ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
HEAT POWER COMPLEX

Изобретение теплоэнергетический комплекс (ТЭК) относится к системам теплоснабжения шахт, горных выработок и наземных сооружений и предназначена для получения теплоносителей (горячего воздуха и горячей воды) и подачи их на подогрев шахтного вентиляционного воздуха и обогрев сооружений.
Известен ТЭК (Патент РФ № 2729428), содержащий воздухонагревательную установку (ВНУ), имеющую газовоздушный теплообменник (ГВТ), подключенный к тракту горячего воздуха и тракту удаления дымовых газов (ДГ) с золоуловителями и перепускным коробом к выполненному обмуровкой топочному устройству, которое имеет камеру разбавления с вентилятором подачи присадки воздуха и расположенную перед ней топочную камеру, оснащенную топкой слоевого типа с дутьевыми зонами и соплами вторичного дутья, подключенными к системе подачи дутья, дозатором топлива и узлом выгрузки шлака, подключенными к трактам подачи топлива и золоудаления соответственно. При этом задача изобретения по повышению эффективности золоулавливания решается за счет многоступенчатой очистки ДГ от золы.
Недостатками этого ТЭК являются:
- низкая экономичность из-за больших потерь тепла с уходящими ДГ, так как горячие топочные ДГ перед ГВТ охлаждаются присадкой воздуха, который подогревается и сбрасывается с уходящими ДГ;
- низкая экономичность из-за плохой организации топочного процесса и больших потерь тепла с механическим недожогом в уносе и в шлаке, так как нет мер по его дожиганию;
- низкие экологические характеристики из-за плохого улавливания экологически опасной золы в предлагаемых однопоточном прямоточном шнековом золоуловителе и осадительных камерах, простых по конструкции, но примитивных по эффективности золоулавливания;
- низкая надежность конструкции ВНУ из-за высокотемпературного режима сжигания и шлакования стен и потолка камеры сгорания.
Известен (Патент РФ №2716961) наиболее близкий по технической сущности к заявляемому, выбранный в качестве прототипа ТЭК, содержащий ВНУ, имеющую ГВТ, подключенный к тракту горячего воздуха и тракту удаления ДГ и перепускным коробом к выполненному обмуровкой топочному устройству, которое имеет камеру дожигания и расположенную перед ней топочную камеру, оснащенную топкой слоевого типа с дутьевыми зонами, соплами вторичного дутья, подключенными к системе подачи дутья и тракту циркуляции ДГ, дозатором топлива и узлом выгрузки шлака, подключенными к трактам подачи топлива и золоудаления соответственно.
В прототипе ВНУ включает многоступенчатый ГВТ и выполненное обмуровкой топочное устройство, которое имеет разделенные стеной с газоотводящим окном топочную камеру вихревого типа и камеру дожигания. При этом газоотводящее окно выполнено в виде кольцевого сопла вторичного дутья, в котором установлены закручивающие лопатки, причем дутьевые вентиляторы всасом подключены также и к тракту циркуляции ДГ.
Потери тепла с уходящими ДГ в прототипе минимальны за счёт охлаждения ДГ в топочном устройстве до безопасного уровня температур и перед ГВТ за счёт подключения к тракту циркуляции ДГ, так как ДГ циркулируют через топочное устройство и охлаждаются в ГВТ, и их тепло не сбрасывается через дымовую трубу. За счёт применения топочной камеры вихревого типа в прототипе обеспечиваются глубокое выгорание топлива и высокая экономичность при возможности сжигания не только углей, но и углесодержащих отходов при высоких экологических показателях.
Недостатками прототипа являются:
- сложная и не надежная в условиях высокотемпературного воздействия топочной среды конструкция топочной камеры вихревого типа, особенно газоотводящих окон, оснащенных кольцевыми соплами с закручивающими лопатками.
- не рассмотрен вопрос эффективного улавливания летучей золы.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение и повышение надежности конструкции элементов ТЭК, причём при условии возможности сжигания угля и углесодержащих отходов с обеспечением показателей по экономичности и экологии на уровне прототипа.
Данная задача решается тем, что заявляемый ТЭК, содержащий ВНУ, имеющую ГВТ, подключенный к тракту горячего воздуха и тракту удаления ДГ и перепускным коробом к выполненному обмуровкой топочному устройству, которое имеет камеру дожигания и расположенную перед ней топочную камеру, оснащенную топкой слоевого типа с дутьевыми зонами, соплами вторичного дутья, подключенными к системе подачи дутья и тракту циркуляции ДГ, дозатором топлива и узлом выгрузки шлака, подключенными к трактам подачи топлива и золоудаления соответственно, отличается тем, что топочная камера по высоте частично разделена начинающимся от её задней стены разделительным сводом и подключена к камере дожигания газопропускными соплами, по меньшей мере одним, которые расположены над разделительным сводом и направлены тангенциально по отношению к вертикальной оси формируемых, согласованно вращающихся в камере дожигания вихрей, по меньшей мере одного, в нижней части камеры дожигания установлен бункер уноса с каналами золоудаления и системой возврата уноса, подключенной к топочной камере ниже разделительного свода, и её сопла направлены на слоевую топку, а в верхней части камеры дожигания установлены подключенные к тракту циркуляции ДГ сопла, которые также направлены тангенциально по отношению к вертикальным осям формируемых вихрей, причём по их вращению.
Техническим результатом, обеспечиваемым этой совокупностью признаков, является упрощение и повышение надежности конструкции элементов ТЭК, прежде всего ВНУ, причём при условии возможности сжигания угля и углесодержащих отходов с обеспечением показателей по экономичности и экологии на уровне прототипа. В сравнении с ТЭК по прототипу конструкция ВНУ упрощается, так как ВНУ имеет простой ГВТ, а вместо сложной и не надежной в условиях высокотемпературного воздействия топочной среды конструкции топочной камеры вихревого типа, особенно газоотводящих окон с кольцевыми соплами и закручивающими лопатками, применены близкие по конструкции к типовым топочная камера с разделительным сводом и слоевая топка с системой возврата уноса и соплами вторичного дутья.
Но эта простая топка экономична. Она обеспечивает полноту сгорания угля и отходов, так как разделительный свод отражает излучение от слоя и факела на слой, и это стабилизирует и усиливает горение. Свод улучшает заполнение топочной камеры потоками ДГ, частицами топлива и уноса, прижимая к слою, и оттесняет потоки к фронтовой стене. Это и возврат уноса, поступающий в горящем виде из камеры дожигания с помощью системы возврата уноса в топочную камеру на горящий слой слоевой топки, обеспечивают искровое и конвективное зажигание входящего угля и дожигание слоя.
Направление газопропускных сопл и сопл, соединенных с трактом циркуляции ДГ тангенциально по отношению к вертикальной оси формируемых, согласованно вращающихся в камере дожигания вихрей, по меньшей мере одного, превращает камеру дожигания в один или группу улавливающих циклонов с интенсивным сжиганием и улавливанием уноса. Унос собирается в расположенном в нижней части камеры дожигания бункере уноса. При применении высокореакционных углей унос хорошо выжжен и сбрасывается по каналам золоудаления, а унос низкореакционных углей, с недожогом, по системе возврата уноса со струями дутья вдувается в горящем виде на слой догорающего шлака на слоевой топке, и топливо дожигается. В итоге топочный процесс приближается к технологии циркулирующего слоя – ЦКС, на сегодня это наиболее эффективный топочный процесс в мире. Унос не улетает в ГВТ и не изнашивает его, а интенсивное вихревое перемешивание, горение и циклонное улавливание уноса позволяют сжигать даже пылевидные, высокозольные и низкореакционные отходы угля с обеспечением показателей по экономичности и экологии на уровне прототипа и ЦКС.
Раздача вместе с воздухом горения охлажденных циркулирующих ДГ в топочном устройстве обеспечивает его охлаждение и поддержание в нём оптимальной по экологии температуры топочного процесса, причем без потерь тепла с уходящими ДГ. При этом их подача на выходе из камеры дожигания через сопло по ходу вращения вихрей повышает эффективность удержания уноса и не нарушает интенсивный топочный процесс, но охлаждает ДГ, защищая перепускной короб и трубную доску ГВТ от горячей топочной среды.
Технические решения дополнительных пунктов 2-10 усиливают эффективность решения задач по упрощению и повышению надежности конструкции ВНУ и улучшению показателей по экономичности и экологии.
Так заявленное в п.2 исполнение ГВТ из двух одинаковых, сомкнутых кубов на общих трубных досках двухходовым по ДГ и пролетным по горячему воздуху, причём в первом кубе ДГ идут восходящим потоком, а во втором опускаются, дает ряд положительных эффектов. Деление ГВТ на два куба позволяет в два раза сократить высоту ГВТ. Это снижает высоту как ГВТ, так и ТЭК в целом, и в совокупности с одинаковостью кубов упрощает конструкцию и монтаж ТЭК. Кроме того, частицы гравитационно тормозятся в восходящем и ускоряются в нисходящем потоке ДГ. В горячем и поэтому более быстром потоке ДГ опасность износа трубок ГВТ золой выше, и здесь восходящий поток снижает износ. В нисходящем потоке скорость ДГ ниже и износ менее опасен. Во второй ступени трубки ГВТ на выходе ДГ в зоне входа холодного воздуха, зимой с температурой до -40-50°С, возможно выпадение конденсата, сопровождающееся коррозией, осаждением золы, забиванием трубок золой и их отключением. Но при нисходящем потоке ДГ во второй ступени конденсат стекает с потоком ДГ вниз и удаляется. В итоге предложенная в п.2 схема ГВТ повышает надёжность его работы. ГВТ могут также устанавливаться и по обычной схеме, с опускным потоком ДГ в первым кубе и подъёмным во втором, а кубы могут иметь золоосадительные камеры для дополнительного улавливания золы и защиты ГВТ от износа.
Применение в ТЭК установленного в рассечку с ГВТ двухступенчатого воздухоподогревателя с надежной конструкцией, сменным первым и жаростойким вторым кубами по пп.3 и 4, защищает ГВТ как от высокой температуры, так и от низкотемпературной коррозии, повышая надежность ВНУ. Это, в совокупности с подачей согласно п.9 в первые зоны дутья колосниковой решетки горячего первичного дутья, также даёт возможность сжигания низкокачественных влажных углей, а подача в последние зоны охлажденных ДГ при этом защищает колосники от пережога.
Выполнение в ТЭК части стен и/или потолка и разделительного свода топочного устройства, п.5, из охлаждаемых труб с закрепленной на них обмуровкой и включенных в контуры теплоснабжения с калориферами подогрева воздуха и потребителями тепла охлаждает ДГ и создаёт основу конструкции, каркас и перекрытия, что повышает надежность работы и упрощает конструкцию топочного устройства и ТЭК. Во-вторых, обеспечивает подогрев воздуха в калориферах перед воздухоподогревателем и ГВТ, что уменьшает опасность их низкотемпературной коррозии, и в-третьих, расширяет эффективность применения ТЭК с использованием его для отопления и горячего водоснабжения обслуживаемого объекта. Для повышения надежности ТЭК в контурах может использоваться незамерзающая жидкость, площадь поверхности охлаждаемых труб выбирается в соответствии с отпускаемым теплом.
Техническое решение по п.6 с расположением сопл вторичного дутья на задней стене топочной камеры под сводом охлаждает и этим защищает свод, а также активизирует перемешивание и горение под сводом.
Применение в качестве слоевого топочного устройства различных типов механизированных слоевых топок с цепной механической колосниковой решеткой прямого или обратного хода, п.7, либо с узкой наклонной цепной механической колосниковой решеткой с высокотемпературным кипящим слоем, п.8, позволяет выбрать из них наилучший по эффективности вариант в зависимости от конкретного сжигаемого угля или угольных отходов.
Применение в ТЭК золоуловителей с двумя ступенями улавливания, п.10, первой в виде батарейных циклонов и второй в виде блока тканевых фильтров эффективнее других схем инерционного улавливания: осадительных камер, прямоточных шнековых золоуловителей и других. Дымосос циркуляции отсасывает из бункера золы под батарейным циклоном наиболее запыленную часть ДГ, и по системе циркуляции направляет их на дополнительную очистку в блок тканевых фильтров, что обеспечивает высокую эффективность очистки ДГ от летучей золы и поддержание концентрации частиц в выхлопе дымовой трубы не выше нормативной.
Изобретение поясняется на фиг.1 общей схемой ТЭК с продольным разрезом топочного устройства в варианте топки прямого хода, а на фиг.2 схемой организации вихревой аэродинамики в камере дожигания.
ТЭК имеет ГВТ 1 и подключенное к нему перепускным коробом 2 выполненное обмуровкой топочное устройство, которое разделено стеной 3 с газопропускным соплом 4 на камеру дожигания 5 и расположенную перед ней топочную камеру 6, оснащенную слоевой топкой 7. Слоевая топка 7, в данном случае топка прямого хода, имеет дутьевые зоны 8 и сопла 9 вторичного дутья, подключенные к системе подачи дутья, дозатор топлива 10 с бункером 11 угля или угольных отходов и узел 12 выгрузки шлака.
Основной частью ТЭК является ВНУ, включающая ГВТ 1 и топочное устройство с элементами 1 – 12. ГВТ 1 по ДГ включен в тракт удаления ДГ с газоходом 13, золоуловителем 14, дымососом 15 и дымовой трубой 16, а с другой стороны в тракт 17 подачи горячего воздуха, идущий к шахте и имеющий воздухозаборник 18 и вентилятор 19 горячего воздуха. Бункер 11 угля и узел 12 выгрузки шлака соответственно соединяются с трактом 20 подачи угля и трактом 21 золоудаления ТК. При этом такт 21 золоудаления имеет сборный бункер 22 золы, и к нему также подключены каналами золоудаления 23 золоуловитель 14 и бункер уноса 24 камеры дожигания 5. При установке на входе или на входе и выходе из ГВТ 1 золоосадительных камер с бункерами уноса 24 они также подключаются каналами золоудаления 23 к тракту 21 золоудаления.
Система подачи дутья в топочное устройство может иметь различные варианты исполнения. Она содержит дутьевой вентилятор 25 с воздухозаборным устройством 18 и воздуховодами 26 и подключена к тракту 27 циркуляции ДГ с дымососом 28 циркуляции. По выходу дутья воздуховоды 26 подключены к первым дутьевым зонам 8 слоевой топки 7 и к соплам 9 вторичного дутья через двухступенчатый воздухоподогреватель, установленный в рассечку с ГВТ 1. Первый 29 по ходу ДГ куб воздухоподогревателя выполнен сменным, а куб второй 30 выполнен из жаростойкой стали. В состав системы подачи дутья также входят точки раздачи дутья из тракта 27 циркуляции ДГ, которые включают часть сопл 9 вторичного дутья, последние дутьевые зоны 8 слоевой топки 7 и сопло ввода циркулирующих ДГ 31. Сопло 31 ввода циркулирующих ДГ, как и газопропускное сопло 4, направлены тангенциально по отношению к вертикальной оси формируемого в камере 5 дожигания вихря 32, фиг.2.
Особенностью топочного устройства ВНУ является то, что топочная камера 6 по высоте частично разделена начинающимся от её задней стены, в данном случае стены 3, разделительным сводом 33. Над разделительным сводом 33 расположено газопропускное сопло 4, а ниже него выведены направленные на слой 34 топлива сопла 35 системы возврата уноса и нижние сопла 36 вторичного дутья, направленные на фронтовую стену 37 топочной камеры 6.
Потолок 38 и разделительный свод 33 топочной камеры 6 выполнены из обмуровки, уложенной на охлаждаемые трубы 39, расположенные поперек топочной камеры 6 и включенные в контуры теплоснабжения ТЭК с калориферами 40 подогрева воздуха и внешними потребителями тепла. Здесь потребители тепла и эти контуры теплоснабжения ТЭК условно не показаны.
Особенностью ТЭК является также и то, что золоуловитель 14 выполнен в виде собственно батарейного циклона 14 и имеет вторую ступень улавливания, выполненную в виде блока 41 тканевых фильтров с дымососом 42 циркуляции ДГ.
При работе ТЭК в топочном устройстве выделяется теплота сгорания топлива в виде потока ДГ с безопасным уровнем температур, не выше 520°С, по перепускному коробу 2 тепловая энергия поступает в ГВТ 1. Здесь тепло передается воздуху, который подается в ГВТ 1 вентилятором 19 горячего воздуха через воздухозаборник 18 по тракту 17 подачи горячего воздуха с калориферами 40 и далее с температурой 300-450°С подается к смесительному узлу шахты. Двухступенчатый воздухоподогреватель дутья с кубами 29 и 30 при этом повышает надежность работы ГВТ 1. Куб 30 из жаростойкой стали охлаждает входящие ДГ перед ГВТ 1, а сменный первый куб 29 обеспечивает глубокое охлаждение уходящих ДГ. Установка калориферов 40 перед ГВТ 1 и перед сменным первым кубом 29 обеспечивает предварительный подогрев воздуха в трактах 17 и 26 перед ними, и этим дополнительно защищает кубы ГВТ 1 и 29 от низкотемпературной коррозии. В итоге ГВТ 1 защищен как от высокой температуры, так и от низкотемпературной коррозии.
Охлажденные ДГ очищаются от летучей золы в батарейном циклоне 14 и дымососом 15 по газоходу 13 сбрасываются по дымовой трубе 16 в атмосферу. При использовании золоуловителя с двумя ступенями улавливания, которые выполнены в виде батарейного циклона 14 и блока 41 тканевых фильтров, дымосос 42 циркуляции ДГ отсасывает 10-15% наиболее запыленной части ДГ из бункера золы, расположенного под батарейным циклоном 14 через блок 41 тканевых фильтров с высокой степенью очистки. В итоге это обеспечивает более эффективную очистку ДГ от летучей золы, чем при использовании простого батарейного циклона 14.
Топливо для работы ВНУ загружается в бункер 11 угля по тракту 20 подачи угля и подается из него в виде слоя 34 на подвижное колосниковое полотно слоевой топки 7 дозатором топлива 10. Воздух горения дутьевым вентилятором 25 из воздухозаборного устройства 18 по воздуховодам 26 через кубы 29 и 30 воздухоподогревателя подаётся в первые дутьевые зоны 8 слоевой топки 7, в сопла 9 и нижние сопла 36 вторичного дутья, расположенные соответственно вверху и под разделительным сводом 33, в топочную камеру 6. В совокупности с высокотемпературным подогревом дутья в двухступенчатом воздухоподогревателе это обеспечивает быстрое воспламенение угля в первых дутьевых зонах 8, интенсивное горение слоя 34 топлива.
Интенсивное горение слоя 34 также поддерживает разделительный свод 33. Он отражает излучение от слоя 34 и факела над слоем, усиливая и стабилизируя горение. Свод 33 улучшает заполнение топочной камеры 6 потоками ДГ, частицами топлива и уноса, прижимая к слою 34, оттесняя к фронтовой стене 37 потоки, этим обеспечивая на развороте искровое и конвективное зажигание входящего угля. При этом подача дутья под свод 33 через сопла 36 от стены 3 охлаждает свод 33, этим защищая свод, а также активизируя перемешивание и горение в камере сгорания.
Образующиеся из угля шлак и зола удаляются: из слоевой топки 7 через узел 12 выгрузки шлака, через каналы 23 золоудаления из камеры дожигания 5 и из золоуловителя 14. Далее по такту 21 золоудаления зола выгружается в сборный бункер 22 золы.
Интенсивное горение распространяется и в камеру 5 дожигания. Здесь дожигаются горючие топлива, унос и зола и затем улавливаются и собираются в бункере 24 уноса. Далее уловленный в камере дожигания горящий унос через сопла 35 системы возврата уноса подается на слой 34 со струями дутья,  этим обеспечивая полноту дожигания уноса и топлива в слое 34 при малом недожоге. При сжигании высокореакционного угля унос хорошо выгоревший, и из бункера уноса 24 он может выводиться через каналы золоудаления 23 сразу в тракт золоудаления 21.
Установка газопропускного сопла 4 и сопла 31 ввода циркулирующих ДГ тангенциально по отношению к формируемому вертикальному, вращающемуся в камере 5 дожигания вихрю 32 позволяет сжигать пылевидные и другие отходы угля, значительно повышает удержание частиц, полноту дожигания уноса и экологичность до уровня прототипа и выше.
С другой стороны, горение в слое 34 и топочной камере 6 может сопровождаться пережогом колосникового полотна слоевой топки 7, шлакованием слоя 34, потолка 38 и кирпичных стен и из-за чрезмерно высокой температуры, поэтому для её контроля на всас дутьевого вентилятора 25 подключен тракт 27 циркуляции ДГ. Это обеспечивает охлаждение топочной камеры 6 и её элементов и в совокупности со ступенчатой подачей дутья поддерживает в топочном устройстве ВНУ оптимальную по экологии температуру топочного процесса. Дополнительно охлажденные циркулирующие ДГ подаются по тракту 27 циркуляции ДГ дымососом циркуляции 28 в последние дутьевые зоны 8 для охлаждения колосникового полотна слоевой топки 7 на выходе и в сопла 9 вторичного дутья для охлаждения топочной камеры 6. Для защиты от перегрева перепускного короба 2 и ГВТ 1 циркулирующие ДГ подаются в сопло 31 ввода циркулирующих ДГ. Кроме того, охлаждаемые трубы 39 не только поддерживают потолок 38 и/или свод 33, повышая надежность и упрощая конструкцию ВНУ, но и воспринимают тепло, которое используется в контурах теплоснабжения ТК с калориферами 40 и внешнего потребителя.