котлов мощностью 20-2000 кВт и выше с бункером для механизированной загрузки топлива в верхней части.

При недостаточной высоте дымовой трубы для обеспечения удаления дымовых газов устанавливаются дымососы.

Данная технология дает возможность реконструкции пароводогрейных котлов в существующих котельных с сохранением теплопринимающих элементов котлов, что снижает затраты на создание тепловых мощностей, работающих на дешёвых отходах производственной деятельности.

Преимуществом данного устройства является:

  1. Совмещение теплопринимающими элементами водогрейного котла функций конструктивных элементов, ограждающих конструкций и элементов обеспечения процесса переработки топлива в тепловую энергию способствует снижению стоимости устройства.

  2. Вертикальное расположение слоев топлива в топке рядом с теплопринимающими элементами котла обеспечивает максимальную площадь горения, что обеспечивает стабильную требуемую мощность тепловыделения при низкой теплотворной способности топлива и лучевую теплопередачу тепловой энергии теплопринимающим элементам котла, находящимся в «кипящем слое» сжигаемого топлива.
  3. Вертикальное расположение элементов котла с нахождением загрузочно-расходного бункера топлива в верхней части топки обеспечивает непрерывное , без зависания, поступление топлива в зону горения, его подсушивание и нагрев до температуры пиролиза без использования легковоспламеняющихся видов топлива.
  4. Возможность механизации и автоматизации всех процессов приводит к высокой культуре производства, устраняет необходимость постоянного контроля и вмешательства персонала, что снижает эксплуатационные расходы.
  5. Простота устройства не требует специального обслуживания при эксплуатации и ремонте.
  6. Устройство может функционировать без применения электроэнергии или с её минимальным расходом, так как поступление только необходимого воздуха может осуществляться за счет естественной тяги дымовой трубы.
  7. Получаемая тепловая энергия может использоваться как для отопления, горячего водоснабжения, так и для производственных целей.
  8. Высокий коэфициент использования теплотворных свойств топлива за счет поступления только необходимого для термохимической реакции окисления в режиме горения и параллельного пиролиза подогретого воздуха. При отсутствии продува и создании условий для прохождения реакций окисления всех углеродо - водородных соединений топлива отвод тепла из зоны реакции осуществляется только теплоносителем котла при небольших отводах через ограждающие конструкции устройства и дымовую трубу. Это приводит к высокой степени экологической чистоты данной технологии и требует минимальных затрат на искрогашение и очистку дыма.
  9. Конструктивное решение дает возможность изготовления унифицированных типовых секций котлов для подбора требуемой мощности, что снижает стоимость изготовления и монтажа на месте.
  10. Возможность циклической подачи топлива в загрузочно – расходный бункер при обеспечении непрерывного поступления топлива в топку котла не допускает проникновение высоких температур воспламенения в склад топлива, что повышает противопожарную безопасность устройства.
  11. Возможность работы топки водогрейного котла на всех видах твердого топлива как по раздельности, так и одновременно. То есть можно перерабатывать в тепловую энергию как сыпучие виды топлива, загружаемые в бункер в верхней части и затем продвигающиеся в топку, так и соответствующие размерам топки дрова. Для использования дров может быть выбрана любая вертикальная секция топки котла, и через установленные на фронтальной стенке дверки они легко загружаются в топку.

На приведенной ниже схеме показана возможность производства унифицированных типовых блоков для запланированной комплектации мощности водогрейного котла на месте установки. Так же в процессе эксплуатации имеется возможность дополнить водогрейный котел типовыми блоками нужной мощности, демонтировать невостребованные мощности или произвести замену вышедшей из строя блок - секции водогрейного котла с наименьшими затратами. Инерционность топки достигается экстенсивным состоянием топлива при снижении интенсивных выбросов вредных веществ и невоспринятой тепловой энергии.

Автономный водогрейный котел на отходах. альтернативная энергетика

Обозначение возможных унифицированных типовых блок – секций водогрейного котла для изготовления в заводских условиях и монтажа различных вариантов у потребителя показано на приведенной ниже схеме:

А - блок основания с зольной камерой

В - блок комплектации проектируемой мощности водогрейного котла

С - блок покрытия водогрейного котла с загрузочно – расходным бункером топлива.

Ориентировочная стоимость водогрейного котла определяется из расчета от 500 до 1000 рублей за 1кВт мощности в зависимости от мощности единицы продукции и условий изготовления.

Литература:

1. Кнорре Г.Ф. Теория топочных процессов. Москва. 1966 г.

2. Кислицын А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы. Москва. Лесная промышленность. 1990.

3. Левин Э.Д. Теоретические основы производства древесного угля. Лесная промышленность. Москва. 1980.

4. Юдкевич Ю.Д., Васильев С.Н., Ягодин В.И. Получение химических продуктов из древесных отходов. С-Петербург. 2002.

5. Гордон Л.В., Скворцов С.О., Лисов В.И. Технология и оборудование лесохимических производств. Лесная промышленность. Москва. 1988.

Источники: Большая Советская Энциклопедия. Химическая энциклопедия.

На фото - действующий в течении 5 лет котёл мощностью 40 квт. Хранение опилка в зимнее время - на улице, подача в котельную через отверстие запаса (на 3 суток). Загрузка бункера котла при -100С - раз в сутки, при -300С -  три раза в сутки.

Автономный водогрейный котел на отходах. альтернативная энергетика   Автономный водогрейный котел на отходах. альтернативная энергетика  

О Интернет-Журнале "Лесопромышленник"      Редакция     Партнеры     Реклама     Архив номеров    Ссылки о ЛПК     Каталог ссылок

 Иконка сайта сделана при помощи favicon.ru

©H&G - Studio 

© Интернет-журнал "Лесопромышленник" («The Internet-magazine «Lesopromyshlennik»)

Свидетельство о регистрации Эл № ФС77-32798 от 11.08.2008 г.

E-mail: priorov@lesopromyshlennik.ru, karpachev@mgul.ac.ru.

При цитировании информации гиперссылка наИнтернет-журнал "Лесопромышленник"  обязательна.
Использование материалов журнала в коммерческих целях допускается только с письменного разрешения редакции.

 

С целью ограничения спам-рассылок в электронных адресах символ "@" замещён на "[at]". Приносим свои извинения за причиненное неудобство.