Способ комбинированного сжигания угольной пыли, природного газа и жидкотопливной смеси

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в вертикальных четырехгранных призматических топках котлов электростанций, промышленных котельных и теплоэлектроцентралей при сжигании одновременно или отдельно угольной пыли, природного газа и жидкотопливной смеси.

Известен способ комбинированного сжигания угольной пыли и жидкотопливной смеси, в частности водоугольных шламов - отходов угледобычи и гидротранспорта, реализуемый путем экзотермического окисления воздухом в вертикальной четырехгранной призматической топке с подачей через установленные на двух противоположных стенах в горизонтальных и четырех вертикальных рядах горелки первичных реагентных потоков из предварительно подготовленных пылеуглевоздушной смеси и жидкотопливной смеси, а также дожигающих воздушных потоков (Выбор технологии сжигания сгущенных шламов в энергетических котлах / A.M. Хидиятов, В.В. Осинцев, С.П. Костовецкий, др. // Электрические станции. - 1990. - №6. - С. 12-16). Недостаток способа - высокий уровень выхода в атмосферу с дымовыми газами вредных для здоровья людей и окружающей среды оксидов азота, а также повышенная степень недожога топлива, увеличивающаяся при подаче в горелки природного газа. Ввод природного газа, кроме того, провоцирует активизацию загрязнения стен топки шлаком с ухудшением теплообмена в топке и повышением температурного уровня на выходе из топки и котла, увеличением потерь теплоты, выделяемой при сжигании топлива, с уходящими газами.

Известен способ комбинированного сжигания угольной пыли и жидкотопливной смеси в виде водоугольных шламов путем экзотермического окисления воздухом в вертикальной четырехгранной призматической топке с подачей через установленные на двух противоположных стенах в горизонтальных и четырех вертикальных рядах горелки первичных реагентных потоков из предварительно подготовленных пылеуглевоздушной смеси и жидкотопливной смеси, а также дожигающих воздушных потоков, по касательным к горизонтальным окружностям в центре топки с образованием на уровне каждого горизонтального горелочного ряда двух встречно-смещенных струйных топливовоздушных пар (авторское свидетельство СССР №1366785, МПК F23С 1/10, 15.09.87 г.; БИ №2 от 15.01.88 г.). Способ имеет те же недостатки, что и вышеописанный способ.

Известен способ сжигания угольной пыли путем экзотермического окисления воздухом в вертикальной четырехгранной призматической топке с подачей через установленные на двух противоположных стенах в горизонтальных и четырех вертикальных рядах горелки первичных реагентных потоков из предварительно подготовленных пылеуглевоздушной смеси и дожигающих воздушных потоков по касательным к горизонтальным окружностям в центре топки с образованием на уровне каждого горизонтального горелочного ряда двух встречно-смещенных струйных топливовоздушных пар (Исследование сжигания малозольного березовского угля в низкотемпературной тангенциальной топочной камере / Ю.Л. Маршак и др. // Теплоэнергетика. - 1981. - №7. - С. 9-14).

Недостаток этого способа - загрязнения стен топки и высокий уровень выхода вредных оксидов азота с дымовыми газами, выводимыми в атмосферу. При этом загрязнения стен усиливаются при подаче в горелки природного газа и жидкотопливных смесей, в частности водоугольной суспензии, угольного шлама, кроме того, при попытках комбинированного сжигания увеличивается недожог топлива.

Известен способ комбинированного сжигания угольной пыли и природного газа путем экзотермического окисления воздухом в вертикальной четырехгранной призматической топке с подачей через установленные на ее стенах горелки первичных реагентных потоков из предварительно подготовленных пылеуглевоздушной смеси и газовоздушной смесей, а также дожигающих воздушных потоков (авторское свидетельство СССР №1163088, МПК F23С 1/12 от 04.04.85 г.; Б.И. №23 от 23.06.85 г.).

Недостаток способа - загрязнения стен топки шлаковыми отложениями, высокий уровень выхода с дымовыми газами вредных оксидов азота и повышенный недожог топлива при подаче в горелки жидкотопливных смесей, в частности обводненного мазута и водоугольной суспензии.

Известен также способ комбинированного сжигания угольной пыли и природного газа путем экзотермического окисления воздухом в вертикальной четырехгранной призматической топке с подачей через установленные на двух противоположных стенах в горизонтальных и четырех вертикальных рядах горелки первичных реагентных потоков из предварительно подготовленных пылеуглевоздушной смеси и газовоздушной смеси по касательным к горизонтальным окружностям в центре топки с образованием на уровне каждого горизонтального горелочного ряда двух встречно-смещенных струйных топливовоздушных пар, а также дожигающих воздушных потоков по касательным к горизонтальным окружностям, примыкающим к стенам (авторское свидетельство СССР №1695036, МПК F23С 1/12 от 01.08.91 г.; Б.И. №44 от 30.11.91 г.).

Недостаток способа - активизация загрязнения стен топки шлаком и повышенный недожог топлива при подаче в горелки жидкотопливной смеси.

Известен способ комбинированного сжигания угольной пыли, природного газа и жидкотопливной смеси путем экзотермического окисления воздухом в вертикальной четырехгранной призматической топке с подачей через установленные на двух противоположных стенах в горизонтальных и четырех вертикальных рядах горелки первичных реагентных потоков из предварительно подготовленных пылеуглевоздушной смеси, газовоздушной смеси, а также дожигающих воздушных потоков, по касательным к горизонтальным окружностям в центре топки с образованием на уровне каждого горизонтального горелочного ряда двух встречно-смещенных струйных топливовоздушных пар (Исследование факельного сжигания водоугольных суспензий в топках энергетических котлов / К.В. Осинцев // Теплоэнергетика. - 2012. - №6. - С. 1-7). При сжигании природного газа и угольной пыли реализуется надежная и экономичная работа топочного устройства с невысоким уровнем концентрации оксидов азота в дымовых газах. Недостатки способа - загрязнения экранированных стен топки шлаковыми отложениями с повышением тепловых потерь с уходящими газами и повышение степени недожога проявляются при вводе в топку потоков жидкотопливной смеси, в частности водоугольной сусупензии.

Известен также наиболее близкий предлагаемому способ комбинированного сжигания угольной пыли, природного газа и жидкотопливной смеси путем экзотермического окисления воздухом в вертикальной четырехгранной призматической топке с подачей через установленные на двух противоположных стенах в горизонтальных и четырех вертикальных рядах горелки первичных реагентных потоков из предварительно подготовленных пылеуглевоздушной смеси, газовоздушной смеси и жидкотопливовоздушной смеси по касательным к горизонтальным окружностям в центре топки с образованием на уровне каждого горизонтального горелочного ряда двух встречно-смещенных струйных топливовоздушных пар, а также дожигающих воздушных потоков по касательным к горизонтальным окружностям, примыкающим к стенам (Перевод котла БКЗ-160 на технологию ступенчатого сжигания топлива / В.В. Осинцев, А.К. Джундубаев, В.Я. Гигин, др. // Электрические станции. - 1993. - №3. - С. 25-29). Способ обеспечивает достаточно надежную и экономичную работу топки при невысоком уровне концентрации оксидов азота в режимах сжигания газа и угольной пыли.

Недостатки способа проявляются при подаче жидкотопливной смеси, в частности обводненного мазута. В таких режимах работы топочного устройства резко скачкообразно загрязняются стены топки и ухудшается внутритопочный теплообмен между экранами и факелом, что приводит к увеличению температуры продуктов сгорания на выходе из топки и из котла, повышению потерь теплоты с уходящими газами, кроме того, снижается степень выгорания топлива.

Задача изобретения - снижение тепловых потерь с уходящими газами и недожогом топлива независимо от топливного режима.

Для этого при реализации способа комбинированного сжигания угольной пыли, природного газа и жидкотопливной смеси путем экзотермического окисления воздухом в вертикальной четырехгранной призматической топке с подачей через установленные на двух противоположных стенах в горизонтальных и четырех вертикальных рядах горелки первичных реагентных потоков из предварительно подготовленных пылеуглевоздушной смеси, газовоздушной смеси и жидкотопливовоздушной смеси по касательным к горизонтальным окружностям в центре топки с образованием на уровне каждого горизонтального горелочного ряда двух встречно-смещенных струйных топливовоздушных пар, а также дожигающих воздушных потоков по касательным к горизонтальным окружностям, примыкающим к стенам, согласно изобретению в качестве топливного компонента для одной из струйных пар используют угольную пыль, для другой струйной пары - природный газ и жидкотопливную смесь, при этом через горелки вертикальных рядов организуют чередующуюся подачу первичных реагентных потоков из пылеуглевоздушной смеси и первичных реагентных потоков из газовоздушной смеси и жидкотопливовоздушной смеси.

При разделении топливных компонентов между струйными парами по предлагаемому варианту с загрузкой одной из пар угольной пылью, а другой природным газом и жидкотопливной смесью с одновременным чередованием подачи топливных компонентов через горелки вертикальных рядов улучшаются показатели горения и котла в целом. Независимо от выбора вида и соотношения выбранных топливных реагентов уменьшается степень недожога топлива и снижается активность загрязнения стен топки шлаковыми отложениями, что влечет интенсификацию теплообмена между факелом и настенными экранами, минимизирует температуру продуктов сгорания на выходе из топки и за котлом, уменьшает потери теплоты с уходящими газами. Иные варианты распределения топливных компонентов приводят к резкому ухудшению топочного процесса с увеличением потерь теплоты с уходящими газами и недожогом топлива.

Таким образом, независимо от комбинаций ввода топлива в топку именно предлагаемым рассредоточением топливных компонентов между струйными парами на уровне каждого горизонтального ряда и чередованием подачи топливных компонент через горелки в вертикальных рядах достигается снижение тепловых потерь с уходящими газами и недожогом топлива независимо от комбинаций топливного режима, чем и решается поставленная задача изобретения.

Сущность способа комбинированного сжигания угольной пыли, природного газа и жидкотопливной смеси поясняется чертежами. На фиг. 1 показана схема продольного разреза котла с вертикальной четырехгранной призматической топкой, где реализуется предлагаемый способ; на фиг. 2 - увеличенный участок I на фиг. 1 с вертикальной четырехгранной призматической топкой; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2 со схемой ввода реагентов на уровне первого горизонтального ряда в плане; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2 со схемой ввода реагентов на уровне горизонтального ряда в плане; на фиг. 6 - изометрическая схема компоновки горелок с загрузкой реагентными компонентами по вертикальным и горизонтальным рядам; на фиг. 7 - схема пылеугольной горелки с загрузкой реагентами; на фиг. 8 - схема комбинированной газожидкотопливной горелки с загрузкой реагентами; на фиг. 9 - схема комбинированной горелки, вид Г на фиг. 8.

Котел на фиг. 1 имеет вертикальную четырехгранную призматическую топку 1 с фронтовой, задней и боковыми стенами 2, 3, 4, 5 соответственно; стены 2, 3, 4, 5 экранированы трубами 6; топка 1 оснащена окнами 7, 8 для вывода продуктов сгорания, в том числе 7 - для отвода твердых шлаковых частиц 9, 8 - для эвакуации газообразных дымовых газов 10. Окно 8 подключено к газоходу 11 с установленными пароперегревателем 12, экономайзером 13 и воздухоподогревателем 14, а также окном 15 для вывода уходящих дымовых газов 16 на очистку и в дымовую трубу (последние на фиг. 1 не показаны). На боковых стенах 4, 5 топки 1 размещены горелки 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 с образованием горизонтальных g₁, g₂, g₃ и четырех вертикальных v₁, v₂, v₃, v₄ установочных рядов, фиг. 2, 3, 4, 5, 6.

При работе котла в экономайзер 14 для подогрева подают питательную воду 29, откуда подогретая вода 30 по перепускным трубопроводам 31 поступает в систему настенных экранных труб 6 топки 1; нагреваясь в экономайзере 13 и экранных трубах 6, вода испаряется и превращается в пар 32, последний выделяется в барабане 33 и его перегревают в пароперегревателе 12 до необходимой температуры. Перегретый пар 34 из пароперегревателя 12 отпускают потребителю: в турбоэлектрогенератор или на производственные нужды. Неиспарившуюся воду 35 из барабана 33 возвращают в систему экранных труб 6 на нагрев и испарение. Нагрев воды, испарение и перегрев пара производят теплотой, выделяемой при сжигании (окислении кислородом воздуха) в топке топлива. Топливо и воздух подают в топку через горелки 17-28. Воздух 36 из атмосферы перед подачей в топку 1 подогревают в воздухоподогревателе 14, подогретый воздух 37 из воздухоподогревателя 14 по воздуховодам 38 направляют в горелки 17-28. Горение (окисление топлива воздухом) с выделением теплоты в топке 1 происходит в факеле 39, отдающем свою теплоту воде в экранных трубах 6. В период сжигания угольной пыли отдельно или в комбинациях с другими топливами трубы 6 могут загрязняться.

Степень загрязнения влияет на эффективность теплообмена между факелом 39 и трубами 6. При высокой загрязненности труб 6 теплообмен ухудшается, на выходе из топки 1 в окне 8 и на выходе из котла в окне 15 повышается уровень температуры и, как следствие, увеличиваются потери теплоты с уходящими газами q_yx. При чистых трубах 6 потери q_yx минимальны. Эффективность горения в топке 1 характеризуется интегральным показателем химического и механического недожога топлива (q_хим+q_мех). Параметр q_хим определяется по содержанию недоокисленных газовых компонентов, в основном по концентрации СО, a q_мех - по содержанию углерода в удаляемых из топки твердых частицах. Чем ниже показатель (q_хим+q_мех), тем эффективнее организован процесс горения.

При работе котла реализуется предлагаемый способ комбинированного сжигания угольной пыли, природного газа и жидкотопливной смеси. В топке 1 перечисленные топливные компоненты окисляют воздухом 37, поступающим из воздухоподогревателя 14. Потоки топливных компонентов по отдельности или совместно подают в топку 1 через горелки 17-28 в виде предварительно подготовленных первичных реагентных смесей с воздухом: пылеуглевоздушной смеси 40, подготавливаемой, в частности, в мельницах перед котлом (на фиг. 1 не показаны), газовоздушной смеси 41, подготавливаемой непосредственно в горелках, представленных на фиг. 8, 9, жидкотопливовоздушной смеси 42, также подготавливаемой в горелках, представленных на фиг. 8, 9. Через горелки 17-28 в топку 1 вводят также потоки дожигающего воздуха 43. Для подготовки газовоздушной смеси 41 в горелки вводят струи газа 44 и воздуха 37, а для подготовки жидкотопливовоздушной смеси 42 вводят капли жидкого топлива 45 и воздуха 37.

Первичные реагентные смеси 40, 42, 42 вводят в топку 1 потоками по касательным n₁, n₂, n₃, n₄, n₅, n₆ и m₁, m₂, m₃, m₄, m₅, m₆ к окружностям α₁, α₂, α₃ в центре топки 1 с образованием на уровне каждого горизонтального горелочного ряда g₁, g₂, g₃ двух встречно-смещенных струйных топливовоздушных пар β₁, β₂, β₃ и γ₁, γ₂, γ₃, а также дожигающих воздушных потоков 43 по касательным оси, ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅, ω₆ и η_1, η₂, η₃, η_4, η₅, η₆ к окружностям ρ₁, ρ₂, ρ₃, примыкающим к стенам 2, 3, 4, 5 топки 1. Особенностью предлагаемого способа комбинированного сжигания топлива является использование в качестве топливного компонента для одной из струйных пар угольной пыли, для другой струйной пары природного газа и жидкотопливной смеси с чередующейся подачей через горелки вертикальных рядов v₁, v₂, v₃, v₄ первичных реагентных потоков из пылеуглевоздушной смеси и первичных реагентных потоков из газовоздушной смеси и жидкотопливной смеси. Так на уровне первого горизонтального горелочного ряда g₁ на фиг. 3, 6 встречно-смещенная струйная пара β₁ с пылеугольным топливоносителем формируется горелками 17, 19 из вертикальных рядов v₁, v₃ пылеуглевоздушными потоками 40, другая струйная пара γ₁ - горелками 18, 20 из вертикальных рядов v₂, v₄ газовоздушными и жидкотопливовоздушными потоками 41, 42. На уровне второго горизонтального горелочного ряда g₂ на фиг. 4, 6 встречно-смещенная струйная пара β₂ с пылеугольным топливоносителем формируется горелками 22, 24 из вертикальных рядов v₂, v₄ пылеуглевоздушными потоками 40, а вторая струйная пара γ₂ - горелками 21, 23 из вертикальных рядов v₁, v₃ газовоздушными и жидкотопливовоздушными потоками 41, 42. На уровне третьего горизонтального горелочного ряда g₃ на фиг. 5, 6 встречно-смещенная струйная пара β₃ с пылеугольным топливоносителем формируется горелками 25, 27 вновь из вертикальных рядов v₁, v₃ пылеуглевоздушными потоками 40, а вторая струйная пара γ₃ - горелками 26, 28 из вертикальных рядов v₂, v₄ газовоздушными и жидкотопливовоздушными потоками 41, 42.

Для организованного ввода реагентных потоков по отмеченным выше касательным к горизонтальным окружностям в центре топки 1 и дожигающих потоков воздуха к горизонтальным окружностям, примыкающим к стенам 2, 3, 4, 5 используют пылеугольные горелки (фиг. 7), реализующие раздельный прямоточный ввод первичной топливовоздушной смеси и дожигающего воздуха через вертикально-щелевые каналы 46 и 47 соответственно, а также комбинированные газожидкотопливные горелки (фиг. 8, 9), реализующие также раздельный прямоточный ввод первичной топливовоздушной смеси и дожигающего воздуха через вертикально-щелевые каналы 48 и 49 соответственно. Топливные каналы 48 при этом оснащены распыливающими форсунками 50 и газосопловыми насадками 51.

При разделении топливных компонентов между струйными парами по предлагаемому варианту с загрузкой одной из пар угольной пылью, а другой природным газом и жидкотопливной смесью с одновременным чередованием подачи топливных компонентов через горелки вертикальных рядов улучшаются показатели горения и котла в целом. Независимо от выбора вида и соотношения выбранных топливных реагентов уменьшается степень недожога топлива и снижается активность загрязнения стен топки шлаковыми отложениями, что влечет интенсификацию теплообмена между факелом и настенными экранами, минимизирует температуру продуктов сгорания на выходе из топки и за котлом, уменьшает потери теплоты с уходящими газами. Иные варианты распределения топливных компонентов приводят к резкому ухудшению топочного процесса с увеличением потерь теплоты с уходящими газами и недожогом топлива.

Таким образом, независимо от комбинаций ввода топлива в топку именно предлагаемым рассредоточением топливных компонентов между струйными парами на уровне каждого горизонтального ряда и чередованием подачи топливных компонент через горелки в вертикальных рядах достигается снижение тепловых потерь с уходящими газами и недожогом топлива независимо от комбинаций топливного режима, чем и решается поставленная задача изобретения.

Практическое применение предлагаемого способа связано с котлами БКЗ-220 и БКЗ-160 ТЭЦ г. Бишкек, где помимо природного газа, угольной пыли в большом количестве сжигают обводненный мазут. Здесь же ожидается прием и сжигание водоугольных смесей из мелкодисперсной пыли местных углей.