СПОСОБ СЖИГАНИЯ КАВИТАЦИОННОГО ВОДОУГЛЕРОДНОГО ТОПЛИВА ИЗ НЕФТЯНОГО КОКСА В ТОПКЕ КИПЯЩЕГО СЛОЯ ИНЕРТНОГО МАТЕРИАЛА И СХЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
COMBUSTION METHOD OF CAVITATION CARBON-WATER FUEL FROM OIL COKE IN INERT MATERIAL FLUIDISED BED FURNACE, AND SCHEME FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к технологии сжигания нефтяного кокса. Нефтяной кокс - продукт глубокой переработки нефти, который в нашей стране в качестве топлива практически не используется.
Известен способ сжигания нефтяного кокса и технологическая схема для его реализации (патент RU №2128806 C1, МПК F23C 1/06, 1997 г.).
Способ сжигания нефтяного кокса основан на смешивании его с другими видами энергетических топлив, например с углем. Сжигание нефтяного кокса осуществляют в котлах с камерными топочными устройствами совместно с каменноугольным топливом, при этом тонкость помола кокса соответствует тонкости размола тощих углей, а оптимальная доля нефтяного кокса соответствует выходу летучих составляющих топлив.
Технологическая схема для реализации способа сжигания нефтяного кокса может быть выполнена в двух вариантах совместной подготовки коксоугольной смеси к сжиганию и раздельного пылеприготовления. В обоих случаях эти схемы содержат склады нефтяного кокса и каменного угля, топливоподачи нефтяного кокса и каменного угля, системы сушки и приготовления топлива, горелку для сжигания коксоугольной смеси установленную в топке котла.
Недостатком этого способа и технологической схемы для реализации способа является одновременное использование двух различных топлив: нефтяного кокса и каменного угля, что значительно усложняет и удорожает технологический процесс. На теплоэлектростанции появляется дополнительная система складирования топлива, система смешения топлив, система транспорта и пылеприготовления. Необходима постоянная привязка ко второму топливу с определенными контролируемыми характеристиками.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ сжигания нефтяного кокса в котлах с циркулирующим кипящим слоем и схема для его осуществления (журнал «Мировая теплоэнергетика» №2, 1994, автор Роберт Росси, статья «Побочный продукт для перегонки нефти - перспективное топливо для электростанций», с. 44).
Способ сжигания нефтяного кокса заключается в создании циркулирующего кипящего слоя инертного материала в топке посредством подачи под него нагретого воздуха и последующей подаче сверху на него нефтяного кокса. Изменение температуры в кипящем слое регулируют подачей топлива и перераспределением соотношения продуктов сгорания и воздуха подаваемых под кипящий слой. Сепарацию и возврат в топку несгоревших частиц нефтяного кокса производят с помощью циклонов, установленных рядом с топкой.
Схема сжигания нефтяного кокса в котлах с циркулирующим кипящим слоем состоит из топки, в нижней части которой установлена воздухораспределительная решетка, на которой расположен инертный материал (крупнозернистый песок). Под воздухораспределительную решетку подведены воздуховод и газоход рециркуляции дымовых газов. Над воздухораспределительной решеткой установлены устройства для подачи в топку нефтяного кокса. Рядом с топкой расположены циклоны для сепарации и возврата в топку несгоревших частиц нефтяного кокса из уходящих топочных газов.
Недостатками этого способа и схемы для реализации способа является сложность сжигания нефтяного кокса в топках котлов, где требуется быстрое изменение тепловой нагрузки. Из-за низкого содержания летучих веществ нефтяной кокс представляет собой относительно «инертный» вид топлива, что затрудняет возможность быстрого изменения нагрузки котлов. Поэтому в настоящее время эти топки котлов с циркулирующим кипящим слоем эксплуатируются преимущественно в режиме базовой нагрузки.
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание способа сжигания водоуглеродного кавитационного топлива из нефтяного кокса в топке кипящего слоя инертного материала и схемы для его осуществления, позволяющих использовать нефтяной кокс в качестве энергетического топлива для сжигания в топках энергетических котлов с обеспечением режима устойчивого горения и с возможностью гибкого регулирования тепловой нагрузки котла.
Поставленная техническая задача решается тем, что способ сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса в топке кипящего слоя инертного материала заключается в создании кипящего слоя инертного материала в нижней части топки посредством подачи под него первичного воздуха и рециркулирующих дымовых газов, и последующей подаче сверху на него топлива из нефтяного кокса. Новым согласно изобретению является осуществление трехступенчатого сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса, на первой ступени, в низкотемпературном кипящем слое инертного материала сжигают 40-60% всего топлива при температуре 900÷1200°C и недостатке кислорода, на вторую ступень, расположенную над первой ступенью в средней части топки, подают вторичный воздух и посредством факельного сжигания сжигают остальное кавитационное водоуглеродное топливо из нефтяного кокса при температуре 1200÷1400°C, недогоревшее топливо первой и второй ступеней дожигают на третьей ступени, расположенной в верхней части топки, за счет подачи третичного воздуха.
На первой ступени сжигают кавитационное водоуглеродное топливо из нефтяного кокса с размером капель 200÷1000 мкм, а на второй ступени - с размером капель до 200 мкм.
Также поставленная техническая задача решается тем, что схема сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса в топке кипящего слоя инертного материала содержит топку с воздухораспределительной решеткой, на которой расположен кипящий слой инертного материала, над ними расположена форсунка подачи топлива из нефтяного кокса, а под воздухораспределительную решетку подведены первичный воздух и рециркулирующие дымовые газы. Новым согласно изобретению является использование воздухораспределительной решетки с кипящим слоем инертного материала в качестве первой ступени сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса, над ней в средней части топки выполнена вторая ступень сжигания топлива, здесь установлены вихревые горелки для факельного сжигания дополнительного кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса с подведенным к ним вторичным воздухом, над вихревыми горелками выполнена третья ступень сжигания топлива, для этого в верхней части топки установлены воздушные сопла третичного воздуха для дожигания недогоревшего топлива после первой и второй ступеней сжигания.
Изобретение поясняется рисунком, на котором представлена схема реализации способа сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса в топке кипящего слоя инертного материала.
Способ сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса в топке 1 кипящего слоя инертного материала осуществлен посредством следующей схемы.
Способ сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса в топке кипящего слоя инертного материала заключается в создании кипящего слоя инертного материала в нижней части топки посредством подачи под него первичного воздуха и рециркулирующих дымовых газов и последующей подаче сверху на него топлива из нефтяного кокса. Сжигание кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса осуществляют посредством трехступенчатого сжигания. На первой ступени сжигания в низкотемпературном кипящем слое инертного материала сжигают 40-60% всего топлива при температуре 900÷1200°C и недостатке кислорода. На второй ступени сжигания, расположенной над первой ступенью в средней части топки, подают вторичный воздух и посредством факельного сжигания сжигают остальное кавитационное водоуглеродное топливо из нефтяного кокса при температуре 1200÷1400°C, недогоревшее топливо первой и второй ступеней дожигают на третьей ступени, расположенной в верхней части топки, за счет подачи третичного воздуха.
Схема сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса включает топку 1, в нижней которой установлена воздухораспределительная решетка 2, на ней расположен кипящий слой 3 инертного материала (например, крупнозернистый песок). Над ними расположены форсунки 4 подачи сжигаемого материала - кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса. Под воздухораспределительную решетку 2 введены воздуховод 5 подач и первичного воздуха и газоход 6 подачи рециркулирующих дымовых газов. Это первая ступень сжигания предназначена для сжигания 40-60% всего топлива.
Над форсунками 4 в средней части топки 1 установлены вихревые факельные горелки 7 для факельного сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса с завихрителями 8 вторичного воздуха. Эта вторая ступень сжигания предназначена для сжигания остального топлива.
Над вихревыми факельными горелками 7 в верхней части топки 1 установлены воздушные сопла 9 подачи третичного воздуха. Это третья ступень сжигания топлива предназначена для дожигания недогоревшего топлива после первой и второй ступеней сжигания.
Способ сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса в топке кипящего слоя инертного материала осуществляют посредством следующей схемы.
Кавитационное водоуглеродное топливо из нефтяного кокса представляет собой суспензию, состоящую из 50-70% твердого вещества и 30-50% воды. Это топливо получают как и кавитационное водоугольное топливо известным способом и на известной технологической линии (патент RU №2249029, МПК C01L 1/32, B01F 7/12, B01F 7/28, 2003 г.). Нефтяной кокс обладает высокой теплотой сгорания, а кавитационное водоуглеродное топливо, полученное из него, предназначено для сжигания в топках котлов. Приготовленное кавитационное водоуглеродное топливо из нефтяного кокса хранят в топливном баке, где оно сохраняет свои свойства длительное время.
Перед началом сжигания кавитационного водоуглерелного топлива из нефтяного кокса под воздухораспределительную решетку 2 по воздуховоду 5 и газоходу 6 подают под давлением соответственно первичный воздух и рециркулирующие дымовые газы. Затем они проходят через воздухораспределительную решетку 2 топки 1, где происходит «ожижение» кипящего слоя 3. Разогрев инертного материала обеспечивается предварительным сжиганием растопочного топлива (газ, мазут).
x
На первой ступени сжигания кавитационное водоуглеродное топливо из нефтяного кокса подают через форсунки 4 сверху на кипящий слой 3 нагретого инертного материала, который формируется на воздухораспределительной решетке 2. При этом происходит интенсивное перемешивание кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса с первичным воздухом, горячими рециркулирующими дымовыми газами и материалом слоя. Из нефтяного кокса испаряется влага, выделяются и воспламеняются летучие вещества, твердые горючие вещества также воспламеняются и горят. Сжигание кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса происходит в низкотемпературном кипящем слое 3 при температуре 900÷1200°C и недостатке кислорода. Температуру 900÷1200°C и недостаток кислорода в низкотемпературном кипящем слое 3 регулируют соотношением подачи горячего первичного воздуха и рециркулирующих дымовых газов, поступающих под воздухораспределительную решетку 2 соответственно по воздуховоду 5 и газоходу 6. Низкая температура в кипящем слое, обеспечиваемая недостатком кислорода и подачей инертных рециркулирующих дымовых газов, позволяет обеспечить стабильный бесшлаковочный режим работы кипящего слоя и низкую эмиссию вредных оксидов азота (NO).
На первой ступени сжигают 40-60% всего кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса. Сжигание такого количества топлива обеспечивает уверенный по условиям работы кипящего слоя температурный режим (900÷1200°C). При этом первая ступень сжигания работает при мало изменяющейся нагрузке, что обусловлено особенностями надежной работы кипящего слоя, а регулирование нагрузки котла обеспечивается за счет подключения второй ступени сжигания.
На второй ступени сжигают остальную часть кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса. Для этого вместе со сжигаемым топливом в вихревые факельные горелки 7 подают вторичный воздух, здесь они смешиваются, образуется топливовоздушная смесь. Топливовоздушная смесь воспламеняется от восходящего потока горячих топочных газов первой ступени сжигания топлива и сгорает при температуре 1200÷1400°C.
На третьей ступени сжигания топлива через воздушные сопла 9 в топку 1 подается третичный воздух, он обеспечивает дожигание несгоревших частиц кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса после первой и второй ступеней сгорания.
x
На первой ступени сжигают водоуглеродное кавитационное топливо из нефтяного кокса с размером капель 200÷1000 мкм, а на второй ступени - с размером капель до 200 мкм. Крупные капли топлива после первой ступени находятся в топке 1 большее время и преодолевают большее расстояние, они успевают нагреться и сгореть. Мелкие капли топлива после второй ступени сжигания, имея меньший размер, находятся в топке 1 меньшее время и преодолевают меньшее расстояние, поэтому они сгорают одновременно с остатками крупных капель. Оптимальный размер капель водоуглеродного кавитационного топлива из нефтяного кокса на первой и второй ступенях сжигания для топок различных типоразмеров может быть определен расчетным или опытным путем. Несгоревшие частицы и продукты неполного горения кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса первой и второй ступеней дожигают на третьей ступени. Трехступенчатое сжигание водоуглеродного кавитационного топлива из нефтяного кокса позволяет обеспечить постепенное выгорание топлива по мере его продвижения по высоте топки, что обуславливает относительно невысокий уровень температур топочных газов, обеспечивающих надежную работу топки по условиям шлакования поверхностей нагрева, и низкую эмиссию вредных оксидов азота (NO).
Сжигание кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса на первой ступени позволяет эксплуатировать топку 1 котла в режиме базовой нагрузки 40-60%, а вторая ступень сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса позволяет быстро изменять тепловую нагрузку котла на 40-60% в зависимости от графика нагрузки ТЭС.
Настоящий способ сжигания кавитационного водоуглеродного топлива из нефтяного кокса в топке кипящего слоя инертного материала и схема для его осуществления позволяют использовать нефтяной кокс как энергетическое топливо для сжигания в топках котлов с обеспечением режима устойчивого горения и с возможностью гибкого регулирования тепловой нагрузки котла. Изобретение позволяет утилизировать нефтяной кокс - побочный продукт глубокой переработки нефти.