Способ сжигания горючего сланца в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем
Изобретение относится к сжиганию горючего сланца или аналогичного топлива в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем посредством введения первичного воздуха в топку со скоростью, обеспечивающей скорость псевдоожижения, составляющую менее 2,5 м/с в нижней части топки, причем первичный и вторичный кислородосодержащий газы вводят в топку таким образом, что скорость псевдоожижения в нижней части топки под решеткой составляет менее 70% от скорости псевдоожижения в верхней части топки. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к сжиганию горючего сланца в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем.
В топке котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем такое углеродсодержащее топливо, как уголь или биологическое топливо, сжигается в слое такого инертного материала, как песок, псевдоожижаемого кислородосодержащим газом, обычно воздухом. Скорость восходящего потока псевдоожижающего газа в топке обычно составляет 5-10 м/с, с тем чтобы осуществить сжигание в сильно турбулентном слое частиц, захваченных псевдоожижающим газом. Большая часть частиц, выходящих из топки котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем вместе с топочным (дымовым) газом, образующимся в топке, отделяется от него, обычно в циклонном сепараторе, и возвращается в нижнюю часть топки.
Горючий сланец, обнаруженный, например, в Эстонии, на Среднем Востоке и в Северной Африке, представляет собой особый вид углеродсодержащего топлива. Он содержит 25-40% ископаемого органического материала в виде сухой массы, при этом остальное составляет неорганический материал, включающий карбонат кальция в качестве основного компонента. Органический материал содержит 85-90% горючего летучего вещества и, как правило, приблизительно 1,8% серы и 0,75% хлора. Вследствие присутствия хлора сжигание горючего сланца связано с сильной коррозией. Другая проблема, связанная с горючим сланцем, заключается в том, что он является очень хрупким, что приводит к образованию большого количества летучей золы (зольной пыли), которая загрязняет теплопередающие поверхности на пути топочного газа.
Обычно в котлах с циркулирующим псевдоожиженным слоем только часть воздуха для горения вводится в качестве первичного воздуха через нижнюю решетку топки. Остальная часть кислорода, необходимого для сжигания, вводится как вторичный воздух на более высоких уровнях (по высоте) в топке, на 2-6 м выше нижней решетки.
Соотношение первичного воздуха и вторичного воздуха зависит от вида топлива. При сжигании такого ископаемого топлива, как каменный уголь, доля первичного воздуха обычно составляет от приблизительно 55% до приблизительно 65%. В случае лигнита (бурого угля) или биологического топлива доля первичного воздуха обычно составляет приблизительно 55% или всего 40%, если известняк введен в топку для уменьшения выбросов оксида серы.
В соответствии с обычно используемой конструкцией нижняя часть топки котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем сужается по направлению вниз, с тем чтобы обеспечить поддержание приблизительно равномерной скорости псевдоожижения на всех уровнях котла, несмотря на то что часть воздуха для горения вводится как вторичный воздух. Соответственно площадь решетки топки варьируется, как правило, от 40% до 55% от площади поперечного сечения топки на более высоких уровнях, когда доля первичного воздуха варьируется от 40 до 65% от всего воздуха для горения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения заключается в создании способа сжигания горючего сланца в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем.
Более точно, цель настоящего изобретения состоит в создании способа уменьшения тенденции загрязнения теплопередающих поверхностей при сжигании горючего сланца в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем.
Еще одна цель настоящего изобретения заключается в уменьшении коррозии под воздействием хлора при сжигании горючего сланца в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем.
Для достижения этих и других целей настоящего изобретения разработан новый способ, описанный в приложенных пунктах формулы изобретения.
Главным образом, в соответствии с настоящим изобретением разработан способ сжигания горючего сланца в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем, при этом способ включает в себя следующие стадии: а) введение горючего сланца в топку котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем, b) введение первичного кислородосодержащего газа через нижнюю решетку топки, с) введение вторичного кислородосодержащего газа в топку на первом уровне (по высоте) над уровнем нижней решетки, при этом указанный первичный кислородосодержащий газ вводят в топку со скоростью, обеспечивающей скорость псевдоожижения, составляющую менее приблизительно 2,5 м/с ниже первого уровня.
В соответствии с настоящим изобретением скорость псевдоожижения, предпочтительно составляющая менее приблизительно 2,5 м/с, даже более предпочтительно - менее приблизительно 2,0 м/с, используется в самой нижней части топки. Неожиданно было замечено, что такая очень низкая скорость псевдоожижения обеспечивает оптимальные характеристики слоя при сжигании горючего сланца. Низкая скорость псевдоожижения предпочтительна для избежания чрезмерного измельчения топлива и для избежания загрязнения теплопередающих поверхностей на пути прохождения топочного газа, а также коррозии, связанной с загрязнением.
В соответствии с настоящим изобретением общая интенсивность введения газа в топку предпочтительно такова, что в верхней части топки скорость псевдоожижения составляет менее приблизительно 4,0 м/с, предпочтительно от 3,0 м/с до 4,0 м/с. Данная низкая скорость псевдоожижения в верхней части топки предпочтительна для избежания выхода избыточных количеств небольших частиц из топки, вызывающего загрязнение теплопередающих поверхностей (поверхностей теплообмена) на пути прохождения топочного газа за топкой по направлению потока.
Предпочтительно доля первичного воздуха для горения составляет менее 40% от всего воздуха для горения, вводимого в топку. Более предпочтительно, если доля первичного воздуха для горения составляет менее 38%, наиболее предпочтительно - от 35% до 38%, от всего воздуха для горения.
Предпочтительно топливо измельчают до среднего размера частиц от приблизительно 1 мм до приблизительно 2 мм. Предпочтительно 90% введенных частиц топлива имеют размер, который меньше 10 мм, и 100% введенных частиц топлива имеют размер, который меньше 20 мм. Частицы горючего сланца имеют низкую плотность, и при сжигании они не уменьшаются в размере, как обычные частицы топлива. Вместо этого они образуют пористые частицы, которые могут подвергаться псевдоожижению при очень низких скоростях. Соответственно введенные частицы горючего сланца предпочтительно имеют вышеуказанный оптимальный размер, с тем чтобы избежать чрезмерного выхода частиц слоя из топки, а также увеличенного количества несгоревшего углерода в золе.
Преимущество сжигания горючего сланца заключается в том, что топливо содержит в большом количестве карбонат кальция CaCO3, который после обжига до оксида кальция CaO обеспечивает превращение серы, содержащейся в топливе, в сульфат кальция CaSO4, в результате чего предотвращаются выбросы оксида серы SO2 в окружающую среду. Однако несмотря на то, что кальцинирование (обжиг) представляет собой эндотермическую реакцию, предпочтительно предотвратить избыточное кальцинирование в топке. Кроме того, было отмечено, что сильная тенденция измельчения горючего сланца частично связана с реакцией кальцинирования. Следовательно, было замечено, что загрязнение теплопередающих поверхностей уменьшается, когда обжиг CaCO3 ограничен за счет поддержания относительно низкой температуры в топке. Температуру в топке предпочтительно поддерживают в пределах интервала от приблизительно 600 градусов Цельсия до приблизительно 820 градусов Цельсия, даже более предпочтительно - в пределах интервала от приблизительно 600 градусов Цельсия до приблизительно 800 градусов Цельсия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
Вышеприведенное краткое описание, а также дополнительные цели, признаки и преимущества настоящего изобретения будут понятны в более полном объеме посредством ссылки на нижеприведенное подробное описание предпочтительных в настоящее время, но, тем не менее, иллюстративных вариантов осуществления в соответствии с настоящим изобретением при рассмотрении данного описания совместно с сопровождающим чертежом, который представляет собой схематическое вертикальное сечение котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Чертеж схематически показывает котел 10 с циркулирующим псевдоожиженным слоем, содержащий топку 12, циклонный сепаратор 14, внешнюю теплообменную камеру 16 и канал 18 для топочного газа, предназначенный для направления топочных газов через дымовую трубу 20 в окружающую среду. Топка содержит средства 22 для введения первичного воздуха через нижнюю решетку 24 и средства 26 для введения вторичного воздуха на более высоком уровне (по высоте) топки. Вторичный воздух может быть введен на нескольких уровнях, но для простоты они не показаны.
Топка содержит средства 28 для введения топлива, которое при использовании настоящего изобретения предпочтительно представляет собой горючий сланец. Альтернативно, топливо может представлять собой другое топливо, которое имеет свойства, аналогичные свойствам горючего сланца. Предпочтительно топливо вводят в топку пневматически. Средства 28 для введения топлива могут включать в себя средство 30 для измельчения топлива до заранее заданного размера частиц. Предпочтительно горючий сланец измельчают до среднего размера частиц, составляющего от 1 до 2 мм. Для того чтобы свести к минимуму содержание несгоревшего углерода в золе, размер самых больших частиц, подаваемых в топку, предпочтительно не должен превышать 20 мм.
Настоящее изобретение связано с избежанием чрезмерного измельчения горючего сланца в топке 12 за счет поддержания достаточно низкой скорости псевдоожижения в топке, при этом данная скорость предпочтительно составляет менее 2,5 м/с в нижней части топки и менее 4,0 м/с на более высоких уровнях топки. Предпочтительно скорость псевдоожижения в нижней части составляет менее 70%, даже более предпочтительно - менее 65% от скорости псевдоожижения в верхней части топки. В некоторых случаях скорость псевдоожижения в нижней части предпочтительно составляет только приблизительно 50% от скорости псевдоожижения в верхней части топки.
Для поддержания скорости псевдоожижения в нижней части топки несомненно более низкой, чем на верхних уровнях топки, отношение количества первичного воздуха к количеству вторичного воздуха поддерживают достаточно низким. Дополнительно или альтернативно, отношение площади пода топки к площади поперечного сечения топки на более высоких уровнях топки является довольно большим.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения нижняя часть топки 12 сужается вниз, при этом площадь ее поперечного сечения составляет приблизительно 60% от площади поперечного сечения на более высоких уровнях (по высоте) топки. При использовании подобной конструкции топки доля воздуха для горения, вводимого в печь как первичный воздух, предпочтительно составляет от приблизительно 35% до приблизительно 38%. Если сужение нижней части является более крутым, то доля первичного воздуха будет соответственно меньшей. Если сужение является более "пологим", доля первичного воздуха может быть соответственно больше.
В том случае, когда только небольшая часть воздуха для горения, например 35%, вводится как первичный воздух, соответственно большая часть, например 65%, вводится как вторичный воздух. Было установлено, что при сжигании горючего сланца предпочтительно вводить бульшую часть вторичного воздуха как транспортирующий газ в пневматической системе подачи топлива. Предпочтительно используют несколько мест пневматической подачи топлива, предпочтительно, по меньшей мере, 6, даже более предпочтительно - по меньшей мере, 8. В результате этого получают быстрое смешивание топлива с кислородом и их равномерное распределение по топке, при этом и указанное быстрое смешивание, и указанное равномерное распределение желательны для обеспечения эффективного сжигания горючего сланца и низкого уровня выбросов в окружающую среду.
Стенки 34 топки 12 изготовлены из трубных панелей, с тем чтобы обеспечить испарение питательной воды с превращением ее в пар. Пар подвергается перегреву на теплопередающих поверхностях 36, 38, которые расположены соответственно в канале 18 для топочного газа и во внешней теплообменной камере 16. Предпочтительно последний перегрев пара осуществляют в теплообменной камере 16, в которой коррозия теплопередающих труб сведена к минимуму.
Топка 12 и теплопередающие поверхности 36, 38 предпочтительно предназначены для сравнительно низкой температуры топки, предпочтительно от 600 градусов Цельсия до 820 градусов Цельсия, даже более предпочтительно - от 600 градусов Цельсия до 800 градусов Цельсия. Следовательно, высокотемпературная коррозия трубных экранов (стенок) 34 топки 12 и теплопередающих поверхностей 36, 38, в особенности их коррозия под воздействием хлора, уменьшается.
Под топки 12 содержит средства 40 для удаления зольного остатка из топки. Пылеотделитель 42, предназначенный для удаления летучей золы из топочного газа, расположен так, что он соединен с каналом 18 для топочного газа. Путь топочного газа также может включать в себя другие средства (непоказанные) для очистки топочного газа перед выпуском его в окружающую среду.
Несмотря на то, что изобретение было описано здесь в виде примеров в связи с теми вариантами осуществления, которые в настоящее время считаются наиболее предпочтительными, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, а предназначено для охватывания различных комбинаций или модификаций его признаков и ряда других применений, включенных в объем изобретения в том виде, как он определен в приложенной формуле изобретения.
1. Способ сжигания горючего сланца или топлива, имеющего свойства, аналогичные свойствам горючего сланца, в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем, включающий в себя следующие стадии:
a) введение указанного топлива в топку котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем,
b) введение первичного кислородосодержащего газа через нижнюю решетку топки,
c) введение вторичного кислородосодержащего газа в топку на первом уровне (по высоте) над уровнем нижней решетки,
отличающийся тем, что указанный первичный кислородосодержащий газ вводят в топку со скоростью, обеспечивающей ниже первого уровня скорость псевдоожижения, составляющую менее приблизительно 2,5 м/с, и указанные первичный и вторичный кислородосодержащие газы вводят в топку таким образом, что скорость псевдоожижения ниже первого уровня составляет менее 70% от скорости псевдоожижения в верхней части топки.
2. Способ по п.1, в котором указанный первичный кислородосодержащий газ вводят в топку со скоростью, обеспечивающей скорость псевдоожижения, составляющую менее 2,0 м/с ниже первого уровня.
3. Способ по п.1, в котором указанные первичный и вторичный кислородосодержащие газы вводят в топку со скоростью, обеспечивающей скорость псевдоожижения, составляющую менее 4,0 м/с в верхней части топки.
4. Способ по п.1, в котором указанные первичный и вторичный кислородосодержащие газы вводят в топку таким образом, что скорость псевдоожижения ниже первого уровня составляет менее 65% от скорости псевдоожижения в верхней части топки.
5. Способ по п.1, в котором указанное топливо, введенное в топку, имеет средний размер частиц, составляющий 1 - 2 мм.
6. Способ по п.1, в котором доля указанного первичного кислородосодержащего газа составляет менее 40% от всего кислородосодержащего газа, введенного в топку.
7. Способ по п.6, в котором доля указанного первичного кислородосодержащего газа составляет менее 38% от всего кислородосодержащего газа, введенного в топку.
8. Способ по п.7, в котором доля указанного первичного кислородосодержащего газа находится в диапазоне 35 - 38% от всего кислородосодержащего газа, введенного в топку.
9. Способ по п.1, в котором температуру в топке поддерживают в пределах интервала 600 - 820°С.
10. Способ по п.9, в котором температуру в топке поддерживают в пределах интервала 600 - 800°С.
