ТРЕХСТАДИЙНЫЙ СПОСОБ СЖИГАНИЯ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ ВЫСОКОЗОЛЬНЫХ ТОПЛИВ
THREE-STAGE METHOD OF COMBUSTION IN A BOILING LAYER OF HIGH-ASH FUELS

Изобретение относится к теплоэнергетике и может использоваться при сжигании высокозольных углей в кипящем слое, например, высокозольных углей Экибастузского бассейна Казахстана и ряда месторождений России.
Известны способы двухступенчатого сжигания твердого высокозольного мелкозернистого топлива (угля) в кипящем слое [Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий. 2009, М., Бастет, 528 с.], в соответствии с которыми в качестве первой ступени используются топки с кипящим слоем, где производится тепловая подготовка топлива (прогрев, подсушка с выделением горючих и частичное окисление углерода). Вторая ступень топки фактически является камерой дожигания горючей массы, поступающей из первой ступени топки, содержащей газообразные и твердые летучие продукты сгорания кипящего слоя первой ступени. Недостатком этого способа является большой механический недожог в частицах твердого топлива, выходящих из второй ступени, поскольку время пребывания их в камере дожигания, не обеспечивает высокую степень сгорания коксового остатка.
Для уменьшения величины механического уноса предусмотрены различные способы возврата в топку кипящего слоя уловленного выноса твердых частиц после первой ступени и возврата его в зону над кипящим слоем.
Известен способ сжигания угля путем подачи твердого топлива в кипящий слой, улавливания взвесенесущих недогоревших твердых частиц топлива и летучей золы с последующим их возвратом в кипящий слой для повторного дожигания [А.С. СССР №1442803, кл. A23C 11/02, 1988].
Недостатком этого способа является то, что уловленная фракция, состоящая из недогоревших твердых частиц топлива и летучей золы, ранее уже была вынесена летучими продуктами сгорания топлива кипящего слоя, поэтому твердые частицы, направляемые в надслоевой объем кипящего слоя не достигнут поверхности кипящего слоя, а догорание твердых частиц топлива будет происходить в результате многократного повторения этого цикла. В результате этого процесса, поскольку циркулирующая смесь продуктов сгорания забалластирована твердыми дисперсными частицами, снижается эффективность работы котла.
Известен способ сжигания в кипящем слое, заключающийся в подаче твердого топлива и воздуха в кипящий слой, отводе продуктов сжигания, выделении из них высокозольного твердого остатка (золы) и малозольного несгоревшего топлива и возврат последнего в кипящий слой [Патент РФ №1574987, кл. F23С 11/02, 1990].
Недостатком этого способа также является то, что частицы, направляемые в надслоевой объем кипящего слоя, не достигнут поверхности кипящего слоя, а догорание твердых частиц топлива будет происходить в результате многократного повторения этого цикла, что снижает его экономическую эффективность известного способа.
Известен способ сжигания с циркулирующим кипящим слоем (схема Лурги) [Расчеты аппаратов кипящего слоя. Справочник. Под ред. И.П. Мухленова, Б.С. Сажина, В.Д. Фролов В.Д. Л.: Химия. 1986. С. 238-240], [Баскаков А.П., Мацков В.В., Распопов И.В. Котлы и топки с кипящим слоем. М.: Энергоатомиздат, 1995. С. 224, 225], согласно которому измельченное до среднего диаметра 0.2-0.3 мм топливо подают в топку камеры сгорания циркулирующего кипящего слоя, твердые летучие продукты сгорания которого после сепарации разделяются на два потока, первый поток направляют на дожигание в топку циркулирующего кипящего слоя, а второй поток направляют в теплообменник кипящего слоя, состоящий из нескольких секций.
Недостатком этого способа также является то, что догорание твердых частиц топлива, направляемых в пылегазовый поток циркулирующего кипящего слоя, происходит в результате многократного повторения этого цикла, что снижает экономическую эффективность известного способа. Сжигание золококсовых частиц в теплообменнике кипящего слоя является частичным и неэффективным, поскольку температурные условия в устройстве рассчитаны на процесс охлаждения частиц и далеки от оптимальных значений для их эффективного горения.
Известен способ сжигания в кипящем слое измельченных твердых топлив, заключающийся в том, что в нижней части камеры сгорания устанавливается нижняя топка кипящего слоя, а в ее топочном объеме (надслоевым объемом кипящего слоя) устанавливается верхняя топка кипящего слоя, причем недогоревшие частицы топлива в верхнем кипящем слое отбираются и направляются в нижнюю топку кипящего слоя, дутьевой воздух подается импульсно, с длительностью импульса подачи воздуха 0,1-0,3 с и с промежутком между импульсами 3-5 с [Патент РФ №1765616, кл. F23С 11/02, 1992].
g
g
g
g
3/2
2
Недостатком данного способа является необходимость использования частиц твердого топлива, близкого к монодисперсному размеру, что связано со следующими причинами. При движении частиц твердого материала в газообразной среде характерная частота ω, определяющая скорость осаждения твердых частиц при плотности частиц ρ>>ρ (плотности газообразных продуктов сгорания), ω≈13,5 (ρ/ρ)ν/d, где ν - кинематическая вязкость газообразных продуктов сгорания [Фортье А. Механика суспензий. 1971. 264 с. (с. 113)]. Поэтому указанный диапазон частот, подходящий, например, для частиц мелкой фракции с d=0,1 мм, будет в 100 раз отличаться от частоты для частиц с размером 1 мм. Фактически это будет проявляться в том, что крупные частицы останутся практически неподвижными, поскольку не будут успевать перемещаться в соответствии с импульсной подачей воздуха. Если же диапазон частот будет соответствовать частицам крупной фракции с d=1 мм, то частицы мелкой фракции, перемещающиеся практически со скоростью газообразного потока, не успеют образовать кипящий слой в верхней топке кипящего слоя. То есть частицы мелкой фракции будут сгорать в результате многократного повторения этого цикла, что является технически неэффективным решением.
Известен способ сжигания твердого топлива, включающий подачу последнего в кипящий слой, улавливание уноса, смешение последнего с частицами пылевидного топлива одинаковых фракционных составов и сжигание смеси и топлива поочередно, причем для смешения используют пылевидное топливо с зольностью 16-25%, а соотношение последнего и уноса в смеси поддерживается в интервале 2,5-3 [А.С. СССР №1749617, кл. F23С 11/02. 1992].
Недостатком данного технического решения является необходимость предварительной классификации исходного топлива для выделения фракционного состава, одинакового с уловленным уносом. В результате на сжигание в кипящий слой направляется одинаковая по фракционному составу, но резко различающаяся по зольности пылевидная смесь - относительно малозольное пылевидное топливо и высокозольный унос. Сжигание смеси проводится в кипящем слое с расходами воздуха, направляемого в газораспределительную решетку и т.д., рассчитанными на конкретный фракционный состав смеси. При этом, поскольку каждая частица смеси сгорает индивидуально, можно принять, что частицы, входящие в состав уноса, выгорят практически до нуля, а частицы пылевидного топлива - до значения, определяемого временем пребывания частиц в кипящем слое и надслоевом объеме кипящего слоя. Поэтому конечная средняя зольность продуктов сгорания увеличится. С эксплуатационной точки зрения периодическая перенастройка топки кипящего слоя со сжигания пылевидной смеси на исходное топлива и наоборот также является недостатком рассматриваемого технического решения, поскольку во время перенастройки топка котла эксплуатируется в переходном режиме. Это приводит к тому, что топка кипящего слоя на основном топливе вырабатывает тепловую энергию, кратно большую, чем при работе на смеси, поэтому эффективность рассматриваемого технического решения снижается.
Анализ известных технических решений показал следующее. Все известные технические решения направлены на увеличение времени пребывания высокозольных летучих твердых частиц несгоревшего топлива в надслоевом объеме кипящего слоя. В дальнейшем, летучие частицы разделяют на крупные, с меньшей зольностью, которые направляют на дожигание, а мелкие высокозольные частицы направляют в системы пылеочистки (электрофильтры и т.п.). Увеличение времени пребывания летучих частиц несгоревшего топлива в надслоевом объеме кипящего слоя достигается двумя группами способов.
К первой группе способов относятся технические решения, в которых весь газопылевой поток, состоящий из газообразных и высокозольных твердых летучих продуктов сжигания, тем или иным способом закручивают, увеличивая продолжительность их нахождения в надслоевом объеме кипящего слоя (вихревые топки кипящего слоя).
g
g
з
з
з
з
-1,675
-1,675
1/2
Ко второй группе способов относят технические решения, в которых весь газопылевой поток, вначале направляют на классификацию по размеру высокозольных летучих частиц несгоревшего топлива. Летучие зольные частицы вместе с газообразными продуктами сжигания направляют в системы пылеочистки (электрофильтры и т.п.). Уловленные крупные фракции летучей золы прямо или после предварительного накопления, направляют на дожигание в топку кипящего слоя. В этом случае, из-за небольшой крупности летучих частиц золы, их сжигание в кипящем слое совместно со сжиганием измельченного топлива, является неэффективным, поскольку летучие твердые частицы догорают преимущественно в надслоевом объеме кипящего слоя. В случае, если после выгорания кокса зольные частицы обладают большой прочностью, они будут циркулировать до тех пор, пока их размер не уменьшится до значения, характеризующего максимальный размер частиц мелкой фракции. Это обстоятельство приводит к тому, что надслоевой объем забалластирован летучими зольными частицами. Определим, насколько возрастет максимальный размер частиц мелкой фракции из-за балластированния летучих продуктов сгорания кипящего слоя частицами крупных фракций. Кинематическую вязкость запыленного потока определяется по формуле ν=ν(1-ϕ/0,65), где ν - кинематическая вязкость газообразных продуктов горения; ϕ - объемная доля твердой фазы [Жданов В.Г., Старов В.М. Определение эффективной вязкости концентрированных суспензий // Коллоид, журн. 1998. т. 60, №6. С. 771-774]. При классификация частиц характерной скоростью является стоксовская скорость свободного осаждения, которая пропорциональна квадрату диаметра частиц [Хаппель Дж, Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. М: Мир, 1976, 632 с.]. Из условия равенства скоростей осаждения в не запыленном и запыленном потоках получим, что возрастание диметра частиц в запыленном потоке определяется выражением d=d[(1-ϕ/0,65)]. При ϕ=0,05 d=1,069 d, при ϕ=0,1 d=1,15, а при ϕ=0,15 d=1,55. Поэтому с возрастанием степени запыленности потока возрастает и крупность частиц, направляемых в систему золоудаления, что повышает степень механического недожога летучих твердых частиц.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу, выбранным в качестве прототипа, является способ сжигания в кипящем слое инертного наполнителя [Патент РФ №2006746, кл. F23С 10/08, 1994], согласно которому измельченное (дробленное) твердое топливо подают в кипящий слой, улавливают летучий крупнофракционный унос и летучую золу с последующим возвратом одной части крупнофракционного уноса в кипящий слой, другую часть крупнофракционного уноса и летучую золу гранулируют совместно и также направляют в кипящий слой.
Недостатком этого способа является то, что уловленный крупнофракционный унос ранее уже был вынесен продуктами сгорания из кипящего слоя, то есть, по существу, он являются летучим продуктом сгорания. Поэтому крупнофракционные твердые частицы, направляемые в надслоевой объем кипящего слоя, не достигнут поверхности кипящего слоя, а догорание этих твердых частиц топлива будет происходить в результате многократного повторения этого цикла.
При совместном гранулировании крупнофракционного уноса и летучей золы размер гранул может быть таким, что гранулы достигнут собственно кипящего слоя, что, несомненно, является положительным фактором. Однако для получения таких гранул необходимо, как отмечено в патенте, использование цементирующих присадок. Такое техническое решений приводят к ухудшению характеристик сжигаемого топлива, а именно повышения его зольности, что снижает техническую и экономическую эффективность известного способа.
Целью изобретения является повышение экономичности работы топки кипящего слоя при сжигании высокозольных топлив за счет повышения зольности продуктов сжигания.
Указанные цели достигаются тем, что по способу сжигания твердого топлива в кипящем слое, включающему подачу (раздробленного) измельченного топлива в топку кипящего слоя первой ступени, твердые летучие продукты сгорания которой разделяют на летучий крупнофракционный унос и летучую золу, при этом летучий крупнофракционный унос направляют на сжигание в топку кипящего слоя второй ступени, летучую золу направляют в топку кипящего слоя третьей ступени, топки кипящего слоя второй и третьей ступеней располагают последовательно по тракту движения твердых летучих частиц в топке.
Положительный эффект заключается в том, что сжигание уноса, содержащего крупнофракционные летучие частицы в топке кипящего слоя второй ступени, происходит в установившемся режиме с параметрами (подача воздуха на газораспределительную решетку, размеры дутьевых отверстий, соотношение расходов первичного и вторичного воздуха), согласующимися с дисперсностью крупнофракционного уноса.
Наличие топки кипящего слоя второй ступени позволяет организовать отвод выгоревших зольных частиц, даже в случае частиц с большой прочностью зольного остатка, поскольку время пребывания частиц в кипящем слое регулируется и определяется из условия практически полного окисления кокса, входящего в состав частиц крупнофракционного уноса.
Аналогично, сжигание уноса содержащего мелкие летучие частицы - летучую золу в топке кипящего слоя третьей ступени также происходит в установившемся режиме с параметрами (подача воздуха на газораспределительную решетку, размеры дутьевых отверстий, соотношение расходов первичного и вторичного воздуха), согласующимися с дисперсностью уловленных частиц летучей золы, что также позволяет добиться почти полного сжигания кокса, входящего в состав летучей золы.
Дополнительные топки кипящих слоев второй и третьей ступеней располагают последовательно по тракту движения твердых летучих продуктов сгорания кипящего слоя первой ступени, выполняя в отношении летучего крупнофракционного уноса и летучей золы функции осадительных камер.
Во всех трех топках кипящего слоя отсутствует циркулирующий поток твердых частиц, балластирующих летучую часть продуктов сжигания. Отрицательное влияние балластированния летучими твердыми частицами продуктов сжигания в наибольшей степени проявляется при использовании твердых топлив с большой прочностью зольного остатка, поскольку измельчение частиц происходит лишь за счет истирания зольных частиц в потоке.
Наличие трех последовательных топок кипящего слоя позволяет регулировать в широких пределах тепловую мощность котельной установки в целом и в большей мере учитывать особенности режимов сжигания различных марок твердого топлива и уровень дисперсности топлива, направляемого на сжигание.
Применение предлагаемого способа позволяет в наибольшей степени использовать преимущества технологии сжигания узких фракций твердого топлива в кипящем слое, в том числе, и для топлив с прочным зольным (минеральным) каркасом.