Топка для сжигания твердого топлива

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно к топочным устройствам (топкам), в которых происходит сжигание твердого органического топлива с выделением химически связанной энергии. Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности автоматического регулирования и поддержания оптимальных характеристик процесса горения топлива, повышение эффективности использования топлива. Он достигается тем, что в топке для сжигания твердого топлива, содержащей топочную камеру, расположенную в топочной камере неподвижную колосниковую решетку, расположенный в нижней части топочной камеры шлаковый бункер, связанное с топочной камерой устройство подачи твердого топлива с приводом, связанный с устройством подачи топлива вертикальный топливный бункер, устройство подачи топлива в топливную камеру выполнено в виде снабженного приводом штока, способного совершать возвратно-поступательные движения вдоль своей оси, устройство подачи топлива связано с топочной камерой через дозирующее устройство, колосниковая решетка снабжена устройством принудительного перемешивания топлива и удаления шлака с приводом, топливный бункер имеет расширяющееся книзу поперечное сечение. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а более конкретно - к топочным устройствам (топкам), в которых происходит сжигание твердого органического топлива с выделением химически связанной энергии.

Известны топки с ручной подачей топлива /1/. Однако такие топки имеют ограниченную тепловую мощность.

Известны топки с цепной решеткой /1/, в которых топливо из топливного бункера поступает самотеком на переднюю часть медленно движущейся колосниковой решетки. При этом образовавшийся шлак сбрасывается в топливный бункер с задней части решетки. К недостаткам этой схемы можно отнести то, что: - В зоне повышенных температур находятся кинематические элементы механизмов (петли элементов движущейся решетки, ведущие колеса этой решетки и т. д.).

- При заданной скорости подачи топлива (скорости движения решетки) время пребывания топлива в топочной камере является нерегулируемым.

Наиболее близкой к заявляемой является топка /1/, содержащая состоящие из топочной камеры, в которой происходит выделение тепловой энергии (горение топлива), расположенной в топочной камере неподвижной колосниковой решетки, расположенного в нижней части топочной камеры шлакового бункера, связанного с топочной камерой топливозабрасывателя /2/ (вращающегося ротора, подающего топливо в топочную камеру ударами лопаток) и связанного с топливозабрасывателем вертикального топливного бункера, из которого топливо самотеком поступает в топочную камеру. При этом колосниковая решетка имеет верхний наклонный и нижний горизонтальный участки.

К недостаткам таких топок можно отнести то, что: - При переменном уровне загрузки топливного бункера и переменном фракционном составе твердого топлива происходит изменение скорости поступления топлива в топочную камеру, что приводит к неконтролируемому изменению характеристик процесса горения топлива (в частности, скорости горения).

- Наличие неорганизованного подсоса воздуха через полость загрузочного бункера, что связано с пористостью и переменной высотой слоя топлива в бункере. Для уменьшения этого подсоса обычно используют бункеры с уменьшающимся книзу проходным сечением, что повышает вероятность застревания крупных кусков топлива в бункере.

- Неравномерность распределения и неподвижность слоя топлива на колосниковой решетке, что приводит к неравномерному сгоранию слоя топлива, образованию долго горящих очагов (кратеров), перекрытию этими очагами части проходного сечения колосниковой решетки и ухудшению циркуляции воздуха в топочной камере. Для преодоления этого недостатка используют колосниковые решетки /1/, имеющие верхний наклонный участок и нижний горизонтальный участок, под которым располагается шлаковый бункер. При этом движение и перемешивание топлива на наклонном участке колосниковой решетки происходит самотеком. Однако, самотечное движение топлива вдоль колосниковой решетки зависит как от характеристик процесса горения, так и от фракционного состава топлива, и в этом смысле является нерегулируемым. Кроме того, процесс удаления шлака в шлаковый бункер, в конечном счете, определяется процессом на нижнем горизонтальном участке колосниковой решетки, относительно которого слой топлива неподвижен.

Все указанные недостатки затрудняют возможность регулирования и поддержания оптимальных характеристик процесса горения топлива, приводят к снижению эффективности использования топлива и необходимости постоянного контроля за работой топочного устройства.

Для преодоления этих недостатков устройство подачи топлива в топливную камеру выполнено в виде снабженного приводом штока, способного совершать возвратно-поступательные движения вдоль своей оси, устройство подачи топлива связано с топочной камерой через дозирующее устройство, колосниковая решетка снабжена устройством принудительного перемешивания топлива и удаления шлака с приводом, топливный бункер имеет расширяющееся книзу поперечное сечение.

При этом дозирующее устройство может быть выполнено в виде связывающего топливный бункер и топочную камеру горизонтального канала, соосного со штоком устройства подачи топлива и ограниченного с одной из сторон торцом этого штока, устройство принудительного перемешивания топлива и удаления шлака может быть выполнено в виде снабженного приводом штока, способного совершать возвратно- поступательные движения вдоль верхней поверхности колосниковой решетки.

Приводы устройства подачи топлива и устройства принудительного перемешивания топлива и удаления шлака могут быть выполнены в виде гидравлических цилиндров с управляющими золотниками.

Штоки устройства подачи топлива и устройства принудительного перемешивания топлива и удаления шлака могут быть механически связаны с концевыми переключателями, которые через систему управления электрически связаны с приводами этих штоков.

Топочная камера может быть оснащена датчиками температуры продуктов сгорания и тяги воздуха, которые через систему управления электрически связаны с приводами штоков устройства подачи топлива и устройства принудительного перемешивания топлива и удаления шлака.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2, на которых представлены схема предлагаемой топки и принципиальная схема ее системы управления.

Слоевая топка (см. фиг. 1), содержит топочную камеру 1 с огнеупорными стенками 2, расположенную в топочной камере неподвижную колосниковую решетку, состоящую из верхнего наклонного участка 3 и нижнего горизонтального участка 4. Шлаковый бункер 5 расположен в нижней части топочной камеры под горизонтальным участком колосниковой решетки 4. Горизонтальный канал 6 связывает топливный бункер 7 с топочной камерой 1. Топливный бункер 7 сообщается с каналом 6 через окно 8 в верхней стенке этого канала, а топочная камера сообщается с каналом 6 через окно 9 в нижней стенке этого канала, причем проходные сечения окон 8 и 9 разнесены в горизонтальном направлении так, что твердое топливо 10 не может самотеком поступать из бункера 7 в камеру 1. Бункер 7 имеет расширяющееся книзу поперечное сечение.

Со стороны окна 8 канал 6 ограничен торцом штока 11, соосного с каналом 6 и способного совершать возвратно-поступательные движения вдоль своей оси. Шток 11 механически связан с гидравлическим цилиндром 12, имеющим управляющий золотник 13. Топочная камера 1 снабжена штоком 14, способным совершать возвратно-поступательные движения вдоль верхней поверхности горизонтального участка колосниковой решетки 4. Шток 14 механически связан с гидравлическим цилиндром 15, имеющим управляющий золотник 16.

На фиг. 2 представлен вариант схемного исполнения системы управления заявляемого устройства. Гидравлические цилиндры 12 и 15 управляются соответственно золотниками 13 и 16. Подача электрического напряжения на различные группы входных клемм золотников 13 и 16 или снятие этого напряжения приводит к совершению плунжерами гидравлических цилиндров 12 и 15 (а также механически связанными с ними штоками 11 и 14) рабочего и обратного хода или к остановке штоков в нейтральном положении.

При этом гидравлическое питание цилиндров 12 и 15 осуществляется от насоса 17, нагнетательная магистраль которого связана с входными гидравлическими штуцерами золотников 13 и 16, а всасывающая магистраль связана через открытый в атмосферу резервуар рабочей жидкости 18 с выходными гидравлическими штуцерами золотников 13 и 16. Регулирующие гидравлические сопротивления 19 и 20 установлены на гидравлических магистралях перед входными штуцерами золотников 13 и 16 соответственно. Со штоком 11 механически связаны концевые переключатели 21 и 22 так, что срабатывание этих переключателей происходит в крайних положениях штока 11. Со штоком 14 механически связаны концевые переключатели 23 и 24 так, что срабатывание этих переключателей происходит в крайних положениях штока 14. Переключатели 21...24 связаны электрическими линиями с входными клеммами блока управления топкой 25. Топочная камера 1 оснащена датчиком температуры продуктов сгорания 26 и датчиком тяги воздуха 27. Датчики 26 и 27 связаны электрическими линиями с входными клеммами блока управления 25. Выходные клеммы блока управления 25 связаны электрическими линиями с входными клеммами золотников 13 и 16. Переключатели 21...24 установлены на ходовых винтах 28...31, допускающих перемещение этих переключателей вдоль осей штоков 11 и 15. Резервуар 18 заполнен рабочей жидкостью 32. Топка оснащена также системами принудительной циркуляции воздуха в топочной камере, загрузки топливного бункера и очистки шлакового бункера (на фиг. 1 и 2 не показаны).

Устройство работает следующим образом. На входные клеммы блока управления 25 с концевых выключателей 21...24 и с датчиков 26 и 27 поступает следующая информация: 1. О положении штоков 11 и 14.

2. О количестве рабочих ходов, совершенных штоками 11 и 14.

3. О величине температуры продуктов сгорания в топочной камере и соответствии этой температуры оптимальному значению режима горения топлива.

4. О величине тяги воздуха в топочной камере и соответствии этой тяги оптимальному значению режима горения топлива.

На основании этой информации блок управления выдает команды на срабатывание золотников 13 и 16 и совершение штоками 11 и 14 циклов "рабочий ход - обратный ход".

Пусть в начальный момент времени штоки 11 и 14 находятся в крайних положениях, соответствующих положению на фигуре 1 (окно 8 и верхняя поверхность решетки 4 полностью открыты), а сигналы датчиков 26 и 27 соответствуют оптимальным характеристикам процесса горения в топочной камере. На блок управления поступают сигналы с концевых переключателей 21 и 23 о том, что штоки находятся в крайних правых положениях и сделали к текущему моменту определенное количество циклов "рабочий ход - обратный ход". При этом топливо 10, находящееся в бункере 7, самотеком заполняет объем канала 6 под окном 8; предыдущие порции топлива образуют слой на колосниковых решетках 3 и 4 и по мере выгорания этого слоя происходит перемещение топлива и образующегося шлака на горизонтальный участок решетки 4. Насос 17 создает в гидравлическом контуре давление рабочей жидкости 32, которая из нагнетательной магистрали насоса через проточные тракты элементов 12, 13, 15, 16, 19, 20 поступает в резервуар 18 и далее - во всасывающую магистраль насоса 17. По сигналу с концевого переключателя 23 блок управления выдает команду на переключение золотника 16 в нейтральное положение, в результате чего шток 14 неподвижен. По сигналу с концевого выключателя 21 блок управления 25 выдает электрический сигнал на переключение золотника 13 в положение рабочего хода штока 11. Это приводит к перемещению штока 11 под действием перепада давления на плунжере гидравлического цилиндра 12 в крайнее правое положение до срабатывания переключателя 22. При совершении штоком 11 рабочего хода происходит вытеснение этим штоком топлива 10 из канала 6 в камеру 1 через окно 9. Одновременно боковая поверхность штока 11 перекрывает проходное сечение окна 8. Скорость перемещения штока 11 регулируется путем настройки величины гидравлического сопротивления элемента 19. Сигнал с переключателя 22 поступает на блок управления 25, который в ответ выдает сигнал на переключение золотника в нейтральное положение и остановку плунжера 11 в крайнем правом положении, когда топливо из канала 6 полностью вытеснено, а проходное сечение окна 8 полностью перекрыто. В результате порция топлива, находящаяся в объеме канала 6, поступает на верхнюю часть решетки 3, и по мере выгорания опускается на решетку 4.

После выгорания поступившей порции топлива блок управления выдает сигнал на переключение золотника 13 в положение обратного хода. В результате шток 11 совершает обратный ход и перемещается в крайнее левое положение до срабатывания концевого переключателя 21. По мере перемещения штока 11 влево происходит открытие проходного сечения окна 8 и поступление в канал 6 топлива из бункера 7 самотеком. При полностью открытом окне 8 в канале 6 окончательно формируется новая порция топлива. После срабатывания концевого переключателя 21 сигнал с этого переключателя поступает на блок управления 25, который в ответ выдает сигнал на переключение золотника 8 в положение рабочего хода штока 11. В результате цикл движения штока 11 "рабочий ход - обратный ход" повторяется.

Поскольку геометрия канала 6 и длина хода шока 11 заранее заданы и при работе устройства остаются постоянными, за один рабочий ход шока 11 в топочную камеру поступает заданное и постоянное количество топлива. Это позволяет осуществлять регулировку скорости поступления топлива в топочную камеру путем регулирования частоты срабатывания золотника 13 и совершения штоком 11 циклов "рабочий ход - обратный ход". Так как при сгорании новой порции топлива в топочной камере 1 походное сечение окна 8 перекрыто телом штока 11, неорганизованные подсосы воздуха через топливный бункер в этот период отсутствуют. Это, в частности, позволяет делать топливный бункер с расширяющимся книзу поперечным сечением и исключить опасность застревания крупных кусков топлива в бункере.

После загрузки в топочную камеру заданного количества порций топлива (после заданного количества срабатываний концевых переключателей 21 и 22) блок управления 25 выдает команду на переключение золотника 16 в положение рабочего хода штока 14. В результате под действием перепада давления на плунжере гидравлического цилиндра 15 шток 14 совершает рабочий ход и перемещается в крайнее левое положение до срабатывания концевого переключателя 24. Скорость перемещения штока 14 регулируется путем настройки гидравлического сопротивления элемента 20. Сигнал с концевого переключателя 24 поступает на входные клеммы блока управления 25, в ответ блок управления выдает команду на переключение золотника 16 в положение обратного хода штока 14. В результате шток 14 перемещается в крайнее левое положение до срабатывания концевого переключателя 23. Сигнал с переключателя 23 поступает на блок управления 25, который в ответ выдает команду на переключение золотника 16 в нейтральное положение, после чего шток 14 останавливается в крайнем левом положении. При совершении штоком 14 рабочего хода происходит вытеснение этим штоком с решетки 4 слоя шлака, равного по толщине высоте штока 14. Этот шлак поступает в шлаковый бункер 5, откуда впоследствии удаляется ручным или механизированным способом. При совершении штоком 14 обратного хода происходит передвижение топлива на решетку 4 и перемешивание (шуровка) этого топлива. Поскольку геометрия и величина перемещения штока 14 во время работы заявляемого устройства остаются постоянными, за один рабочий ход шока 14 из топочной камеры удаляется заданное и постоянное количество шлака. Это позволяет регулировать скорость удаления шлака путем регулирования частоты срабатывания золотника 16 и совершения штоком 14 циклов "рабочий ход - обратный ход".

При показаниях датчиков 26 и 27 в диапазоне оптимальных значений температуры продуктов сгорания и тяги воздуха периодичность подачи в топочную камеру топлива и удаления с колосниковой решетки шлака является постоянной и определяется скоростями горения топлива и шлакообразования при заданных параметрах процесса горения и составе топлива. В случае отклонения показаний датчиков 26 и 27 от оптимальных значений блок управления 25 производит корректировку циклограммы срабатывания золотников 13 и 16 с целью обеспечения оптимальных характеристик процесса горения топлива. В частности, при снижении температуры продуктов сгорания в топочной камере блок управления выдает команду на загрузку в топочную камеру дополнительной порции топлива, а при снижении тяги воздуха - команду на дополнительную шуровку (перемешивание) топлива и удаление шлака. Координаты крайних положений штоков 11 и 14 регулируются путем перемещения концевых переключателей 21...24 вдоль осей штоков с помощью ходовых винтов 28...31.

Так, при перемещении переключателей 22 и 24 в направлении обратного хода штоков 11 и 14 происходит уменьшение длины перемещения этих штоков и соответствующее уменьшение порций подаваемого за один рабочий ход штока 11 топлива и удаляемого за один рабочий ход штока 14 шлака.

В вариантном исполнении штоки 11 и 14 вместо гидравлических цилиндров 12 и 15 могут быть оснащены пневматическими или электромагнитными приводами, управляемыми от блока 25. Топочная камера может быть оснащена дополнительными датчиками (например, датчиком плотности инфракрасного излучения), показания которых характеризуют процесс горения твердого топлива и через блок 25 влияют на частоту совершения штоками 11 и 14 циклов "рабочий ход - обратный ход".

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показало, что заявляемое устройство отличается тем, что устройство подачи топлива выполнено в виде снабженного приводом штока, способного совершать возвратно-поступательные движения вдоль своей оси; устройство подачи топлива связано с топочной камерой через дозирующее устройство; колосниковая решетка снабжена устройством принудительного перемешивания топлива и удаления шлака с приводом, топливный бункер имеет расширяющееся книзу поперечное сечение.

Таким образом, заявляемое устройство отвечает признаку "существенные отличия".

Сравнение заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими аналогами не позволило выявить в них черт, отличающих заявляемое устройство от прототипа. Таким образом, заявляемое устройство отвечает признаку "новизна".

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. Арсеньев Г.В. Энергетические установки. М.: "Высшая школа", 1991, с 156-160.

2. Большая советская энциклопедия /под ред. А.М. Прохорова и др.-М.: Советская энциклопедия, 1972,Т. 9, с. 264.

Формула изобретения

1. Топка для сжигания твердого топлива, содержащая топочную камеру, расположенную в топочной камере неподвижную колосниковую решетку, расположенный в нижней части топочной камеры шлаковый бункер, связанное с топочной камерой устройство подачи твердого топлива с приводом, связанный с устройством подачи топлива вертикальный топливный бункер, отличающаяся тем, что устройство подачи топлива выполнено в виде снабженного приводом штока, способного совершать возвратно-поступательные движения вдоль своей оси, устройство подачи топлива связано с топочной камерой через дозирующее устройство, колосниковая решетка снабжена устройством принудительного перемешивания топлива и удаления шлака с приводом, топливный бункер имеет расширяющееся книзу поперечное сечение.

2. Топка по п.1, отличающаяся тем, что дозирующее устройство выполнено в виде связывающего топливный бункер и топочную камеру горизонтального канала, соосного со штоком устройства подачи топлива и ограниченного с одной из сторон торцом этого штока, устройство принудительного перемешивания топлива и удаления шлака выполнено в виде снабженного приводом штока, способного совершать возвратно-поступательные движения вдоль верхней поверхности колосниковой решетки.

3. Топка по п.1, отличающаяся тем, что приводы устройства подачи топлива и устройства принудительного перемешивания топлива и удаления шлака выполнены в виде гидравлических цилиндров с управляющими золотниками.

4. Топка по п.1, отличающаяся тем, что штоки устройства подачи топлива и устройства принудительного перемешивания топлива и удаления шлака механически связаны с концевыми переключателями, которые через систему управления электрически связаны с приводами этих штоков, причем концевые выключатели установлены с возможностью регулировки их положения вдоль осей штоков устройства подачи топлива и устройства принудительного перемешивания топлива и удаления шлака.

5. Топка по п.1, отличающаяся тем, что топочная камера оснащена датчиками температуры продуктов сгорания и тяги воздуха, которые через систему управления электрически связаны с приводами штоков устройства подачи топлива и устройства принудительного перемешивания топлива и удаления шлака.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 19.04.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 33-2003

Извещение опубликовано: 27.11.2003        

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.05.2007

Извещение опубликовано: 10.05.2007        БИ: 13/2007