Способ подготовки топлива на тепловой электростанции с применением газопоршневого двигателя Российский патент 2024 года по МПК F23K1/00 

Изобретение относится к системам приготовления угольной пыли на тепловых электростанциях (ТЭС) для ее сжигания в топках котлов и может быть использовано в электроэнергетической и других отраслях промышленности при размоле сырья, топлива, материалов.

В общепринятой классификации систем пылеприготовления ТЭС, сжигающих твердое топливо, преимущественное место занимают индивидуальные (для одного котла) системы, приниципиальная технология в которых представляет собой следующее. Из бункера сырого дробленого угля его подают в нисходящий короб, куда также направляют сушильный агент. Основной составляющей сушильного агента является горячий воздух, отбираемый из основного потока после воздухоподогревателя котла, а оптимальные параметры сушки по температуре и расходу поддерживают подмешиванием к горячему воздуху или холодного воздуха, или отходящих дымовых газов котла. Уголь с сушильным агентом поступает в мельницу, откуда пыль за счет вентиляции тем же агентом поднимается в сепаратор; в нем отсеивается крупная, некондиционная пыль, спускаемая назад в мельницу, а готовую, тонкую пыль прямым вдуванием после смешения с первичным воздухом направляют в горелки (или в схемах с промежуточным бункером ее сначала осаждают циклоном в бункер готовой пыли, а уже из него, смешивая с первичным воздухом, направляют в горелки). Привод вращательных механизмов мельниц традиционно осуществляется синхронным электродвигателем.

Известна шаровая мельница (патент RU193347U1, МПК B02C 17/04, B02C 17/06, B02C 17/10, опубл. 24.10.2019, бюл. №30), содержащая устройства загрузки и выгрузки, мелющие тела-шары, вал, на который насажен полый барабан, на валу размещены диски, разделяющие барабан на секции, при этом их диаметр увеличен от устройства загрузки к устройству выгрузки, в торцевой поверхности барабана в первой секции выполнено кольцевое окно для загрузки материала, а в последней секции барабана – отверстия для выгрузки готового продукта, согласно полезной модели, полый барабан выполнен из двух частей переменного диаметра: первая меньшего диаметра – для предварительного измельчения, вторая диаметром в 1,4-1,5 больше диаметра первой части – для тонкого измельчения, причем диаметр мелющих тел-шаров второй части в 1,4-1,5 больше диаметра шаров первой части, на внутренней цилиндрической части барабана большего диаметра установлены зацепы, причем их рабочая поверхность выполнена под углом 30-45° к радиусу барабана, для регулирования расстояния между дисками на валу между ними установлены проставки.

Недостатком этого технического решения в масштабах всей пылесистемы является также низкая энергоэффективность электропривода мельницы.

Известна установка для приготовления пылевидного топлива (патент RU 197671U1, МПК F23K 1/00, B02C 17/00, опубл. 21.05.2020, бюл. №15), которая состоит из бункера сырого угля и бункера готовой пыли, мельницы, сепаратора, шиберов, циклона, мельничного вентилятора, пылепровода готовой пыли. В установке уголь подают в шаровую барабанную мельницу, подают горячий (первичный) воздух, необходимый для подсушки топлива и его транспорта, из короба горячего воздуха под некоторым давлением, а также под действием разрежения, создаваемого в мельнице вентилятором. В мельнице дробят и подсушивают топливо, которое направляют в сепаратор, где разделяют на два потока. Готовую мелкую пыль направляют в циклон, а крупную (недомол) возвращают во входную горловину мельницы. В циклоне осаждают готовую пыль, которую передают в бункер пыли, где её накапливают. Из бункера пыли пылепитателями готовую пыль необходимого количества подают в пылепровод готовой пыли и направляют через горелки в топку котла для дальнейшего сжигания. Мельчайшие частицы, не осевшие в циклоне, передают в мельничный вентилятор, из которого распределяют по горелкам.

Недостатком этого технического решения в масштабах всей пылесистемы также является низкая энергоэффективность электропривода мельницы.

Известна молотковая мельница (патент RU2487759, МПК B02C 13/04, опубл. 20.07.2013, бюл. №20), которая содержит сито с прижимной рамой и держателем, двигатель, станину статора, вращающее устройство, шпиндель ротора, резцы молотков. Двигатель установлен на станине статора и соединен с вращающим устройством мельницы посредством сцепления. Вращающее устройство, сито и держатель сита вместе формируют камеру измельчения. Шпиндель ротора вращающего устройства соединен со сцеплением. На вращающем устройстве установлены молотки с множеством резцов. На шпинделе ротора между смежными рамными плитами установлена большая распорная втулка, имеющая внутренний и внешний края. Обе стороны внутреннего края и обе стороны внешнего края прочно закреплены на соответствующих смежных рамных плитах молотков, при этом внутренний край распорной втулки находится на шпинделе ротора, а внешний край - на расстоянии от внутренней стороны смонтированного резца молотка, которое составляет от 1 до, приблизительно, 60 мм от траектории движения резца молотка.

Недостатком этого технического решения в масштабах всей пылесистемы является низкая энергоэффективность электропривода мельницы, так как электроэнергия для него подается из собственных нужд ТЭС, а она вырабатывается на электростанции, сжигающей уголь, с КПД 35-38%.

Известен способ пылеприготовления на ТЭС (патент RU2788060 C1 МПК F23G5/027 20006/01, опубл.16.01.2023, бюл. № 2) который заключается в измельчении твердого топлива, разделении полученного измельченного пылевидного топлива и горячего воздуха и подаче пылевидного топлива на сжигание в топке парового котла с образованием уходящих дымовых газов, причем дополнительно осуществляют пиролиз в баке газификации предварительно отсортированных и измельченных твердых бытовых отходов, подачу уходящих газов, образование в результате генераторного газа и твердого коксового остатка, генераторный газ подают на горелочные устройства парового котла и используют его в качестве подсветочного топлива, а твердый коксовый остаток с твердым топливом измельчают в шаровой барабанной мельнице с подачей горячего воздуха для сушки, полученную пылевидную горючую смесь с воздухом подают в циклон, разделяют, воздух выводят в атмосферу, а пылевидную горючую смесь подают в промежуточный бункер, после чего направляют пылевидную горючую смесь на горелочные устройства парового котла для сжигания. В схеме также имеется устройство традиционного пылеприготовления на ТЭС.

Недостатком этого технического решения в масштабах всей пылесистемы является низкая энергоэффективность электропривода мельницы, так как электроэнергия для него подается из собственных нужд ТЭС, а она вырабатывается на электростанции, сжигающей уголь, с КПД 35-38%.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению явлется способ пылеприготовления (описанный в патенте RU 94313U1, МПК F23K 1/00, опубл. 20.05.2010, бюл.№14), согласно которому питателем уголь из бункера направляют в мельницу одновременно с горячими дымовыми газами, подаваемыми из газозаборного окна топки котла через газозаборную шахту в мельницу. Сырой уголь в мельнице подсушивают, измельчают и передают через пылепровод в горелочное устройство, в которое одновременно подают горячий воздух. Топливо в горелочном устройстве смешивают с воздухом, где его воспламеняют и дожигают в топке котла. Температуру газов, поступающих из топки в дополнительный воздухоподогреватель и мельницу корректируют подачей холодных дымовых газов от дымососа рециркуляции.

Недостатком этого технического решения является высокие потери в электроприводе мельницы, который на ТЭС потребляет электроэнергию из собственных нужд электростанции, а она, в свою очередь, вырабатывается на ТЭС обычно с КПД равным 35-38% (при 62-65% неизбежных энергопотерь).

Технической задачей предлагаемого способа пылеприготовления является обеспечение энергосбережения в системе пылеприготовления на ТЭС за счет применения в качестве привода мельницы газопоршневого двигателя (ГПД) и утилизации энергии выхлопных газов ГПД и теплоты воды, охлаждающей элементы ГПД.

Технический результат заключается в снижении использования электроэнергии на собственные нужды ТЭС и энергосбережение.

Это достигается способом подготовки топлива на тепловой электростанции, в котором в мельницу подают дробленый уголь, где осуществляют его размалывание, пылегазовую смесь из мельницы направляют последовательно в сепаратор для отсева крупной некодиционной пыли назад в мельницу, после чего тонкую готовую пыль направляют в систему подачи пыли и далее в горелки котла, согласно изобретению в качестве привода мельницы используют ГПД, осуществляют подачу природного газа в ГПД, по крайней мере часть выхлопных газов из ГПД направляют на сушку сырого угля перед мельницей, а нагретую воду из системы охлаждения элементов ГПД используют на собственные нужды ТЭС.

Также избыток выхлопных газов из ГПД отводят в котёл.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана блок-схема технологического комплекса, реализующего способ подготовки топлива на тепловой электростанции, и приняты следующие обозначения:

1 – ГПД (без оборудования для генерации электроэнергии и тепла), устанавливаемый как привод мельницы;

2 – мельница (молотковая, шаровая барабанная или среднеходная валковая);

3 – сепаратор пыли;

4 – система подачи пыли к котлу (прямым вдуванием или с промежуточным бункером пыли);

5 – горелки;

6 – котел;

7 – все выхлопные газы ГПД;

8 – выхлопные газы ГПД с температурой 400-600 °С, служащие основой сушильного агента сырого угля;

9 – холодный воздух или отходящие дымовые газы котла, подмешиваемые в сушильный агент для регулирования его оптимальных параметров;

10 – нисходящая шахта для сушки сырого дробленого угля;

11 – подача угля и сушильного агента в мельницу;

12 – короб сброса в котел избыточного выхлопа ГПД;

13 – подача природного газа в ГПД;

14 – трубопровод подачи воды в ГПД для охлаждения элементов ГПД;

15 – трубопровод отвода нагретой воды после охлаждения элементов ГПД, направляемой для внутренних нужд ТЭС;

16 – бункер сырого дробленого угля.

На фиг. 2 представлена схема распределения энергии, подаваемой в ГПД с природным газом. В ней приняты следующие обозначения:

17 – энергия природного газа, поступающая в ГПД = 100%;

18 – полезно используемая энергия ≈ 90%;

19 – механическая энергия, передаваемая на ротор мельницы (на привод

барабана шаровой барабанной мельницы) ≈ 42%;

20 – утилизируемая тепловая энергия выхлопных газов ГПД ≈ 33%, в том числе:

21 – энергия излишков выхлопных газов, сбрасываемых в котел;

22 – утилизируемая тепловая энергия воды, охлаждающей элементы ГПД (это

водяная рубашка охлаждения двигателя, охладитель масляного контура)

≈15%;

23 – суммарные потери энергии в самом ГПД и при передаче тепловой энергии ≈10%.

Способ подготовки топлива с пылеприготовлением на тепловой электростанции с применением газопоршневого двигателя осуществляют следующим образом. В качестве привода мельницы используют ГПД1. Выходной вал ГПД 1 непосредственно подсоединяют к валу ротора молотковой или валковой мельницы 2 (в случае шаровой барабанной мельницы – к приводу барабана). Мощность ГПД 1 - та же, что в случае традиционного применения электродвигателя. Электронной системой управления обеспечивают оптимальную скорость вращения ротора мельницы 2. Установка с ГПД 1 не содержит в себе оборудования для генерации электроэнергии и тепла. Осуществляют подачу природного газа 13 в ГПД 1. В мельницу 2 по нисходящей шахте 10 из бункера сырого дробленого угля 16 подают дробленый уголь, выхлопные газы 8 из ГПД с температурой 400-600 °С или их часть направляют на сушку сырого угля перед мельницей, т.е. используют в качестве сушильного агента с подмешиванием к нему перед нисходящей шахтой 10 регулировочного холодного воздуха 9 (или отходящих дымовых газов котла, также обозначенными 9) для целей поддержания оптимальных параметров сушильного агента; в мельнице 2 осуществляют его размалывание; пылегазовую смесь из мельницы 2 направляют последовательно в сепаратор 3 для отсева крупной, некондиционной пыли назад в мельницу 2, а тонкую готовую пыль направляют в систему подачи пыли 4 к котлу 6 и далее в горелки 5 котла 6. При избытке выхлопных газов из ГПД 1 для сушки топлива этот избыток по коробу 12 отводят в котел 6. В систему охлаждения элементов ГПД 1 по трубопроводу 14 подают охлаждающую воду, где её нагревают и отводят трубопроводом 15 и полезно используют на собственные нужды ТЭС, например хозяйственно-бытовые.

Описанный способ обеспечивает некоторые побочные положительные эффекты. Более глубокая подсушка сырого угля обеспечивает его более легкий помол и экономию энергии, требующейся на работу мельницы от ГПД. Замена горячего воздуха как основы сушильного агента угля на выхлопные газы ГПД снижает нагрузку вентиляторов основного воздухоподогревателя с дополнительной экономией электроэнергии на их привод. Длинный воздуховод с горячим воздухом от основного воздухоподогревателя котла, обычно требующийся для его подвода на сушку угля, заменяется коротким газоходом выхлопных газов ГПД, который расположен рядом с мельницей; при этом снижается аэродинамическое сопротивление тракта сушильного агента, а это еще одна составляющая экономии электроэнергии на привод вентилятора воздухоподогревателя. Ввод в тракт подготовки угольной пыли практически инертного газа (выхлопа ГПД) с содержанием кислорода около 1% повысит пожаробезопасность всей системы пылеприготовления в сравнении со способом сушки угля только горячим воздухом.

В порядке обеспечения требований к газоснабжению промышленных объектов подвод природного газа к ГПД 1 в пределах отделения пылеприготовления ТЭС осуществляют по варианту «труба в трубе», а к уровню шума в производственных помещениях - за счет накрытия ГПД 1 шумозащитным кожухом. Условия и параметры эксплуатации ГПД 1, его габариты, моторный ресурс до капитального и среднего ремонтов, расходные материалы и другая информация о ГПД представляются заводами-изготовителями в рамках технического задания на ГПД с учетом исключения из него ненужного в данном случае генерирующего оборудования электроэнергии, содержащегося в мини-ТЭЦ с ГПД.

Энергосбережение в результате применения настоящего изобретения обеспечивается следующим образом. При применении электропривода для мельницы электроэнергия для него подается из собственных нужд ТЭС, а она вырабатывается на электростанции, сжигающей уголь, с КПД 35-38%. Это общеизвестный факт, следующий из теории распределения энергии в паротурбинном цикле ТЭС (цикл Ренкина), и многократно подтвержденный. Как показывают испытания ГПД, КПД преобразования энергии природного газа в механическую составляет 40-42%; кроме того, полезно используется теплота выхлопных газов ГПД (около 33%) и теплота воды, нагретой при охлаждении элементов ГПД (около 15%). Потери в самом ГПД и при передаче тепловой энергии составляет около 10%.

В итоге потери энергии на традиционный электропривод составляют 65-68% в то время, как для предлагаемого способа с ГПД – около 10%. Коэффициент полезного использования топлива в варианте с ГПД может достигать 90%.

Использование изобретения позволяет обеспечить энергосбережение в системе пылеприготовления и снижение использования электроэнергии на собственные нужды ТЭС за счёт применения ГПД и утилизации теплоты выхлопных газов ГПД и нагретой воды системы охлаждения.

Изобретение относится к пылеприготовлению в системах подготовки твердого топлива к сжиганию в топочных устройствах и может быть использовано в энергетической и других отраслях промышленности там, где производится размол топлива, сырья, материалов. Технический результат заключается в снижении использования электроэнергии на собственные нужды ТЭС и энергосбережении и достигается способом подготовки топлива на тепловой электростанции, в котором в мельницу подают дробленый уголь, где осуществляют его размалывание, пылегазовую смесь из мельницы направляют последовательно в сепаратор для отсева крупной некодиционной пыли назад в мельницу, после чего тонкую готовую пыль направляют в систему подачи пыли и далее в горелки котла, согласно изобретению в качестве привода мельницы используют ГПД, осуществляют подачу природного газа в ГПД, по крайней мере часть выхлопных газов из ГПД направляют на сушку сырого угля перед мельницей, а нагретую воду из системы охлаждения элементов ГПД используют на собственные нужды ТЭС. Также избыток выхлопных газов из ГПД отводят в котел. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подготовки топлива на тепловой электростанции (ТЭС), в котором в мельницу подают дробленый уголь, где осуществляют его размалывание, пылегазовую смесь из мельницы направляют последовательно в сепаратор для отсева крупной некондиционной пыли назад в мельницу, после чего тонкую готовую пыль направляют в систему подачи пыли и далее в горелки котла, отличающийся тем, что в качестве привода мельницы используют газопоршневой двигатель (ГПД), осуществляют подачу природного газа в ГПД, по крайней мере часть выхлопных газов из ГПД направляют на сушку сырого угля перед мельницей, а нагретую воду из системы охлаждения элементов ГПД используют на собственные нужды ТЭС.

2. Способ подготовки топлива на ТЭС по п.1, отличающийся тем, что избыток выхлопных газов из ГПД отводят в котел.