КОТЕЛ С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ, РАБОТАЮЩИЙ ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКОМ ДАВЛЕНИИ ПАРА Российский патент 1998 года по МПК F22B3/08 F22B29/02 F23C11/02 

Изобретение относится к электростанциям (энергетическим установкам) и в особенности к электростанциям, на которых используются котлы с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением, предназначенные для работы при сверхкритических давлениях пара.

В электроэнергетической промышленности существует все возрастающая потребность в более эффективных энергетических установках для преобразования ископаемого топлива в электрическую энергию. Эта потребность продолжает возрастать, поскольку возрастает стоимость и увеличивается дефицит полностью сгорающих традиционных видов топлива. Эта потребность в более эффективных установках привела к разработке конструкций котлов сверхкритического давления для ряда крупных электростанций на традиционных источниках энергии.

Работа при сверхкритическом давлении соответствует функционированию при давлении примерно 22118 кПа таким образом, что пар не отделяется от жидкости, то есть имеет место однофазная текучая среда. Конструкции энергетических установок сверхкритического давления использовались для электростанций, работающих на традиционных источниках энергии - на сжигаемом ископаемом топливе. Эти крупные электростанции на традиционных источниках энергии, как правило, имеют давление в печи, очень близкое по значению к атмосферному давлению.

Основная проблема при разработке конструкций котлов сверхкритического давления состоит в создании и поддержании достаточного потока водной массы (массового расхода) через трубы в стенках топочной камеры при рабочем режиме. Эта задача усложнена из-за наличия пламени в топочных камерах обычных котлов. Наличие пламени в топочной камере создает высокий удельный тепловой поток в направлении охлаждаемых водой стенок, и таким образом, требуется более значительный массовый расход воды через трубы для поддержания низких температур стенок с трубами.

Потребность в более эффективных установках еще более увеличивается для преобразования низкосортных серосодержащих видов топлива, таких как уголь, которые в изобилии имеются во многих регионах в мире. Эти низкосортные виды топлива при сжигании в обычных топочных камерах вызывают атмосферное загрязнение. Многие из этих видов топлива содержат примеси, такие как сера, которая вступает в химическую реакцию в процессе сгорания, образуя такие соединения, как диоксид серы (сернистый ангидрид) SO₂, представляющий собой особо вредное и загрязняющее вещество. Были разработаны системы, включающие газоочистители (скрубберы) для удаления данных загрязняющих веществ из отработавших газов электростанций. Однако эти системы очень дорогие и часто не эффективны с точки зрения затрат для большинства электростанций.

В последние годы были разработаны топочные камеры с циркулирующим псевдоожиженным слоем для сжигания серосодержащих видов топлива с целью образования пара для приведения в действие паровых турбин. Топочная камера с циркулирующим псевдоожиженным слоем была дополнительно усовершенствована за счет повышения давления в топочной камере. Топочная камера с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением работает при давлениях, существенно превышающих атмосферное давление, с использованием смеси гранулированного известняка или других сорбирующих веществ, расположенных на решетке, не допускающей просеивания. Поток воздуха под давлением в направлении вверх проходит через решетку, поднимая и псевдоожижая материал. Это приводит к образованию турбулентной смеси частиц слоя, обладающих свойствами свободного течения, присущими жидкости, и обеспечивающих среду для устойчивого горения. Топливо, вводимое в данный слой, будет эффективно сгорать, а диоксид серы, выделяющийся при горении, химически захватывается кальцинированным известняком. Происходит рециркуляция смеси твердых частиц, которая включает золу и кальцинированный известняк, через топочную камеру до тех пор, пока размер частиц не уменьшится достаточным образом для того, чтобы произошло элюирование (вымывание) через циклонные уловители.

По мере сгорания серосодержащего топлива сера вступает в химическую реакцию с кислородом с образованием диоксида. Известняк кальцинируется (прокаливается) за счет температур горения, и затем диоксид серы вступает в реакцию с оксидом кальция и кислородом с образованием сульфата кальция. Десульфурация зависит от контакта между молекулами диоксида серы и частицами оксида кальция.

Заявитель изобрел и разработал устройство, в котором топочная камера с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением (pressurized circulating fluidized bed - PCFB) для сжигания серосодержащего топлива предназначена для работы при сверхкритических давлениях пара. Топочная камера с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением работает при повышенных давлениях, существенно превышающих атмосферное. Котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением имеет ряд преимуществ, которые позволяют избежать ряда проблем, связанных с обычным котлом. Эти преимущества включают использование топочных камер с меньшим поперечным сечением для того же теплового режима. Требуется меньше труб для охлаждения стенок, так что можно легко поддерживать требуемый массовый расход через трубы.

Главной целью настоящего изобретения является разработка нового котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением, предназначенного для работы при сверхкритических давлениях пара.

В соответствии с главной целью изобретения разработана энергетическая установка, имеющая котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением (PCFB), в которой предусмотрен первый контур, включающий трубы в стенках топочной камеры, способных выдерживать сверхкритические давления, причем трубы предназначены для циркуляции охлаждающей текучей среды через стенки между первым коллектором в нижней части камеры и вторым коллектором в верхней части камеры, а также предусмотрены контур пароперегревателя ниже по ходу течения по отношению к котлу, сепаратор воды и пара для отделения воды от пара при запуске и направления пара в контур пароперегревателя и байпасная магистраль для обхода сепаратора при обычном рабочем режиме.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для сжигания с циркулирующим псевдоожиженным слоем в соответствии с изобретением; на фиг.2 - принципиальная схема, изображающая контур для циркуляции текучей среды устройства для сжигания с циркулирующим псевдоожиженным слоем в соответствии с изобретением.

На фиг. 1 схематично изображена энергетическая установка с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением (PCFB), обозначенная в целом поз. 10, конструкция которой в целом соответствует настоящему изобретению. В показанном варианте исполнения котел или корпус 12 печи образует топочную камеру 14, имеющую в целом вертикальную прямоугольную конфигурацию, с входными отверстиями в нижней части камеры для подачи топлива, известняка, рециркулирующих частиц и первичного воздуха для горения и псевдоожижения. Корпус 12 находится внутри резервуара 16 высокого давления, в который поступает вторичный воздух под давлением, который обтекает котел. Этот воздух охлаждает котел и его элементы перед поступлением в топочную камеру через отверстия для нагнетания вторичного воздуха. Воздух под давлением подается компрессором газовой турбины. Сгорание топлива, такого как уголь, происходит в топочной камере, где генерируется большая часть тепла для парового цикла. Это разделение первичного и вторичного воздуха уменьшает выбросы оксидов азота (NO_x).

Топливо подается из соответствующего источника, такого как бункер 18, и смешивается с водой и известняком или другими абсорбентами, и подается с помощью насоса 20 по трубопроводу в нижнюю часть топочной камеры. Газотурбинный компрессор 22 подает воздух для горения через магистрали 24 и 26 в топочную камеру с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением (PCFB). Скорость газа или воздуха в топочной камере составляет около 4,6 м/с при диапазоне давлений 1035-1720 кПа. Вследствие непрерывного перемешивания по всей топочной камере и тепловой инерции твердых частиц в горячем контуре (hot loop) температура газа в основном остается постоянной от нижней до верхней части топочной камеры.

Показанное устройство с псевдоожиженным слоем под давлением предназначено для работы при сверхкритических давлениях, то есть при давлениях пара примерно 22135 кПа и предпочтительно в диапазоне примерно 24150 - 37950 кПа. Стенки камеры сгорания покрыты ("облицованы") вертикально расположенными трубками, или трубами, для воды. Эти трубы предназначены для работы при высоких давлениях и имеют диаметр в диапазоне примерно 2,5 - 5 см для обеспечения необходимого массового расхода.

Псевдоожиженное циркулирующее топливо и сорбирующие вещества поступают в высокотемпературный циклонный уловитель 28, в котором происходит отделение твердых частиц от горячих газов и возврат их в нижнюю часть топочной камеры с помощью уплотнения контура в месте, обозначенном поз. 30. Горячие отработавшие газы проходят по системе 32 магистралей через высокотемпературный фильтр, такой как керамический фильтр, в котором мелкие частицы (тонкодисперсные включения) отделяются от горячих топочных газов. Затем горячие топочные газы подаются к детандеру 33 газовой турбины, которая приводит в действие компрессор и генератор 34 для выработки электрической энергии. Отработавшие газы от газовой турбины подаются в экономайзер 36 высокого давления, в экономайзер 38 низкого давления и затем в дымовую трубу 40.

В соответствии с изобретением котел оснащен трубами для пара высокого давления, расположенными внутри топочной камеры, чтобы обеспечить работу котла в сверхкритическом диапазоне примерно 24150 - 37950 кПа) при температуре около 540^oC. Заявитель обнаружил, что благодаря меньшему размеру топочных камер с циркулирующим слоем котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением не вызывает некоторых проблем, присущих обычным котлам, оснащенным для работы при сверхкритических давлениях пара. Поскольку размер поперечного сечения топочной камеры котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением (PCFB) меньше, чем аналогичный размер обычного котла при том же тепловом режиме, легче поддерживать надлежащую скорость для охлаждения труб стенок топочной камеры.

На фиг. 2 дано схематическое изображение (замкнутого) контура для водяного пара для котла по изобретению. В соответствии с предпочтительным вариантом исполнения изобретения стенки топочной камеры образованы или покрыты ("облицованы") трубами высокого давления, соединенными и проходящими от коллектора 54 в нижней части топочной камеры вертикально к верхнему коллектору 56 в верхней части топочной камеры. Имеется параллельный контур между коллектором 54 и коллектором 56. Таким образом, стенки покрыты трубами 58 высокого давления, которые предназначены для того, чтобы выдерживать сверхкритические давления пара. Питательная вода от экономайзера 36 подается через питающую трубку 60 в коллекторную систему 54 в нижней части топочной камеры и течет по трубам к коллектору 56, откуда пар поступает по магистрали 62 к магистрали 64 и к водоотделителю 66. Затем пар от водоотделителя подается по магистрали 68 к пароперегревателю 70, из которого он затем поступает через главный паропровод 72 к входу ступени 75 высокого давления паровой турбины. Магистраль 74 включает клапан V2, который направляет пар в обход к водоотделителю и остается закрытым при начальном запуске или при очень низких нагрузках. Когда достигнут сверхкритический режим, пар из коллекторов топочной камеры может проходить прямо к пароперегревателю через клапан 76.

Отделенная вода из водоотделителя (сепаратора) отводится в деаэратор или в сточный резервуар по магистрали 78 и через клапан 80. Топочная камера содержит промежуточный пароперегреватель 82, в который поступает холодный пар для перегрева по магистрали 84 и который возвращает этот пар по магистрали 86 к промежуточной ступени 88 паровой турбины. Пар, выходящий с промежуточной ступени, может подаваться по магистрали 90 к ступени 92 низкого давления турбины, как показано на фиг. 1. Паровая турбина приводит в действие генератор 94 для выработки электрической энергии.

Отработавший пар, выходящий из паровой турбины, проходит через магистраль 96, далее через конденсатор 98 и затем с помощью насоса 100 через нагреватель 102 питательной воды низкого давления и по магистрали 104 к экономайзеру 38 низкого давления. Вода из экономайзера 38 подается по магистрали 106 к деаэратору 108, нагнетается насосом 110 к подогревателю 112 питательной воды высокого давления, проходит через него и по магистрали 114 поступает в экономайзер 36 высокого давления.

Было установлено, что конструкция котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением, предназначенного для работы в сверхкритическом диапазоне давлений, оказалась практичной и обладающей рядом преимуществ по сравнению с обычными системами. Среди этих преимуществ - способность более просто (устойчиво) функционировать при различных режимах нагрузки и поддерживать надлежащий массовый расход через трубы стенок, предназначенные для воды. К дополнительным преимуществам относится более легко достигаемый КПД не только для котла с псевдоожиженным слоем, но и по сравнению с обычными системами. Более низкая температура горения способствует уменьшению образования оксидов азота (NO_x). Печь с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением с соответствующими фильтрами требует существенно меньше места по сравнению с альтернативными обычными системами. Изобретенное устройство менее сложно во многих отношениях, в частности в нем меньше мест подачи топлива.

Более простая или менее сложная загрузка обеспечивается за счет варьирования скорости подачи топлива и соотношения первичного и вторичного воздуха, подаваемого в топочную камеру. Топочная камера с циркулирующим псевдоожиженным слоем также отличается тем, что при ее применении можно эффективно использовать более широкое разнообразие видов топлива по сравнению с другими системами. Таким образом, установлено, что изобретенное устройство идеально подходит для работы при сверхкритических давлениях пара и позволяет обеспечить дополнительное повышение эффективности.

В рамках вышеприведенного описания возможно выполнить много модификаций и изменений, и в некоторых случаях некоторые признаки могут быть использованы без соответствующего использования других признаков. Несмотря на то, что изобретение было описано и проиллюстрировано применительно к отдельным вариантам исполнения, следует понимать, что могут быть выполнены многочисленные изменения и модификации, не отходя от идеи и объема изобретения, определенных в приложенной формуле изобретения.

Котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем содержит топочную камеру (14) с псевдоожиженным слоем, систему рециркуляции для рециркуляции псевдоожиженных твердых частиц в топочной камере, и множество труб (58), предназначенных для того, чтобы выдерживать сверхкритическое давление, которые расположены вокруг стенок топочной камеры (14) для циркулирования охлаждающей текучей среды между впускным коллектором (54) в нижней части камеры и выпускным коллектором (56) в верхней части топочной камеры (14). Сепаратор (66) для отделения воды от пара направляет пар к пароперегревателю (70), а при нормальном режиме работы происходит обход сепаратора (66). 2 с, и 10 з. п.ф-лы, 2 ил.

1. Котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем под давлением, имеющий систему циркуляции воды для нормальной работы в режиме сверхкритического давления, причем котел содержит топочную камеру с псевдоожиженным слоем под давлением, причем камера ограничена множеством (вертикально) стоящих периферийных боковых стенок, ограничивающих топочную камеру, имеющую вертикальную ориентацию и по существу прямоугольное поперечное сечение, средства для ввода топлива в камеру, средство для ввода сорбирующего вещества в виде макрочастиц в топочную камеру, средства для получения и поддержания топлива и сорбирующего вещества в псевдоожиженном состоянии, средства для обеспечения рециркуляции по меньшей мере части топлива и сорбирующего вещества, первый теплообменный контур, включающий множество труб высокого давления, предназначенных для того, чтобы выдерживать сверхкритические давления, причем контур включает впускной коллектор для питательной воды в нижней части топочной камеры, выпускной коллектор в верхней части топочной камеры и множество труб высокого давления, образующих покрытие ("облицовку") каждой из вертикально стоящих периферийных стенок для циркулирования воды через стенки между впускным коллектором в нижней части камеры и выпускным коллектором, контур пароперегревателя, средства для отделения воды от пара в первом контуре, расположенные за выпускным коллектором по ходу течения и направляющие пар в контур пароперегревателя, и средства для обхода средств для отделения при нормальном режиме работы, и котел подсоединен к нагревателю питательной воды через экономайзер и деаэратор с целью подачи воды через впускной коллектор питательной воды, отличающийся тем, что он включает средства для направления воды, отделенной в средствах для отделения воды в деаэратор. 2. Котел по п.1, отличающийся тем, что трубы высокого давления включают трубы диаметром 2,48 - 4,96 см в стенках топочной камеры. 3. Котел по п.2, отличающийся тем, что трубы выполнены с возможностью выдерживания давления по меньшей мере примерно 22118 кПа. 4. Котел по п.1, отличающийся тем, что трубы выполнены с возможностью выдерживания давления по меньшей мере примерно 22118 кПа. 5. Котел по п.4, отличающийся тем, что трубы проходят вертикально для параллельного течения от впускного коллектора к выпускному коллектору. 6. Котел по п.1, отличающийся тем, что трубы проходят вертикально для параллельного течения от впускного коллектора к выпускному коллектору. 7. Котел по п.6, отличающийся тем, что трубы высокого давления включают трубы диаметром 2,48 - 4,96 в стенках топочной камеры. 8. Котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем под сверхкритическим давлением, имеющий систему циркуляции воды для работы в режиме сверхкритического давления, содержащий топочную камеру с псевдоожиженным слоем под давлением, причем камера ограничена множеством (вертикально) стоящих периферийных боковых стенок, ограничивающих топочную камеру, имеющую вертикальную ориентацию и по существу прямоугольное поперечное сечение, средства для ввода топлива в камеру, средства для ввода сорбирующего вещества в виде макрочастиц в топочную камеру, средства для получения и поддержания топлива и сорбирующего вещества в псевдоожиженном состоянии, средства для обеспечения рециркуляции по меньшей мере части топлива и сорбирующего вещества, первый теплообменный контур, включающий множество труб высокого давления, предназначенных для того, чтобы выдерживать сверхкритические давления, причем эти трубы проходят вертикально внутри камеры и образуют покрытие ("облицовку") каждой из вертикально стоящих периферийных стенок топочной камеры, причем контур включает впускной коллектор для питательной воды в нижней части топочной камеры и выпускной коллектор в верхней части топочной камеры, контур пароперегревателя, расположенный за первым контуром по ходу течения, средства для разделения пара и воды, предназначенные для отделения воды от пара в первом контуре за выпускным коллектором по ходу течения и направляющие пар к контуру пароперегревателя, и средства для обхода средств для разделения воды и пара при нормальном режиме работы, и котел подсоединен к подогревателю питательной воды через экономайзер и деаэратор для подачи воды в впускной коллектор питательной воды, отличающийся тем, что он включает средства для направления воды, отделенной в средствах для отделения воды в деаэратор. 9. Котел по п.8, отличающийся тем, что трубы высокого давления являются трубами диаметром 2,48 - 4,96 см. 10. Котел по п.9, отличающийся тем, что трубы выполнены с возможностью выдерживания давления по меньшей мере примерно 22118 кПа. 11. Котел по п.1, отличающийся тем, что трубы проходят вертикально для параллельного течения от впускного коллектора к выпускному коллектору. 12. Котел по п.1, отличающийся тем, что он имеет систему циркуляции воды для работы в режиме сверхкритического давления и содержит топочную камеру с псевдоожиженным слоем под давлением, причем камера ограничена множеством (вертикально) стоящих периферийных боковых стенок, ограничивающих топочную камеру, имеющую вертикальную ориентацию и по существу прямоугольное поперечное сечение, средства для ввода твердого топлива в топочную камеру, средства для ввода сорбирующего вещества в виде макрочастиц в топочную камеру, средства для ввода воздуха под давлением в камеру для получения и поддержания топлива и сорбирующего вещества в псевдоожиженном состоянии, средства, включающие циклонный сепаратор, для отделения и обеспечения рециркуляции по меньшей мере части топлива и сорбирующего вещества, первый теплообменный контур, включающий впускной коллектор для питательной воды в нижней части топочной камеры, выпускной коллектор в верхней части топочной камеры, множество труб высокого давления диаметром 2,48 - 4,96 см, выполненных с возможностью выдерживания сверхкритические давления около 24150 кПа и образующих покрытие ("облицовку") каждой из вертикально стоящих периферийных стенок для циркулирования охлаждающей воды через стенки от впускного коллектора в нижней части камеры к выпускному коллектору в верхней части камеры, контур пароперегревателя, расположенный за первым контуром по ходу течения, средства для разделения пара и воды, предназначенные для отделения воды от пара в первом контуре за выпускным коллектором по ходу течения и направляющие пар к контуру пароперегревателя, средства для обхода средств для разделения воды и пара при нормальном режиме работы, и котел подсоединен к нагревателю питательной воды через экономайзер и деаэратор, для подачи воды во впускной коллектор питательной воды, при этом котел включает средства для направления воды, отделенной в средствах для отделения воды, в деаэратор.