Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на экологически чистой тепловой электростанции без выбросов углекислоты и других вредных соединений в атмосферу.
Известна котельная установка, содержащая топку и газоход отвода продуктов сгорания, первая из которых снабжена горелочным устройством с патрубками подвода топлива и окислителя, а во втором установлено пылезолоулавливающее устройство, причем патрубок подвода окислителя к горелочному устройству подключен к источнику воздуха.
Недостатком такой котельной установки является большая экологическая опасность из-за выбросов углекислоты, окислов азота и других вредных примесей в атмосферу.
К изобретению наиболее близким техническим решением из известных является котельная установка, содержащая топку и отводящий газоход, последовательно соединенные по ходу продуктов горения, причем топка снабжена горелочным устройством с патрубком подвода топлива и окислителя, выполнена с поверхностью нагрева и подключена к соплам подачи охлаждающей воды и газоходу рециркуляции продуктов горения, а в отводящем газоходе последовательно установлены по ходу последних контактный аппарат, осушитель продуктов горения и сборник углекислого газа.
Недостатком такой котельной установки является пониженная экономичность из-за больших потерь тепла с продуктами горения, выбрасываемыми в атмосферу. Этот недостаток обусловлен применением воздуха в качестве окислителя при сжигании топлива, а значит и наличием в продуктах горения большого количества азота. Азот является балластным неконденсирующимся газом, поэтому нет возможности использовать скрытую теплоту парообразования в контактном аппарате. Азот приходиться выбрасывать в атмосферу с большим количеством тепла. Наличие токсичных окислов азота в продуктах горения требует специальных мероприятий для их подавления по экологическим нормам, что повышает эксплуатационные затраты на установку.
Кроме того, такая котельная установка используется только для получения углекислого газа, тепло продуктов горения топлива не используется. Более того, для охлаждения топки, в которой для этой цели используется поверхность нагрева, требуется специальный источник воды, что повышает капитальные затраты на установку.
Кроме того, применение воздуха в качестве окислителя существенно ссужает номенклатуру топлив, которые можно сжечь экологически безвредно. Использование низкосортных твердых топлив возможно только с подсветкой мазутом, что связано с существенными затратами на очистку продуктов горения.
Таким образом, недостатком прототипа является пониженная экономичность и узкая номенклатура применяемых топлив.
Целью изобретения является повышение экономичности котельной установки и расширение номенклатуры применяемых топлив.
Поставленная цель достигается тем, что котельная установка дополнительно содержит источник кислорода и потребители тепла и воды, к первому из которых подключен патрубок подвода окислителя горелочного устройства, к второму подключена поверхность нагрева топки, а отстойник контактного аппарата соединен с потребителем воды и с соплами подачи воды в топку, причем указанные сопла равномерно распределены по высоте последней.
Кроме того, котельная установка может дополнительно содержать равномерно распределенные по высоте топки сопла подачи газов рециркуляции, посредством которых топка подключена к газоходу рециркуляции.
Кроме того, котельная установка может дополнительно содержать электрофильтр, установленный в отводящем газоходе до контактного аппарата по ходу продуктов горения.
Кроме того, топка может быть снабжена нижним патрубком удаления золы и шлака, нижним патрубком подачи присадок для связывания серы.
Применение кислорода в качестве окислителя для сжигания топлива резко снизило содержание азота в продуктах горения, так как содержание азота в техническом кислороде ничтожно мало по сравнению с воздухом. Это обстоятельство позволило существенно сократить потери тепла с уходящими газами, так как получаемый из продуктов горения углекислый газ может использоваться в промышленности, а остальная часть продуктов горения при сжигании углесодержащих топлив является водяным паром, который в контактном аппарате конденсируется с получением горячей воды, которая частично может быть использована сторонним потребителем, т. е. предлагаемая котельная установка вместо потребителя воды, как это было в прототипе, становится источником воды. Другая часть полученной в котельной установке воды впрыскивается в объем топки с таким расчетом, чтобы обеспечить оптимальное распределение температур продуктов горения по высоте топки с сохранением в зоне горения необходимого и достаточного уровня температур для обеспечения возможного воспламенения, горения и полного выгорания органической части топлива. Это позволило использовать поверхность нагрева топки не только для охлаждения продуктов горения, как это было в прототипе, но и для нагрева рабочего тела, тепло которого может быть использовано тепловым потребителем, например паротурбинной установкой или сетевым теплообменником. Кроме того, впрыскиваемая по всей высоте топки вода при сжигании высокозольных топлив используется для охлаждения летучей золы в объеме топки с целью предотвращения шлакования, обеспечения работоспособности поверхности нагрева топки и организации жидкого шлакоудаления.
Такая котельная установка обеспечивает в сочетании с сероочисткой эффективное и экологически безвредное использование практически всех видов твердых топлив повышает эффективность использования низкосортных твердых топлив без подсветки мазутом, позволяет вовлечь в топливный баланс такие забалластированные виды топлив, как приволжские сланцы, менилитовые сланцы Закарпатья, вторичные горючие отходы и т. д.
При этом существенно снижаются затраты на очистку продуктов горения, так как в предлагаемой котельной установке удалось практически полностью избавиться от термических (воздушных) окислов азота в продуктах горения, поскольку содержание азота в техническом кислороде ничтожно мало.
Равномерное распределение газов рециркуляции по высоте топки для охлаждения продуктов горения позволяет снизить расход впрыскиваемой в топку воды и тем самым увеличить расход горячей воды потребителю, что еще в большей степени повышает экономичность предлагаемой котельной установки.
Использование электрофильтра позволяет еще больше расширить номенклатуру (спектр) используемых топлив и сжигать в топке высокозольные запыленные топлива.
Таким образом, благодаря совокупности отличительных признаков у предложенной котельной установки появляется новое свойство, заключающееся в повышении экономичности и расширении номенклатуры используемых топлив, поэтому можно сделать вывод, что она соответствует критерию "существенные отличия".
На чертеже схематически изображена котельная установка.
Топка 1 и отводящий газоход 2 последовательно соединенные по ходу продуктов горения. Топка 1 снабжена горелочным устройством 3 с патрубком 4 подвода топлива и патрубком 5 подвода окислителя, выполнена с поверхностью 6 нагрева и подключена к соплам 7 подачи охлаждающей воды и газоходу 8 рециркуляции продуктов горения. В отводящем газоходе 2 последовательно установлены по ходу продуктов горения контактный аппарат 9 с отстойником 10, осушитель 11 продуктов горения и сборник 12 углекислого газа. Контактный аппарат 9 снабжен оросителем 13, подключенным подъемным трубопроводом 14 к отстойнику 10. В трубопровод 14 включены холодильник 15 и насос 16. В качестве холодильника 15 может быть использованы градирня с воздушным охлаждением или трубчатый теплообменник, охлаждающий тракт которого подключен к природному водоему.
Патрубок 5 подвода окислителя горелочного устройства 3 подключен к источнику 17 кислорода, в качестве которого могут быть использованы хорошо освоенные отечественной промышленностью воздухоразделительные установки KТ-70, единичная производительность которых равна 70 тыс. м3 кислорода в 1 ч. Общее количество таких установок достигло 6400 шт. , они работают на более 1700 предприятиях страны.
Поверхность 6 нагрева топки 1 подключена к источнику 18 тепла, в качестве которого может быть использован сетевой теплообменник системы теплоснабжения. На чертеже показан другой вариант - в качестве источника 18 тепла использована паротурбинная установка, которая вместе с конденсатным трактом 19, питательным трактом (на чертеже условно не показана), системами конденсатных и питательных насосов 20 и поверхностью 6 нагрева топки 1 образуют традиционный энергетический контур.
Отстойник 10 контактного аппарата 9 соединен с потребителем 21 воды посредством трубопровода 22 с арматурой 23 и соплами 7 впрыска посредством трубопровода 24 с арматурой 25. В потребитель 21 и сопла7 вода подается насосом 26. По высоте топки 1 равномерно распределены также сопла 27 подачи газов рециркуляции, посредством которых топка 1 подключена к газоходу 8 рециркуляции. Газоход 8 снабжен арматурой 28 и дымососом 29 рециркуляции. В отводящем газоходе 2 до контактного аппарата 9 установлен электрофильтр 30 и дымосос 31. Вход продуктов горения в контактный аппарат 9 выполнен тангенциальным, поэтому аппарат 9 одновременно играет роль мокрого золоуловителя (скруббера) и контактного экономайзера. Отстойник 10 контактного аппарата 9 снабжен продувочным патрубком 32 с арматурой 33. За осушителем 11 продуктов горения, который работает с твердым (бокситом) или жидким (диэтиленгликоль) поглотителями, в отводящий газоход 2 включен компрессор 34. Сборник 12 углекислого газа представляет собой цистерны, в которых при давлении, превышающем 58,5 кгс/см2, диоксид углерода хранится в жидком состоянии. Сборник 12 снабжен верхним патрубком 35 с арматурой 36 для периодической продувки возможных примесей неконденсируемых газов и нижним патрубком 37 с арматурой 38, через который товарные углекислота поступает потребителям (на чертеже условно не показаны). Электрофильтр 30 снабжен патрубком 39 отвода золы и пыли. Топка 1 снабжена нижним патрубком 40 удаления золы и шлака и нижним патрубком 41 подачи присадок для связывания серы.
Котельная установка работает следующим образом.
В горелочное устройство 3 по патрубку 4 подают топливо, а по патрубку 5 от источника 17 - технический кислород. Одновременно в топку 1 через сопла 7 впрыскивают воду. При этом впрыск воды осуществляется по всей высоте топки 1 с таким расчетом, чтобы обеспечить оптимальное распределение температур по всему топочному объему с сохранением в зоне горения необходимого и достаточного уровня температур для обеспечения полезного воспламенения, горения и полного выгорания органической части топлива, а также для надежной работы поверхности 6 нагрева топки 1. Тот же эффект можно достигнуть и за счет рециркуляции продуктов горения через сопла 27 в объем топки 1. Комбинирование впрысков воды и рециркулирующих продуктов горения в топку 1 позволяет сократить количество впрыскиваемой воды по мере увеличения степени рециркуляции, что позволяет обеспечить пиковый разбор воды в потребителе 27 воды. При сжигании топлив, содержащих серу, одновременно с подачей топлива в горелочное устройство 3 в топку 1 патрубок 41 осуществляют впрыск присадок, связывающих серу. Шлак и золу удаляют через патрубок 40 топки 1. При сжигании высокозольных топлив возможно жидкое шлакоудаление через патрубок 40. При этом впрыскиваемая вода используется также для охлаждения летучей золы с целью предотвращения шлакования поверхности 6 нагрева топки 1.
При работе топки 1 тепло продуктов горения используется для генерирования пара, который направляют в турбоустановку, являющуюся в данном примере конкретной реализации котельной установки источником 18 тепла. В турбоустановке пар вырабатывает электроэнергию, а отработавший пар направляют в конденсатный тракт 19, затем конденсат проходит питательный тракт и системой насосов 20 в качестве питательной воды возвращается в поверхность 6 топки 1.
Загрязненные продукты горения, состоящие из смеси углекислоты и водяных паров, поступают в электрофильтр 30, где очищаются от летучей золы и пыли, которые удаляются из электрофильтра 30 через патрубки 39. В случае сжигания газа в топке 1 электрофильтр 30 в котельной установке не требуется.
Далее продукты горения дымососом 31 нагнетаются в контактный аппарат 9, в который впрыскивается охлажденная вода, которая циркулирует по замкнутому контуру: отстойник 10, холодильник 15, насос 16 и ороситель 13. Водяной пар продуктов горения в контактном аппарате 9 конденсируется, а конденсат вместе с водой, нагретой за счет конденсации водяного пара продуктов горения и впрыскиваемой в аппарат 9 через ороситель 13, попадает в отстойник 10, где за счет конденсации водяного пара, находящегося в продуктах горения, происходит постоянное накопление горячей воды, т. е. контактный аппарат в этом случае работает как контактный экономайзер. Часть горячей воды из отстойника 10 через сопла 7 возвращается в топку 1, часть по трубопроводу 22 направляют в потребитель 21 воды системы горячего водоснабжения, а остальная вода направляется в холодильник 15 для последующего впрыска уже холодной воды через ороситель 13 в контактный аппарат 9.
Контактный аппарат одновременно играет роль мокрого золоуловителя (скруббера), что достигается тангенциальным вводом продуктов горения в контактный аппарат 9 и плотным орошением потока продуктов горения водой из оросителя 13. Загрязненный конденсат периодически удаляется продувкой отстойника 10 через патрубок 31.
После конденсации в контактном аппарате 9 водяного пара продуктов горения последние состоят в основном из влажного диоксида углерода и незначительного количества неконденсируемых примесей. Часть влажного диоксида углерода по газоходу 8 и сопла 27 может быть направлена в топку 1 для снижения расхода воды через сопла 7 и соответствующего повышения расхода горячей воды потребителю 21, но основную часть влажного диоксида углерода из контактного аппарата 9 направляют сначала в осушитель 11 продуктов горения, а затем и в компрессор 34. Компрессором 34 осушенный диоксид нагнетается в цистерны сборника 12, где при давлении, превышающем 58,5 кгс/см2, хранится в жидком состоянии. В сборнике 12 все примеси находятся в газообразном состоянии. Так, температура перехода азота в жидкое состояние составляет минус 195,8оС. Это позволяет легко отделить газообразные примеси от углекислоты. Примеси периодически удаляются из сборника 12 через патрубок 35, а товарная кислота поступает потребителю через патрубок 37. (56) Киселев Н. А. Котельные установки. М. : Высшая школа, 1975, с. 6-10.
Авторское свидетельство СССР N 855340, кл. F 22 D 1/36.
Использование: на тепловой электростанции для сжигания топлива. Сущность изобретения: котельная установка содержит котел с топкой 1, снабженной соплами подачи воды 7 и газов рециркуляции (27), равномерно размещенными по высоте топки (1) и патрубком 5 подвода окислителя горелочного устройства, подключенным к источнику кислорода 17. Установка содержит отводящий газоход 2 и последовательно размещенные в нем по ходу продуктов горения электрофильтр 30, контактный аппарат 9, поддон 10 которого соединен с соплами подачи воды в топку, осушитель продуктов горения 11 и сборник углекислого газа 12. Топка 1 дополнительно снабжена патрубком 40 удаления золы и шлака и патрубком 41 подачи присадок для связывания серы в продуктах горения. 1 ил.
