УСТАНОВКА ДЛЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемое техническое решение относится к установкам для-воспламенения (зажигания) и стабилизации горения низкосортного углеродо-содержащего жидкого топлива, преимущественно, водоугольного топлива или горючих нетоксичных промышленных отходов, используемого в котельных установках, топочных устройствах и других теплогенерирующих установках.
По своим теплотехническим характеристикам, из-за большого содержания воды (30-40%), водоугольные топлива (ВУТ) относятся к низкосортным энергетическим топливам (Белосельский Б.С. Барышев В.И. Низкосортные энергетические топлива: Особенности подготовки к сжиганию. М.: Энерго-атомиздат. 1989. 136 с.). Они обладают низкой реакционной способностью, взрыво- и пожаробезопасны и, по этим причинам, нуждаются в системе розжига (воспламенения) и стабилизации при горении.
Известенна установка, осуществляющая воспламенение и сжигание низкосортного (низкореакционного) угля, основанный на принципе частичной газификации (термообработки) некоторой доли угольной пыли, поступающей в котел, для организации устойчивого дежурного факела на выходе из штатных горелок, воспламенения и стабилизации горения основного пылеугольного факела. В качестве топлива для термоподготовки и стабилизации основного пылеугольного факела используется природный газ. (Волковинский В.А., Толмачев И.Я.,
Сжигание низкосортных углей с предварительной термоподготовкой в вихревой горелке, Теплоэнергетика, 1994, №9, с.42-48).
В этом случае недостатком является необходимость наличия двух видов топлива - основного низкореакционного угля и розжигового, высокореакционного (природного газа). Это усложняет систему топливоподачи, повышает требования к взрыво- и пожаробезопасности теплогенерирующей установки, снижает экономическую эффективность применения низкореакционного топлива, поскольку используемое розжиговое топливо имеет более высокую стоимость, чем основное.
Известна установка для воспламенения (зажигания) и стабилизации горения водоугольного топлива, включающая средства подачи и распыления топлива, розжига и стабилизации его горения с использованием теплоты, получаемой при сжигании дополнительного высокореакционного топлива (мазута, котельно-печного топлива, солярового масла и т.п.) и подогревом дутьевого воздуха. (Некрасов В.Г, Исследование процессов распыливания водоугольных суспензий и форсунок для сжигания их, Автореф. дисс. к.т.н., Алма-Ата. 1972, 16 с.)
Недостатком является необходимость наличия двух видов топлива - основного ВУТ и розжигового (жидкого, природного или другого горючего газа). Это также усложняет систему топливоподачи, повышает требования к взрыво- и пожаробезопасности теплогенерирующей установки, снижает экономическую эффективность применения ВУТ, поскольку используемое розжиговое топливо имеет более высокую стоимость.
Известны устройства воспламенения и сжигания жидкого топлива, преимущественно ВУТ, включающие средства подачи и распыления топлива, розжига и стабилизации его горения с использованием потока термической плазмы, генерируемой электродуговым нагревателем газа (RU №2134841, 1997) или с помощью нагрева токами сверхвысокой частоты (открытый СВЧ-реактор) (RU №2229058, 2002.).
Общими недостатками является усложнение технологической схемы воспламенения и стабилизации и низкая экономической эффективности. Использование
высоковольтных установок в зонах высоких температур (горелках, форкамере), усложняет технологическую схему установки и ее эксплуатацию, повышает требования в части электробезопасности теплогенерирующей установки в целом. Низкая экономическая эффективность способов связана с тем, что тепловая мощность, подводимая, к основному топливу, вырабатывается электродуговым нагревателем газа или СВЧ-реактором за счет электрической энергии, вырабатываемой за счет сжигания части основного топлива. Учитывая, что к.п.д. преобразователей тепла в электроэнергию и наоборот электроэнергии в тепловую энергию существенно меньше единицы, используемая для воспламенения и стабилизации горения ВУТ тепловая энергии значительно ниже фактической тепловой энергия, вырабатываемой для этих целей за счет сжигания основного топлива, что и определяет низкую экономическую эффективность известных способов.
Наиболее близким, по своей технической сущности, является установка для сжигания низкосортного (низкореакционного) угля, содержащая средства для его предварительного подогрева посредством сжигания высокореакционного топлива, в качестве высокореакционного топлива используют высокореакционный уголь, который предварительно разжигают и полученным в результате сгорания теплом воздействуют (прогревают) на низкореакционный уголь, обеспечивая его воспламенение и стабилизацию всего процесса горения. (RU №2119613, 1997.).
Недостатком является необходимость наличия двух видов топлива - основного низкосортного (низкореакционного) и розжигового (высокореакционного). Это усложняет систему топливоподачи, повышает требования к взрыво- и пожаробезопасности теплогенерирующей установки, снижает экономическую эффективность применения низкореакционного топлива из-за необходимости применения более высокого по стоимости высокореакционного топлива.
Задачей настоящего технического решения является повышение технической эффективности и экономичности процессов воспламенения (розжига) и стабилизации горения водоугольного топлива за счет упрощения системы топливоподачи
и путем использования в качестве розжигового топлива, продукты сжигания которого прогревают низкореакционное топливо, этого же низкореакционного топлива, что позволяет отказаться от второго высокореакционного вида топлива.
Достигается это тем, что:
- По первому варианту установка для воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива в топке - содержит резервуар водоугольного топлива, трубопроводы подачи водоугольного топлива, топку с установленными в горелочных устройствах факельного сжигания вихревого типа форсунками факельного сжигания водоугольного топлива, предтопок с низкотемпературным кипящим слоем инертного материала с форсунками кипящего слоя, для подачи используемого для розжига топки диспергированного воздухом водоугольного топлива, трубопровод вторичного - тангенциального подвода воздуха в горелочное устройство, трубопровод подачи первичного воздуха в горе-лочное устройство, трубопровод подачи воздуха на форсунки факельного сжигания, трубопровод подачи воздуха в предтопок низкотемпературного кипящего слоя, трубопровод подачи воздуха на форсунки кипящего слоя, воздухоподогреватель, огневые трубы, трубопровод отвода продуктов сгорания, причем огневые трубы снабжены регуляторами, смонтированными перед горелочными устройствами для распределения продуктов сгорания водоугольного топлива из предтопка низкотемпературного кипящего слоя в горелочные устройства. Кроме того, трубопроводы подачи воздуха выполнены с регулирующими устройствами, обеспечивающими подачу дутьевого воздуха в дополнительные форсунки факельного сжигания топки 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.
- По второму варианту установка для воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива в топке включает средства его предварительного подогрева посредством сжигания розжигового топлива, и снабжена предтопком
с форсунками и низкотемпературным кипящим слоем инертного материала для сжигания в нем и/или на нем используемого для розжига топки диспергированного воздухом водоугольного топлива, причем предтопок слоя связан огневой трубой с, по крайней мере, одним горелочным устройством, а форсунки кипящего слоя подключены так, что с помощью части потока воздуха подают часть водоугольного топлива в количестве от 15-20% до 30-35% от общего расхода водоугольного топлива, остальную часть водоугольного топлива подают, по крайней мере, в одно горелочное устройство, через форсунку факельного сжигания диспергированного водоугольного топлива с помощью другой части потока воздуха, а оставшуюся часть потока воздуха направляют тангенциально по отношению к стенкам топки, в которой размещены горелочные устройства. При этом, трубопроводы или форсунки факельного сжигания могут иметь средства регулирования для подачи дутьевого воздуха с коэффициентом избытка 1,2-1,3, а трубопроводы или форсунки подачи 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.
На фиг.1 представлена принципиальная схема установки для воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива;
На фиг.2 - узел «А» на фиг.1;
На фиг.3 вариант выполнения предтопка. Продукты сгорания водоугольного топлива в низкотемпературном кипящем слое инертного материала (НТКС) из предтопка по огневым трубам направляют в горелочные устройства факельного сжигания ВУТ, где они прогревают остальную часть распыливаемого топлива, воспламеняют его и обеспечивают стабилизацию процесса его воспламенения и горения. Огневые трубы представляют собой трубопроводы, которые изнутри футерованы теплоизоляционным материалом, снижающим потери тепла в окружающую среду. Участки огневых труб перед горелочными устройствами снабжены регуляторами, которые позволяют распределять продукты сгорания в горелочные устройства.
2
2
2
2
2
2
2
2
Подача водоугольного топлива в предтопок низкотемпературного кипящего слоя составляет от 15-20% до 30-35% от общего расхода водоугольного топлива. 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 (18-16 МДж/кг). Топки низкотемпературного кипящего слоя позволяют варьировать режимы сжигания ВУТ. Так, при коэффициенте избытка воздуха равном или выше единицы (α=1,1-2,5 в зависимости от качества ВУТ, режима работы и условий теплосъема из слоя), 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 зависимости от качества ВУТ, режима работы и условий теплосъема из слоя), в режиме газификации топлива, в состав продуктов сгорания НТКС наряду с НО и СО входят Н и СО, в результате чего, газовая среда имеет 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 дожиганием Н и СО до НО и СО в зоне воспламенения факела. Это приводит к дополнительному тепловыделению, а значит и возрастанию температуры в зоне воспламенения факела ВУТ, способствуя его интенсификации и стабилизации и устойчивому факельному горению ВУТ. Коэффициент избытка воздуха при факельном сжигании ВУТ поддерживает в пределах (α=1,1-1,3), что обеспечивает полное, эффективное сгорание топлива. Конкретные расходы ВУТ и воздуха, подаваемых в НТКС, определяются 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
Т<sub>нтксэ</sub> °C
920
ВУТ
Здесь: G, кг/ч - расход топлива
нткс
α - коэффициент избытка воздуха
нткс
Т °С - температура в слое
Подача высокотемпературных продуктов сгорания от одного предтопка НТКС с помощью огневых труб можно осуществлять в одну или несколько горелочных устройств, что расширяет возможности предложенного способа, в сравнении с прототипом.
Подачу воздуха в горелочные устройства выполняют в соответствии с типовыми решениями, используемыми при организации вихревого сжигания жидкого топлива.
Использование на теплоэнергетических установках большой единичной мощности нескольких предтопков НТКС позволяет обеспечить каждую горелку факельного сжигания ВУТ высокотемпературным подогревом, что также расширяет возможности предложенного способа, в сравнении с прототипом.
В качестве примера реализации, показаны один предтопок НТКС и два горелочных устройства факельного сжигания ВУТ на фиг.1, где изображена установка для воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива с одной из возможных технологических схем котельной установки для сжигания водоугольного топлива.
Котельная установка содержит резервуар водоугольного топлива 1, топку 2, предтопок 3 низкотемпературного кипящего слоя инертного материала (на чертеже не показан), форсунки кипящего слоя 4, форсунки факельного сжигания 5, горелочные устройства факельного сжигания вихревого типа 6, трубопровод вторичного - тангенциального подвода воздуха в горелочное устройство 7, трубопровод подачи первичного воздуха в горелочное устройство 8, трубопровод подачи распиливающего воздуха на форсунки факельного сжигания 9, трубопровод подачи воздуха в предтопок низкотемпературного кипящего слоя 10, трубопровод подачи воздуха на форсунки кипящего слоя 11, воздухоподогреватель 12, трубопроводы подачи водоугольного топлива 13-15, огневые трубы 16-18, трубопровод 19 отвода продуктов сгорания. Огневые трубы 17 и 18 перед горелочными устройствами 6 снабжены регуляторами (на чертеже не показаны), которые позволяют распределять продукты сгорания ВУТ из НТКС в горелочные устройства 6.
При работе установки ВУТ из резервуара 1 по трубопроводу 13 вначале подают только к форсункам кипящего слоя 4. Первоначальный розжиг топки 3 низкотемпературного кипящего слоя производят с помощью дизельного топлива или природного газа, подача которого затем прекращается. Направленный на поверхность слоя высокотемпературный факел, образующийся в результате сжигания дизельного топлива или природного газа, прогревает инертный материал слоя. Минимальный промежуток времени, в течении которого в предтопок подается дизельное топливо или природный газ определяется опытным путем или инструментально по времени, при котором температура кипящего слоя выходит на уровень, достаточный для воспламенения ВУТ в кипящем слое. По достижении этого состояния подачу дизельного топлива или природного газа в предтопок постепенно уменьшают, до полного прекращения, а взамен него в слой подается ВУТ, расход которого постепенно увеличивается от нуля до заданного значения. Воздух, подаваемый на факельное распыливание и сжигание, в предтопок НТКС и воздух, направляемый на форсунки кипящего слоя, нагревают в воздухоподогревателе 12 продуктами сгорания, выходящими из объема топки 2 после охлаждения в конвективной части котла по трубопроводу 19. Часть подогретого в воздухоподогревателе 12 воздуха по трубопроводу 10 подают в предтопок НТКС 3, а по трубопроводу 11 на форсунки кипящего слоя 4. С помощью воздуха, подаваемого по трубопроводу 11, через форсунки кипящего слоя 4 водоугольное топливо, диспергированное в виде капель, подают рассредоточено по площади кипящего слоя инертного материала. По огневым трубам 16, 17 и 18 высокотемпературные (800°-950°С) продукты сгорания водо-угольного топлива в НТКС из топки 3 направляют в горелочные устройства 6. После выхода топки НТКС 3 на установившийся тепловой режим, в соответствии с заданным тепловым режимом котла, водоугольное топливо по трубопроводу 13 и далее по трубопроводам 14 и 15 подают на форсунки факельного сжигания 5, которое распыляют воздухом, поступающим по трубопроводу 9. Первичный воздух, подаваемый по трубопроводу 8, подают в горелочные устройства 6, где он смешивается с продуктами сгорания водоугольного топлива, поступающими по огневым трубам 16, 17 и 18,. По трубопроводу 7 в горелочные устройства 6 вихревого типа тангенциально подают дополнительное количество нагретого воздуха, который закручивает газокапельный поток, обеспечивая наилучшие условия его воспламенения и стабилизацию всего процесса горения ВУТ в объеме топки 2. Количество ВУТ (фиг.3), подаваемого форсунками 4 в низкокипящий слой инертного материала, может составлять 15-35% от общего расхода водоугольного топлива. Трубопроводы подачи дутьевого воздуха выполнены с регулирующими устройствами, обеспечивающими подачу дутьевого воздуха в дополнительные форсунки 20 факельного сжигания топки 3 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.
Пример реализации.
Установка для воспламенения и сжигания водоугольного топлива была экспериментально опробована на модернизированном под кипящий слой котле КВКС - 025 теплопроизводительностью 0,25 МВт, соединенного огневой трубой с котлом КВР - 0,8 мощностью 0,8 МВт.
В Таблице 2 приведены результаты выполненных испытаний.
Таблица 2
режимпараметр
Тепловой
Тепловой с газификацией
G<sub>нткс</sub>, кг/ч
30
75
G<sub>фак</sub>, кг/ч
70
300
β
0.3
0.2
α<sub>нткс</sub>
7.50
0.72
α<sub>фак</sub>
1.2
1.1
Т<sub>нткс</sub>,°С
900
900
Т<sub>фак</sub>, °С
1150
1300
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.
Розжиг водоугольного топлива проводился за счет предварительного
сжигания дизельного топлива. Расход дизельного топлива составлял 8 кг/ч. Экспериментально установлено, что время подачи дизельного топлива составило около 0.5 часа и при последующем прекращении его подачи имело место устойчивое воспламенение и стабильное горение ВУТ в НТКС. Факельное воспламенение и стабильное горение ВУТ в топке котла имело место на обоих режимах работы НТКС. Переход на факельное сжигание ВУТ осуществлялся сразу после выхода НТКС на один из режимов на ВУТ.
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 под решетку НТКС, составил на обоих режимах 0.075 кг/с, при этом удельный расход воздуха составил 9.0 кг на 1 кг ВУТ в тепловом режиме и 3.6 кг на 1 кг ВУТ в режиме газификации. Расход воздуха, направляемого в горелочное устройство на факельное сжигание, составил 0.092 кг/с (при суммарном расходе воздуха в факеле 0.167 кг/с) - в тепловом режиме и 0.499 кг/с (при суммарном расходе воздуха в факеле 0.574 кг/с) - в режиме с газификацией.
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. Калорийность ВУТ 3100 ккал/кг.
2
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,
Продукты сгорания ВУТ в предтопке по огневой трубе с внутренним диаметром 0,3 м, футерованной изнутри огнеупорным теплоизоляционным материалом, направлялись в горелку факельного сжигания ВУТ, установленную в котле КВР - 0,8. Через форсунку, установленную в горелке, распыливалось ВУТ, направляемое на факельное сжигание. Нагретый воздух, направляемый на факельное сжигание, подавался в горелочное устройство тангенциально по отношению в его стенкам.
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.
Установкой для воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива целесообразно оснащать котлы большой единичной мощности (свыше 30 МВт). В результате реализации становится возможным устойчивое сжигание ВУТ в котельных установках большой единичной мощности с возможностью ее регулирования в широких пределах.