УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Техническое решение относится к установкам для сжигания водоугольного топлива, которым по своим теплотехническим характеристикам является низкосортным энергетическим топливом из-за большого содержания воды. К таким установкам относятся котельные установки, топочные устройства и других энерго-теплогенерирующих установки, эксплуатируемые с обеспечением соблюдения предъявляемых к процессу сжигания экологических требований. При этом, указанные установки могут быть использованы также и для утилизации на них вредных отходов различных производств, добавляемых на различных этапах сжигания топлива, обладающего низкой реакционной способностью, взрыво- и пожаробезопасностью и, по этим причинам, нуждающегося в системе стабилизации в них процесса горения.
Известна установка для подачи угольного жидкого топлив в топку котла, включающая расходный бак, винтовой насос, пневмотранспортный трубопровод в который включен участок нагревательного ребристого трубопровода, расположенного в канале отвода дымовых газов, обеспечивающего перевод воды, содержащейся в угольном топливе в пар, и форсунку. Установка работает следующим образом. Из расходного бака с помощью винтового насоса ВУТ подают в начальный участок пневмотранспортного трубопровода, в который также вводится сжатый воздух. Образующуюся трехфазную смесь: угольный порошок + вода + сжатый воздух по пневмотранспортному трубопроводу пропускают через
участок нагревательного ребристого трубопровода, расположенного в канале отвода дымовых газов, обеспечивающих перевод воды в пар. После чего двухфазная смесь: угольный порошок + газ, включающий пар и сжатый воздух, через форсунку в виде аэрозоля с температурой 100-200°С подается на раскаленную поверхность инертного кипящего слоя (RU №2199060, 2001 г.).
Недостатком известного технического решения является низкая эффективность, связанная с повышенным образованием вредных выбросов, необходимостью при его реализации постоянного постороннего подвода тепловой энергии к кипящему слою инертного наполнителя и низкая теплонапряженность, поскольку через форсунки подают смесь угольного порошка и паровоздушной смеси, поверхности кипящего слоя достигнут только наиболее крупные частицы угольного порошка. Как правило, минимальный размер частиц угольного порошка (угля), используемого в топках кипящего слоя такой, что большая часть угольного порошка должна сгореть в виде пылеугольного факела, не достигнув поверхности кипящего слоя. По эти причинам, использование данной установки не обеспечивает снижение вредных выбросов по сравнению с факельным сжиганием пылевидного угля, поскольку приводит к выбросам оксидов азота, сравнимым с факельным сжиганием угля. Содержание частиц угля крупных классов 1-2 мм в ВУТ недостаточно для обеспечения автотермического режима кипящего слоя на уровне температур 800°-950°С, которые необходимы для устойчивой работы котельной установки. В связи с этим необходим постоянный подвод тепла к кипящему слою, не предусмотренный в известном устройстве. Низкая теплонапряженность топки низкотемпературного кипящего слоя (НТКС) также ограничивает возможности протекающего в ней процесса, возможность эффективной организации значительного теплосъема в котором от продуктов сгорания с температурой немного выше температуры росы 100°-150°С (в зависимости
от содержания серы в ВУТ) для превращения воды, входящей в состав ВУТ, в пар.
Известно топочное устройство - установка для сжигания водоугольного топлива, включающее расходный бак, винтовой насос, пневмотранспортный трубопровод и форсунку подачу ВУТ. Установка работает следующим образом. Из расходного бака с помощью винтового насоса ВУТ подают в пневмотранспортного трубопровод, в который также вводится сжатый воздух. Образующуюся трехфазную смесь: угольный порошек + вода + сжатый воздух по пневмотранспортному трубопроводу через форсунки в виде аэрозоля подают на площадь горения, образованной установленной в основании топки сопловой камерой, с подводом воздуха, на которую насыпан слой крупнозернистого песка (RU №2151953, 1999 г.).
Недостатком известного топочного устройства является его низкая технологичность, экономичность и низкая теплонапряженность топки. Низкая технологичность связана с тем, что из-за сжимаемости воздуха подача трехфазной смеси будет носить пульсирующий характер, что приведет к широкому спектру дисперсности капель ВУТ. В результате этого, очень крупные капли ВУТ, попадающие в кипящий слой, при сгорании превращаются в крупные зольные образования, в которых имеет место механический недожог угля, что снижает экономическую эффективность известного способа. Мельчайшие капли ВУТ не достигают слоя инертного наполнителя из-за высоких скоростей подачи нагретого воздуха, обеспечивающего "кипение″ инертного наполнителя, а выносятся потоком продуктов сгорания за пределы кипящего слоя и топочного объема, что также снижает экономичность известного способа. Низкая теплонапряженность топки НТКС также ограничивает возможности известного устройства.
По своей технической сущности наиболее близким к заявляемой установке является установка для сжигания водоугольного топлива,
включающая топку слоевого сжигания дробленого угля, расходный бак водоугольного топлива, насос, горелки с форсунками водоугольного топлива, устройство подогрева дутьевого воздуха дымовыми газами, устройство разделения его на два потока, устройство подачи одной части потока под колосниковую (воздухораспределительную) решетку, устройство подачи другой части в горелки (Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И. и др. Современное состояние мирового производства и использования водоугольного топлива. М.: Недра. 2001. 184 с.).
Данная установка работает следующим образом. В стандартной слоевой топке сжигают дробленый уголь. Из резервуара водоугольное топливо насосом подают на форсунки, распыливающие его над слоем горящего угля. После подогрева дутьевого воздуха дымовыми газами его разделяют на две части. Одну часть направляют под колосниковую (воздухораспределительную) решетку для слоевого сжигания угля, а другую часть подают в виде вихревого факела для факельного сжигания водоугольного топлива, распыленного в виде вихревого факела, в топочное пространство над решеткой слоевого сжигания.
Недостатком известного технического решения является его низкая экономическая эффективность и техническая сложность организации процесса топливоподачи. Это связано с тем, что, хотя при комбинированном факельном сжигании ВУТ и слоевом сжигании угля, механический недожог угля при слоевом сжигании снижается примерно вдвое и составляет около 20%, тем не менее он значительно превосходит величины мехнедожога при сжигании пылевидного угля или факельном сжигании ВУТ, которые измеряются несколькими процентами. Поэтому, если рассматривать эффективность установки в целом, то она не обеспечивает необходимого суммарного снижения мехнедожога. Сложность технологической схемы организации процесса сжигания в установке связана с использованием двух
вида топлива - твердого угля, подаваемого на слоевое сжигание, и жидкого - ВУТ.
Задачей настоящего технического решения является создание установки для сжигания водоугольного, топлива, обеспечивающей повышение технической эффективности и экономичности процесса его сжигания в теплоэнергетических установках, например, котельных установках малой (от 0,5 МВт) и средней мощности (до 30 МВт), в которых по конструктивным соображениям допустимо использование только одной топки НТКС путем обеспечения стабилизации горения.
Поставленная задача достигается тем, что в установке для сжигания водоугольного топлива, включающей топочную камеру с форсунками факельного сжигания водоугольного топлива, с воздухораспределительной решеткой для сжигания топлива, расходный бак водоугольного топлива, сообщенный трубопроводом с форсунками факельного сжигания, теплообменник для подогрева дымовыми газами дутьевого воздуха, сообщенный с трубопроводом подачи одной части нагретого дутьевого воздуха в форсунки факельного сжигания, а другой - под воздухораспределительную решетку, - топочная камера дополнительно снабжена сообщенными трубопроводом с расходным баком водоугольного топлива форсунками подачи водоугольного топлива на и/или в образованный на воздухораспределительной решетке низкотемпературный кипящий слой инертного материала в количестве, составляющем 15-35% от общего расхода водоугольного топлива, и форсунками тангенциальной подачи дополнительного воздуха при работе установки в установившемся режиме, а трубопроводы подачи дутьевого воздуха выполнены с регулирующими устройствами для обеспечения при сжигании водоугольного топлива теплового режима с газификацией или теплового режима сжигания.
При этом, регулирующие устройства выполнены с возможностью обеспечения подачи дутьевого воздуха в форсунки факельного сжигания с
коэффициентом избытка 1,2-1,3, а в низкотемпературный кипящий слой - с коэффициентом избытка 1,1-2,5 при тепловом режиме сжигания или с коэффициентом избытка 0,4-0,9 при тепловом режиме с газификацией. Кроме того, при горизонтальной компоновке топочной камеры, форсунки факельного сжигания водоугольного топлива смонтированы с возможностью распыливания его в горизонтальном направлении, параллельно поверхности низкотемпературного кипящего слоя, а при вертикальной компоновке топочной камеры, форсунки факельного сжигания водоугольного топлива смонтированы с возможностью распыливания его сверху вниз в направление центра низкотемпературного кипящего слоя.
Использование в качестве горящего слоя топлива низкотемпературного кипящего слоя инертного материала с использованием в качестве топлива ВУТ позволяет отказаться от второго стабилизационного вида топлива, в прототипе - угля при слоевом сжигании. Это упрощает систему топливоподачи и повышает экономическую эффективность устройства, поскольку мехнедожог при сжигании топлив в топках низкотемпературного кипящего слоя с отводом из слоя зольных остатков не превышает одного процента. При сжигании ВУТ, приготовленного из высокозольных углей с зольностью выше 20-30% (в зависимости от марки угля), это достигается за счет того, что образующиеся из капель ВУТ прочные зольные остатки при достаточном времени пребывания в НТКС практически полностью дожигаются и принудительно выводятся из него. При сжигании же малозольного ВУТ несмотря на то, что из-за малой механической прочности зольные остатки истираются и выносятся из слоя с продуктами сгорания или горючими газами, их эффективное дожигание обеспечивается в факеле. Температура низкотемпературного кипящего слоя находится в пределах, определяемых процессом горения угля, входящего в состав водоугольного топлива. При этом, нижнее значение температуры кипящего слоя в НТКС ~800°С определяется условием поддержания скорости горения капель ВУТ на
уровне, достаточном для полного выгорания органической части топлива в течение времени его пребывания в НТКС и топочном объеме котла. Верхнее значение температуры кипящего слоя в НТКС должно быть на 50° градусов ниже минимальной температуры плавления минеральной части угля (в зависимости от марки угля - от 1000°С), что предотвращает слипание зольных частиц как в НТКС, так и в топочном объеме котла.
Подача водоугольного топлива в низкотемпературный кипящий слой составляет от 15-20% до 30-35% от общего расхода ВУТ. Минимальные значения указанных пределов относятся к ВУТ, приготовленным из низкозольных углей с максимальной теплотой сгорания ВУТ (31-28 МДж/кг). Максимальные значения указанных пределов - к ВУТ, приготовленным из высокозольных углей с низкой теплотой сгорания (18-15 МДж/кг). Величина минимальной подачи ВУТ в НТКС определяется из условия поддержания стабильного режима горения в НТКС при обеспечении минимальной теплопроизводительности котла. На этих режимах подачи НТКС может работать автономно, без факельной подачи ВУТ при минимальной теплопроизводительности. При дополнительной подаче ВУТ на факельное сжигание теплопроизводительность возрастает до 100%, то есть обеспечивается возможность широкой регулировки мощности котельной установки.
2
2
2
2
2
Топки низкотемпературного кипящего слоя позволяют варьировать режимы сжигания ВУТ. Так, при коэффициенте избытка воздуха а равном или выше единицы (например, α=1.1-2.5), сжигание ВУТ происходит с образованием продуктов сгорания в виде НО и СО. В этом случае воздействие продуктов сгорания НТКС на факел связано, в основном, с тепловым воздействием - нагревом среды, в которой происходит факельное сжигание ВУТ. При коэффициенте избытка воздуха меньшем единицы (α=0,4-0.9), в режиме газификации топлива, в состав продуктов сгорания НТКС наряду с НО и СО. входят Н и СО, в результате чего, газовая среда имеет
2
2
2
полувосстановительный характер. В этом случае воздействие продуктов сгорания НТКС на факел связано как с тепловым воздействием - нагревом среды, в которой происходит факельное сжигание ВУТ - так и с дожиганием H и СО до НО и СО в зоне воспламенения факела, что приводит к дополнительному тепловыделению, а значит и возрастанию температуры в зоне воспламенения факела ВУТ, способствуя его интенсификации, стабилизации и устойчивой работе топки.
При горизонтальной компоновке котла распыливание ВУТ в плоскости, параллельной горизонтальной поверхности НТКС, обеспечивает наибольшее время пребывания диспергированных капель ВУТ в высокотемпературной зоне НТКС.
При вертикальной компоновке котла подача части ВУТ на факельное сжигание сверху вниз в направлении центра НТКС обеспечивает движение капель распыленного ВУТ по спирали вначале в направлении НТКС, а затем от него. Это примерно вдвое увеличивает интервал времени нахождения капель ВУТ в топочном объеме котла, улучшает условия горения капель ВУТ и способствует стабилизации процесса факельного горения ВУТ.
На Фиг.1 изображена одна из возможных технологических схем котельной установки для сжигания водоугольного топлива.
Котельная установка содержит расходный бак (резервуар) водоугольного топлива 1, топочную камеру 2, топку кипящего слоя 3 инертного материала (на чертеже не показан), форсунки кипящего слоя 4, форсунки факельного сжигания 5, устройства тангенциального подвода воздуха 6, трубопровод подачи воздуха в форсунки кипящего слоя 7, трубопровод подачи распыливающего воздуха в форсунки факельного сжигания 8, трубопровод подачи воздуха в топку кипящего слоя 9, воздухоподогреватель - теплообменник 10, трубопроводы 11-13 подачи водоугольного топлива, трубопровод 14 тангенциальной подачи воздуха и трубопровод 15 общей подачи воздуха и трубопровод 16 удаления
продуктов сгорания. Регулирующие устройства для обеспечения подачи дутьевого воздуха в форсунки с различным, заранее установленным коэффициентом избытка, могут быть выполнены в виде промышленных вентилей, оттарированных и проградуированных применительно к конкретной установке сжигания
Установка работает следующим образом.
ВУТ из расходного бака 1 подают в трубопровод 11, разделяют на два потока, один подают к форсункам кипящего слоя 4, а другой к факельным форсункам 5. Первоначальный розжиг топки кипящего слоя 3 производят с помощью, например, дизельного топлива. Воздух, подаваемый на распыливание, в топку кипящего слоя и на факельное сжигание, нагревают в теплообменнике 10 продуктами сгорания, выходящими из объема топочной камеры 2 после охлаждения в конвективной части котла по трубопроводу 16. Часть подогретого в воздухоподогревателе 10 воздуха с помощью трубопровода 9 направляют под воздухораспределительную решетку топки кипящего слоя 3. После выхода топки кипящего слоя 3 на установившийся тепловой режим, в соответствии с заданным режимом, водоугольное топливо подают на форсунки факельного сжигания 5 и по трубопроводу 14 в топочную камеру 2 тангенциально подают дополнительное количество нагретого воздуха.
Конкретные расходы ВУТ и воздуха, подаваемых в НТКС, определяют в результате теплового расчета НТКС, при условии, что температура НТКС находится в пределах 800°-950°С.
В таблице 1 представлены параметры работы экспериментальной топки НТКС в различных режимах - тепловом режиме и режиме с газификацией. ВУТ с теплотой сгорания 13.4 МДж/кг (3200 ккал\кг) приготовлено из отходов углеобогащения Кузнецкого угля марки СС.
Таблица 1
режимпараметр
Тепловой
Тепловой с газификацией
G<sub>ВУТ</sub>, кг/ч
24
36
66
93
α<sub>нткс</sub>
1.8
1.7
0.7
0.5
T<sub>нткс,</sub> °С
920
ВУТ
Здесь: G кг/ч - расход топлива
нткс
α - коэффициент избытка воздуха
нткс
Т,°С - температура в слое
Предложенная установка сжигания водоугольного топлива была экспериментально опробована на котле КВР - 0.8 теплопроизводительностью 0,8 МВт на опытном полигоне ФГУП НПО "Гидротрубопровод″ и успешно подтвердила возможность ее работы.
Пример реализации.
В Таблице 2 приведены результаты выполненных испытаний.
Таблица 2
режимпараметр
Тепловой
Тепловой с газификацией
G<sub>нткс</sub>, кг/c
25
70
G<sub>фак</sub>, кг/c
60
250
β
0.29
0.22
α<sub>нткс</sub>
1.8
0.6
α<sub>фак</sub>
1.3
1.2
Т<sub>нткс, </sub>°С
900
900
Т<sub>фак, </sub>°С
1100
1250
Здесь:
нткс
фак
G, G - расходы ВУТ через НТКС и при факельной подаче;
нткс
нткс
фак
β=G/(G+G) - доля топлива, подаваемого в НТКС.
нткс
фак
α и α - коэффициенты избытка воздуха в НТКС и факельной подаче;
нткс
фак
Т и Т - температура в НТКС и факеле.
Подогрев дутьевого воздуха производился в теплообменнике дымовыми газами. Температура дутьевого воздуха в обоих случаях составляла 150°С. Нагретый воздух разделялся на два потока. Расход воздуха, направляемого в НТКС, составил на обоих режимах 0.063 кг/с, при этом удельный расход воздуха составил 9.0 кг на 1 кг ВУТ в тепловом режиме и 3.3 кг на 1 кг ВУТ в режиме газификации. Расход воздуха, направляемого на факел, составил 0.091 кг/с (при суммарном расходе воздуха в факеле 0.154 кг/с) - в тепловом режиме, и 0.471 кг/с (при суммарном расходе воздуха в факеле 0.534 кг/с) - в режиме с газификацией.
2
Водоугольное топливо было приготовлено из угля марки "Г″ Кузнецкого бассейна, с содержанием твердой фазы в ВУТ - 57% и температурой начала плавления золо-шлаковых отходов 1170°С. В качестве инертного материала использовался речной песок размером до 1.6 мм. Площадь поверхности НТКС составляла 0,25 м. Диспергированное с помощью воздуха в виде капель водоугольное топливо через форсунки подавалось в топку НТКС рассредоточено по площади кипящего слоя инертного материала,
Из приведенных в Таблице 2 данных следует, что на тепловом режиме температура в факеле поддерживается на невысоком уровне, не превышая температуру плавления золы для данного угля, что дает возможность работы факельной топки без шлакования на ВУТ из углей с легкоплавкой золой. При этом в тепловом режиме с газификацией температура в факеле поддерживается на более высоком уровне, что способствует стабилизации горения ВУТ. Поэтому режимы сжигания с газификацией предпочтительны для ВУТ с большим содержание воды, большей зольностью и тугоплавкостью золы и/или углем с малым содержанием летучих типа антрацита, полуантрацита и каменных углей марки Т.
Установку для сжигания ВУТ целесообразно применять на котлах малой (от 0,5 МВт) и средней мощности (до 30 МВт), в которых по конструктивным соображениям допустимо использование только одной топки НТКС.