СПОСОБ СОВМЕСТНОГО СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ПЫЛИ УГЛЕСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПРИЗМАТИЧЕСКОЙ ЧЕТЫРЕХГРАННОЙ ТОПКЕ КОТЛА Российский патент 2005 года по МПК F23C1/12 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах, сжигающих пылевидное и газообразное топливо.

Известен способ сжигания топлива в вертикальной призматической четырехгранной топке котла путем раздельной подачи спутными потоками смеси пылевидного топлива с воздухом вдоль боковых стен и смеси газа с воздухом по центру топки; при этом расход пылевидного топлива в перерасчете на условные единицы в 1,23-5,67 раз превышают расход газообразного, где под расходом газа в условных единицах понимают выражение: B^у _г=B_г*Q_г/Q_y, кг/с (В_г - расход газа, кг/с; Q_г - теплота сгорания газа, кДж/кг; Q_у=7000 ккал/кг=29.330 кДж/кг - теплота сгорания условного топлива, принятая в энергетике); под расходом пылевидного топлива в условных единицах понимают выражение: B^у _п=B_п*Q_п/Q_y, кг/с (В_п - расход натурального топлива, кг/с; Q_п - теплота сгорания пыли, кДж/кг; Q_у=29.330 кДж/кг - теплота сгорания условного топлива) (см. а.с. СССР №847767, МКл. Р 23 С 1/12 от 13.03.1981 г. с приоритетом от 27.02.1980 г.). Способ позволяет снижать загрязнение топки золошлаковыми отложениями. Недостатком данного способа является отсутствие даже потенциальной возможности сжигания пыли углеродосодержащего материала, например отходов электродного производства, содержащих до 40-80% свободного углерода, но не имеющих летучих веществ (которые присутствуют в природном угле и обеспечивают воспламенение пыли в топке), а также некачественных продуктов угледобычи и отходов углеобогащения, содержащих лишь до 20% свободного углерода, а породы и влаги - до 80%). Подача вдоль оси топки газа не обеспечивает необходимой степени прогрева пылевидного материала и его воспламенение.

Известен способ комбинированного сжигания природного, коксового, доменного газов и пылевидного топлива путем подачи спутными потоками смесей природного и коксового газов с воздухом, а также пылевидного топлива с воздухом вдоль боковых стен топки, а смеси доменного газа с воздухом - вдоль ее оси по центру (см. а.с. СССР №1755006, М. Кл. F 23 С1/12; Б.И. №30, 1992 г.). Способ обладает тем же недостатком: отсутствуют необходимые тепловые условия прогрева и зажигания пыли углеродосодержащего материала. Подача пыли углеродосодержащего материала даже совместно с природным газом вдоль относительно "холодных" боковых стен не обеспечивает надежного прогрева и зажигания.

Задача изобретения - интенсификация прогрева углеродосодержащих частиц и их устойчивое зажигание и горение без загрязнения стен топочной камеры.

Для достижения поставленной задачи при осуществлении способа совместного сжигания природного газа и пыли углеродосодержащего материала в вертикальной четырехгранной призматической топке котла путем их раздельного ввода в смесях с воздухом спутными потоками согласно изобретению потоки пылевоздушной смеси вводят между потоками газовоздушной смеси со скоростью W_пс=(0,25-0,75)W_гс и расходом пыли в перерасчете на условные единицы B^y _п=(0,1-1,22)B^y _г, где W_гс - скорость газовоздушной смеси, м/с; В^у _г - расход газа в условных единицах, кг/с.

Вводом топливосодержащей пыли между газовоздушными потоками в отмеченных диапазонах скорости и расхода достигаются поставленная задача интенсификации прогрева углеродосодержащих частиц и их устойчивое зажигание и горение без загрязнения топочной камеры.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема котла с вертикальной четырехгранной призматической топкой (заполненной интегральным пылегазовым факелом, структуризированным параллельно чередующимися газовыми и полидисперсными составляющими) и размещенными, по крайней мере, на одной из ее стен газовыми и пылевыми горелками для ввода газовоздушной и пылевоздушной смесей; на фиг.2, 3, 4 - схемы дифференциального чередующегося ввода газовоздушных и пылевоздушных потоков в топку на виде в плане по разрезу А-А на фиг.1; на фиг.2 отображена схема подачи пылегазовоздушных потоков через раздельные газовые и пылевые горелки, размещенные на одной из стен топочной камеры; на фиг.3 - схема подачи потоков через блочные пылегазовые горелки, установленные на одной из стен топки; на фиг.4 - схема подачи пылегазовоздушных потоков через раздельные газовые и пылевые горелки, размещенные на двух противоположных стенах топки.

Способ реализуется на котле по фиг.1 с вертикальной четырехгранной призматической топкой 1, заполненной интегральным пылегазовым факелом, отдающим тепло трубным экранам 2 с пароводяной смесью, размещенным на всех стенах 3, 4, 5, 6 топки 1, и горелками 7, 8 для раздельного ввода природного газа в смеси с воздухом и пыли углеродосодержащего материала также в смеси с воздухом, установленными, по крайней мере, на одной из стен 3, а также подключенным к топке 1 газоходом 9, оборудованным нагревательными элементами (трубными теплообменниками) 10. На фиг.2, 3, 4 обозначены векторы скорости газовоздушной смеси на выхлопе из горелки 7 в топку 1 W_гс, м/с, скорости пылевоздушной смеси на выхлопе из горелки 8 в топку 1 W_пс, м/с, а также расхода газа В^у _г, кг/с и расхода пыли В^у _п, кг/с в условных единицах.

При реализации способа на котле по фиг.1, 2 в топку 1 подают газ в смеси с воздухом через горелки 7 вдоль боковых стен 5, 6, а потоки пылевоздушной смеси - через горелку 8 в пространство топки 1 между потоками газовоздушной смеси. Интегральный пылегазовый факел в топке имеет газовую и пылевую составляющие, причем основу стабильного зажигания и тепловыделения составляет газовый факел, развиваемый вдоль боковых стен 5, 6. Прогрев частиц пылевого факела производят при заявленном скоростном и расходном режимах выхлопа газовоздушной и пылевоздушной смеси в топку 1, что обеспечивает устойчивое зажигание и горение углеродных частиц без расплавления минеральных включений и загрязнения экранов 2. Заявленные соотношения параметров топливных и топливовоздушных потоков поддерживаются соответствующими регуляторами расходов (на чертежах не показаны) в ручном или автоматическом режимах. Горячие дымовые газы из топки 1 поступают в газоход 9, где отдают тепло элементам 10. Охлажденные дымовые газы поступают в систему очистки и через дымовую трубу сбрасываются в атмосферу (последние на чертежах не показаны). Вырабатываемый на котле в трубах экранов 2 и элементов 10 пар подают на паротурбогенераторы для получения электроэнергии и производственные нужды.

Способ может быть также реализован путем подачи в топку 1 котла по фиг.1, 3 потоков газа в смеси с воздухом вдоль боковых стен 5, 6 и потоков пылевоздушной смеси через блочные горелки 7, 8 в топочное пространство между потоками газовоздушной смеси при заявляемых соотношениях скорости выхлопа потоков в топку и расхода топливных реагентов.

Способ реализуется также в котле на фиг.1, 4 со встречным размещением горелок 7, 8 на стенах 3, 4 с достижением устойчивого горения пыли и без загрязнения труб 2 при поддержании заявляемых соотношений скорости выхлопа топливных смесей и расхода топливных компонент.

Практическое применение способа связано с котлами БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2, на которых осуществлены опытное опробование и промышленная отработка факельного сжигания отходов электродного производства (содержащих до 60% свободного углерода и до 40% негорючих включений) с определением оптимальных соотношений скорости выхлопа потоков газовоздушной и пылевоздушной смесей в топку, расходов топливных реагентов. В частности, показано, что основным требованием по безопасности организации интегрального пылегазового факела в топке промышленного котла стало обеспечение его стабильности, исключающей срывы горения и остановы оборудования. При этом надежность процесса в период отработки режимов сжигания топлива обеспечивалась стандартными методами контроля светимости факела и автоматикой поддержания горения с необходимой сигнализацией по выбегу контрольных параметров, используемой на котлах при сжигании газа. При наладке топочных режимов было отмечено, что уменьшением размеров частиц углеродосодержащего материала активизируется процесс воспламенения и повышается степень их выгорания. Количественное содержание окислителя (кислорода воздуха) в потоках газовоздушной и пылевоздушной смесей также отражалось на степени выгорания углеродосодержащих частиц. Однако при фиксированных тонине помола углеродосодержащего материала (регулируемой сепарационными устройствами системы пылеприготовления) и количественном содержании и соотношении воздуха в газовоздушных и пылевоздушных смесях получены универсальные соотношения, определяющие безопасные границы эксплуатационных соотношений расходов реагентов, которые справедливы для широкого спектра выше обозначенных параметров. В частности, для фиксированного фракционного состава пыли с максимальным размером до ˜250*10^-6 м и коэффициентов избытка воздуха в газовоздушной смеси α_г=V_г/V_го=1,05 и в пылевоздушной смеси α_п=V_п/V_по=1,25 (где V_г и V_го - расход воздуха, фиксируемый и теоретически необходимый для полного сжигания газа, м³/с; V_п и V_по - расход воздуха, фиксируемый и теоретически необходимый для полного сжигания частиц углеродосодержащего материала, м³/с) выявлена следующая картина горения. При значениях относительной скорости W_пс/W_гс, например, 0,3; 0,5; 0,7 и фиксированных относительных расходах В^у _п/В^у _г, например, 0,15; 0,5; 1,0 горение углеродных частиц имеет устойчивый характер без срывов светимости и пульсаций; на границах значений относительной скорости W_пс/W_гс=0,25 и W_пс/W_гс=0,75, а также верхнего относительного значения расхода В^у _п/В^у _г=1,22 происходит нарушение устойчивости зажигания и визуальной однородности углеродного пламени. При ведении режима даже с незначительным выходом за обозначенные границы (например, W_пс/W_гс=0,249; W_пс/W_гс=0,751; В^у _п/В^у _г=1,221 соответственно) происходит скачкообразный срыв углеродного горения, пылевоздушный факел гаснет. Ограничение нижнего относительного расходного предела величиной В^у _п/В^у _г=0,1 связано с "перегревом" минеральных включений (зольных частиц) углеродосодержащего материала, их расплавлением и налипанием на стены топки. При поддержании относительного расхода В^у _п/В^у _г более 0,1 до 1,22 стены и другие элементы топки сохраняются незагрязненными; при достижении величины относительного расхода В^у _п/В^у _г=0,1 минеральные частицы начинают деформироваться, а при дальнейшем незначительном снижении В^у _п/В^у _г ниже 0,1, например при значении В^у _п/В^у _г=0,099, происходит их расплавление с последующим скачкообразным загрязнением топки. Те же характеристики горения получены для фракционного состава пыли с фиксированными максимальными размерами частиц до ˜550*10^-6 м; до ˜1020*10^-6 м и до ˜2220*10^-6 м и коэффициентах избытка воздуха α_г=1,1; α_г=1,25 и α_п=1,15; α_п=1,35 в различных их комбинациях.

Отсюда сделан вывод, что диапазоны соотношений относительной скорости W_пс=(0,25-0,75)W_гс и расхода B^y _п=(0,1-1,22)B^y _г являются оптимальными, выход за границы этих значений приводит к резкому скачкообразному изменению качества горения, характера протекания топочного процесса.

Аналогичные результаты получены при использовании в качестве углеродосодержащего материала некачественных продуктов добычи угля Челябинского бассейна и отходов углеобогащения с содержанием свободного углерода до 20%, породы и влаги до 80%. В границах W_пс=(0,25-0,75)W_гс и B^y _п=(0,1-1,22)B^y _г горение было устойчивым, топка не загрязнялась. При W_пс<0,25W_гс; W_пс>0,75W_гс и B^y _п>1,22В^у _г происходили срыв факельного процесса, потемнение и погасание пылевой составляющей факела. При В^у _п<0,1В^у _г активизировалось загрязнение топки. Таким образом, заявленные диапазоны соотношений скорости и расхода оказались оптимальными и для некачественных продуктов добычи Челябинского бассейна, общими для исследованного ряда углеродосодержащих материалов. В связи с чем при их реализации появилась возможность одновременной факельной утилизации, в частности, пыли отходов электродного производства и некачественных продуктов добычи угля. Учитывая различный механизм окисления пылевидных частиц этих материалов, последние при вводе в топку между потоками газовоздушной смеси не смешивались: пыль отходов электродного производства вводилась через горелки, размещенные со стороны боковых стен камеры сгорания, а пыль некачественных продуктов добычи - через горелки в центре топки. Результаты такого комбинированного сжигания аналогичны результатам сжигания с раздельной утилизацией углеродосодержащих материалов. Устойчивое горение пылевидных отходов, содержащих свободный углерод, в условиях чистой топки поддерживалось только в диапазонах W_пс=(0,25-0,75)W_гс и В^у _п=(0,1-1,22)В^у _г. Выход за обозначенные границы соотношений скорости и расхода вызывал скачкообразное нарушение характера и качества горения.

Способ относится к энергетике и может быть использован на котлах, сжигающих пылевидное и газообразное топливо. Совершенствуется способ совместного сжигания природного газа и пыли углесодержащего материала в вертикальной призматической четырехгранной топке котла путем их раздельного ввода в смесях с воздухом спутными потоками. При реализации способа потоки пылевоздушной смеси вводят между потоками газовоздушной смеси со скоростью (0,25-0,75)W_гс и расходом пыли в перерасчете на условные единицы (0,1-1,22)B^y _г, где W_гс - скорость газовоздушной смеси, м/с; В^У _г - расход газа в условных единицах, кг/с, что обеспечивает решение задачи интенсификации прогрева углеродосодержащих частиц и их устойчивое зажигание и горение. 4 ил.

Способ совместного сжигания природного газа и пыли углесодержащего материала в вертикальной призматической четырехгранной топке котла путем их раздельного ввода в смесях с воздухом спутными потоками, отличающийся тем, что потоки пылевоздушной смеси вводят между потоками газовоздушной смеси со скоростью (0,25÷0,75)W_гс и расходом пыли в перерасчете на условные единицы где W_гс - скорость газовоздушной смеси, м/с; - расход газа в условных единицах, кг/с.