СПОСОБ СЖИГАНИЯ ИЗМЕЛЬЧЕННОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F23C11/02 

Изобретение относится к способам сжигания твердого топлива в топках кипящего слоя и может быть использовано в котельных установках.

Известны способы сжигания твердого топлива в топке с кипящим слоем путем подачи первичного воздуха через газораспределительную решетку под слоем по крайней мере двумя скоростными потоками: центральным со скоростью, выбранной из условия фонтанирования слоя, и периферийными со скоростями, выбираемыми из условия псевдоожижения слоя, а также ввода вторичного воздуха над слоем [1]
При указанном способе сжигания твердого топлива имеет место пониженная экономичность, поскольку из слоя могут быть вынесены частицы топлива, которые не успевают сгореть в надслоевой части. Кроме того, в периферийной зоне кипящего слоя возможны выпадения крупных частиц топлива на газораспределительную решетку, поскольку при загрузке топливом не все крупные частицы его попадают в центральную зону с фонтанирующим слоем, что ведет к неравномерному распределению воздуха и образованию очагов шлакования.

Известен также способ сжигания твердого измельченного топлива путем его термообработки с получением кокса и горючих газов, разделения их и последующего раздельного сжигания причем кокс сжигают, совместно с воздухом в псевдоожиженном слое при температурах ниже температур размягчения золы, которые регулируют изменением расходов воздуха и возврата золы в цикл сжигания, а горючие газы сжигают в смеси с очищенными от золы продуктами сгорания кокса [2]
При указанном способе сжигания твердого топлива имеет место пониженная экономичность, надежность и маневренность, поскольку при термическом разложении топлива создается восстановительная среда, вызывающая коррозию устройств осуществления способа, сами устройства оказываются дорогостоящими из-за необходимости установки толстостенной огнеупорной футеровки их внутренних поверхностей, требующих при пуске длительного разогрева. Для осуществления способа требуется дополнительная подготовка, например сушка топлива, поскольку осуществление способа при изменяющейся влажности топлива ведет к понижению экономичности из-за увеличения тепловых потерь с уходящими газами, объем которых увеличивается с увеличением влажности топлива.

Цель изобретения повышение экономичности и надежности путем снижения недожога, шлакования и вредных выбросов.

Это достигается тем, что термообработку топлива начинают в бункере-смесителе, в который подают, смешивая, топливо и теплоноситель (золу) и продолжают термообработку в переточно-псевдоожиженном слое путем питания последнего указанной смесью из бункера-смесителя и пропуска через слой продуктов сгорания, образуемых в результате сжигания коксо-зольного остатка, сливаемого из упомянутого слоя и нижерасположенный, ожижаемый периферийным потоком первичного воздуха, переточно-псевдоожиженный слой, который в свою очередь сливают в периферийные зоны фонтанирующего слоя, псевдоожижаемого центральным потоком первичного воздуха, при этом, выносимые из фонтанирующего слоя коксовые частицы дожигают в вихре с вертикальной осью вращения, образуемом в надслоевой части последнего и между упомянутыми переточно-псевдоожиженными слоями, путем тангенциального ввода к вписанному цилиндру этой части потоков вторичного воздуха, а дожигание горючего (пиролизного) газа осуществляют в надслоевой части верхнего переточно-псевдоожиженного слоя путем дополнительного ввода третичного воздуха, причем последний вводят встречно-смешенными по высоте потоками, например, параллельно плоскостям боковых стен топки и встроенного в нее бункера-смесителя.

Скорость потока газов при входе в верхний переточно-псевдоожиженный слой выбирают из условия образования перед последним газовых подушек, вызывающих интенсивную сепарацию твердых частиц из потока газов.

Потоки газов при входе в верхние переточно-псевдоожиженные слои направляют почти горизонтально и зигзагообразно с соответствующими перемещениями слоев от центра к периферии.

Потоки периферийного первичного воздуха при входе в нижние переточно-псевдоожиженные слои направляют почти горизонтально и зигзагообразно с соответствующими перемещениями слоев от периферии к центру.

Теплоноситель подают в бункер-смеситель по крайней мере двумя потоками: один из зоны слива коксо-зольного остатка в нижние переточно-псевдоожиженные слои из верхних переточно-псевдоожиженных слоев, а другой из зоны провала (золоудаления) золы фонтанирующего слоя через зоны слива переточных слоев.

Термообработку в бункере-смесителе ведут при температуре смеси топлива и теплоносителя ниже температуры размягчения топлива при осуществлении процесса пиролиза последнего, а образовавшиеся водяные пары, диоксид углерода и азот выводят из цикла сжигания топлива.

Смесь топлива и теплоносителя, поступающую из бункера-смесителя в переточно-псевдоожиженный слой нагревают в последнем до температуры не ниже температуры воспламенения топлива в среде воздуха, но ниже температуры размягчения золы топлива.

В бункер-смеситель вводят топливо и теплоноситель таких средних по размерам фракций, скорость витания которых больше скорости выхода смеси продуктов сгорания и горючих газов из переточно-псевдоожиженных слоев зоны термообработки, а топливо наиболее крупных и самых мелких фракций вводят в периферийную часть фонтанирующего слоя.

Твердое топливо в фонтанирующем слое сжигают в режиме газификации, а в вихре с вертикальной осью вращения надслоевой части последнего сжигают при избытке окислителя больше стехиометрического из условия дожигания горючих газов, образующихся в переточно-псевдоожиженных слоях зоны термообработки топлива при температуре, не превышающей температуру размягчения золы топлива.

Топка с циркулирующим слоем снабжена по крайней мере двумя двухсветными водотрубными экранами, симметрично изогнутыми из своих плоскостей, с образованием в центре и вверху стен бункера-смесителя, наклоненных в разные стороны от последнего зигзагообразно секционированных газораспределителей верхних переточно-псевдоожиженных слоев, совместно с боковыми стенами топки периферийных сливных каналов, наклоненных к центру от последних зигзагообразно секционированных воздухораспределителей нижних переточно-псевдоожиженных слоев и под последними в центре стен камеры сгорания фонтанирующего слоя с надслоевой камерой дожигания, снабженной тангенциальными вводами вторичного воздуха к образуемому вихрю с вертикальной осью вращения, расположенными на уровне сливных каналов.

На фиг. 1 показана топка по оси симметрии, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 узел I на фиг.2; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг. 3; на фиг.5 сечение В-В на фиг.3.

Устройство для сжигания измельченного твердого топлива включает топку 1, выполненную вертикальной призматической со стенами из мембранных трубчатых панелей, включенных в контур циркуляции хладагента, например парового котла, в верхней части по оси симметрии которой размещен бункер-смеситель 2 средних фракций топлива и теплоносителя, выполненный из двухсветовых водотрубных экранов, параллельных боковым стенам топки 1, переходящих в поды верхних переточно-псевдоожиженных слоев 3, последние из которых параллельно боковым стенам топки образуют сливные каналы 4 и переходят затем в наклонные поды переточно-псевдоожиженных слоев 5, а последние в средней части топки 1 переходят в параллельные боковым стенам топки 1 стены фонтанирующего слоя 6.

В нижней части сливных каналов предусмотрены устройства 7 для выгрузки средних частиц твердого материала, снабженные устройствами 7' для отдувки мелких частиц потоками периферийного первичного воздуха и провала упомянутых средних частиц.

В нижней части фонтанирующего слоя 6, снабженного провальной газораспределительной решеткой, предусмотрено устройство выгрузки золы 8, а над последним может быть установлен теплообменник для подогрева центрального потока первичного воздуха 8'. Для загрузки топлива в периферийную часть фонтанирующего слоя 6 топки 1 предусмотрено устройство 9, а для загрузки средних фракций топлива и теплоносителя устройство 10.

Бункер-смеситель 2 топки 1 снабжен устройствами 11 и 12 для отсоса балластного газа с возможностью переключения их к нагнетательной линии продуктов сгорания, рециркулируемых из зоны после котла, причем одного из них (11) при оставлении другого (12) на отсосе и, наоборот с целью ворошения слоя материала в бункере 2. Кроме того, бункер-смеситель 2 снабжен дозаторами 13 для регулирования питания смесью топлива и теплоносителя переточно-псевдоожиженные слои 3.

Топка 1 снабжена устройствами 14 для ввода вторичного воздуха, причем тангенциально к вписанному цилиндру в надслоевое пространство фонтанирующего слоя 6 между верхним 3 и нижним 5 слоями.

Над слоем 3 предусмотрены устройства 15 для ввода третичного воздуха, причем встречно смещенные по высоте в параллельных плоскостях боковым стенам топки 1 и бункера 2. Поды слоев 3 и 5 выполнены в виде газораспределительных решеток 16 из водоохлаждаемых труб, включенных в циркуляцию котла, снабженных плавниками 17, установленными внахлест с образованием почти горизонтальных каналов для ввода воздуха.

Решетка 16 перегородками 18 разделена на секции 19 и 20. К перегородкам 18 прикреплены водоохлаждающие трубы 21, которые изогнуты в виде змеевиков с витками в чередующейся последовательности, расположенными во взаимно поперечных плоскостях, с образованием зигзагообразных ходов переточно-псевдоожиженных слоев 3 и 5. Для отвода продуктов сгорания из топки 1, например, в конвективную шахту котла (не показана) предусмотрено окно 22.

Способ осуществляют при работе устройства следующим образом.

Мембранные трубчатые стенки топки 1, бункера-смесителя 2, трубы слоев 3 и 5, а также трубные стенки фонтанирующего слоя 6 заполняют хладагентом, например котловой водой. Через устройство 9 в фонтанирующий слой 6 вводят инертный материал, например кварцевый песок или золу, предварительно нагретый до температуры, достаточной для воспламенения в нем и в среде воздуха растопочного топлива, например горючего газа или жидкого топлива.

Подачей центрального потока первичного воздуха образуют фонтанирующий слой 6, в который вводят, например, при помощи пиковых форсунок растопочное топливо, которое воспламеняется в слое и горит, нагревая при этом инертный материал до температуры, достаточной для воспламенения в слое твердого топлива, подлежащего сжиганию. Далее увеличивают подачу инертного материала в фонтанирующий слой 6 и осуществляют через устройство выгрузки 8 (провала) последнего отбор нагретого инертного материала с подачей его при помощи элеватора (не показан) в бункер-смеситель 2, через устройство 10 и через дозатор 13 осуществляют заполнение им переточно-псевдоожиженных слоев 3, устройства слива 4, устройства выгрузки 7 и переточно-псевдоожиженных слоев 5 путем подачи периферийных потоков первичного воздуха и продуктов сгорания растопочного топлива.

Через устройство 9 в периферийную часть фонтанирующего слоя 6 подают твердое топливо, преимущественно крупных и самых мелких фракций, которое, смешиваясь с нагретым инертным материалом, воспламеняется в воздушной среде первичного воздуха и горит с выделением тепла и образованием продуктов сгорания и газификации. Последние и частицы топлива выносятся в надслоевую часть фонтанирующего слоя 6, где продолжают гореть в вихре с вертикальной осью вращения, образуемом подачей потоков вторичного воздуха тангенциально к условному цилиндру, вписанному в упомянутую надслоевую часть, через устройства ввода 14.

В результате вращения в вихре твердые частицы отжимаются к периферии надслоевой части фонтанирующего слоя 6 и выпадают на переточно-псевдоожиженные слои 5, в которых они продолжают перемещение от периферии к центру за счет ввода периферийного потока первичного воздуха почти горизонтально и зигзагообразно в чередующейся последовательности от секции 20 к секции 19, решетки 16, аналогично слою 3, фиг.3, 4 и 5 (от секции 19 к 20).

В надслоевом пространстве фонтанирующего слоя при этом образуется внутренняя циркуляция твердого материала в виде золы и горючих составляющих топлива (кокса), а продукты сгорания и газификации оказываются очищенными от твердых частиц. Кроме того, при номинальной нагрузке скорости входа упомянутых продуктов сгорания в переточно-псевдоожиженные слои 3 выбираются из условия образования под ними газовых подушек, способствующих интенсивной сепарации твердых частиц из газов, что позволяет уменьшить недожег топлива. Этому же способствует и подача в бункер-смеситель 2 теплоносителя или теплоносителя и топлива в виде средних по размерам фракций, скорость витания которых оказывается больше скорости газов при выходе из переточно-псевдоожиженных слоев 3, поскольку указанные частицы не только не выносятся из последних, но и препятствует выносу более мелких частиц, например, образующихся за счет саморазмола в кипящих слоях 3, которые за счет направленного перемещения последних зигзагообразно от центра к периферии сливаются через устройства 4 в периферийные части переточно-псевдоожиженных слоев 5, где продолжают гореть в псевдоожижающих последние периферийных потоках первичного воздуха и перемещаются зигзагообразно от периферии к центру, а затем сливаются в периферийную часть фонтанирующего слоя 6 и в последнем продолжают гореть или выносятся из него в надслоевую часть, где догорают в вихре.

При сливе твердых частиц из слоев 3 в слои 5 через устройства 4 предусмотрен отдув мелких частиц в слои 5 и провал средних частиц в устройство выгрузки 7, из которого средние части теплоносителя с помощью соответствующих подъемников (не показаны) подаются в бункер-смеситель 2, например, через устройство 10. После этого через устройство 10 в бункер-смеситель 2 подают твердое топливо в виде частиц средних фракций, которые смешиваются со средними частицами теплоносителя, нагреваются при этом с выделением водяных паров, диоксида углерода и азота и через дозаторы 13 направляются в переточно-псевдоожиженные слои 3, а упомянутые балластные газы отсасываются через устройства 11 и 12 и выводятся из цикла сжигания топлива. В результате этого при дальнейшей термообработке топлива в переточно-псевдоожиженных слоях 3 увеличивается теплоемкость образующихся горючих газов, уменьшаются объемы продуктов сгорания и снижаются тепловые потери с уходящими продуктами сгорания после дожигания горючих газов над слоями 3, например, за счет ввода третичного воздуха встречно смещенными по высоте потоками в плоскостях, параллельных боковым стенам топки 1 и бункера-смесителя 2.

Устройства 11 и 12 могут быть использованы и как ворошители слоя смеси топлива и теплоносителя, для чего они поочередно переключаются с отсоса на нагнетание продуктов сгорания топлива, отбираемых за котлом (не показано) и наоборот.

Температуру смеси топлива и теплоносителя в бункере-смесителе 2 перед выходом ее в переточно-псевдоожиженные слои 3 выдерживают ниже температуры размягчения топлива при осуществлении процесса пиролиза топлива за счет упомянутого нагревания его без доступа воздуха, а в упомянутых слоях 3 температуру выдерживают выше температуры воспламенения топлива в воздушной среде, но ниже температуры размягчения золы топлива, что достигается соответствующим расходом через бункер-смеситель 2 топлива и теплоносителя с учетом теплоотвода к трубчатым стенкам топки 1, бункера-смесителя 2 и к трубчатой решетке 16 и ее секциям 19 и 20.

В устройствах 4 для слива твердого материала из переточно-псевдоожиженных слоев 3 в аналогичные слои 5 происходит дополнительное охлаждение материала, однако температура его выдерживается не ниже температуры воспламенения топлива (кокса) с целью обеспечения условий дожигания горючих, составляющих в воздушной среде переточно-псевдоожиженные слои 5, а к моменту слива его в периферийную часть фонтанирующего слоя 6 температуру доводят до температуры, близкой к температуре размягчения золы топлива, что позволяет обеспечить устойчивое воспламенение и горение свежего топлива, вводимого через устройство 9 в периферийную часть фонтанирующего слоя 6. Это достигается соответствующим расходом через переточно-псевдоожиженные слои 5 периферийных потоков первичного воздуха и соответствующего тепловыделения от сжигания горючих составляющих перемещаемого твердого материала и теплопоглощения из слоев 5 к трубчатым воздухораспределительным решеткам 16 и их трубчатым секциям 19 и 20, а также от доли материала, рециркулируемого через устройство выгрузки 7 в бункер-смеситель 2, от доли выводимого из цикла сжигания топлива золы устройство выгрузки 7, от доли тепла, отводимого от выводимой золы к периферийному первичному воздуху, ожижающему слои 5.

По достижении устойчивого процесса сжигания топлива по предлагаемому способу устройства растопки выключаются.

Избыточное количество золы может быть выведено через устройство 8 золоудаления фонтанирующего слоя 6, причем значительная часть его может вводиться в бункер-смеситель 2 с целью накопления определенного запаса инертного материала, а также использоваться в качестве теплоносителя для термообработки топлива перед его сжиганием путем подачи в устройство 4 и отбора средних фракций.

При этом значительная часть тепла выводимого теплоносителя (золы) из устройства 8 может быть использовано для подогрева центрального потока первичного воздуха, например, с помощью установленного трубчатого теплообменника 8' между слоем 6 и устройством 8.

В зависимости от качества сжигаемого топлива по предлагаемому способу регулируют соотношение доли его при вводе в фонтанирующий слой 6 и бункер-смеситель 2, например с увеличением влажности топлива увеличивают долю его при вводе в бункер-смеситель 2, а при повышении качества топлива увеличивают его долю, вводимую в фонтанирующий слой 6, включая случаи, когда в бункер 2 топливо не вводят.

Способ позволяет сжигать твердое топливо в компактном и маневренном устройстве топки 1 при сопутствующем теплоотводе к трубчатым ее элементам, причем при минимальных затратах на подготовку топлива вне топки, поскольку допускает сжигание и немолотого топлива, в результате осуществления саморазмола его и сорбента в фонтанирующем слое 6, куда может быть введено все топливо и при необходимости и сорбент, а в бункер-смеситель 2 при этом может быть подан один теплоноситель, который отбирают из устройства выгрузки 7 после предварительной классификации его в устройстве 7', например подают в виде упомянутых средних фракций, скорость витания которых больше скорости продуктов сгорания при выходе их из переточно-псевдоожиженных слоев 3, питающихся из бункера-смесителя 2.

Компактность топки 1 повышается за счет осуществления при этом очистки продуктов сгорания в самом процессе сжигания, поскольку упомянутые средние частицы теплоносителя, перемещаясь в переточно-псевдоожиженных слоях 3, увлекают в устройство слива 4 и мелкие частицы. Маневренность топки повышается, поскольку ее водотрубные стенки оказываются защищенными от износа и коррозии самым твердым материалом слоев 3, 5 и 6, а также поддержанием соответствующего избытка окислителя в надслоевой части фонтанирующего слоя 6.

Использование: в энергетика. Сущность изобретения: крупные и самые мелкие фракции топлива сжигают в фонтанирующем слое в режиме газификации, а в надслоевой части последнего дожигают выносимые продукты газификации и частицы коксо зольного остатка при избытке окислителя выше стехиометрического в вихре с вертикальной осью вращения путем тангенциального ввода к нему вторичного воздуха, способствующем интенсивной сепарации частиц в переферийной части с выпадением на переточно псевдоожиженные слои, в которых за счет почти горизонтального зигзагообразного ввода вторичного воздуха частицы продолжают гореть и возвращаются в периферийную часть фонтанирующего слоя. При этом очищенные продукты сгорания снизу вводят в верхние переточно псевдоожиженные слои, в которые подают смесь средних фракций топлива и теплоносителя, скорость витания которых оказывается больше скорости газов при выходе из слоев с учетом термической обработки с образованием горючих газов и кокса, дожигания их слоях при упомянутом избытке окислителя. В качестве теплоносителя используют коксо - зольный остаток, отбираемый из зоны золоудаления фонтанирующего слоя и зон слива твердого материала из верхних переточно псевдоожиженных слоев в нижние переточно псевдоожиженных слоев в нижние переточно псевдоожиженные слои. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ сжигания измельченного топлива путем его термообработки при смешении с теплоносителем и получения кокса, коксозольного остатка и горючих газов, последующих из разделения и раздельного сжигания, причем кокс и коксозольный остаток сжигают в смеси с частью первичного воздуха в псевдоожиженном слое при температуре ниже температуры размягчения золы с образованием продуктов сгорания, при этом последние и горючие газы сжигают в смеси с остальной частью воздуха, а золу отводят из слоя, отличающийся тем, что с целью повышения экономичности и надежности путем снижения недожога, шлаков и вредных выбросов, термообработку топлива осуществляют в две стадии, на первой из которых в качестве теплоносителя используют золу, а вторую стадию проводят в режиме подвижного псевдоожиженного слоя, образованного пропусканием через смесь топлива и золы продуктов сгорания, полученных при сжигании коксозольного остатка в указанном псевдоожиженном слое, выполненном также подвижным, причем часть воздуха, предназначенная для дожигания коксозольного остатка и горючих газов, делят на вторичный и третичный потоки, первый из которых подают нижней струей для образования фонтанирующего слоя и двумя тангенциальными к условному вертикальному цилиндру струями, а третичный поток вводят над подвижным псевдоожиженным слоем, в котором сжигают коксозольный остаток. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что третичный поток делят на части и подают встречно смещенными струями, направленными перпендикулярно потоку горючих газов. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в псевдоожиженный слой второй стадии термообработки продукты сгорания вводят встречно смещенными струями. 4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что первичный воздух в соответствующий псевдоожиженный слой вводят встречно смещенными потоками. 5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что указанные два псевдоожиженных слоя сообщены между собой посредством переточных потоков коксозольного остатка, а золу на первую стадию термообработки отбирают из этих потоков. 6. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что отводимую из фонтанирующего слоя золу подают на первую стадию термообработки. 7. Способ по пп. 1-6, отличающийся тем, что первую стадию термообработки осуществляют при температуре ниже температуры размягчения топлива в режиме пиролиза с отводом образовавшихся водяных паров, диоксида углерода и азота. 8. Способ по пп. 1-7, отличающийся тем, что вторую стадию термообработки осуществляют при температуре, равной или превышающей температуру воспламенения топлива и меньшей температуры размягчения золы. 9. Способ по пп. 1-8, отличающийся тем, что размер фракций золы выбирают из условия превышения их скорости витания над скоростью выхода продуктов сгорания, причем в периферийную часть фонтанирующего слоя вводят дополнительное топливо. 10. Способ по пп. 1-9, отличающийся тем, что дополнительное топливо сжигают в режиме газификации, а количество подаваемого тангенциальными струями воздуха превышает стехиометрическое. 11. Топка для сжигания измельченного топлива, содержащая корпус с камерой фонтанирующего слоя и надслоевой камерой дожигания, снабженной устройствами подачи вторичного воздуха в надслоевую часть, отличающаяся тем, что с целью повышения экономичности, надежности, компактности и маневренности, она снабжена экранами из труб, расположенными в корпусе, посредством которых в верхней части последнего образован бункер-смеситель, средние участки труб образуют со стенками корпуса переточные каналы, промежуточные и нижние участки наклонены соответственно от бункера к стенкам и от последний к центру с образованием секционированных газораспределителей, при этом на уровне переточных каналов расположены тангенциально к условному вертикальному цилиндру указанные устройства подачи в надслоевую часть вторичного воздуха.