Способ приготовления угольной пыли на тепловой электростанции с применением газопоршневого привода мельницы Российский патент 2024 года по МПК B02C13/00 B02C15/00 B02C17/00 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 нисходящую шахту, 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.

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, где она вырабатывается с КПД 35-38%.

Известен способ пылеприготовления на ТЭС с молотковой мельницей (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, где она вырабатывается с КПД 35-38%.

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.

Наиболее близим 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 энергопотери, связанные с наличием электропривода для работы мельницы, который на ТЭС потребляет электроэнергию из собственных нужд ТЭС, где она обычно вырабатывается с КПД равным 35-38% (при 62-65% неизбежных энергопотерь).

Технической задачей предлагаемого способа приготовления угольной пыли является обеспечение энергосбережения в системе пылеприготовления ТЭС за счет применения в качестве привода мельницы газопоршневого двигателя (ГПД) и максимальной утилизации энергии выхлопных газов ГПД и нагретой воды системы охлаждения элементов ГПД.

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

Это достигается способом приготовления угольной пыли на электростанции, в котором в мельницу подают уголь, сушильный агент и вентиляционный газ, в мельнице осуществляют размалывание угля, пылегазовую смесь из мельницы направляют последовательно в сепаратор для отсева крупной некондиционной пыли и её возврата назад в мельницу, а 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, а поток выхлопных газов из ГПД направляют в теплообменник, после него весь поток выхлопных газов или его часть направляют на смешение с горячим воздухом для регулирования температуры и расхода сушильного агента угля и обеспечения вентиляции мельницы, при этом подают воду в теплообменник, где её нагревают и отводят.

Дополнительно нагретую в теплообменнике воду отводят для теплоснабжения и/или горячего водоснабжения потребителей.

Также нагретую воду из системы охлаждения элементов ГПД отводят в теплообменник.

Также теплообменник встраивают в блок ГПД.

Кроме того, используют выносной теплообменник.

Также используют теплообменник-экономайзер.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана блок-схема технологического комплекса, реализующего способ приготовления угольной пыли, и приняты следующие обозначения:

1 - ГПД (без оборудования для генерации электроэнергии), 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 - бункер сырого дробленого угля;

8 - основной сушильный агент (только горячий воздух из основного воздухоподогревателя);

9 - нисходящая шахта для сушки сырого дробленого угля;

10 - подача угля, сушильного агента и вентиляционного газа в мельницу;

11 - подача природного газа в ГПД;

12 - встроенный или выносной теплообменник;

13 - выхлопные газы ГПД;

14 и 15 - использование выхлопных газов после теплообменника 12, а именно:

14 - подвод выхлопных газов к основному сушильному агенту угля для регулирования параметров сушки;

15 - поток выбросов остатка выхлопных газов в атмосферу через собственную трубу или их отвод в короб отходящих газов котлов, ведущий к дымовой трубе ТЭС;

16 - трубопровод подвода воды в теплообменник;

17 - трубопровод отвода нагретой воды из теплообменника для целей теплоснабжения и/или горячего водоснабжения потребителей;

18 - подвод воды в ГПД для охлаждения элементов ГПД;

19 - отвод воды, нагретой при охлаждении элементов ГПД, на вход в теплообменник.

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

20 - энергия природного газа, поступающая в ГПД = 100%;

21 - полезно используемая энергия ≈ 85%;

22 - механическая энергия, передаваемая на ротор мельницы (на привод барабана шаровой барабанной мельницы) ≈ 42%;

23 - утилизируемая тепловая энергия выхлопных газов ≈ 23%;

24 - утилизируемая тепловая энергия воды, охлаждающей элементы ГПД (это водяная рубашка охлаждения двигателя, охладитель масляного контура) ≈15%;

25 - суммарные потери энергии ≈15%, в том числе:

26 - потери тепловой энергии собственно в ГПД ≈ 5%;

27 - потери тепловой энергии с выхлопными газами ГПД, выбрасываемыми в атмосферу ≈ 10%.

Способ приготовления угольной пыли на электростанции согласно изобретению 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 с электродвигателем. Электронной системой управления обеспечивают оптимальную скорость вращения ротора мельницы 2. Установка с ГПД 1 не содержит в себе оборудования для генерации электроэнергии. Осуществляют подачу природного газа 11 в ГПД 1. В мельницу 2 по нисходящей шахте 9 осуществляют подачу 10 угля, сушильного агента и вентиляционного газа; в мельнице 2 осуществляют размалывание угля; пылегазовую смесь из мельницы 2 направляют последовательно в сепаратор 3 для отсева крупной, некондиционной пыли и её возврата назад в мельницу 2, а готовую пыль направляют в систему подачи пыли 4 к котлу 6 и далее в горелки 5 котла 6. Весь поток выхлопных газов 13 с начальной температурой 400-600°С из ГПД 1 направляют в теплообменник 12, например, экономайзер, встроенный в блок ГПД или располагаемый отдельно («выносной»); в теплообменник 12 трубопроводом 16 подают воду для ее нагрева; трубопроводом 17 нагретую воду отводят для теплоснабжения и/или горячего водоснабжения потребителей. В системе охлаждения элементов ГПД 1 охлаждающую воду, подаваемую к ГПД 1 через подвод 18, нагревают, и ее отводят через отвод 19 на вход в теплообменник 12, смешивая с потоком 16. Охлажденные выхлопные газы 13 после теплообменника 12 используют следующим образом (на фиг. 1 они показаны пунктирными стрелками). Весь поток выхлопных газов 13 или часть потока выхлопных газов 13 направляют через подвод выхлопных газов 14 на смешение с горячим воздухом 8 для регулирования температуры и расхода сушильного агента угля и обеспечения вентиляции мельницы 2; остаток выхлопных газов 13 потоком выбросов 15 может выбрасываться в атмосферу через свою выхлопную трубу или направляться в общий короб с отходящими газами котлов, ведущий к дымовой трубе ТЭС.

Такой способ обеспечивает побочные положительные эффекты: замещение длинного газохода для подмешивания дымовых газов ТЭС в сушильный агент коротким газоходом выхлопных газов после теплообменника, расположенного рядом с мельницей; подмешивание в тракт подготовки угольной пыли практически инертного газа с содержанием кислорода около 1%, что 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, и, как варианта, размещения в блоке ГПД встроенного теплообменника.

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 ТЭС, 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 при использовании его как источника только механической энергии (т.е. без оборудования, генерирующего электроэнергию), КПД преобразования энергии топлива в механическую составляет примерно 42%; кроме того, полезно используется большая часть теплоты выхлопных газов ГПД (около 23%) и теплоты воды, нагретой при охлаждении элементов ГПД (около 15%). Потери в самом ГПД составляют около 5%; еще около 10% теряется с выбросом выхлопных газов в атмосферу с температурой 130-150°С.

В итоге потери энергии на традиционный электропривод составляют 65-68% в то время, как для предлагаемого способа с ГПД - около 15% (т.е. более, чем в 4 раза больше, чем при использовании электропривода). Коэффициент полезного использования топлива в варианте с ГПД может достигать 85%.

Использование изобретения позволяет обеспечить энергосбережение в системе пылеприготовления на ТЭС за счет применения в качестве привода мельницы ГПД и максимальной утилизации энергии выхлопных газов ГПД и нагретой воды системы его охлаждения и снизить использование электроэнергии на собственные нужды ТЭС.

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. Способ заключается в том, что в мельницу 2 подают уголь 10, сушильный агент и вентиляционный газ, в мельнице 2 осуществляют размалывание угля, а пылегазовую смесь из мельницы 2 направляют последовательно в сепаратор 3 для отсева крупной некондиционной пыли и её возврата назад в мельницу 2. Готовую пыль направляют в систему подачи пыли 4 и далее в горелки 5 котла 6. В качестве привода мельницы используют газопоршневой двигатель (ГПД). При этом осуществляют подачу природного газа в ГПД 11, а поток выхлопных газов из ГПД 13 направляют в теплообменник 12, после него весь поток выхлопных газов 13 или его часть направляют на смешение с горячим воздухом для регулирования температуры и расхода сушильного агента угля и обеспечения вентиляции мельницы. При этом подают воду в теплообменник 12, где её нагревают и отводят. Нагретую в теплообменнике воду отводят для теплоснабжения и/или горячего водоснабжения потребителей. Нагретую воду из системы охлаждения элементов ГПД отводят в теплообменник 12. Теплообменник 12 встраивают в блок ГПД или используют выносной теплообменник. Используют теплообменник-экономайзер. Способ обеспечивает энергосбережение за счет снижения использования электроэнергии на собственные нужды ТЭС. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ приготовления угольной пыли на тепловой электростанции (ТЭС), в котором в мельницу подают уголь, сушильный агент и вентиляционный газ, в мельнице осуществляют размалывание угля, пылегазовую смесь из мельницы направляют последовательно в сепаратор для отсева крупной некондиционной пыли и её возврата назад в мельницу, а 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, а поток выхлопных газов из ГПД направляют в теплообменник, после него весь поток выхлопных газов или его часть направляют на смешение с горячим воздухом для регулирования температуры и расхода сушильного агента угля и обеспечения вентиляции мельницы, при этом подают воду в теплообменник, где её нагревают и отводят.

2. Способ приготовления угольной пыли на электростанции по п. 1, отличающийся тем, что нагретую в теплообменнике воду отводят для теплоснабжения и/или горячего водоснабжения потребителей.

3. Способ приготовления угольной пыли на электростанции по п. 1, отличающийся тем, что нагретую воду из системы охлаждения элементов ГПД отводят в теплообменник.

4. Способ приготовления угольной пыли на электростанции по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник встраивают в блок ГПД.

5. Способ приготовления угольной пыли на электростанции по п. 1, отличающийся тем, что используют выносной теплообменник.

6. Способ приготовления угольной пыли на электростанции по п. 1, отличающийся тем, что используют теплообменник-экономайзер.