КОТЁЛ ДЛЯ СОВМЕСТНОГО СЖИГАНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО И ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
BOILER FOR CO-COMBUSTION OF PULVERIZED COAL AND WATER-COAL SLURRY FUEL

Изобретение относится к промышленной теплоэнергетике, жилищно-коммунальному хозяйству. Изобретение относится к устройствам для сжигания жидкого, в том числе, водоугольного топлива (ВУТ) в пылеугольном котле с тангенциальной топкой.
В настоящее время в мировой теплоэнергетике уголь сжигается в котлах преимущественно в виде пылеугольного топлива (ПУТ). Альтернативой такому методу является технология сжигания угля в виде водоугольной суспензии (ВУТ). Изобретение относится к устройствам совместного пыле- и водоугольного топлив в различных котельных установках промышленной теплоэнергетики, жилищно-коммунального хозяйства и других теплогенерирующих системах.
Технология сжигания угля в виде ВУТ открывает возможность использования в теплоэнергетике низкосортных углей и угольных отходов. Однако калорийность таких суспензий невысока и, как показывает опыт [Алексеенко С.В., Мальцев Л.И. и др. Результаты опытно-эксплуатационного сжигания водоугольного топлива в водогрейном котле малой мощности // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесур-сов. - 2017. - Т. 328. № 12. - С. 16-28], наиболее успешные результаты получают лишь в тех случаях, когда содержание воды в ВУТ сравнительно невелико и сжигание ВУТ производят в топочных камерах при достаточно высоких температурах.
Известно топочное устройство для сжигания водоугольного топлива [RU2518754, 29.08.2012, F23C3/00, F23J1/02], включающее футерованную камеру сгорания с топливными форсунками, дутьевыми соплами с касательной подачей окислителя и центральной огнеупорной вставкой и экранированную кипятильными трубами камеру охлаждения с конвективным пучком труб, сообщающиеся между собой посредством газоперепускных окон. В нижней части топочного устройства по центру камеры сгорания установлен золоуловитель, выполненный в форме воронки, и камера золошлакоудаления в форме цилиндра диаметром, большим диаметра горловины воронки золоуловителя в 2 раза и более с открытым нижним торцом, погруженным в воду, наполняющую установленную ниже ванну с одной наклонной стенкой, над дном и наклонной стенкой которой смонтирован скребковый транспортер удаления золы и шлаков, при этом камера золошлакоудаления соединена с камерой сгорания трубопроводом с встроенным вентилятором, а перед вентилятором дополнительно установлен теплообменник.
Техническим результатом является увеличение температуры в топке до температуры плавления золы и организация жидкого шлакоудаления, повышение эффективности сжигания ВУТ и увеличение надежности работы.
Недостатком такого решения является тот факт, что при повышенной температуре в топке котла зола уноса может оплавиться и, попадая на трубки конвективного пучка, и налипая, приводит к нарушению работы теплообменника. Кроме того, при повышенной температуре в топке может образоваться высокое содержание NOx и CO.
[
Известен котел для сжигания суспензионных топлив RU2766244, 15.06.2021, F23C3/00], содержащий камеру сгорания и камеру дожига топлива и охлаждения дымовых газов. Камера сгорания выполнена в форме параллелепипеда с куполообразной верхней границей, на противоположных боковых стенках смонтированы топливные пневматические форсунки и дутьевые сопла, в нижней части камеры сжигания установлен золоуловитель в форме воронки, ниже золоуловителя установлена камера золошлакоудаления, соединенная с камерой сгорания трубопроводом с встроенным вентилятором. Камера дожига топлива и охлаждения дымовых газов выполнена в виде двух и более секций с экранированными стенками, расположенными последовательно одна за другой.
Технический результат - увеличение температуры в топке до температуры плавления золы и организация жидкого золошлакоудаления, повышение эффективности сжигания ВУТ, понижение температуры газов в камере охлаждения с конвективным пучком ниже температуры плавления золы уноса и, тем самым, увеличение надежности работы топки.
Наиболее близким решением является газификационная печь [CN104531221, 2015-04-22, C10J3/48; C10J3/50; C10J3/72], способная одновременно перерабатывать пылеугольное топливо и водоугольный шлам, состоящая из корпуса печи с наличием водяного охлаждения, где под камерой газификации расположена закалочная камера. Водоугольная шламовая форсунка расположена в верхней части корпуса печи, не менее трех пылеугольных форсунок расположены в верхней части боковой стенки корпуса газификационной печи и равномерно распределены по такой же горизонтальной окружности по корпусу печи, на боковой стенке корпуса печи также симметрично расположены два комплекта пусковых горелок, в нижней части корпуса печи выполнено шлаковое отверстие.
Недостатком такого решения является сложность предложенной конструкции и необходимостью создания ее с нуля.
В котлах, работающих на ВУТ, целесообразно поддерживать температуру на уровне температуры плавления золы. Но ВУТ - топливо с пониженной калорийностью, а для обеспечения надежного полного выгорания топлива на практике коэффициент избытка воздуха, как правило, задают близким к 1,2, в силу чего в муфельной топке какая-то часть тепловой энергии расходуется на нагрев лишнего воздуха. В результате, в известных решениях, во-первых, не всегда удается обеспечить желательную температуру в топке, а во-вторых, котел практически всегда должен работать на предельных режимах и не позволяет управлять его производительностью. Другим недостатком сжигания угля при высоких значениях температуры остается высокое содержание NOx и CO в отходящих газах.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности сжигания ВУТ путём обеспечения стабильности горения в топке, низкого коэффициента недожога и управляемости производительностью котла, а также снижение содержания вредных выбросов в отходящих газах.
Для достижения поставленной задачи предлагаетсякотёл,включающий вертикальную топку, которая оборудована расположенными в три яруса блоками основных горелок и расположенным в четвёртом ярусе блоком восстановительной ступени, каждый из которых состоит из четырёх прямоточных горелок, установленных в углах топки, причём прямоугольные каналы горелок направлены тангенциально к воображаемой окружности в центре сечения топки горизонтальной плоскостью.
На четвёртом ярусе топки установлены форсунки, предназначенные для впрыскивания в топочную камеру водоугольного топлива, при этом форсунки установлены таким образом, что водоугольное топливо подаютпо направлению, противоположному направлению закрутки пылеугольного потока из основных горелок. На пятом ярусе расположены сопла верхнего дутья.
Предложенная конструкция легко реализуема на существующих промышленных котлах.
На фиг. 1 показано схематичное изображение котла, где 1, 2, 3 – основные топливные горелки для подачи ПУТ, установленные, соответственно, в 1-ом, 2-ом, 3-ем ярусах котла, 4 – восстановительные горелки (форсунки) для подачи ВУТ, установленные в 4-ом ярусе, 5 – сопла верхнего дутья, установленные в 5-ом ярусе.
На фиг. 2 показано сечение топки котла горизонтальной плоскостью, где 6 – линии направлений прямоугольных каналов горелок; 7 – воображаемая окружность в центре сечения топки.
Запуск котла осуществляют подачей пневматическими форсунками высокореакционного топлива (мазута, печного топлива) в топочное пространство. Через имеющиеся горелочные устройства подают струи дутьевого воздуха, что обеспечивает тангенциальную закрутку потока топливо-окислитель, способствующую интенсификации процессов тепло-массообмена. Тепло выделяемое при горении высокореакционного топлива обеспечивает разогрев поверхностей и продуктов сгорания в топочном пространстве. После разогрева осуществляют постепенную подачу пылеугольного топлива на основных горелках (1 - 3, фиг. 1). По мере повышения температуры внутри камеры сгорания доля высокореакционного топлива уменьшается, а доля пылеугольного топлива увеличивается вплоть до выхода котла на расчетный режим работы.
При установившемся стабильном горении пылеугольного топлива и достижении температуры газов в объеме топки не менее 1000°С, осуществляют подачу водоугольного топлива на восстановительных горелках (4, фиг. 1), в роли которых могут использоваться форсуночные устройства [RU 2523816; 22.01.2013; МПК В05В 7/08] или увеличенный их вариант.
Расчетный режим работы котла предполагает трехступенчатую схему сжигания пылеугольного и водоугольного топлива. Окислительная зона формируется основными горелками (1 - 3, фиг. 1), в которой подают пылеугольное топливо с окислителем (аэросмесь). Осуществляют сжигание топлива обычным образом при избытке воздуха на этих горелках α > 1. Количество топлива, подаваемое на основные горелки, составляет 85 % (по калорийности).
Остальное топливо (15 %) в виде водоугольной суспензии подают форсуночными устройствами во второй (востановительной) зоне (4, фиг. 1), где в основном завершено сжигание первичного введенного топлива. Соотношение между окислителем и количествами первичного и вторично поданным топливом рассчитывают таким образом, чтобы во второй зоне коэффициент избытка воздуха был α < 1 (наиболее оптимальное значение из литературных данных α = 0,8 - 0,85). В третью зону (выше по топке, 5, фиг. 1) через сопла верхнего дутья подают оставшееся количество окислителя, необходимого для сжигания продуктов недожега восстановительной зоны.
Прямоугольные каналы основных горелок, направленные тангенциально к воображаемой окружности в центре сечения топки, формируют закрученное течение аэросмеси и продуктов сгорания. Ось вихревого течения совпадает с осью котла. Ядро горения формируется в центральной части котла с температурой 1200 - 1250°С, локально достигая 1300 - 1400°С.
Водоугольное топливо подают распылением форсуночными устройствами, максимальная скорость струй может достигать 100 - 200 м/с, в результате поток закручивается в обратную сторону относительно основных горелок. Смена направления закрутки основного вихря способствует интенсивному перемешиванию топлива, продуктов сгорания и окислителя.
При подаче топлива посредством форсуночного устройства происходит интенсивное распыление и равномерное распределение капель/частиц водоугольного топлива в горизонтальном сечении котла. Частицы ВУТ, обладая высокой скоростью, быстрее достигают центральной части топки. Данные процессы способствуют разрушению (рассеканию) закрученного потока, образовавшегося в зоне основных горелок, и тем самым - интенсификации процессов тепло-массообмена.
При реализации ступенчатой схемы сжигания перед соплами верхнего дутья образуется локальное снижение концентрации кислорода до 0 - 2 %. В зоне с низкой концентрацией окислителя происходит превращение NO в цианистый водород (HCN) при взаимодействии с углеводородными фрагментами топлива, а также происходит окисление HCN за счет объединения с кислородсодержащими группами. Реализация технологии капельно-факельного сжигания и трехступенчатого сжигания в промышленном котле позволяет снизить образование NOx более чем на 40 % по сравнению с классическим сжиганием на промышленных котлах.
Было исследовано два варианта работы трехступенчатой схемы сжигания ПУТ и ВУТ в тангенциальном промышленном котле. В первом варианте в качестве топлива на восстановительных горелках использовался ПУТ, а во втором - ВУТ. Режимные параметры представлены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры работы котла.
Параметры на входе
Вариант 1
Вариант 2
Расход топлива, кг/с
20,75 (ПУТ основные горелки) + 3,95 (ПУТ восстановительные горелки)
20,75 (ПУТ основные горелки) + 7,9 (ВУТ восстановительные горелки)
Общий коэф. избытка воздуха, α
1,2
1,2
Распределение окислителя
15 % сопла верхнего дутья
15 % сопла верхнего дутья
Подача топлива
84 % основные,16 % восстановительные (ПУТ)
84 % основные,16 % восстановительные(ВУТ)
Для расчетов использовалась математическая модель, которая включает в себя описание движения несущей фазы на основе RANS подхода, перенос излучения на основе P1 метода, движение частиц на основе подхода Лагранжа, горение в газовой фазе на основе гибридной модели. ВУТ представляется дискретным набором частиц, которые состоят из комплекса вода + уголь [Alekseenko, S.V., Kuznetsov, V.A., Mal'tsev, L.I. et al. Analysis of Combustion of Coal-Water Fuel in Low-Power Hot-Water Boiler via Numerical Modeling and Experiments. J. Engin. Thermophys. 28, 177-189 (2019); Viktor Kuznetsov, Leonid Maltsev, Alexander Dekterev, Mikhail Chernetskiy Numerical investigation of the influence of operating conditions on the formation of nitrogen oxides in the combustion chamber of a low-power boiler during the combustion of coal-water fuel. Journal of Physics: Conf. Series 1105 (2018)].
В математической модели термическое преобразование ВУТ при попадании в топочное пространство состоит из нескольких этапов: вначале капли/частицы нагреваются, далее происходит испарение внешней и внутренней влаги, пиролиз, воспламенение и горение летучих компонент, и завершающая более длительная стадия выгорание твердого углерода.
Ранее проведенное сравнение результатов тестового расчета с экспериментальными данными свидетельствует о том, что выбранная комплексная математическая модель достоверно описывает физико-химические процессы и распределение основных параметров в топочном пространстве при сжигании измельченного угля в потоке.
2
На фиг. 3 - 5 показаны результаты расчета в виде линий тока, температурного поля и концентрации NO в сечениях котла.
На фиг. 3 показаны результаты расчета в виде линий тока (магнитуда скорости) в сечении основных горелок и восстановительных (вариант 2).
На фиг. 4 показано поле температуры (°С) в вертикальном сечении для двух вариантов.
2
3
На фиг. 5 показана концентраци NO в центральном сечении, мг/м, для двух вариантов.
На примере второго варианта расчета видно, что формируется тангенциальное течение аэросмеси и продуктов сгорания в зоне основных горелок в одном направлении и изменение направления закрутки в области восстановительных горелок (фиг. 3). Таким образом, выбранные условия обеспечивают интенсифицирование процессов тепло-массообмена в топочной камере.
Температуры в объеме топочной камеры достигают 1300 - 1400 °С с формированием ядра пламени в центральной части котла для двух вариантов (фиг. 4), что свидетельствует о стабильно воспламенении топлива.
3
3
При подаче ВУТ в восстановительную зону (2-й вариант) концентрация оксидов азота существенно снижается (фиг. 5, таблица 2) и среднее значение достигает 266 мг/м в области ширм. В то время как при обычном сжигании уровень оксидов азота перед ширмами составляет 480 мг/м.
Таблица 2. Интегральные параметры в сечении перед ширмами.
Вариант
1
2
Т газа, °С
993
969
O<sub>2</sub>, %
2.56
2.33
CO<sub>2</sub>, %
22.46
22.30
H<sub>2</sub>O,%
8.01
9.57
NO<sub>2</sub>, мг/м3
369
266
NO<sub>2</sub>, кг/с
0.304
0.223
Мех. недожег, %
0.65
0.51
Средний тепловой поток на стенке, кВт/м2
81.00
84.96
Таким образом, предлагаемая конструкция котла с реализацией трехступенчатой схемы совместного сжигания ВУТ и ПУТ позволяет снизить уровень вредных выбросов без потери эффективности и решить проблему утилизации низкосортных углей и угольных отходов.