Теплоэнергетический комплекс для подогрева шахтного вентиляционного воздуха
HEAT POWER COMPLEX FOR HEATING OF MINE VENTILATION AIR

Изобретение относится к теплоэнергетическим комплексам для подогрева вентиляционного воздуха и подачи его в ствол шахты, причем одновременно комплекс может использоваться и для теплоснабжения соседних зданий и сооружений с подачей горячего теплоносителя по теплотрассе. Кроме того, комплекс может быть применен для обогрева и вентиляции ангаров и других объектов, а также для подготовки и подачи сушильного агента.
Известен (Патент РФ №2189533) теплоэнергетический комплекс для подогрева шахтного вентиляционного воздуха (ТЭК), используемый для подогрева подаваемого в шахту воздуха. ТЭК содержит тракт горячего воздуха с вентилятором горячего воздуха, воздухораспределительным устройством, размещенным в камере смешения холодного и горячего воздуха и воздухоподогреватель (ВП), включенный в тракт дымовых газов (ДГ) с теплогенератором, который выполнен обмуровкой и имеет топочное устройство, подключенное к дутьевым вентиляторам. При этом воздухораспределительное устройство выполнено в виде трубы, установленной по периметру камеры смешения холодного и горячего воздуха, причем на трубе имеется щель, направленная поперек потока холодного воздуха.
Недостатками этого устройства являются:
- Низкая экономичность из-за неприспособленности ТЭК для сжигания отходов шахты, низкой эффективности топочного процесса и больших потерь с уходящими ДГ. Потери тепла с уходящими ДГ велики так как по условию работы трубной доски (Патент №2386034) ДГ многократно, до 5-6 раз, разбавляются подачей холодного воздуха со снижением их температуры до 500°С перед ВП и, кроме того, ВП включен по прямоточно-перекрестной схеме, дающей низкий температурный напор.
- Высокое аэродинамическое сопротивление и плохое перемешивание холодного и горячего воздуха, которые вызваны тем, что воздухораспределительное устройство выполнено в виде трубы, установленной по периметру камеры смешения холодного и горячего воздуха, причем щель направлена поперек потока холодного воздуха. При этом плоские струи горячего воздуха зажимают проходное сечение, вызывая большое аэродинамическое сопротивление, и далее текут вдоль стенок, плохо перемешиваясь с центральным потоком холодного воздуха.
- Низкие экологические характеристики, так как в теплогенераторе ТЭК используется высокотемпературный топочный процесс и нет подачи вторичного дутья в камеру сгорания теплогенератора.
- Низкая надежность конструкции и шлакование обмуровки теплогенератора ТЭК из-за высокой температуры топочной среды.
- Низкая надежность и низкая эффективность, так как теплогенератор ТЭК не имеет охлаждения стен, теплонапряженных элементов и топочного устройства с передачей тепла для теплоснабжения.
Рассматривая ТЭК и угольные шахты, нужно отметить, что шахтным способом добываются преимущественно высококачественные, дорогостоящие угли, поэтому отгружаемый уголь подвергается сортировке с выделением некондиционных составляющих. Поэтому именно проблемно перегружаемая и трудно транспортируемая мелочь, типично с высокой зольностью, и углесодержащие отходы должны быть сырьевой базой для энергетических объектов шахт и ТЭК. Однако сжигание угольной мелочи и высокозольных углесодержащих отходов требует специальных типов топочных устройств.
Известно (Патент РФ №2591070) универсальное по типам сжигаемых топлив и отходов топочное устройство с вихревой топкой, где за счет тангенциальной направленности сопл вторичного дутья над горящим слоем создается вихрь с горизонтальной осью, проходящей через газоотводящие окна, одно или два, симметрично расположенные на боковых стенах. В слое горят крупные частицы угля, а выделяющиеся из слоя летучие и унос горят в вихре. Вихрь поддерживает горение слоя и удерживает за счет центробежных сил витающие частицы, обеспечивая высокую экономичность сжигания топлива, причем не только за счет более полного сгорания угля, но и за счет возможности сжигания дешевых, загрязняющих территорию шахт углесодержащих отходов. При этом в топке поддерживается экологически более чистый низкотемпературный топочный процесс с температурой 850-1000°С, и возможно применять слоевое топочное устройство, оптимальное для используемого топлива или отходов, например, с цепной механической решеткой прямого или обратного хода, с высокотемпературным кипящим слоем, с кипящим слоем или другое. Это экологически эффективная схема сжигания со ступенчатой подачей дутья. Она обеспечивает надежность и высокую экономичность за счет выжигания горючих в топке и возможности использования отходов шахты вместо угля.
Недостатком этого устройства является то, что оно работает в составе котла, где низкотемпературный топочный процесс поддерживается охлаждением водой через топочные экраны, но из-за отсутствия топочных экранов в теплогенераторе эта схема не может быть реализована в ТЭК.
Известен ТЭК, наиболее близкий по технической сущности к заявляемому (Патент РФ №2386034), выбранный в качестве прототипа, где предусматривается подача нагреваемого воздуха в присадку к основному потоку шахтного вентиляционного воздуха, причем по такой же схеме, как и в аналоге (Патент РФ №2189533) – воздухораспределительное устройство со щелью, направленной поперек потока холодного воздуха. Прототип содержит тракт горячего воздуха с вентилятором горячего воздуха, воздухораспределительное устройство, размещенное в камере смешения холодного и горячего воздуха и ВП, включенный в тракт ДГ с теплогенератором, выполненным обмуровкой в виде сообщающихся камеры дожигания и камеры сгорания, которая имеет сопла вторичного дутья и слоевое топочное устройство, подключенные к дутьевым вентиляторам.
Недостатками прототипа являются:
- низкая экономичность из-за неприспособленности ТЭК для сжигания отходов шахты и больших потерь с уходящими ДГ, так как не используется высокоэффективный топочный процесс, а по условию работы трубной доски (Патент №2386034) ДГ разбавляются подачей холодного воздуха со снижением температуры до 500-530°С перед ВП, и ВП включен по прямоточно-перекрестной схеме, которая имеет низкий температурный напор и соответственно малоэффективна;
- высокое аэродинамическое сопротивление и плохое перемешивание холодного и горячего воздуха, которые вызваны тем, что воздухораспределительное устройство выполнено в виде трубы, установленной по периметру камеры смешения холодного и горячего воздуха, причем щель направлена поперек потока холодного воздуха. При этом плоские струи горячего воздуха зажимают проходное сечение, вызывая большое аэродинамическое сопротивление, и далее текут вдоль стенок, плохо перемешиваясь с центральным потоком холодного воздуха;
- низкие экологические характеристики, низкая надежность конструкции и шлакование обмуровки теплогенератора ТЭК, так как в теплогенераторе ТЭК используется высокотемпературный топочный процесс из-за охлаждения ДГ холодным воздухом за теплогенератором;
- низкая надежность и низкая эффективность, так как теплогенератор ТЭК не имеет охлаждения стен, теплонапряженных элементов и топочного устройства с утилизацией тепла.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение экономичности, экологических характеристик, надежности конструкции, а также поднятие эффективности использования ТЭК с возможностью его дополнительного применения для внешнего теплоснабжения.
С этой целью в прототипе, содержащем тракт горячего воздуха с вентилятором горячего воздуха, воздухораспределительным устройством, размещенным в камере смешения холодного и горячего воздуха, и воздухоподогреватель, включенный в тракт дымовых газов с теплогенератором, выполненным обмуровкой в виде сообщающихся через газоотводящие окна, по меньшей мере одно, камеру дожигания и камеру сгорания, которая имеет сопла вторичного дутья и слоевое топочное устройство, подключенные к дутьевым вентиляторам, предлагается дутьевые вентиляторы воздухозаборными патрубками подключить также и к тракту рециркуляции охлажденных дымовых газов, а воздухоподогреватель выполнить из нескольких ступеней охлаждения дымовых газов, которые включить последовательно по потоку дымовых газов, а по параллельной схеме по потоку воздуха.
Рециркуляция охлажденных ДГ через топочное устройство и теплогенератор обеспечивает их охлаждение и низкотемпературный режим сжигания, причем без тепловых потерь с дополнительными уходящими ДГ в отличие от применяемого в прототипе охлаждения ДГ за теплогенератором присадкой холодного воздуха. Соответственно, рециркуляция ДГ повышает экономичность, экологические характеристики, снижает высокотемпературное воздействие, шлакование стен и обеспечивает более надежную работу ТЭК в целом. Выполнение ВП из нескольких ступеней, включенных последовательно по потоку ДГ и по параллельной схеме по потоку воздуха, разделяет общий поток воздуха в несколько раз с большей расходной теплоемкостью, чем у ДГ по ступеням ВП, что дает возможность их усовершенствования с повышением экономичности и надежности.
В п. 2 дополнительно предложено выполнить камеру сгорания в виде вихревой топки, имеющей слоевое топочное устройство, над которым расположены сопла вторичного дутья, ориентированные тангенциально к условному телу вращения формируемого в камере сгорания вихря с горизонтальной осью, проходящей через одно или два газоотводящих окна, каждое из которых выполнено в виде кольцевого сопла дожигающего вторичного дутья, в котором установлены закручивающие лопатки.
Техническим результатом, обеспечиваемым этой совокупностью признаков, является возможность создания универсальной по сжигаемым топливам и отходам вихревой топки для теплогенератора ТЭК с оптимальным для применяемого топлива слоевым топочным устройством по патенту №2591070. Формируемый вихрь и встречный поток дожигающего вторичного дутья из кольцевого сопла удерживают, сжигают и отбрасывают за счет центробежных сил витающие частицы в камеру сгорания и обеспечивают эффективное горение слоя, снижают унос и износ ВП уносимыми частицами. В итоге повышается экономичность и экологические характеристики как за счет возможности применения вместо ценного угля более дешевых углесодержащих отходов, так и за счет более полного сжигания топлива.
Для дополнительного повышения экономичности ТЭК согласно п.3 предлагается в воздухораспределительном устройстве горячего воздуха, выполненном из труб, равномерно расположить вдоль их осей ряды отверстий и сопл и направить их поперек или спутно потоку холодного воздуха, причем их шаг и размер в первых рядах принять большим, чем в последующих. При этом первые струи горячего воздуха, имеющие больший диаметр, проникнут глубже, а последующие проникнут ближе к отверстиям, поэтому горячий воздух сможет равномерно распределиться в потоке холодного воздуха, и потоки быстро перемешаются. Струи не зажмут проходное сечение и не создадут высокого аэродинамического сопротивления в камере смешения, а при спутной подаче струй будут эжектировать холодный воздух и создавать движущий напор с экономией энергии на подачу вентиляционного воздуха.
В пунктах пп.4-6 предложены дополнительные технические решения, направленные на повышение надежности работы ВП и увеличение эффективности передачи тепла от ДГ к нагреваемому воздуху в ВП. Так согласно п.4 предложено по меньшей мере первую ступень ВП выполнить из жаростойкой стали, установить внутри труб турбулизирующие вставки и подать в эти трубы подогреваемый воздух по прямоточной или перекрестно прямоточной схеме. Это обеспечит более эффективную теплоотдачу к воздуху за счет турбулизации потока и за счет передачи теплового излучения от труб на вставки, повысит надежность работы ВП и экономичность, так как снизит необходимый расход рециркуляции ДГ из-за возможности повышения температуры ДГ за теплогенератором. При этом включение первых ступеней согласно пп. 4 и 5 по перекрестно прямоточной или прямоточной схеме с движением воздух внутри труб дает дополнительное снижение температуры труб ВП и трубной доски за счет подвода холодного воздуха через трубную доску в зоне ввода горячих ДГ либо снижение расхода рециркуляции ДГ.
Усовершенствование последних ступеней ВП, п.5 и 6, направлено на их защиту от низкотемпературной коррозии и забивания трубок ВП золой, а также на повышение экономичности ТЭК за счет глубокого охлаждения уходящих ДГ. При этом последние ступени ВП выполнены по противоточно перекрестной схеме, обеспечивая максимальный температурный напор с интенсивной теплопередачей. Внутри труб движутся ДГ, что минимизирует забивание трубок ВП золой, повышая надежность работы ТЭК. Дополнительно надежность ТЭК повышается, п.6, при установке в конце ВП быстро заменяемого сменного куба. При этом включение сменного куба по каскадной схеме (А.П. Ковалев и др. Парогенераторы. Рис. 17.14г. стр.207) с присадкой горячего воздуха в сменный куб повышает температуру стенки его труб выше температуры конденсации соединений серы и соответственно обеспечивает надежную работу ВП и ТЭК без низкотемпературной коррозии.
Дополнительно предложены технические решения выполнения по меньшей мере части стен, потолочных перекрытий и теплонапряженных элементов теплогенератора и топочного устройства в виде охлаждаемых воздухом, в пп.7 и 8, или теплоносителем, в п.9, труб и/или экранов, которые объединены с конструкцией каркаса теплогенератора и на них со стороны высокотемпературной среды закреплена обмуровка, например, по ошиповке нанесена торкрет масса или на шпильках закреплены кирпичи и/либо блоки, а с наружной стороны установлены слой теплоизоляции и декоративная обшивка. При том за счет внутреннего охлаждения размер и вес обмуровки снижаются, а её прочность и надежность повышаются. При этом воспринятое тепло используется для подогрева воздуха или передается теплоносителем по контурам циркуляции для внешнего теплоснабжения и в калориферы, которые установлены на входе в последнюю ступень воздухоподогревателя и в воздухоподводящих патрубках вентиляторов. Шпильки предлагается, п.8, выполнить охлаждаемыми воздухом, в виде трубок, вваренных в трубы или экраны, что дополнительно повышает надежность работы ТЭК.
В итоге предложенный комплекс технических решений обеспечивает заявляемые повышение экономичности, экологических характеристик, надежности конструкции, а также эффективности использования ТЭК.
Изобретение поясняется на фиг.1 общей схемой ТЭК с продольным разрезом теплогенератора, выполненного в варианте вихревой топки со слоевым топочным устройством с колосниковой цепной решеткой прямого хода и вариантом выполнения стены топки теплогенератора с блоками обмуровки, закрепляемыми охлаждаемыми воздухом шпильками, фиг.2.
ТЭК является сложным комплексом и включает, фиг.1, теплогенератор 1, тракты 2 горячего воздуха, вентилятор 3 горячего воздуха, ВП и воздухораспределительное устройство 4, размещенное в камере 5 смешения холодного и горячего воздуха. ВП включает горячие ступени 6, 7 ВП и последнюю ступень 8 ВП со съёмным кубом 9. Ступени 6-8 ВП и съёмный куб 9 подключены к теплогенератору 1, причем последовательно по потоку ДГ, а по потоку воздуха по параллельной схеме. При этом первая ступень 6 выполнена из жаростойкой стали и включена по перекрестно прямоточной схеме с охлаждением воздухом первых трубных досок на входе в ВП. Кроме того, воздух движется внутри труб, а трубы расположены горизонтально, и частицы золы не скапливаются на трубных досках первых ступеней 6, 7 ВП. Последняя ступень 8 ВП со сменным кубом 9 включена по противоточно перекрестной схеме, внутри труб движутся ДГ, при этом сменный куб 9 включен по каскадной схеме, и через него проходит только часть холодного воздуха. Трактом 10 ДГ через золоуловитель 11 и дымосос 12 ВП соединен с дымовой трубой 13. Кроме того, ТЭК имеет тракт рециркуляции 14 охлажденных ДГ, подключенный к воздухозаборным патрубкам 15 дутьевых вентиляторов 16 теплогенератора 1.
Теплогенератор 1 имеет камеру сгорания 17 и камеру дожигания 18, сообщающиеся через газоотводящее окно 19, одно или два, выполненные в виде кольцевого сопла 20 для подачи дожигающего вторичного дутья, и соединительные газоходы 21, условно показанные пунктиром. Потолки и стены 22 этих камер образованы обмуровкой, например, кладкой из огнеупорного кирпича. В камере сгорания 17 расположены сопла вторичного дутья 23, установленные тангенциально по отношению к условному телу вращения формируемого вихря, который условно показан стрелками 24, и слоевое топочное устройство, в данном случае топка прямого хода 25 с бункером угля 26 и дутьевыми зонами 27 под горящий слой 28 угля. При этом продольная ось топки 25 расположена перпендикулярно оси вихря 24. Дутьевые зоны 27, сопла вторичного дутья 23 и кольцевые сопла 20 подключены к дутьевым вентиляторам 16. На выходе топка 25 подключена к тракту выгрузки золы 29.
Потолки и стены 22 камер сгорания 17 и дожигания 18 могут быть полностью или частично выполнены из топочных экранов 30, которые трубопроводами 31 соединены с насосом 32 подачи теплоносителя (антифриза), внешним потребителем тепла 33 и калорифером 34. Калорифер 34 по воздуху подключен к входам в последнюю ступень 8 ВП и в сменный куб 9, причем вместе с каналом 35 присадки горячего воздуха.
На фиг.2 показана схема варианта выполнения потолка и стен 22 из блоков 36 обмуровки, закрепляемых охлаждаемыми воздухом шпильками 37 с замками 38 на охлаждаемых воздухом трубах 39 с внешней теплоизоляцией 40 и декоративной обшивкой 41 теплогенератора 1.
При работе ТЭК в теплогенераторе 1 сжигается дробленый уголь или углесодержащие отходы шахты, что экономически и экологически гораздо эффективнее, чем сжигание угля, причем с организацией низкотемпературного топочного процесса при 800-1000°С за счет рециркуляции охлажденных ДГ по тракту их рециркуляции 14 и получением горячих ДГ. ДГ последовательно охлаждаются сначала от 800-1000°С до 500-530°С в горячих прямоточно-перекрестных ступенях 6, 7 ВП, которые для повышения надежности могут выполняться из жаростойкой стали, с движением воздуха внутри труб и охлаждением им труб и первой трубной доски в ступенях 6, 7 ВП до безопасной температуры по условию работы металла ВП. Далее ДГ охлаждаются при безопасной по условию работы черного металла ВП температуре от 500-530°С до 120-80°С в последней ступени 8 ВП и съёмном кубе 9. При этом их включение по противоточно-перекрестной схеме обеспечивает высокий температурный напор, глубокое охлаждение ДГ и соответственно высокую экономичность ТЭК.
Важным моментом в работе ВП является защита его от низкотемпературной коррозии. Здесь через сменный куб 9 проходит только часть холодного воздуха, в его входной патрубок по каналу присадки 35 подается немного горячего воздуха, и входящий холодный воздух ещё может подогреваться циркулирующим антифризом в калорифере 34. Эти меры надежно защищают сменный куб 9 и тем более ВП от низкотемпературной коррозии, и, кроме того, сменный куб 9 может быть быстро заменен. В итоге предлагаемая конструкция ВП может использовать горячие ДГ с температурой 800-1000°С, глубоко их охлаждая, работает надежно и экономично.
Нагретый воздух по тракту 2 горячего воздуха нагнетается вентилятором 3 горячего воздуха, через ВП и через ряды отверстий воздухораспределительного устройства 4 вдувается в поток холодного воздуха в камере смешения 5 отдельными струями, поэтому быстро перемешивается с ним и подается в ствол шахты для её вентиляции.
Охлажденные ДГ из съёмного куба 9 ВП по тракту 10 ДГ поступают в золоуловитель 11. Здесь ДГ проходят санитарную очистку, дымососом 12 сбрасываются по дымовой трубе 13 и рассеиваются в атмосфере. Кроме того, часть охлажденных ДГ по тракту рециркуляции 14 возвращается и совместно с первичным и вторичным воздухом горения, поступающим через воздухозаборные патрубки 15, подается дутьевыми вентиляторами 16 в теплогенератор 1 для участия в топочном процессе, снижая его температуру и эмиссию оксидов азота.
При работе теплогенератора 1 уголь или горючие отходы шахты выгружаются из бункера угля 26 подвижным колосниковым полотном топки прямого хода 25 в камеру сгорания 17 в виде слоя 28. Здесь слой 28 топлива воспламеняется и сгорает, проходя над дутьевыми зонами 27 в потоке первичного дутья, а очаговые остатки удаляются по тракту выгрузки золы 29. Над слоем 28 топочный процесс осуществляется в камерах сгорания 17 и дожигания 18, которые сообщаются между собой через газоотводящее окно 19, одно или два, выполненные в виде кольцевого сопла 20, и горение распространяется между камерами через соединительные газоходы 21. При этом тангенциально направленное вторичное дутьё, поступающее через сопла вторичного дутья 23, формирует в камере сгорания 17 вихрь, условно показанный стрелками 24, с осью, проходящей через газоотводящее окно 19, и этим поддерживается активная аэродинамика и интенсивное горение над слоем 28. Выход в газоотводящее окно 19 сопровождается сжатием вихря, ускорением его вращения и очисткой уходящего потока от частиц с их отбрасыванием и удержанием в камере 17 сгорания. Здесь горящие частицы попадают в зону встречного дутья, подаваемого с закруткой через кольцевое сопло 20, и быстро догорают. В итоге повышается экономичность ТЭК, так как достигается более полное сжигание топлива и возможно применение дешевой угольной мелочи, а очистка ДГ в газоотводящее окно 19 от частиц защищает ВП и другие элементы от износа и повышает надежность работы ТЭК.
Потолки и стены 22 камер сгорания 17 и дожигания 18 могут быть неохлаждаемыми. Для поддержания требуемого уровня температур 800-1000°С по условию работы без шлакования стен 22 теплогенератора 1 и без недопустимого перегрева металла ВП в дутьевые вентиляторы 16 совместно с воздухом подают рециркуляцию охлажденных ДГ. ДГ в необходимой пропорции подаются с воздухом под слой 28 и в камеру сгорания 17 через сопла вторичного дутья 23 и 20, они охлаждают и поддерживают в теплогенераторе 1 низкотемпературный, экологически эффективный топочный процесс примерно с таким же уровнем температур, 800-1000°С, который нужен для ВП.
Более надежно работают потолки и стены 22 камер сгорания 17 и дожигания 18, если они полностью или частично выполнены обмуровкой, закрепленной на топочных экранах 30, и через них по трубопроводам 31 насосом 32 прокачивается теплоноситель. Теплоноситель передает воспринятое тепло внешнему потребителю тепла 33, что повышает надежность и эффективность использования ТЭК за счет расширения круга его применения. Независимая, надежная работа ТЭК от нагрузки внешнего потребителя тепла 33 обеспечивается сбросом избытка тепла в поступающий холодный воздух в калорифере 34. Дополнительно надежность работы калорифера 34 и ВНУ повышается при использовании антифриза.
В другом варианте, фиг.2, может быть использована также надежно работающая, но более простая и без протечек жидкости схема выполнения потолка и стен 22 из блоков 36 обмуровки. Эти блоки закрепляются охлаждаемыми проходящим через них воздухом шпильками 37 с замками 38. Шпильки 37 приварены к охлаждаемым воздухом трубам 39, а с внешней стороны устанавливается теплоизоляция 40 и декоративная обшивка 41, которые снижают потери тепла теплогенератором 1. Воспринятое трубами 39 тепло используется для подогрева воздуха.