Котел форсированного кипящего слоя
FORCED FLUIDIZED BED BOILER

Изобретение касается котлов для экономичного, экологически эффективного, универсального по кругу применяемых топлив, низкотемпературного сжигания в форсированном кипящем слое. Устройство может использоваться для создания новых или реконструкции установленных котлов и при их переводе на нерасчетное топливо.
На сегодня в энергетике и промышленной энергетике достаточно часто стали использоваться котлы кипящего слоя. Наиболее эффективны из них котлы со сжиганием дробленого топлива в низкотемпературном форсированном кипящем слое (ФКС), так как для охлаждения ФКС в них не требуется погруженных поверхностей нагрева. Топочный процесс характеризуется как сжигание в сильно возбужденном псевдоожиженном слое, т.е. в кипящем слое, который не имеет явно выраженной верхней границы (F23C 101/00).
Примером устройства, действующего по такому принципу, является топка с реактором ФКС [1. Патент ПМ РФ №142005]. Она содержит образованный стенами реактор ФКС с колпачковой воздухораспределительной решеткой, примыкающей снизу к вертикальной топочной камере, воздушный короб с патрубками для подвода воздуха, присоединенный к воздухораспределительной решетке, тракт подачи топлива, сопла вторичного дутья, устройства розжига слоя и вывода шлака. Площадь воздухораспределительной решетки реактора ФКС выполнена меньшей по отношению к площади сечения топочной камеры, под которой он расположен, и этим обеспечивается гравитационная сепарация и возврат потока частиц, выносимых из ФКС.
Недостатком устройства является то, что в нем не рассматривается работа топочного объема над ФКС, и хотя оно и предназначено для использования в промышленных и энергетических котлах, но оно не связано с собственно котлом, что не позволяет использовать его для создания новых или реконструкции установленных котлов, универсальных по кругу применяемых топлив, обеспечивающих экономичное и экологически чистое сжигание.
Известен более эффективный, выбранный в качестве прототипа котел ФКС [2. Патент РФ №2217658], имеющий тракт подачи топлива, сопла вторичного дутья, систему возврата уноса, образованный стенами, ограниченный снизу воздухораспределительной решеткой, подключенной к тракту подачи первичного дутья, реактор форсированного кипящего слоя, над которым установлен выполненный зигзагообразным топочный объем, образованный экранами, и выполненный с большей площадью поперечного сечения, чем реактор, подключенный к конвективному газоходу котла, причем топочный объем выполнен с образованием по крайней мере одного участка набегания потока и одной застойной зоны под ним. При работе котла топливо сжигается в ФКС в потоке первичного дутья и в надслоевом объеме в потоке вторичного дутья, подаваемом из участков набегания потока через сопла вторичного дутья в сторону застойных зон тангенциально к условному телу вращения вихря. При этом в надслоевом объеме формируется зигзагообразный поток и заполненное частицами вихревое течение, способствующее интенсивному перемешиванию, эффективному теплообмену с экранами и удержанию в топке частиц, вынесенных из кипящего слоя. Горение и топочные процессы равномерно распространяются во всем объеме топки, обеспечивая топочный процесс со ступенчатой подачей дутья.
Недостатком этого устройства является то, что топочные процессы не связаны с работой собственно котла, а конструкция зигзагообразного топочного объема сложна в производстве. Это устройство также не вписывается в профили камерных топок наиболее распространенных существующих типовых котлов с П-образной, Т-образной компоновкой [3. Ковалев А.П., Лелеев Н.С., Виленский Т.В. Парогенераторы. М.: Энергоатомиздат, 1985. Рис. 17.1], и оно непригодно для их реконструкции. В прототипе [2. Патент РФ №2217658] также не предусмотрены меры по экономичному регулированию перегрева пара, например, за счет рециркуляции дымовых газов [4. Роддатис К.Ф. Котельные установки. М: Энергия, 1977, стр. 189, рис. 5-8]. В итоге это не позволяет использовать прототип для создания новых или реконструкции установленных котлов, универсальных по кругу применяемых топлив, обеспечивающих экономичное и экологически эффективное сжигание.
Целью изобретения и решаемой технической задачей является разработка устройства, пригодного для реконструкции установленных и создания новых котлов ФКС, универсальных по кругу применяемых топлив, имеющих повышенные экономические и экологические характеристики, а также глубокое и эффективное регулирование температуры перегрева пара.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в том, что в известном котле ФКС, который имеет тракт подачи топлива, сопла вторичного дутья, систему возврата уноса, образованный стенами и ограниченный снизу воздухораспределительной решеткой, подключенной к тракту подачи первичного дутья, реактор ФКС, над которым установлен топочный объем, образованный экранами и выполненный с большей площадью поперечного сечения, чем реактор ФКС, подключенный вверху к по меньшей мере одному конвективному газоходу котла, по изобретению предлагается топочный объем выполнить с расширением преимущественно вдоль продольной оси симметрии котла за счет расположенного внизу наклонного участка экрана и установить в нем на разной высоте расположенные на противоположных экранах по меньшей мере две группы сопел вторичного дутья, выполненных с возможностью отклонения струй в вертикальной плоскости, причем нижние сопла вторичного дутья предлагается направить на наклонный участок экрана.
Предлагаемое последовательное соединение реактора ФКС, топочного объема и конвективного газохода при выполнении топочного объема с расширением преимущественно вдоль продольной оси симметрии котла согласуется с типовыми П-образной, Т-образной их компоновками. Это обеспечивает не только возможность применения предлагаемого устройства для создания новых, но и для простой реконструкции существующих котлов с установкой в них реактора ФКС.
При этом установка на разной высоте расположенных на противоположных экранах групп сопел вторичного дутья, причем не только двух, но трех и более за счет воздействия встречно направленных импульсов струй на восходящий из ФКС поток формирует зигзагообразное течение и ступенчатый подвод кислорода. Это обеспечивает хорошее заполнение потоком, активные топочные процессы, сепарацию частиц при разворотах и низкую эмиссию оксидов азота в топочном объеме.
Так как нижние сопла вторичного дутья первоначально направляют восходящий из реактора ФКС поток в сторону наклонного участка экрана, то над ним выпадает основная масса вынесенных из ФКС частиц. Поток этих раскаленных частиц стекает по наклонному участку экрана обратно в ФКС и обеспечивает не только наиболее высокий теплосъем этой части экрана и низкотемпературный режим работы ФКС, но и за счет увлечения частицами потока газов формирует над наклонным участком экрана горящий вихрь.
Отклонение струй вторичного дутья с помощью лопаток или поворота сопел в вертикальной плоскости позволяет изменять места подвода кислорода и воздействия импульсов струй по высоте, дает возможность глубокого управления топочными процессами. Такое управление выгоранием обеспечивает контроль температуры перегрева пара, что необходимо из-за перехода на низкотемпературный режим работы, особенно при реконструкции котлов. Это также уменьшает влияние свойств топлив, что важно при переводе котлов на нерасчетные топлива, обеспечивая экономию средств на их закупку.
Дополнительно предлагаемая в п. 2 установка сопел вторичного дутья в аэродинамических выступах и особенно расположение верхнего аэродинамического выступ под входом в конвективный газоход позволяет еще сильнее влиять на аэродинамическую обстановку в топочном объеме и конвективном газоходе и соответственно на топочные процессы в них.
Предлагаемое в п. 3 подключение к соплам вторичного дутья тракта рециркуляции и подмешивание дымовых газов замедляет горение и теплосъем внизу, увеличивает вынос тепла, частиц и теплосъем вверху. За счет роста скорости газовых потоков обеспечивается дополнительный контроль эмиссии вредных выбросов, температуры перегрева пара, а усиление воздействия вторичного дутья на аэродинамику уменьшает влияние свойств топлив на процессы и улучшает регулирование перегрева пара.
Дополнительно предлагаемое в п. 4 и 5 расположение реактора ФКС у фронтового или заднего экрана особенно удобно при выполнении реконструкции П-образных котлов путем замены соответственно фронтового или заднего наклонного участка холодной воронки вертикальным с пристыковкой к нему снизу реактора ФКС. При этом установка параллельно продольной оси котла одного и более двусветных экранов, п. 6, позволяет значительно, в 1,5раза и более, увеличить поверхность теплосъема и дает возможность реконструировать котлы с малой площадью экранов, например. На низкотемпературное сжигание угля можно переводить котлы с удалением шлака в жидком виде или газомазутные котлы.
Дополнительное, предлагаемое в п. 7 двухстороннее расширение топочного объема вдоль продольной оси симметрии котла за счет наклонного участка правого и левого экранов рекомендуется для котлов с Т-образным типом компоновки, характерной для мощных энергетических котлов. Это существенно упрощает реконструкцию таких котлов на сжигание топлива в ФКС. При этом топочный объем по глубине разделен условно на несколько слоев, и расположение групп сопел вторичного дутья в этих слоях выполнено послойно зеркальным: например, в нечетных слоях сопла нижнего дутья справа от реактора ФКС, а в четных слоях - слева. Такая схема обеспечивает как заполнение топочного объема активными топочными процессами, так и симметричную аэродинамическую картину двухстороннего выхода потоков в правый и левый конвективные газоходы котла. Следует отметить, что принцип использованного здесь технического решения известен [5. Хзмалян Д.М., Коган Я.А. Теория горения и топочные устройства. М.: Энергия. 1976. С. 438-443. рис. 20-10 - рис. 20-13.], как "Топка с встречно - смещенными струями", и его эффективность достаточно высока.
В другом варианте, п. 8, для мощных и поэтому имеющих широкую топку энергетических котлов с Т-образной компоновкой предлагается установить в топочном объеме в поперечной плоскости симметрии котла двусветный экран и разделить котел с Т-образной компоновкой на два примыкающих к двусветному экрану рассмотренных выше котла с П-образной компоновкой. Это позволяет значительно, до 1,5-1,7 раз, увеличить поверхность теплосъема и реконструировать на низкотемпературное сжигание угля действующие Т-образные котлы с малой площадью теплосъема, например, шлакующиеся котлы, или переводить котлы на шлакующие местные угли.
Положительный эффект от циркуляции частиц на наклонном участке экрана предлагается дополнительно усилить, п. 9, за счет использования их тепла в вынесенных теплообменниках для независимого от характеристик топлива и экономичного контроля температуры перегрева пара. Регулируя проток частиц через вынесенный теплообменник с трубами экономайзера можно управлять паропроизводительностью котла. Аналогично вынесенный теплообменник с трубами пароперегревателя позволяет контролировать температуру перегрева пара.
Применение отбора вынесенных из ФКС горячих частиц, п. 10, для термоконтактной обработки топлива и подачи в ФКС сухого угля или коксо-зольного остатка, свойства которых почти не зависят от характеристик исходного угля, позволяет не только уменьшить объем дымовых газов и соответственно размеры газоходов котла, но и создать универсальные котлы, работающие на любых топливах и горючих отходах. Это экономичные котлы, так как при разомкнутой термоконтактной сушке пары влаги топлива конденсируются с полезным использованием теплоты. При пиролизе топлива выделенные продукты пиролиза или синтез газ направляются для использования с более высоким экономическим эффектом внешнему потребителю. В обоих случаях, сушки или пиролиза, расход дымовых газов и соответственно тепловые потери и габариты котла уменьшаются, а эффективность использования топлива и экономичность повышаются.
Изобретение иллюстрируется вертикальными продольными разрезами предлагаемого котла ФКС в некоторых вариантах исполнения:
- котел с П-образной компоновкой, реактор ФКС у фронтовой стенки, фиг. 1;
- котел с П-образной компоновкой, реактор ФКС у задней стенки, фиг. 1;
- котел с Т-образной компоновкой, топка с двусветным экраном, фиг. 3;
- типовой котел с Т-образной компоновкой (без двусветного экрана), фиг. 4;
- типовой котел с Т-образной компоновкой, план - разрез А-А, фиг. 5.
Котел ФКС 1, фиг. 1-5, имеет тракт подачи топлива 2, тракты подачи вторичного дутья 3, систему возврата уноса 4, реактор ФКС 5, образованный вертикальными или установленными с небольшим расширением вверх стенами 6. Стены 6 могут быть выполнены обмуровкой или экранами, защищенными износостойкими накладками 7. Снизу реактор ФКС 5 ограничен воздухораспределительной решеткой 8, к которой подключены система растопки 9, система вывода слоя 10 и тракт подачи первичного дутья 11. Собственно ФКС 12 представлен частицами золы с малой долей частиц топлива, например, для бурых углей менее одного процента, и заполняет не только реактор ФКС 5, но выносится газообразными продуктами горения и распространяется в выделенный экранами 13 топочный объем 14.
Топочный объем 14 выполнен с большей площадью поперечного сечения, чем реактор ФКС 5 за счет расположенного внизу наклонного участка 15 экрана. Реактор ФКС 6 и топочный объем 14 последовательно подключены далее к конвективному газоходу 16 с пароперегревателем 17 и другими поверхностями нагрева 18, которые установлены по ходу продуктов сгорания вдоль продольной оси котла ФКС 1, формируя его П-образную компоновку.
На стенах и экранах 13 или в установленных на них аэродинамических выступах 19 расположены верхние сопла 20 и нижние сопла 21 вторичного дутья, подключенные к трактам подачи вторичного дутья 3 и тракту рециркуляции 22 дымовых газов. Нижние сопла 21 вторичного дутья направлены на наклонный участок 15 экрана, а верхние сопла 20 вторичного дутья, причем их может быть несколько групп, направлены взаимно встречно и расположены выше на противоположных экранах. Воздействуя импульсами струй, они создают зигзагообразную траекторию течения 23. Кроме того, над наклонным участком 15 экрана формируется заполненный частицами горящий вихрь 24. Сопла вторичного дутья выполнены с возможностью отклонения струй в вертикальной плоскости за счет поворота собственно сопел 20 и 21 вторичного дутья или за счет поворота отклоняющих лопаток 25 в вертикальной плоскости, и это позволяет управлять траекторией течения 23 и работой горящего вихря 24.
Котел ФКС 1 с П-образной компоновкой может выполняться в двух вариантах, не только со сдвигом реактора 5 ФКС к фронтовой стенке, фиг. 1, но и с его сдвигом к задней стенке, фиг. 2, с зеркальным расположением сопел 20 и 21 вторичного дутья и формированием соответствующего зигзагообразного течения. Выбор схемы, фиг. 1 или фиг. 2, конкретизируется с учетом условий подвода дутья топлива и т.д. Обе схемы просты и удобны для проведения реконструкции котлов с П-образной компоновкой путем простой замены соответственно фронтового или заднего наклонного экрана холодной воронки за счет продолжения вертикального экрана 13 с защитой его износостойкими накладками 7 в реакторе ФКС 5.
Для котлов с Т-образной компоновкой на фиг. 3-5 показаны схемы, пригодные, в том числе, для их реконструкции. Установка в поперечной плоскости симметрии котла двусветного экрана 26 создает котел ФКС 1 с Т-образной компоновкой, фиг. 3, выполненной в виде двух зеркально отраженных котлов с П-образной компоновкой, фиг. 1. Схема с двусветным экраном 26 дает возможность реконструировать котлы с малой площадью экранов.
Например, на низкотемпературное сжигание угля можно переводить котлы с жидким шлаком или газомазутные котлы, обеспечивая не только повышенный теплосъем, но также глубокое регулирование нагрузки, в том числе отключение, ремонт и обслуживание одной из двух половин на работающем котле, что повышает экономичность работы энергетического котла ФКС 1.
На наклонном участке 15 экрана, фиг. 1, могут устанавливаться сливные патрубки 27 с регулирующими устройствами 28 подачи частиц, подключенные к расположенным под ними вынесенным теплообменникам 29 с поверхностями нагрева, например, пароперегревателем 17. Это позволяет экономично регулировать перегрев пара, причем независимо от вида топлива.
Под сливными патрубками 27 также могут устанавливаться камеры 30 термоконтактной обработки топлива, которые подключены сверху к питателям 31 топлива и системе утилизации 32 летучих продуктов переработки топлива, а снизу к дозаторам 33 обработанного топлива, как показано с увеличением на фиг. 2. При этом характеристики термоконтактно обработанного топлива, сухого или кокса, мало зависят от свойств исходного угля, и это позволяет создавать универсальные по кругу применяемых топлив котлы ФКС.
В системе возврата уноса 4 могут быть установлены инерционные уловители уноса 34, которые обеспечивают повышение: возврата уноса, внутри-топочной циркуляции частиц и экономичности котла, что приближает ФКС к технологии циркулирующего кипящего слоя.
На схемах, фиг. 1-5, показаны только основные элементы, здесь не приведены тягодутьевые машины и другое вспомогательное оборудование, необходимые для работы котла, но не определяющие технологию ФКС.
При работе котла ФКС 1, фиг. 1-5, в заполненный разогретыми до 800-900°С частицами реактор ФКС подается: по системе возврата уноса 4 из инерционного уловители 34 унос с недогоревшими частицами, по тракту подачи топлива 2 дробленый уголь, и/или через дозаторы 33 обработанное в камере 30 термоконтактной обработки сухое топливо или кокс. Сюда же подается дутье: через воздухораспределительную решетку 8 первичное из тракта подачи первичного дутья 11 и через нижние сопла 21 вторичное дутье, поступающее по тракту 3, а также дымовые газы из тракта рециркуляции 22.
Здесь, в ФКС 12, ограниченном стенами 6 или экранами с износостойкими накладками 7, топливо газифицируется, частично выгорает и совместно с частицами золы выносится в топочный объем 14. Постоянная масса ФКС 12 поддерживается системой вывода слоя 10. При запуске реактор ФКС 5 разогревается системой растопки 9, работающей на газе или жидком топливе.
Из-за смещения реактора ФКС 5 под фронтовой экран 13, фиг. 1, и за счет подачи через нижние сопла 21 вторичного дутья восходящий из ФКС горящий поток отклоняется над наклонным участком 15 экрана, а от импульсов встречно направленных струй из верхних сопел 20 вторичного дутья он отклоняется обратно. В итоге продукты сгорания движутся по зигзагообразной траектории течения 23, отклоняются аэродинамическим выступом 19, при поворотах очищаются от частиц, уходят в конвективный газоход 16 и в нем охлаждаются, отдавая тепло поверхностям нагрева 17 и 18. Аэродинамические выступы 19 с соплами вторичного дутья обеспечивают более резкие развороты газов и дополнительную инерционную сепарацию частиц, повышая теплосъем и эффективность выгорания топлива.
При этом над наклонным участком 15 экрана формируется горящий вихрь 24, который заполняется вынесенными из ФКС 12 частицами, интенсивно выпадающими сверху из-за сил гравитации из потока, восходящего по зигзагообразной траектории течения 23, повышая эффективность выгорания топлива. Эти частицы стекают по наклонному участку 15 экрана, и так как на наклонных участках создается лучший контакт частиц с трубами, их теплосъем повышается. Частицы интенсивно охлаждаются на наклонном участке 15 и экранами 13, выпадают в реактор ФКС, охлаждают его и затем снова выносятся за счет регулируемой подачи через сопла 21 вторичного дутья, а через решетку 8 первичного дутья и газов рециркуляции, формируя горящий вихрь 24 и заполняя управляемым потоком топочный объем 14. При этом лопатки 25 позволяют отклонять струи вторичного дутья в вертикальной плоскости, контролируя подвод кислорода и воздействие импульсов струй, что дает возможность еще более глубокого управления процессами выгорания угля и тепловосприятия в пароперегревателе 17.
Работа котлов в варианте фиг. 2 или Т-образных, фиг. 3-5, не отличается от описанной, а двусветный экран 26 увеличивает теплосъем. Формирование потоков 23, 24 в типовом котле с Т-образной компоновкой, фиг. 4, осложняется из-за невозможности расположения сопел 21 вторичного дутья в центре топки под защитой двусветного экрана. Здесь управляющие сопла 20 и 21 располагают послойно и зеркально, и они формируют заполняющие топочный объем 14 слои с зеркально направленными потоками 23, 24, которые показаны на фиг. 4 и 5 сплошными и пунктирными линиями.
В итоге во всех вариантах обеспечивается контролируемая за счет струй и поворота лопаток 25 аэродинамика и поддержание экономичного и экологически эффективного низкотемпературного топочного процесса.
Поток раскаленных циркулирующих частиц на наклонном участке 15 экрана может управляемо отбираться через сливные патрубки 27 с регулирующими устройствами 28 и использоваться для повышения эффективности работы котла. Например, можно повысить теплосъем в вынесенных теплообменниках 29 или регулировать температуру перегрева пара при размещении в нем пароперегревателя 17.
Тепло частиц также может использоваться для разогрева топлива при термоконтактной обработке топлива путем смешивания его с раскаленными циркулирующими частицами в камере 30 термоконтактной обработки, фиг. 2. Это позволяет высушить загружаемое питателем 31 топливо или провести его пиролиз. Удаляемые пар или газы пиролиза, включая смолы, используются в системе утилизации 32 летучих продуктов переработки топлива. В итоге из камеры 30 термоконтактной обработки топлива дозатор 33 обработанного топлива подает в реактор ФКС 5 сухое топливо или бездымный коксозольный остаток - универсальное топливо. Соответственно, снижается объем дымовых газов с уменьшением сечения конвективного газохода 16, площади поверхностей нагрева 17, 18 и габаритов котла. Кроме того, пары влаги топлива конденсируются в системе утилизации 30 с полезным использованием теплоты и повышением КПД котла. Выделенные при пиролизе продукты направляются для использования внешнему потребителю в виде горючего газа или жидкого топлива, что повышает эффективность работы котла. В обоих случаях сушки или пиролиза расход дымовых газов и соответственно габариты и стоимость котла уменьшаются, а эффективность работы котла и использования топлива, причем любого, повышаются.
Таким образом, в сравнении с прототипом [2], предлагаемое устройство пригодно для реконструкции установленных и создания новых котлов ФКС, универсальных по кругу применяемых топлив, имеющих повышенные экономические и экологические характеристики, а также глубокое и эффективное регулирование температуры перегрева пара.