СПОСОБ СЖИГАНИЯ НЕФТЯНОГО КОКСА Российский патент 1999 года по МПК F23C1/06 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к технологии сжигания нефтяного кокса.

Нефтяной кокс - продукт глубокой переработки нефти, который в нашей стране в качестве топлива используют совсем недавно.

По условиям хранения, подготовки и организации сжигания нефтяной приближается к углям, имеет малый выход летучих (подобно тощим углям, антрацитам, что затрудняет воспламенение и выгорание частиц кокса).

Нефтяной кокс имеет высокую удельную теплоту сгорания (7800 - 8100 ккал/кг), что снижает массу транспортируемого и перерабатываемого на ТЭС материала и повышает температуру факела в топке.

Известен способ сжигания нефтяного кокса, при котором для поддержания стабильного горения дополнительно сжигают природный газ ("Мировая теплоэнергетика", N 2, 1994 , с. 43 - 44).

Недостатком указанного технического решения является необходимость включения в состав топливного баланса - угольной станции других видов топлив (высокореакционных), что требует прокладки дополнительных магистралей, систем подачи и хранения этих топлив.

Известен способ сжигания нефтяного кокса в котлах с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС). Эти котлы обеспечивают высокую степень сжигания углерода, не требуют выжигания дополнительно более качественного топлива (Мировая электроэнергетика, N 2, 1994 , с. 44).

В нашей стране не существует подобных конструкций топочных устройств.

Техническая задача, стоящая перед предлагаемым техническим решением, - обеспечить возможность использования нефтяного кокса в качестве энергетического топлива путем сжигания последнего в камерных топочных устройствах существующих котлоагрегатов, работающих на различных видах углей.

Для решения поставленной задачи по известному способу сжигания нефтяного кокса, основанному на смешивании последнего с другими видами энергетического топлива, сжигание нефтяного кокса осуществляют в котлах с камерными топочными устройствами совместно с каменноугольным топливом; при этом тонкость размола кокса соответствует тонкости размола тощих углей, а оптимальная доля нефтяного кокса в смеси соответствует выходу летучих составляющих топлив и определяется соотношением
где b_к - доля нефтяного кокса в коксоугольной смеси (массовый расход в единицу времени);
b_у - доля каменноугольного топлива в коксоугольной смеси, (массовый расход в единицу времени);
Vглк

- выход летучих нефтяного кокса на горячую массу, %;
Vглу - выход летучих каменного угля на горячую массу, %.

Пылеприготовление нефтяного кокса и каменного угля при этом осуществляют совместно или раздельно с последующим смешиванием перед входом в горелку или обеспечивают раздельную их подачу.

Предлагаемое техническое решение поясняется рисунками.

На фиг. 1 представлена технологическая схема подготовки (совместной) коксоугольной смеси к сгоранию; на фиг. 2 представлена технологическая схема раздельного пылеприготовления.

Предлагаемая схема (фиг. 1) содержит склад нефтяного кокса 1, склад каменного угля 2, узел дозирования и смешивания составляющих топлива 3, топливоподачу к бункерам топлива 4, систему сушки и пылеприготовления 5, бункер пыли 6 и далее в горелку 7 либо, минуя бункер пыли 6, по пылепроводу прямого вдувания 8 в горелку 7.

Фиг. 2. Схема раздельного подачи и пылеприготовления топлива содержит 2 параллельные нитки, каждая из которых включает склад топлива 1, 1, топливоподачу 2, 2, систему сушки и пылеприготовления 3, 3, которые объединяются на входе в пылевой бункер 4, и связанный далее пылепроводом, с горелкой 5 (для пылесистемы с промбункером), либо непосредственно в горелку 5 через узел смешения 6 (для пылесистемы прямого вдувания).

Использование настоящего изобретения предусматривает сжигание нефтяного кокса в пылеугольных камерных топках энергетических котлов в смеси с проектным твердым топливом, что позволит нивелировать некоторые специфические свойства нефтяного кокса (по воспламенению, возгоранию, влиянию на коррозионные процессы, высокому содержанию углерода в уносе и отложениях в конвективной шахте, увеличенным выбросом окислов серы), при этом максимальная доля нефтяного кокса в коксоугольной смеси определяется конструкцией топочно-горелочного устройства и качеством проектного топлива. Сжигание нефтяного кокса при подмешивании его ко всем видам углей, используемых в энергетике (до 10 - 15% от общего массового расхода топлива), принципиально возможно с различной эффективностью практически во всех существующих конструкциях топочно-горелочных устройств. Однако и в этом случае, и в других режимах использования кокса непременным условием является обеспечение определенной тонкости размола угля - до R₉₀ ≤ 8%.

Увеличенная доля кокса в смеси с проектным топливом может быть обеспечена в определенном классе существующих топочно-горелочных устройств, которые могут быть ранжированы по степени приспособленности к сжиганию кокса следующим образом:
1) Оптимальными для воспламенения и выгорания нефтяного кокса являются высокотемпературные топки с ограниченным теплоотводом к экранирующим поверхностям нагрева в зоне формирования факела - топки с пережимом в нижней части с полностью закрытыми футеровочной массовой экранными трубами (обеспечивая температуру в ядре факела до 1650 - 1750^oC, позволяет сжигать низкореакционные топлива - тощие угли, антрациты с отводом шлака в расплавленном состоянии), а также топки с зажигательным поясом в районе горелочного пояса на высоту до 3 м, применяемые для эффективного сжигания тощих углей.

2) Пригодны также для сжигания нефтяного кокса (как автономно, так и в смеси в углем) топки с компактным, сомкнутым факелом, который организуется большим числом встречно расположенных вихревых горелок (с фронта и на задней стенке топки); такие котлы рассчитываются на угли марки "СС", близкие к тощим;
3) При такой компановке с увеличением шага горелок, индивидуализацией факелов условия сжигания нефтяного кокса (как и всякого тощего угля) ухудшаются. Такие решения используются во многих типах котлов, спроектированных на экибастузский уголь, который лишь условно определяется как тощий. Здесь, вероятно, речь может идти только о совместном сжигании с проектным топливом.

4) Менее благоприятно для использования нефтяного кокса встречное размещение горелок на боковых стенках экранированной топки фронтальное расположение вихревых горелок в связи с увеличением в этом случае интенсивности теплоотвода от факела.

5) Неблагоприятны условия сжигания нефтяного кокса в топках с прямоточными горелками, в том числе и с тангенциальным их расположением, а также с плоскофакельными горелками.

Проблемы организации использования нефтяного кокса в энергетике не исчерпываются условиями устойчивого воспламенения и полного выгорания. Важнейшее место при этом занимают вопросы надежности оборудования.

1) Для совместного сжигания нефтяного кокса с углем характер коррозионных процессов не изучен, однако можно полагать, что существенно отличаясь от механизма коррозионных процессов в мазутных котлах аналогичен условиям сжигания сернистых углей, для которых разработаны эффективные способы предотвращения высокотемпературной и низкотемпературной сернистой коррозии. В энергетике отсутствует опыт использования твердых топлив с повышенным содержанием ванадия (характерным для нефтяного кокса), понадобятся специальные исследования возможности развития ванадиевой коррозии высокотемпературных поверхностей нагрева.

2) Предварительные расчеты показывают, что сжигание кокса и коксоугольной смеси смещает ядро факела в верхнюю часть топки, увеличивая несколько температуру на входе в пароперегреватель, а также в районе воздухоподогревателя, возможно выше допустимого уровня. Поддержание расчетных (либо близких к ним) показателей по температуре металла поверхностей нагрева осуществляется выбором приемлемой доли кокса в смеси с углем, регулированием общего избытка воздуха в топке.

3) Для предотвращения отложений в конвективных поверхностях нагрева, золоуловителях углеродистых частиц, склонных к возгоранию, целесообразно не превышать долю кокса в смеси с углем выше 60 - 70^oC; перед плановым остановом котла для удаления возможного скопления углеродосодержащих частиц перейти на сжигание расчетного угля. При внеплановых остановах произвести очистку, обмывку.

Совместное сжигание кокса и проектного твердого топлива ослабляет напряженность экологических проблем, которые могут возникнуть при автономном сжигании кокса.

Экологические свойства нефтяного кокса определяются минимальным содержанием минеральных включений и соответственно незначительным выделением золошлаковых частиц при сжигании кокса; высоким содержанием в коксе (в его минеральной части) тяжелых металлов-ванадия, никеля; повышенным содержанием в органической части кокса сернистых соединений.

В целом экологические проблемы при сжигании коксоугольной смеси не являются лимитирующим фактором включений нефтяного кокса в топливный баланс ТЭС. Они решаются:
- выбором объекта, для которого имеется определенный экологический резерв дополнительного выброса сернистого ангидрида;
- использование кокса на ТЭС, для которого проектное топливо близко по своим экологическими характеристикам к нефтяному коксу;
- реализацией при необходимости дополнительных технологических решений;
- выбором приемлемого в конкретном случае состава коксоугольной смеси.

Формирование коксоугольной смеси заданного состава может осуществляться:
- непосредственно на угольном складе послойной укладкой кокса и угля в штабеля;
- при раздельном хранении угля и кокса на складе в отдельных штабелях и создании специального смесительного комплекса;
- при раздельном поступлении угля и кокса на блок топливоподачи ТЭС путем подачи угля и кокса в отдельные приемные бункера с регулируемой шибером на выдаче на два параллельных транспортера разгружающих далее транспортируемый материал на общую транспортную ленту.

Таким образом, использование нефтяного кокса в энергетике в виде коксоугольной смеси позволяет:
1) использовать существующее оборудование ТЭС;
2) сократить срок включения нефтяного кокса в топливный баланс энергетики;
3) обеспечить эффективное решение вопросов надежности оборудования при сжигании кокса;
4) ослабить проявление отдельных экологически неблагоприятных свойств нефтяного кокса.

1. Совместное сжигание нефтяного кокса и угля принципиально изменяет характер отложений на высокотемпературных поверхностях нагрева и условия высокотемпературной ванадиевой коррозии металла:
- если при сжигании беззольного ванадийсодержащего топлива (мазут, кокс торфяной) на поверхностях нагрева в топке образуются липкие, трудноудаляемые отложения. Для снижения интенсивности коррозионных процессов в мазутных котлах вводится присадка, содержащая определенную комбинацию магния, алюминия, кремния, образующиеся при этом сухие отложения препятствуют диффузии кислорода к поверхности металла и тем самым снижают интенсивность коррозии;
- при сжигании коксоугольной смеси роль присадки могут играть золовые частицы угля, содержащие в достаточном количестве указанные вещества, повышающие температуру плавления золовой смеси: практика показывает, что сжигание твердого топлива с подсветкой ванадийсодержащим мазутом ни в одном случае не приводила к развитию высокотемпературной ванадиевой коррозии. Данные испытаний, проведенных заявителем, на котле с использованием коксоугольной смеси, показывают, что образующиеся в этом режиме отложения на поверхностях нагрева (экраны, пароперегреватель) - сухие, легко удаляемые, непрочные, что косвенным образом свидетельствует об отсутствии условия для развития ванадиевой коррозии.

2. Совместное сжигание нефтяного кокса и угля изменяет характер отложений в конвективном газоходе. Вместо характерного для режима сжигания кокса содержания углерода в отложенных от 50 до 80% (что создает реальную опасность возгорания этих отложений и разрушения воздухоподогревателя), при сжигании коксоугольной смеси содержание углерода в золовых отложениях в конвективной шахте не превышает 15 - 18%, что практически исключает возможность пожара и обеспечивает надежность и безопасность работы конвективных поверхностей нагрева по термическому режиму.

3. При совместном сжигании нефтяного кокса и угля за счет присутствия абразивных золоугольных частиц в потоке дымовых газов обеспечивает вынос частиц золы кокса за пределы тракта котла и улавливание их в золоуловителях. При автономном сжигании кокса (как и мазута) возникает проблема удаления с поверхностей нагрева отложений с высоким содержанием ванадия, обладающих значительной токсичностью, что требует обеспечения специальных мер по обеспечению необходимых санитарно-гигиенических требований для безопасной работы персонала.

4. Влияние повышенного содержания серы в нефтяном коксе и увеличенный выброс сернистого ангидрида в определенной мере нивелируется при сжигании коксоугольной смеси присутствием в дымовых газах значительного количества золовых частиц угля (содержания соединения кальция), способность связывать от 10 до 50% всего количества сернистого ангидрида в пределах рабочего тракта котла.

5. При автономном сжигании в камерных топках нефтяного кокса, которое является малореакционным топливом, условия воспламенения частиц кокса целиком определяются излучением от ограждающих поверхностей покрытых энергостойкой обмуровкой, которые не всегда имеют в топочных устройствах.

При сжигании кокса в смеси натурального твердого топлива в рассчитанных на этот уголь топочно-горелочных устройств обеспечиваются надежная стабилизация пылеугольного факела, необходимые условия достаточно раннего воспламенения угольной пыли. За счет интенсивного прогрева частиц кокса, находящихся непосредственно в высокотемпературном пылеугольном факеле до температуры воспламенения, инициируется развитие факела коксовой пыли (независимо от влияния излучения в ограждающих поверхностях). При различной плотности и объема пылеугольного факела формируются различные условия воспламенения частиц кокса.

Совместное сжигание кокса с проектным твердым топливом исключает необходимость реконструкции существующих систем пылеприготовления (в связи с сокращением массы перерабатываемого материала при переходе от угля к коксу).

6. Автономное сжигание нефтяного кокса требует организации специальных систем очистки дымовых газов от золовых частиц кокса с большим содержанием углерода, электрофизическими свойствами, возможностью залипания на электродах, гидрофобностью.

Сжигание коксоугольной смеси позволяет эффективно использовать существующие системы золоулавливания.

Способ сжигания нефтяного кокса относится к теплоэнергетике, в частности к технологии сжигания нефтяного кокса. Сжигание нефтяного кокса осуществляют совместно с каменным углем при тонкости размола, соответствующей тонкости размола тощих углей, и при оптимальной доле нефтяного кокса, соответствующей выходу летучих составляющих топлив, определяемой соотношением где b_к - доля нефтяного кокса в коксоугольной смеси; массовый расход в единицу времени; b_у- доля каменноугольного топлива, массовый расход в единицу времени; Vглк

- выход летучих нефтяного кокса на горючую массу, %; Vглу - выход летучих каменного угля на горючую массу, %. При этом пылеприготовление нефтяного кокса и каменного угля осуществляют совместно или раздельно с последующим смешиванием перед входом в горелку или осуществляют раздельную их подачу. Технический результат заключается в обеспечении возможности использования нефтяного кокса в качестве энергетического топлива. 2 ил.

1. Способ сжигания нефтяного кокса, основанный на смешивании его с другими видами энергетических топлив, отличающийся тем, что сжигание его осуществляют в котлах с камерными топочными устройствами совместно с каменноугольным топливом, при этом тонкость размола кокса соответствует тонкости размола тощих углей, а оптимальная доля нефтяного кокса соответствует выходу летучих составляющих топлив и определяется соотношением

где b_k - доля нефтяного кокса в коксоугольной смеси; массовый расход в ед. времени;
b_y - доля каменноугольного топлива; массовый расход в единицу времени;
Vглк

- выход летучих нефтяного кокса на горючую массу, %;
Vглу - выход летучих каменного угля на горючую массу, %. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пылеприготовление нефтяного кокса и каменного угля осуществляют совместно или раздельно с последующим смешиванием перед входом в горелку или осуществляют раздельную их подачу.