Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10715
(13) U
(46) 2015.06.30
(51) МПК
F 23B 10/00 (2011.01)
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
(21) Номер заявки: u 20140382
(22) 2014.10.22
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт тепло- и
массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Бела-
руси" (BY)
(72) Авторы: Пицуха Евгений Александро-
вич; Теплицкий Юрий Семенович; Бо-
родуля Валентин Алексеевич; Вино-
градова Мария Викторовна (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт тепло-
и массообмена имени А.В.Лыкова На-
циональной академии наук Беларуси"
(BY)
(57)
1. Устройство для сжигания твердого топлива, содержащее теплоизолированный кор-
пус с системой подачи топлива, первичной камерой сгорания, связанной с вторичной вих-
ревой камерой сгорания, и зольник, причем камеры сгорания снабжены средством подачи
первичного и вторичного воздуха соответственно, а также средством подачи продуктов
газификации во вторичную вихревую камеру, отличающееся тем, что снабжено камерой
дожигания, связанной с вторичной вихревой камерой сгорания пережимом, выполненным
в виде канала круглого сечения диаметром 0,45-0,7 диаметра вихревой камеры, газотруб-
ным теплообменником, установленным над камерой дожигания, поворотной камерой, свя-
занной с газотрубным теплообменником и с патрубком вывода дымовых газов,
соединенным с дымососом, при этом первичная камера сгорания снабжена внутренним
бункером для топлива, соплами принудительной подачи первичного воздуха и щелевым
каналом, расположенным тангенциально по отношению к вторичной вихревой камере, а
Фиг. 1
BY10715U2015.06.30

2. BY 10715 U 2015.06.30
2
вторичная вихревая камера сгорания расположена горизонтально и снабжена тангенци-
ально расположенными соплами ввода вторичного воздуха, причем первичная и вторич-
ная камеры сгорания, камера дожигания, газотрубный теплообменник и поворотная
камера размещены внутри теплоизолированного корпуса, который снабжен патрубками
ввода и вывода воды, циркулирующей внутри его, а зольник расположен в нижней части
теплоизолированного корпуса.
2. Устройство для сжигания твердого топлива по п. 1, отличающееся тем, что система
подачи топлива выполнена в виде бункера и шнекового питателя.
3. Устройство для сжигания твердого топлива по п. 1 или 2, отличающееся тем, что
снабжено вентилятором для принудительной подачи первичного и вторичного воздуха в
соответствующие камеры сгорания.
(56)
1. Халатов А.А., Борисов И.И., Шевцов С.В. Тепломассообмен и теплогидравлическая
эффективность вихревых и закрученных потоков - Киев: Институт технической теплофи-
зики НАН Украины, 2005. - С. 474-476.
Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для сжигания твердого
топлива, в частности к устройствам, характеризующимся комбинацией двух или более
камер сгорания, и может найти применение при сжигании низкосортных видов топлива,
например древесной щепы.
Известна малогабаритная камера двухстадийного сжигания биомассы [1], выбранная в
качестве прототипа (устройство для сжигания твердого топлива). Устройство содержит
теплоизолированный корпус с первичной камерой сгорания, в которой происходит про-
цесс газификации топлива на колосниковой решетке. Подача топлива в первичную камеру
сгорания происходит через загрузочную дверцу ручным способом (система подачи топли-
ва). Первичный воздух поступает в первичную камеру сгорания через отверстие для пода-
чи первичного воздуха за счет разряжения. Образующаяся зола через отверстия
колосниковой решетки поступает в зольник. Продукты газификации поступают во вто-
ричную вихревую камеру сгорания через теплоизолированный канал. Воздух во вторич-
ную камеру сгорания подается через тангенциально-щелевой завихритель, что формирует
закрученный поток. При закрутке потока за счет вихревой эжекции воздух из атмосферы
поступает в первичную камеру сгорания. Конструкция камеры двухстадийного сжигания
биомассы обеспечивает коэффициент избытка окислителя в первичной камере сгорания
0,7, что приводит к газификации биомассы при температуре около 800 °С. Такая величина
коэффициента избытка окислителя не является универсальной и не подходит для газифи-
кации разных видов биомассы. Повышенный уровень температуры во вторичной камере
сгорания приблизительно 1100 °С способствует повышенному образованию оксидов азо-
та, ухудшающего экологические характеристики данного устройства. Широкое сечение
вторичной вихревой камеры сгорания позволяет покидать камеру частицам топлива, уве-
личивая механический недожог.
Недостатками указанной конструкции являются: малоэффективность процесса горе-
ния и низкие экологические характеристики за счет сложности подачи первичного воздуха
путем вихревой эжекции в первичную камеру сгорания, большие потери топлива за счет
механического недожога, а также унос частиц топлива вместе с дымовыми газами.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности
процесса горения в устройстве для сжигания твердого топлива за счет повышения полно-
ты сгорания топлива.
Поставленная задача решается следующим образом.

3. BY 10715 U 2015.06.30
3
Известное устройство для сжигания твердого топлива включает теплоизолированный
корпус с системой подачи топлива, первичной камерой сгорания, связанной с вторичной
вихревой камерой сгорания и зольник. Камеры сгорания снабжены средством подачи пер-
вичного и вторичного воздуха соответственно, а также средством подачи продуктов гази-
фикации во вторичную вихревую камеру.
Согласно предлагаемому техническому решению, устройство снабжено камерой до-
жигания для завершения процесса горения газов, связанной с вторичной вихревой каме-
рой сгорания пережимом, выполненным в виде канала круглого сечения диаметром 0,45-
0,7 диаметра вихревой камеры, обеспечивающим увеличение времени пребывания топ-
ливных частиц в объеме вторичной вихревой камеры. Газотрубный теплообменник уста-
новлен над камерой дожигания и предназначен для нагревания теплоносителя,
поступающего потребителю. Поворотная камера связана с газотрубным теплообменником
и с патрубком вывода дымовых газов, который соединен с дымососом. Поворотная камера
обеспечивает сбор дымовых газов, поступающих из газотрубного теплообменника, и по-
ворот их перед входом в патрубок вывода дымовых газов. Первичная камера сгорания
снабжена внутренним бункером для топлива, и соплами принудительной подачи первич-
ного воздуха, и щелевым каналом, расположенным тангенциально по отношению к вто-
ричной вихревой камере, что обеспечивает необходимый для газификации коэффициент
избытка воздуха в первичной камере сгорания, а также повышает полноту сгорания топ-
лива. При этом вторичная вихревая камера сгорания расположена горизонтально и снаб-
жена тангенциально расположенными соплами ввода вторичного воздуха, что
обеспечивает компактность устройства для сжигания твердого топлива и позволяет осу-
ществить более полное смешение воздуха с продуктами газификации и неполного сгора-
ния, которые поступают из первичной камеры сгорания. Причем первичная, вторичная
камеры сгорания, камера дожигания, газотрубный теплообменник и поворотная камера
размещены внутри теплоизолированного корпуса, который снабжен патрубками ввода и
вывода воды, циркулирующей внутри его, что обеспечивает нагрев воды для подачи ее
потребителю тепла, а зольник расположен в нижней части теплоизолированного корпуса.
Кроме того, система подачи топлива выполнена в виде бункера и шнекового питателя,
а устройство снабжено вентилятором для принудительной подачи первичного и вторично-
го воздуха в соответствующие камеры сгорания.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение полноты
сгорания топлива, что повышает эффективность предлагаемого устройства.
На фиг. 1 показана схема общего вида устройства для сжигания твердого топлива.
На фиг. 2 показаны тангенциальная подача вторичного воздуха во вторичную вихре-
вую камеру сгорания и подача первичного воздуха в первичную камеру сгорания при по-
мощи вентиляторов (сечение А-А).
На фиг. 3 показан газотрубный теплообменник, патрубок выхода дымовых газов пово-
ротной камеры и люк камеры дожигания (сечение Б-Б).
Предлагаемое устройство для сжигания твердого топлива содержит теплоизолирован-
ный корпус 1 с первичной камерой сгорания 2, в которой происходит процесс газифика-
ции топлива. Первичная камера сгорания 2 снабжена внутренним бункером 3 для топлива
и обеспечена огнеупорной футеровкой 4. В нижней части первичной камеры сгорания 2
расположены сопла 5, в которые воздух подают принудительно, например вентилятором
6, что обеспечивает необходимый для газификации коэффициент избытка воздуха в пер-
вичной камере сгорания 2, а также повышает полноту сгорания топлива. В первичной ка-
мере сгорания 2 расположена дверца 7, установленная для розжига топлива. Первичная
камера сгорания 2 связана с вторичной вихревой камерой сгорания 8 щелевым каналом 9,
через который продукты газификации и неполного сгорания поступают во вторичную
вихревую камеру сгорания 8. Щелевой канал 9 расположен тангенциально по отношению
к вторичной вихревой камере сгорания 8, что позволяет увеличить время нахождения

4. BY 10715 U 2015.06.30
4
продуктов газификации и неполного сгорания во вторичной вихревой камере сгорания 8 и
повышает полноту сгорания топлива. Вторичная вихревая камера сгорания 8 расположена
горизонтально, что обеспечивает компактность устройства для сжигания твердого топли-
ва, и снабжена тангенциально расположенными соплами 10 для подачи вторичного возду-
ха, что позволяет осуществить более полное смешение воздуха с продуктами газификации
и неполного сгорания, которые поступают из первичной камеры сгорания 2 через щелевой
канал 9. Воздух во вторичную вихревую камеру сгорания 8 подают через сопла 10 прину-
дительно, например вентилятором 11, что позволяет установить необходимый для сгора-
ния продуктов газификации коэффициент избытка воздуха во вторичной вихревой камере
сгорания 8 и увеличить полноту сгорания топлива. Вторичная вихревая камера сгорания 8
связана с камерой дожигания 12 пережимом 13, выполненным в виде канала круглого се-
чения диаметром, который составляет 0,45-0,7 диаметра вихревой камеры сгорания 8, и
оборудована крышкой 14, установленной для обслуживания устройства. Пережим 13
предназначен для увеличения времени пребывания топливных частиц в объеме вторичной
вихревой камеры сгорания 8, повышения полноты сгорания топлива, интенсификации
процессов смешения газообразных горючих продуктов с вторичным воздухом. В камере
дожигания 12 происходит окончательное дожигание газообразных горючих продуктов и
их охлаждение. В нижней части камеры дожигания 12 установлены трубы 15 для провала
золы, под которыми расположен зольник 16. Камера дожигания 12 оборудована люком 17,
через который происходит ее периодическая очистка. Газотрубный теплообменник 18 ус-
тановлен над камерой дожигания 12 и предназначен для нагревания теплоносителя, по-
ступающего потребителю. Поворотная камера 19, связанная с газотрубным теплообмен-
ником 18 с одной стороны и с патрубком 20 вывода дымовых газов с другой стороны,
выполнена, например, в виде канала прямоугольного сечения. Поворотная камера 19
обеспечивает сбор дымовых газов, поступающих из газотрубного теплообменника 18, и
поворот их перед входом в патрубок 20, предназначенный для вывода дымовых газов. Раз-
ряжение в газовом тракте создается дымососом 21.
Первичная камера сгорания 2, вторичная вихревая камера сгорания 8, камера дожига-
ния 12, газотрубный теплообменник 18 и поворотная камера 19 размещены внутри тепло-
изолированного корпуса 1, снабженного патрубками ввода и вывода воды, циркулирую-
щей внутри его, что обеспечивает нагрев воды для подачи ее потребителю тепла.
Устройство для сжигания твердого топлива снабжено системой подачи топлива, выпол-
ненной, например, в виде бункера 22 и шнекового питателя 23.
Устройство для сжигания твердого топлива работает следующим образом.
Перед розжигом устройство для сжигания твердого топлива заполняют водой через
патрубок для входа воды и ее последующего нагрева. Вода омывает поверхности первич-
ной камеры сгорания 2, вторичной вихревой камеры сгорания 8, камеры дожигания 12,
газотрубного теплообменника 18. Топливо подают во внутренний бункер 3 шнековым пи-
тателем 23, соединенным с бункером 22. Внутренний бункер 3 заполняют топливом не
менее 1/3 его объема, через дверцу 7 производят розжиг топлива в первичной камере сго-
рания 2, после чего дверцу 7 закрывают. Внутренний бункер 3 окончательно дозаполняют
топливом и через сопла 5 в первичную камеру сгорания 2 подают 30-50 % воздуха (в зави-
симости от вида топлива) от всего объема воздуха, необходимого для полного сгорания
топлива. Например, при сжигании древесной щепы в первичную камеру сгорания 2 пода-
ют 50 % от всего объема воздуха, необходимого для полного сгорания топлива. Воздух в
сопла 5 подают при помощи вентилятора 6, что обеспечивает необходимый для газифика-
ции коэффициент избытка воздуха в первичной камере сгорания 2. В первичной камере
сгорания 2 происходят процессы подогрева топлива, испарения влаги, газификации и не-
полного сгорания топлива. Огнеупорная футеровка 4 обеспечивает защиту зоны газифи-
кации первичной камеры сгорания 2 от потерь теплоты. Температура в зоне газификации
в первичной камере сгорания 2 достигает 750-900 °С (в зависимости от вида топлива). При

5. BY 10715 U 2015.06.30
5
сжигании древесной щепы температура в зоне газификации достигает 800 °С. Продукты
газификации и неполного сгорания поступают во вторичную вихревую камеру сгорания 8
через щелевой канал 9, расположенный тангенциально по отношению к вторичной вихре-
вой камере сгорания 8. Воздух во вторичную вихревую камеру сгорания 8 подают прину-
дительно, например вентилятором 11, через тангенциально расположенные сопла 10.
Благодаря тангенциальному подводу вторичного воздуха через сопла 10 и тангенциально-
му подводу продуктов газификации и неполного сгорания через щелевой канал 9 во вто-
ричной вихревой камере сгорания 8 образуется вихревое течение. Вихревое течение
способствует интенсивному смесеобразованию и горению топлива как в объеме вторич-
ной вихревой камеры сгорания 8, так и на его стенках. При работе вторичной вихревой
камеры сгорания 8 за счет центробежных сил и пережима 13 происходит удержание горя-
щих частиц топлива в пристенной зоне до их измельчения и сгорания, тем самым умень-
шается унос частиц и повышается полнота сгорания топлива. Пережим 13 предназначен
для увеличения времени пребывания топливных частиц в объеме вихревой камеры сгора-
ния 8, интенсификации процессов смешения газообразных горючих продуктов с вторич-
ным воздухом, повышения полноты сгорания топлива.
Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, воспринимается омывающей вторич-
ную вихревую камеру сгорания 8 водой, что обеспечивает работу топки без спекания и
потерь топлива и уменьшает выбросы загрязняющих веществ (NOx, SO2 и др.).
Вращающийся поток газообразных продуктов сгорания и зольных частиц выходит че-
рез пережим 13 в камеру дожигания 12, где и происходит окончательное дожигание газо-
образных продуктов сгорания. Наиболее крупные частицы золы осаждаются в нижней
части камеры дожигания 12 и через трубы 15 поступают в зольник 16. Из камеры дожига-
ния 12 дымовые газы поступают в газотрубный теплообменник 18, где происходит их ох-
лаждение и нагревание теплоносителя, поступающего потребителю. Дымовые газы,
выходя из газотрубного теплообменника 18, поступают в поворотную камеру 19, откуда
под действием разряжения, создаваемого дымососом 21, поступают в патрубок 20 для вы-
вода дымовых газов.
Периодическая очистка и осмотр первичной камеры сгорания 2, вторичной вихревой
камеры сгорания 8 и камеры дожигания 12 выполняются через дверцу 7, крышку 14 и люк
17 соответственно.
Охлаждение вторичной вихревой камера сгорания 8, камеры дожигания 12 и газо-
трубного теплообменника 18 позволяет уменьшить толщину стенок теплоизолированного
корпуса 1, обеспечить безопасную для эксплуатации температуру на поверхности тепло-
изолированного корпуса 1 и снизить габаритные размеры устройства для сжигания твер-
дого топлива.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение полноты
сгорания топлива и интенсификацию процесса перемешивания продуктов газификации и
неполного сгорания в вихревой камере сгорания, что повышает эффективность предла-
гаемого устройства для сжигания твердого топлива, кроме того, обеспечивается необхо-
димый для газификации коэффициент избытка воздуха и уменьшается унос несгоревших
частиц топлива.

6. BY 10715 U 2015.06.30
6
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.