Котлоагрегат
BOILER UNIT

Изобретение относится к энергетике и касается котлоагрегатов, включая их системы подготовки топлива (СПТ) к сжиганию, и может использоваться в энергетических и промышленных котлах, в том числе при их переводе на нерасчетное топливо, низкосортные местные топлива и при вовлечении в топливный баланс отходов, включая твердые коммунальные (ТКО).
Известен экономичный котлоагрегат с разомкнутой СПТ [Хзмалян Д.М., Коган Я.А. Теория горения и топочные устройства. М.: Энергия, 1978. Рис. 14.4]. Пары влаги топлива не поступают в котел, не балластируют газоходы и дымосос, интенсивность топочных процессов усиливается, так как температуры в топке, адиабатическая и факела, повышаются. Недостатком этих СПТ является низкая экономичность и неприспособленность для сжигания ТКО и других отходов, кроме того котлы имеют сложные системы регулирования температуры перегрева пара.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, которое выбрано прототипом, является котлоагрегат, имеющий СПТ [Патент РФ №1273680, F23K 1/00] с системой утилизации тепла паров влаги, соединенной сбросным трубопроводом с топкой котла. В этой СПТ в качестве теплоносителя используются твердые магнитные частицы. Слой этих частиц загружается на движущийся транспортер сеточного типа и нагревается за счет продувания дымовых газов. Далее нагретые частицы смешиваются во вращающемся барабане с потоком топлива и сушат его. Благодаря отсутствию разбавления газами пары влаги топлива имеют высокую температуру конденсации, до 80-90°С, соответственно теплоту конденсации паров топлива можно легко использовать, что повышает экономичность котла. В конце цикла частицы теплоносителя отделяются магнитом и транспортером возвращаются на прогрев.
Недостатками данной СПТ является сложность конструкции и трудность организации процессов нагрева путем смешивания частиц теплоносителя и топлива и последующего выделения частиц теплоносителя, неприспособленность для сжигания отходов, в том числе ТКО. Кроме того, котлы имеют сложные системы регулирования температуры перегрева пара.
Целью изобретения и решаемой технической задачей являются:
- упрощение СПТ и системы регулирования температуры перегрева пара;
- упрощение организации процессов термической переработки топлив;
- возможность подготовки и сжигания в котлоагрегате отходов, включая ТКО.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в том, что в имеющем СПТ котлоагрегате, которая включает устройство термообработки, подключенное к бункеру топлива, системе переработки топлива и системе утилизации тепла паров влаги, соединенной сбросным трубопроводом с топкой котла, по данному изобретению предлагается устройство термообработки выполнить в виде секций транспортера с обогревающими рубашками, соединяющих бункер топлива с системой переработки топлива, причем обогревающие рубашки этих секций предлагается включить в контур циркуляции высокотемпературного теплоносителя (ВТ) котла по противоточной схеме.
В предлагаемой схеме тепло подводится из котла по контуру циркуляции потоком ВТ и передается топливу через стенки обогревающих рубашек без прямого контакта. В итоге используется простое устройство, выполненное в виде обогреваемых секций транспортера, и в нем проводится термическая переработка топлив, причем при простой противоточной схеме организации процессов с одновременным транспортом топлива. Применение ВТ, а не пароводяной смеси, имеющейся в котле, также упрощает конструкцию СПТ. ВТ применяются при температурах 300°С и выше, но в отличие от пароводяной смеси [Бажин П.И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989. С. 98 и табл. 1.38] они работают при близком к атмосферному давлении, а не при давлении свыше 9МПа и более, необходимом для пароводяной смеси с такой температурой. Соответственно, трубопроводы и устройства термообработки не требуют прочного, металлоемкого исполнения.
Предлагаемое в п. 2 применение в контуре циркуляции теплообменников подогрева питательной воды, пара и воздуха обогреваемых ВТ обеспечивает более стабильную работу контура циркуляции ВТ и котла, так как позволяет эффективно и просто регулировать температуру перегрева пара и топочный процесс. Так, при заполнении бункера готовым топливом нужно отключать СПТ и соответственно нагрузку контура циркуляции ВТ, что недопустимо из-за перегрева ВТ и нарушает стабильную работу котла. Подогрев теплом ВТ питательной воды в теплообменнике на входе в котел увеличивает паропроизводительность котла и снижает перегрев пара, а подогрев пара в теплообменнике с ВТ на входе в пароперегреватель увеличивает температуру перегрева пара. В итоге это обеспечивает простое регулирование перегрева пара и стабилизирует нагрузку контура циркуляции ВТ. Включение подогрева воздуха также будет компенсировать снижение и отключение нагрузки СПТ и повышать скорость горения за счет роста температуры в топке котла из-за увеличения подогрева дутья.
Технические решения, отраженные в п. 3 - п. 6, конкретизируют конструкцию секций транспортера. В качестве транспортеров предложено использовать один или несколько шнеков, размещаемых в полости обогревающей рубашки и установленных параллельно, причем с разными направлениями вращения и транспортирования угля. В случае с несколькими шнеками, п. 4, термообработка будет более эффективной, так как сопровождается интенсивным перемешиванием и дроблением встречных потоков топлива.
В п. 5, п. 6 предложено применять секции транспортера скребкового типа, размещенные в полостях обогревающей рубашки. При этом рассмотрены транспортеры с круглыми (трубный транспортер) или с наиболее применяемые прямоугольными рабочими сечениями, причем для термообработки предлагается использовать и прямую и обратную линии, обеспечивая удобную компоновку оборудования в котельной ячейке. В п. 6 предлагается также скребки в транспортере установить поочередно зеркально, с наклоном вправо и влево, а между боковыми стенками и скребками оставить зазоры. В таком варианте скребки при движении не только транспортируют топливо в осевом направлении, но и сдвигают его поочередно вправо и влево с пропуском через зазоры, обеспечивая интенсивное перемешивание движущегося потока топлива. В целом эти дополнительные пункты пп. 3-6 просты и заметно повышают эффективность процессов термообработки.
Дополнительное техническое решение, отраженное в п. 7, с использованием вентилятора циркуляции для переноса тепла парами влаги, подогретых от ВТ в калорифере через секции транспортера, причем противоточно движению топлива и через систему утилизации тепла паров влаги, усиливает интенсивность термообработки за счет переноса тепла конвекцией.
В п. 8 процесс термообработки предложено углубить путем установки дополнительных секций глубокой термообработки, работающих в режиме пиролиза, с выделением неконденсирующихся газов и с их удалением через сбросной трубопровод непосредственно в топку котла. При этом применение режима пиролиза позволяет получить частично разложившийся, хрупкий, легко сортируемый, дробящийся и размалывающийся коксозольный остаток, что упрощает переработку топлива, позволяет готовить и сжигать в котле отходы, включая ТКО с их сортировкой.
Применение технических решений по п. 9 и п. 10 в системах переработки топлива мельниц и дробилок позволяет легко размолоть, а также рассортировать, извлечь металл и раздробить, тем самым подготовить топливо и ТКО соответственно к факельному и слоевому сжиганию в котле.
Таким образом, в сравнении с прототипом [Патент РФ №1273680], предлагаемое изобретение обеспечивает заявляемые упрощения, как собственно конструкции устройства термообработки, так и схемы организации в нем процессов переработки топлив, возможность подготовки к сжиганию в котле отходов, включая ТКО, а также простое регулирование температуры перегрева пара и топочного процесса за счет использования контура с ВТ.
Изобретение иллюстрируется технологическими схемами и разрезами предлагаемых транспортеров в разных вариантах исполнения:
- На фиг. 1 приведена схема котлоагрегата с пылеугольным сжиганием, мельницей и устройством термообработки, выполненным в виде секций транспортера скребкового типа.
- На фиг. 2 приведена схема котлоагрегата со слоевым сжиганием дробленых топлив, в том числе ТКО, и устройством термообработки, выполненным в виде двух секций с транспортером шнекового типа.
- На фиг. 3 схематично показана конструкция секции термообработки, выполненная на основе трех транспортеров шнекового типа.
- На фиг. 4 показана конструкция секции термообработки, выполненная на основе транспортера скребкового типа с прямоугольным сечением.
- На фиг. 5 показана конструкция секции термообработки, выполненная на основе трубного транспортера скребкового типа со скребками, которые установлены поочередно зеркально, с наклоном вправо и влево.
СПТ, фиг. 1 и фиг. 2, входящая в состав котлоагрегата, используется для подготовки топлива к сжиганию в котле 1 и включает устройство термообработки 2, выполненное в виде обогреваемых секции 3 и 4 транспортера. Секции в устройстве термообработки 2 по ходу топлива связаны, например, узлами пересыпки 5 и соединяют бункер топлива 6 с системой переработки топлива 7, которая условно обрамлена пунктиром. При этом первые секции 3 подключены каналом пара 8 к системе утилизации тепла паров влаги топлива, выполненной в виде конденсатора 9 с предвключенным пылеуловителем 10. Конденсатор 9, охлаждаемый сетевой водой, сбросным трубопроводом 11 подключен к топке котла 1. Дополнительные обогреваемые секции 4, фиг. 2, это секции глубокой термообработки. Секции 4 также подключены к топке котла 1, но через свой пылеуловитель 10 сбросным трубопроводом 11, причем напрямую, минуя тракт конденсатора 9, что снижает балластирование потока пара неконденсирующимися газами пиролиза.
Секции 3 и 4 имеют обогревающие рубашки 12, которыми они также последовательно, но противоточно потоку топлива включены в контур циркуляции ВТ, который образован трубопроводами 13, имеет циркуляционный насос 14, поверхность нагрева 15 ВТ и служит для подачи тепла из котла в устройство термообработки 2, а также в калориферы 16, 17. Применение ВТ, а не пароводяной смеси, имеющейся в котле 1, упрощает конструкцию СПТ за счет возможности работы ВТ с низким давлением при высокой температуре, поэтому трубопроводы 13, калориферы 16, 17, секции 3, 4 и устройство термообработки 2 не требуют прочного, металлоемкого исполнения.
Калорифер 16 включен в тракт циркуляции паров влаги каналом 18 через секции 3 и далее через канал пара 8, пылеуловитель 10, конденсатор 9 и вентилятор 19, причем противоточно движению и при прямом контакте с топливом. В схеме с пылеугольным сжиганием, фиг. 1, вентилятор 19 и калорифер 16 параллельно включены каналами 20 в тракт циркуляции сушильного агента через систему переработки топлива 7 с мельницей 21, пылепроводом 22 пневмотранспорта и пылеуловителем 10. При этом тракт подачи топлива в горелку 23 из устройства термообработки 2 включает: течку 24 с мигалкой 25, мельницу 21, пылепровод 22 пневмотранспорта, пылеуловитель 10 и промежуточный бункер 26.
В схеме со слоевым сжиганием дробленых топлив и отходов, на примере ТКО, фиг. 2, могут использоваться дополнительные, работающие в режиме пиролиза секции 4 глубокой термообработки, которые подключены по газам пиролиза через сбросной трубопровод 11 непосредственно к топке котла 1. По потоку топлива секции 3 и 4 через систему переработки топлива 7, которая включает сито 27, металлоуловитель 28 и дробилку 29, подключены к топке котла 1.
Необходимый для сгорания топлива воздух подается по воздуховоду 30 в топку котла 1 вентилятором 31 с подогревом его от ВТ в калорифере 17 и в воздухоподогревателе 32 котла 1.
Конструкция секций 3 и 4, фиг. 3-5, может выполняться на основе различных типов транспортеров с обогреваемой рубашкой 12, например, из одного или нескольких шнеков с приводом 33. На фиг. 3 показаны секции, выполненные на основе трех установленных параллельно шнеков 34 с взаимно встречными направлениями вращения и транспортирования угля, показанными стрелками 35 и 36.
Предложено также использовать секции транспортера скребкового типа с круглым или прямоугольным рабочим сечением, фиг. 4 и фиг. 5, соответственно и скребками 37, установленными на тяговом элементе 38. При этом предлагается скребки 37 установить поочередно зеркально, с наклоном вправо и влево, как показано на фиг. 4, а между боковыми стенками и скребками оставить зазоры для пересыпки топлива по траекториям, показанным стрелками 39. В устройствах термообработки 2, выполненных из транспортеров скребкового типа, фиг. 4 и фиг. 5, для термообработки могут использоваться обе ветви, как показано на фиг. 1, что упрощает конструкцию СПТ.
Котлоагрегат также имеет не указанные, но необходимые для работы системы и устройства, например, питательный насос, дымосос, систему управления и др.
При работе котлоагрегата, фиг. 1 и фиг. 2, СПТ с устройством термообработки 2 используется для подготовки топлива к сжиганию путем термообработки: сушки в обогреваемых секциях 3 и, при необходимости, его пиролиза в дополнительных секциях 4 глубокой термообработки. Термообработка топлива ведется по мере его движения из бункера 6 топлива в систему переработки топлива 7 по секциям 3 и 4, которые последовательно связаны узлами пересыпки 5. Термообработка топлива осуществляется за счет тепла, отводимого циркуляционным насосом 14 из котла 1, от поверхности нагрева 15 ВТ по контуру циркуляции, который образован обогревающими рубашками 12 секций 3, 4, трубопроводами 13 и калориферами 16 и 17. Тепло передается топливу не только через стенки рубашек 12, но термообработка идет и при непосредственном контакте потока топлива с горячими парами влаги. Пары влаги нагреваются от ВТ в калорифере 16 и движутся противоточно топливу по тракту их циркуляции: каналам 18, через секции 3, узлы пересыпки 5, далее через каналы пара 8, пылеуловитель 10, конденсатор 9 и вентилятор 19.
Пары влаги топлива используются также и как сушильный агент в системе переработки топлива 7, обеспечивая ее пожаро-взрывобезопасность при пылеугольном сжигании, фиг. 1. В этой системе вентилятор 19 подает пары влаги топлива из калорифера 16 по каналам 20 через мельницу 21, пылепровод 22 и пылеуловитель 10 в конденсатор 9. При этом в систему переработки топлива 7 из устройства термообработки 2 через течку 24 с мигалкой 25 подается топливо, а из канала 20 нагретые в калорифере 16 пары влаги топлива. Оба потока поступают в мельницу 21, где топливо размалывается в пыль, досушивается и по пылепроводу 22 пневмотранспорта уходит в пылеуловитель 10. Здесь готовая пыль отделяется и через промежуточный бункер 26 и горелку 23 подается на сжигание в котел 1. Пыль сгорает в факеле горелки 23 в потоке дутья, которое подается вентилятором 31 по воздуховодам 30, подогревается в калорифере 17 и воздухоподогревателе 32 котла 1, стабилизируя теплосъемом нагрузку контура циркуляции ВТ и горение факела.
Пары влаги, очищенные от пыли топлива в пылеуловителе 10, отводятся в конденсатор 9. В итоге выделяющийся из топлива при сушке в секциях 3 и мельнице 21 пар циркулирует через конденсатор 9 и здесь полезно отдает тепло на подогрев охлаждающей сетевой воде. Неконденсирующиеся газы по сбросному трубопроводу 11 вместе с избытком пара отводятся в топку котла 1, и этим обеспечивается высокая концентрация пара в конденсаторе 9 и высокая температура его конденсации.
При слоевом сжигании в котле 1 достаточно раздробить сухое топливо в дробилке 29 после его термообработки в секциях 3. Применение пиролиза в секциях 4 по схеме на фиг. 2 позволяет получить частично разложившийся, более хрупкий, легко дробящийся коксозольный остаток и подать его на сжигание в слой, а также выделить и направить газы пиролиза по сбросному трубопроводу 11 на раздельное оптимальное сжигание в топку котла. Работа котлоагрегата по такой технологии позволяет сжигать в котле 1 различные отходы, включая ТКО. При сжигании ТКО предварительно выделяются ненужные фракции путем их сортировки на ситах 27, извлекаются для полезного использования включения металла с помощью металлоуловителей 28, далее ТКО дробятся в дробилке 29 и подаются на сжигание в топку котла 1.
Работа предлагаемых конструкций секций 3 и 4 на основе различных типов транспортеров, фиг. 3-5, несколько отличается. Секции из трех шнеков 34 с общим приводом 33, фиг. 3, и взаимно встречными направлениями вращения и транспортирования угля, показанными стрелками 35 и 36, обеспечивают интенсивное перемешивание, некоторое измельчение топлива, хороший контакт потока угля с горячей рубашкой 12 и более длительную термообработку в сравнении с использованием одного шнека.
В секциях 3 и 4, выполняемых на основе транспортеров скребкового типа, порции топлива продвигаются скребками 37, которые установлены на тяговом элементе 38, фиг. 4. Топливо перемещается в каналах с прямоугольным, фиг. 4, или круглым рабочим сечением, фиг. 5, пересыпается через узлы пересыпки 5, и здесь могут использоваться обе ветви. При установке скребков 37 поочередно зеркально, с наклоном вправо и влево, причем с зазорами между боковыми стенками и скребками, фиг. 4, скребки сдвигают топливо поочередно вправо и влево с пропуском его через зазоры по траекториям, показанным стрелками 39. Это обеспечивает интенсивное перемешивание и хороший контакт топлива с горячей рубашкой 12, повышая интенсивность термообработки.