Способ совместного сжигания природного газа и пыли углесодержащего материала в вертикальной призматической четырехгранной топке котла
Владельцы патента RU 2267055:
Открытое акционерное общество энергетики и электрификации "ЧЕЛЯБЭНЕРГО" (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Способ относится к энергетике и может быть использован на котлах, сжигающих пылевидное и газообразное топливо. Совершенствуется способ совместного сжигания природного газа и пыли углесодержащего материала в вертикальной призматической четырехгранной топке котла путем их раздельного ввода в смесях с воздухом спутными потоками. При реализации способа потоки пылевоздушной смеси вводят между потоками газовоздушной смеси со скоростью (0,25-0,75)Wгс и расходом пыли в перерасчете на условные единицы (0,1-1,22)By г, где Wгс - скорость газовоздушной смеси, м/с; ВУ г - расход газа в условных единицах, кг/с, что обеспечивает решение задачи интенсификации прогрева углеродосодержащих частиц и их устойчивое зажигание и горение. 4 ил.
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах, сжигающих пылевидное и газообразное топливо.
Известен способ сжигания топлива в вертикальной призматической четырехгранной топке котла путем раздельной подачи спутными потоками смеси пылевидного топлива с воздухом вдоль боковых стен и смеси газа с воздухом по центру топки; при этом расход пылевидного топлива в перерасчете на условные единицы в 1,23-5,67 раз превышают расход газообразного, где под расходом газа в условных единицах понимают выражение: Bу г=Bг*Qг/Qy, кг/с (Вг - расход газа, кг/с; Qг - теплота сгорания газа, кДж/кг; Qу=7000 ккал/кг=29.330 кДж/кг - теплота сгорания условного топлива, принятая в энергетике); под расходом пылевидного топлива в условных единицах понимают выражение: Bу п=Bп*Qп/Qy, кг/с (Вп - расход натурального топлива, кг/с; Qп - теплота сгорания пыли, кДж/кг; Qу=29.330 кДж/кг - теплота сгорания условного топлива) (см. а.с. СССР №847767, МКл. Р 23 С 1/12 от 13.03.1981 г. с приоритетом от 27.02.1980 г.). Способ позволяет снижать загрязнение топки золошлаковыми отложениями. Недостатком данного способа является отсутствие даже потенциальной возможности сжигания пыли углеродосодержащего материала, например отходов электродного производства, содержащих до 40-80% свободного углерода, но не имеющих летучих веществ (которые присутствуют в природном угле и обеспечивают воспламенение пыли в топке), а также некачественных продуктов угледобычи и отходов углеобогащения, содержащих лишь до 20% свободного углерода, а породы и влаги - до 80%). Подача вдоль оси топки газа не обеспечивает необходимой степени прогрева пылевидного материала и его воспламенение.
Известен способ комбинированного сжигания природного, коксового, доменного газов и пылевидного топлива путем подачи спутными потоками смесей природного и коксового газов с воздухом, а также пылевидного топлива с воздухом вдоль боковых стен топки, а смеси доменного газа с воздухом - вдоль ее оси по центру (см. а.с. СССР №1755006, М. Кл. F 23 С1/12; Б.И. №30, 1992 г.). Способ обладает тем же недостатком: отсутствуют необходимые тепловые условия прогрева и зажигания пыли углеродосодержащего материала. Подача пыли углеродосодержащего материала даже совместно с природным газом вдоль относительно "холодных" боковых стен не обеспечивает надежного прогрева и зажигания.
Задача изобретения - интенсификация прогрева углеродосодержащих частиц и их устойчивое зажигание и горение без загрязнения стен топочной камеры.
Для достижения поставленной задачи при осуществлении способа совместного сжигания природного газа и пыли углеродосодержащего материала в вертикальной четырехгранной призматической топке котла путем их раздельного ввода в смесях с воздухом спутными потоками согласно изобретению потоки пылевоздушной смеси вводят между потоками газовоздушной смеси со скоростью Wпс=(0,25-0,75)Wгс и расходом пыли в перерасчете на условные единицы By п=(0,1-1,22)By г, где Wгс - скорость газовоздушной смеси, м/с; Ву г - расход газа в условных единицах, кг/с.
Вводом топливосодержащей пыли между газовоздушными потоками в отмеченных диапазонах скорости и расхода достигаются поставленная задача интенсификации прогрева углеродосодержащих частиц и их устойчивое зажигание и горение без загрязнения топочной камеры.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема котла с вертикальной четырехгранной призматической топкой (заполненной интегральным пылегазовым факелом, структуризированным параллельно чередующимися газовыми и полидисперсными составляющими) и размещенными, по крайней мере, на одной из ее стен газовыми и пылевыми горелками для ввода газовоздушной и пылевоздушной смесей; на фиг.2, 3, 4 - схемы дифференциального чередующегося ввода газовоздушных и пылевоздушных потоков в топку на виде в плане по разрезу А-А на фиг.1; на фиг.2 отображена схема подачи пылегазовоздушных потоков через раздельные газовые и пылевые горелки, размещенные на одной из стен топочной камеры; на фиг.3 - схема подачи потоков через блочные пылегазовые горелки, установленные на одной из стен топки; на фиг.4 - схема подачи пылегазовоздушных потоков через раздельные газовые и пылевые горелки, размещенные на двух противоположных стенах топки.
Способ реализуется на котле по фиг.1 с вертикальной четырехгранной призматической топкой 1, заполненной интегральным пылегазовым факелом, отдающим тепло трубным экранам 2 с пароводяной смесью, размещенным на всех стенах 3, 4, 5, 6 топки 1, и горелками 7, 8 для раздельного ввода природного газа в смеси с воздухом и пыли углеродосодержащего материала также в смеси с воздухом, установленными, по крайней мере, на одной из стен 3, а также подключенным к топке 1 газоходом 9, оборудованным нагревательными элементами (трубными теплообменниками) 10. На фиг.2, 3, 4 обозначены векторы скорости газовоздушной смеси на выхлопе из горелки 7 в топку 1 Wгс, м/с, скорости пылевоздушной смеси на выхлопе из горелки 8 в топку 1 Wпс, м/с, а также расхода газа Ву г, кг/с и расхода пыли Ву п, кг/с в условных единицах.
При реализации способа на котле по фиг.1, 2 в топку 1 подают газ в смеси с воздухом через горелки 7 вдоль боковых стен 5, 6, а потоки пылевоздушной смеси - через горелку 8 в пространство топки 1 между потоками газовоздушной смеси. Интегральный пылегазовый факел в топке имеет газовую и пылевую составляющие, причем основу стабильного зажигания и тепловыделения составляет газовый факел, развиваемый вдоль боковых стен 5, 6. Прогрев частиц пылевого факела производят при заявленном скоростном и расходном режимах выхлопа газовоздушной и пылевоздушной смеси в топку 1, что обеспечивает устойчивое зажигание и горение углеродных частиц без расплавления минеральных включений и загрязнения экранов 2. Заявленные соотношения параметров топливных и топливовоздушных потоков поддерживаются соответствующими регуляторами расходов (на чертежах не показаны) в ручном или автоматическом режимах. Горячие дымовые газы из топки 1 поступают в газоход 9, где отдают тепло элементам 10. Охлажденные дымовые газы поступают в систему очистки и через дымовую трубу сбрасываются в атмосферу (последние на чертежах не показаны). Вырабатываемый на котле в трубах экранов 2 и элементов 10 пар подают на паротурбогенераторы для получения электроэнергии и производственные нужды.
Способ может быть также реализован путем подачи в топку 1 котла по фиг.1, 3 потоков газа в смеси с воздухом вдоль боковых стен 5, 6 и потоков пылевоздушной смеси через блочные горелки 7, 8 в топочное пространство между потоками газовоздушной смеси при заявляемых соотношениях скорости выхлопа потоков в топку и расхода топливных реагентов.
Способ реализуется также в котле на фиг.1, 4 со встречным размещением горелок 7, 8 на стенах 3, 4 с достижением устойчивого горения пыли и без загрязнения труб 2 при поддержании заявляемых соотношений скорости выхлопа топливных смесей и расхода топливных компонент.
Практическое применение способа связано с котлами БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2, на которых осуществлены опытное опробование и промышленная отработка факельного сжигания отходов электродного производства (содержащих до 60% свободного углерода и до 40% негорючих включений) с определением оптимальных соотношений скорости выхлопа потоков газовоздушной и пылевоздушной смесей в топку, расходов топливных реагентов. В частности, показано, что основным требованием по безопасности организации интегрального пылегазового факела в топке промышленного котла стало обеспечение его стабильности, исключающей срывы горения и остановы оборудования. При этом надежность процесса в период отработки режимов сжигания топлива обеспечивалась стандартными методами контроля светимости факела и автоматикой поддержания горения с необходимой сигнализацией по выбегу контрольных параметров, используемой на котлах при сжигании газа. При наладке топочных режимов было отмечено, что уменьшением размеров частиц углеродосодержащего материала активизируется процесс воспламенения и повышается степень их выгорания. Количественное содержание окислителя (кислорода воздуха) в потоках газовоздушной и пылевоздушной смесей также отражалось на степени выгорания углеродосодержащих частиц. Однако при фиксированных тонине помола углеродосодержащего материала (регулируемой сепарационными устройствами системы пылеприготовления) и количественном содержании и соотношении воздуха в газовоздушных и пылевоздушных смесях получены универсальные соотношения, определяющие безопасные границы эксплуатационных соотношений расходов реагентов, которые справедливы для широкого спектра выше обозначенных параметров. В частности, для фиксированного фракционного состава пыли с максимальным размером до ˜250*10-6 м и коэффициентов избытка воздуха в газовоздушной смеси αг=Vг/Vго=1,05 и в пылевоздушной смеси αп=Vп/Vпо=1,25 (где Vг и Vго - расход воздуха, фиксируемый и теоретически необходимый для полного сжигания газа, м3/с; Vп и Vпо - расход воздуха, фиксируемый и теоретически необходимый для полного сжигания частиц углеродосодержащего материала, м3/с) выявлена следующая картина горения. При значениях относительной скорости Wпс/Wгс, например, 0,3; 0,5; 0,7 и фиксированных относительных расходах Ву п/Ву г, например, 0,15; 0,5; 1,0 горение углеродных частиц имеет устойчивый характер без срывов светимости и пульсаций; на границах значений относительной скорости Wпс/Wгс=0,25 и Wпс/Wгс=0,75, а также верхнего относительного значения расхода Ву п/Ву г=1,22 происходит нарушение устойчивости зажигания и визуальной однородности углеродного пламени. При ведении режима даже с незначительным выходом за обозначенные границы (например, Wпс/Wгс=0,249; Wпс/Wгс=0,751; Ву п/Ву г=1,221 соответственно) происходит скачкообразный срыв углеродного горения, пылевоздушный факел гаснет. Ограничение нижнего относительного расходного предела величиной Ву п/Ву г=0,1 связано с "перегревом" минеральных включений (зольных частиц) углеродосодержащего материала, их расплавлением и налипанием на стены топки. При поддержании относительного расхода Ву п/Ву г более 0,1 до 1,22 стены и другие элементы топки сохраняются незагрязненными; при достижении величины относительного расхода Ву п/Ву г=0,1 минеральные частицы начинают деформироваться, а при дальнейшем незначительном снижении Ву п/Ву г ниже 0,1, например при значении Ву п/Ву г=0,099, происходит их расплавление с последующим скачкообразным загрязнением топки. Те же характеристики горения получены для фракционного состава пыли с фиксированными максимальными размерами частиц до ˜550*10-6 м; до ˜1020*10-6 м и до ˜2220*10-6 м и коэффициентах избытка воздуха αг=1,1; αг=1,25 и αп=1,15; αп=1,35 в различных их комбинациях.
Отсюда сделан вывод, что диапазоны соотношений относительной скорости Wпс=(0,25-0,75)Wгс и расхода By п=(0,1-1,22)By г являются оптимальными, выход за границы этих значений приводит к резкому скачкообразному изменению качества горения, характера протекания топочного процесса.
Аналогичные результаты получены при использовании в качестве углеродосодержащего материала некачественных продуктов добычи угля Челябинского бассейна и отходов углеобогащения с содержанием свободного углерода до 20%, породы и влаги до 80%. В границах Wпс=(0,25-0,75)Wгс и By п=(0,1-1,22)By г горение было устойчивым, топка не загрязнялась. При Wпс<0,25Wгс; Wпс>0,75Wгс и By п>1,22Ву г происходили срыв факельного процесса, потемнение и погасание пылевой составляющей факела. При Ву п<0,1Ву г активизировалось загрязнение топки. Таким образом, заявленные диапазоны соотношений скорости и расхода оказались оптимальными и для некачественных продуктов добычи Челябинского бассейна, общими для исследованного ряда углеродосодержащих материалов. В связи с чем при их реализации появилась возможность одновременной факельной утилизации, в частности, пыли отходов электродного производства и некачественных продуктов добычи угля. Учитывая различный механизм окисления пылевидных частиц этих материалов, последние при вводе в топку между потоками газовоздушной смеси не смешивались: пыль отходов электродного производства вводилась через горелки, размещенные со стороны боковых стен камеры сгорания, а пыль некачественных продуктов добычи - через горелки в центре топки. Результаты такого комбинированного сжигания аналогичны результатам сжигания с раздельной утилизацией углеродосодержащих материалов. Устойчивое горение пылевидных отходов, содержащих свободный углерод, в условиях чистой топки поддерживалось только в диапазонах Wпс=(0,25-0,75)Wгс и Ву п=(0,1-1,22)Ву г. Выход за обозначенные границы соотношений скорости и расхода вызывал скачкообразное нарушение характера и качества горения.
Способ совместного сжигания природного газа и пыли углесодержащего материала в вертикальной призматической четырехгранной топке котла путем их раздельного ввода в смесях с воздухом спутными потоками, отличающийся тем, что потоки пылевоздушной смеси вводят между потоками газовоздушной смеси со скоростью (0,25÷0,75)Wгс и расходом пыли в перерасчете на условные единицы где Wгс - скорость газовоздушной смеси, м/с; 
- расход газа в условных единицах, кг/с.
