Сжигание твердого топлива и типы топливников

Горение дров в топливнике со сплошным подом происходит наиболее интенсивно в течение второго периода горения, то-есть когда дрова разгорятся и наступит период установившегося горения; когда же дрова обратятся в угли и наступит третий период догорания, то условия горения получаются самые неблагоприятные, так как угли, разбросанные по всей площади пода, сильно охлаждаются притекающим воздухом, лишь самая незначительная часть которого участвует в горении. Архитектор Свиязев предложил устраивать сплошной под из двух наклонных под углом плоскостей, как показано на черт. 3; наклонные плоскости пода этого топливника способствуют скатыванию углей в одно место, где таким образом получается более высокая температура и меньшее охлаждение углей притекающим воздухом; здесь собственно также не происходит полное сгорание углей, вследствие малого притока к ним воздуха, отчего продуктом горения получается окись углерода, но при этом часть последней, встречаясь далее с притекающим воздухом, входит в соединение с кислородом его и догорает, вследствие чего коэффициент полезного действия этого топливника несколько выше, нежели для топливников с горизонтальным подом. Вследствие затруднительности очистки этого топливника от золы - он в настоящее время совсем не применяется.

Некоторое улучшение горения в топливнике с горизонтальным сплошным подом может быть достигнуто уменьшением ширины топливника до ширины топочной дверцы, с устройством приточных отверстий в нижней части последней (черт. 4), при чем топка происходит при закрытых дверцах: воздух, протекая через отверстия а в нижнюю часть топливника, при том с увеличенной скоростью, глубже и равномернее распределяется при этом по слою топлива, которое должно быть наложено возможно ближе к топочной дверце; вследствие уменьшения таким образом количества вводимого воздуха, температура горения при этом не понижается и в то же время происходит уменьшение потери тепла, уносимого с продуктами горения в дымовую трубу, при чем коэффициент полезного действия печи увеличивается.

Та же цель может быть достигнута применением генеративных дверец, показанных на черт. 5; дверцы состоят из наружного полотнища а, к которому на некотором расстоянии приклепано внутреннее полотнище 6; воздух, необходимый для горения протекает через ряд отверстий, оставленных в верхней части наружного полотнища, опускается затем вдоль его вниз и выходит в топливник через узкую щель у пода его; для направления движения воздуха внутреннее полотнище заканчивается внизу козырьком.

Для получения лучших результатов в период догорания, при применении двух последних дверец, необходимо придвигать угли к отверстиям или щели топочной дверцы, производя эту операцию несколько раз, что усложняет уже уход за печью.

Однако этими простыми приспособлениями, несколько улучшающими условия горения, далеко еще не достигается полнота горения, так как и при них воздух притекает к отдельным частям топлива не равномерно; для более равномерного притока воздуха- сплошной под заменяется решетчатым (черт. 1); топливо кладется равномерно на решетку ж, воздух же притекает к топливу через особое поддувальное отверстие а, закрываемое поддувальной дверцей, и, разбитый на мелкие струи при проходе через решетку, равномерно подходит ко всем частям топлива. Сжигание топлива производится при закрытой топочной дверце, количество же воздуха, притекающее к топливу, регулируется задвижками в отверстиях, проделанных. в поддувальной дверце; при таких условиях возможно в значительной мере улучшить горение дров, подводя к ним лишь практически необходимое для горения количество воздуха. Но и в этом случае происходит улучшение условий горения лишь в период установившегося горения, в последний же период, когда дрова обратятся в угли, горение снова получается неполным, так как условия полного горения для дров и углей различны: в то время как для дров необходим медленный приток воздуха в достаточном количестве, для полного горения углей требуется быстрый приток воздуха, при чем еще количество его, в зависимости от уменьшившегося количества горящего топлива должно быть уменьшено; между тем в топливнике, указанном на черт. 1, как количество воздуха, так и скорость притока его к топливу, остаются все время постоянными, вследствие чего период догорания происходит при неблагоприятных условиях и количество притекающего в это время воздуха во много раз превосходит практически необходимое для горения углей количество воздуха.

Этот недостаток устранен в топливнике, разработанном профессором Лукашевичем и изображенном на черт. 6. Боковые плоскости, ограничивающие топливник Лукашевича, вертикальны, передняя же и задняя имеют крутой наклон к топочной решетке, вследствие чего угли, образующиеся при горении дров, не задерживаются, а скатываются к решетке немедленно после их образования; часть передней и задней плоскостей топливника, непосредственно над топочной решеткой, делается вертикальною, при чем здесь образуется узкое пространство а, предназначенное для сгорания углей; воздух, необходимый для горения, поступает через отверстия поддувальной дверцы 6 в количестве лишь необходимом для горения и, проходя через решетку, а затем через узкое пространство а, сохраняет еще здесь большую скорость. чем и улучшаются условия сгорания углей, скатывающихся в пространство а; далее, входя в расширенную часть топливника, воздух подходит к дровам уже с меньшей скоростью. 

рисунок 6

Сгорание углей происходит здесь при благоприятных условиях по мере их образования во время горения дров, вследствие чего последний наиболее невыгодный период догорания сокращается до минимума; топка происходит при закрытой топочной дверце; в последней, для наблюдения за ходом горения, делается круглое отверстие г, закрываемое слюдяной пластинкой. Для облегчения очистки решетки от золы  применяется особая, поворачивающаяся на вертикальной оси решетка; поворот этот достигается при помощи прута д, соединенного одним концом с решеткой, а другим прикрепленного к поддувальной дверце; при открывании последней прут д приводит решетку в вертикальное положение, как показано пунктиром, при чем вся зола высыпается в зольник; по очистке последнего от золы, поддувальная дверца закрывается, при чем прут д приводит решетку в прежнее положение.

Испытания, произведенные над этим топливником, показали, что здесь может быть достигнуто почти полное горение, при чем коэффициент полезного действия печи доходит до 80%, в то время как при топливниках со сплошным подом коэффициент полезного действия получается при обыкновенном уходе не более 40,%; в то же время уход за топкою требуется весьма незначительный: он ограничивается разжиганием растопок и накладыванием топлива, после чего топочная дверца закрывается и затем уже не требуется никакого перемешивания топлива, когда же отверстия в топочной и поддувальной дверцах потемнеют, что указывает на окончание горения, то остается закрыть лишь вьюшку в дымовой трубе. При применении топливника Лукашевича необходимо пред каждой топкой очищать решетку от золы, при чем надо иметь в виду, что топливо должно накладываться в топливник лишь при нормальном положении решетки, то-есть, когда поддувальная дверца закрыта; в противном случае, или же , если открыть поддувальную дверцу во время топки, часть дров и углей попадет в зольник, и, сгорая здесь. пережигает решетку, или же последняя коробится от слишком сильного согревания. При топливниках малого размера, вместо решетки, возможно ограничиться щелью, шириною не более одного дюйма, как показано на черт. 7.

Торф имеет рыхлое сложение и загорается и горит быстро, но для этого требуется равномерный приток воздуха ко всем частицам топлива, почему глухой под не применим для торфа; при горении торфа образуется весьма значительное количество золы, обволакивающей горящее топливо и затрудняюшее доступ воздуха к нему, в виду чего при сжигании торфа требуется довольно частая шуровка топочной решетки; соответственною этому топливники для торфа снабжаются топочной решеткой, располагаемой таким образом, чтобы очистка ее от золы была бы не затруднительна.

Один из типов топливников для торфа, предложенный инженером Степановым, показан на черт. 8; топливник имеет две топочных решетки наклонную и горизонтальную, при чем последняя расположена на уровне средины поддувальной дверцы А, что дает возможность легко шуровать ее, очищая горящий торф от золы, проваливающейся в зольник В. Топливо закладывается через топочную дверцу Е, образующиеся же продукты горения поступают в дымообороты через выходные отверстия Р, при чем последние могут быть устраиваемые вверху или внизу топливника; на чертеже показано второго рода расположение, при каковом весь воздух, поступающий через поддувальную дверцу, обязательно участвует в горении.

Минеральное топливо сравнительно реже применяется для топки комнатных печей, главным образом вследствие особенностей горения этого сорта топлива: минеральное топливо зажигается и разгорается труднее, нежели дрова, затем в период установившегося горения  горит хорошо и равномерно, но при сравнительно не толстом слое топлива в топливнике, вследствие чего требуется постоянное подбрасывание топлива; последний период догорания  здесь короток. Количество воздуха, требующееся для этих трех периодов, различно; это последнее обстоятельство не имеет существенного значения при продолжительной топке, так как в этом случае преобладающее влияние имеет второй установившийся период горения, для которого возможно точно установить постоянный приток воздуха, но при кратковременной топке, как это бывает при печах большой теплоемкости, первый и последний периоды горения оказывают уже существенное влияние на результаты сжигания топлива в топливнике, а между тем эти периоды не постоянны, при чем для возможной полноты горения в это время требуется постоянное изменение количества притекающего к топливу воздуха; к этому следует добавить, что многие сорта минерального топлива, спекаясь во время горения, засоряют топочную решетку, которую и приходится периодически очищать во время топки от приставших к ней шлаков. Таким образом уход за топкою при минеральном топливе значительно более сложен, нежели при дровах; это обстоятельство не существенно в тех случаях, когда за топкою следит специально назначенный для того источник, как это бывает при центральных системах, но в комнатных печах, топка которых поручается прислуге, занятой и другими обязанностями, это сложность ухода затруднительна. При разработке топливников для минерального топлива это последнее обстоятельство конечно принималось во внимание и усовершенствования, сделанные в них, были направлены к возможному упрощению ухода.

При минеральном топливе, состоящем из мелких кусков, еще в большей мере, чем при дровах, требуется равномерный приток воздуха ко всем частям топлива, поэтому, применение сплошного пода здесь уже совершенно невозможно и топочная решетка безусловно необходима; кроме того для хорошего горения минерального топлива воздух должен притекать к нему с большою скоростью. Самый простой тип топливника для минерального топлива представлен на черт. 9; здесь топочная решетка расположена несколько ниже топочной дверцы для более удобного распределения топлива слоем равномерной толщины, но прочистка решетки от шлаков здесь затруднительна; для облегчения прочистки топочная решетка понижается (черт. 10) и устанавливается против поддувальной дверцы, при чем верхняя дверца служит лишь для подкладывания топлива; длина решетки делается несколько более глубины топливника, чтобы предупредить возможность вываливания топлива в поддувало; при таком расположении решетки площадь, по которой притекает воздух к топливу, получается уже слишком большою, при чем приток этот происходит с малой скоростью и в одинаковом количестве во все время топки.

рисунок 9,10,11

Несколько лучше в этом отношении топливник, представленный на черт. 11, снабженный двумя решетками: вертикальной А и горизонтальной Б; к первой воздух притекает через топочную дверцу, ко второй через поддувальную; третья дверца В, называемая наполнительной дверцей, служит для подкладывания топлива; воздух во все время установившегося периода горения равномерно подходит ко всем частям горящего топлива, когда же наступает третий период догорания, топочная дверца закрывается и воздух с увеличенною скоростью притекает только через поддувальную дверцу. Таким образом горение в этом топливнике происходит при благоприятных условиях и дает весьма хорошие результаты; недостаток же этого топливника состоит в том, что как горизонтальная, так и вертикальная решетки быстро перегорают, первая вследствие затруднительности очистки её от шлаков, вторая же во время последнего периода горения, когда она сильно раскаливается вследствие прекращения непосредственного притока воздуха к ней.

Эти недостатки по возможности устранены в топливнике, указанном на черт. 12 и представляющем собою видоизменение предыдущего типа топливника: здесь вертикальная решетка заменена щелью а, вместо же горизонтальной решетки устанавливаются две наклонные решетки 6 малого размера, куда и скатывается уголь в последний период горения; прочистка этой решетки производится свободно через топочную дверцу, а вместе с тем последний период горения происходит в достаточной мере интенсивно, так как догорающие угли скатываются в одно место и к ним, вследствие малого размера решетки, воздух притекает с усиленною скоростью.

рисунок 12

Все эти топливники пригодны для небольшого количества топлива, или в том случае, когда возможно допустить периодическое подкладывание топлива, что однако уже усложняет уход; для упрощения ухода и в этом отношении может быть применен топливник с обратным пламенем, указанный на черт. 13. Здесь продукты горения уходят в дымообороты через хайло а, устроенное в нижней части топливника; воздух, необходимый для горения, поступает, как и в двух предыдущих типах, через топочную и поддувальную дверцу, а в последний период горения только через последнюю; вследствие обратного направления пламени топливо может быть положено с запасом, толстым слоем, при чем гореть будут только нижние слои, к которым подводится воздух, верхние же слои, по мере сгорания топлива, опускаются вниз и тогда лишь принимают участие в горении.

Топливники этого типа дают весьма хорошие результаты, но вследствие необходимости устраивать первый дымооборот за топливником, последний занимает при этом много места, почему такие топливники могут быть применяемые только при печах большого размера.

Надо однако заметить, что, хотя периодическое подкладывание топлива в топливнике последнего типа и устранено, чем несколько упрощается уход за печью, но тем не менее уход этот все таки остается в большей мере, чем то было в топливниках для дров, так как, вследствие спекаемости углей, все таки требуется периодическая прочистка решетки, а также регулирование притоком воздуха в различные периоды горения.

Здесь же следует сказать несколько слов о сильно распространенных одно время, так называемых, герметических топливниках, распространение которых было вызвано главным образом упрощением ухода за топкою; топливники эти устраивались на подобие указанного на черт. 1, при чем топочная решетка служила главным образом для разжигания топлива. Уход за этими топливниками ограничивается тем, что после того как топливо разгорится, поддувальная и топочная дверцы закрываются плотно и печь остается в таком виде до следующей топки, при чем задвижка или вьюшка в дымовой трубе являются уже излишними. Не смотря на плотное закрытие поддувальной и топочной дверцы, горение не прекращается и происходит за счет того небольшого количества воздуха, который насасывается в топливник через поры стенок; конечно горение происходит при этом медленно и продолжается почти до следующей топки, но печь при этом прогревается равномерно и выделяет достаточное количество тепла. Эта простота ухода и сравнительно удовлетворительное действие таких печей и послужили к большому распространению их одно время, но дальнейшие результаты показали, как это и следовало ожидать на основании теоретических соображений, полную непригодность таких печей. Действительно горение происходит в таких печах при весьма ограниченном притоке воздуха и конечно бывает неполное, вследствие чего количество теплоты, развиваемое топливом, не велико, однако же продукты горения, проходя около больших поверхностей нагрева, успевают передать им большую часть своего тепла, охлаждаясь при этом до 40 и менее градусов; но так как здесь происходит в сущности сухая перегонка топлива, при каковой в продуктах горения получается много углеводородов, обращающихся при низкой температуре в жидкое состояние, то при вышеуказанном охлаждении продуктов горения, последние, превращаясь в жидкое состояние, оседают в большом количестве на стенках дымооборотов и дымовой трубы, постепенно пропитывая и разрушая эти стенки, а затем появляются на поверхности их в виде бурых пятен. Эти недостатки и заставили отказаться от применения герметических топливников, не смотря на простоту ухода за ними.

Топливники для сжигания топлива в больших количествах, как это бывает при паровых или водогрейных котлах, несколько отличаются от ранее описанных; на черт. 14 показан подобный топливник для дров с особым приспособлением для достижения должной полноты горения не только в период установившегося горения, но также и во время догорания углей; нижняя часть топочной решетки А устроена здесь из опрокидывающихся при помощи прута а решеток типа Лукашевича, верхняя же В состоит из отдельных колосников; для поддержания этих частей служат чугунные угольник б и таврик в, заделываемые в кладку топливника не плотно, а с таким расчетом, чтобы они имели возможность свободного расширения при нагревании. В период догорания угли, образовавшиеся из дров, скатываются на нижнюю часть решетки, на верхней же ее части горение не происходит, почему в это время воздух должен подводиться только к нижней части решетки; для достижения этой цели поддувало разгораживается железным листом Д на две части верхнюю, сообщающуюся с колосниками, и нижнюю, сообщающуюся с нижнею подвижною частью решетки; соответственно с этим и поддувальная дверца состоит из двух отдельных частей - верхней и нижней; во время установившегося горения в поддувальной дверце открыты отверстия как в верхней, так и в нижней ее части, когда же наступает период догорания углей, то отверстия в верхней части поддувальной дверцы закрываются и воздух поступает в меньшем количестве исключительно в нижнюю часть поддувальной дверцы, проходя при этом через подвижную часть топочной решетки с усиленною скоростью, что, как было указано ранее, способствует большей полноте горения углей. Для очистки от золы и для ремонта колосников лист Д делается выдвижной, для чего в боковые стенки поддувала заделываются полосы из углового железа, по которым и движется лист.

При больших котлах топливник устраивается непосредственно в прогарной трубе котла, как это показано на черт. 15: передняя часть этой трубы разделяется топочной решеткой на две части- нижнюю А, служащую зольником и поддувалом, и верхнюю Б, назначенную для топлива; последнее подкладывается через топочную дверцу В, необходимый же для горения воздух входит через поддувало, при чем количество его регулируется большим или меньшим поднятием поддувальной дверцы Д, снабженной для этой цели зубчаткой Е. С задней стороны топливник ограждается стенкой К из огнеупорного кирпича, называющейся порогом и служащей для предупреждения выпадания топлива в свободную часть прогарной трубы; порог возвышается над топочной решеткой таким образом, что для выхода продуктов горения остается вверху сравнительно невысокое отверстие; в этом месте происходит, следовательно, изменение направления движения продуктов горения из вертикального в горизонтальное, а также сужение прохода, что способствует лучшему перемешиванию этих продуктов с воздухом и, следовательно, дает возможность достигнуть большей полноты горения. 

рисунок 14

Размеры этих топливников не рассчитываются на помещение сразу большого количества топлива, что в данном случае не существенно, так как здесь за топкою постоянно следит истопник, подбрасывающий, по мере сгорания топлива, новые его порции.

рисунок 15

Недостаточное перемешивание воздуха с продуктами горения влечет за собою неполноту горения, при чем не перегоревшие частицы углерода уносятся с продуктами горения в дымовую трубу в виде сажи, давая густой дым; недостаток этот происходит главным образом вследствие того, что, под влиянием тяги, струи воздуха и продуктов горения движутся сначала параллельно друг другу, соприкасаясь в топливнике лишь частью и приходя в более тесное соприкосание уже в дымооборотах, то-есть там, где температура недостаточна для горения. Вышеуказанный порог частью устраняет этот недостаток, изменяя направление движения продуктов горения; на черт. 16 показано другое подобное же приспособление, примененное Dагсеt и направленное к тому, чтобы усилить перемешивание продуктов горения и воздуха непосредственно в самом топливнике; для это цели Dагсеt; дает добавочный впуск воздуха в топливник через узкую щель А, устроенную на протяжении всего порога, направляя этот воздух перпендикулярно направлению движения продуктов горения, чем и достигается более полное смешивание их в пределах топливника; количество добавляемого таким образом воздуха регулируется дверцею В помощью рукоятки С; при достаточной опытности истопника приспособление это дает возможность получить почти бездымное горение, но с экономической стороны такой добавочный впуск воздуха несколько уменьшает полезное действие прибора, так как всякий избыток воздуха, увеличивая количество продуктов горения, увеличивает вместе с тем и количество теплоты, уносимой ими в дымовую трубу.

рисунок 16

На черт. 17 показан топливник для сжигания каменноугольной мелочи и вообще такого топлива, которое при горении рассыпается; эти сорта топлива при сжигании их на обыкновенной горизонтальной решетке, заполняя прорезы ее, затрудняют приток воздуха к топливу, частью же проваливаются через эти прорезы в зольник, не участвуя в горении; более экономное сжигание их достигается при применении ступенчатой решетки А, состоящей из чугунных горизонтальных площадок, концы которых опираются на приливы, имеющиеся в боковых полосах (тетивах): топливо засыпается в ковш В, откуда постепенно сползает на ступенчатые колосники и, по мере сгорания и шурования ступенчатых колосников истопником, переходит на горизонтальную решетку С, установленную в задней части топливника, где и догорает; ступенчатая решетка устанавливается под углом к горизонту меньшим, нежели угол естественного откоса данного топлива, вследствие чего топливо, под влиянием груза вышележащих частей его, легче сползает вниз Воздух, необходимый для горения, проходит через прозоры между ступенчатыми колосниками, образовавшиеся же здесь продукты горения проходят затем над горизонтальной решеткой, где встречаются с продуктами, богатыми избытком воздуха, и окончательно перегорают; количество топлива, поступающее на ступенчатую решетку, регулируется задвижкою Е.

рисунок 17

В заключение следует заметить, что наиболее выгодное использование теплоты горящего топлива зависит главным образом от правильного ухода за топкою, в виду чего ниже приводятся следующие правила для сжигания минерального топлива в водогрейных и паровых котлах, выработанные Саксонским Обществом по наблюдению за паровыми котлами:

1) Топливо следует забрасывать в топку небольшими кусками одинаковой величины, но не менее кулака.

2) Толщина слоя топлива на колосниковой решетке должна сообразовываться с силою тяги и должна быть для каменного угля 10-15 см., для бурого 6-10 см.; при искусственной тяге толщина слоя может быть увеличена вдвое.

3) Топливо следует забрасывать возможно быстро, придерживаясь одного из следующих способов: а) забрасывать топливо сначала на переднюю часть топки и только через некоторое время распределять его равномерно по всей решетке; при этом следует работать кочергою в виде крючка, сдвигая сначала заднюю часть заброшенного топлива и распределяя его равномерно на задней части решетки, затем двигая следующую часть и т. д. до тех пор, пока не будет передвинут весь уголь, заброшенный на переднюю часть топки, после чего забрасывают свежую порцию; б) уголь забрасывают быстро, небольшими порциями, и равномерно распределяют по всей решетке.

4) Все части решетки должны быть покрыты равномерным слоем топлива. Прочистка колосников должна быть сообразована со свойствами топлива, но ее следует производить по возможности реже, так как во время прочистки появляется большое количество дыма. Если рядом работает несколько котлов, то не следует очищать решетки от шлаков непосредственно одна за другою, а через некоторые равные промежутки времени.

5) При открывании топочных дверец задвижка дымовой трубы должна быть непременно прикрываема.

6) При правильной работе колосниковой решетки зольник должен быть ярко и равномерно освещен, а из дымовой трубы должен выходить лишь слабый дым.