CZ14545U1

CZ14545U1 - Fluidní kotel

Info

Publication number: CZ14545U1
Application number: CZ200314856U
Authority: CZ
Inventors: Jiří Ing. Csc. Mikoda
Original assignee: Jiří Ing. Csc. Mikoda
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2004-07-26

Description

Fluidní kotel

Oblast techniky

Technická řešení se týká fluidních kotlů pro spalování výhřevných simých uhlí v rozsahu tepelných výkonů fluidního kotle od 2 do 30 MW v horkovodním i parním provedení.

Dosavadní stav technikv

Dosavadní stav techniky v této oblasti je v technologické části v podstatě vymezen obsahem patentu CZ 283 457 a užitným vzorem CZ 14 122. Zde patentovaná technologická část představuje řešení malokapacitních fluidních uhelných kotlů spalujících všechny druhy uhlí o výhřevnosti nad 12 MJ/kg o změní 0 až 40 mm. Toto změní uhlí do 40 mm představuje maximální katalogovou velikost uhlí obchodně dostupných v ČR. Problém tohoto technicky úspěšného řešení spočívá ve vysokých investičních nákladech fluidního kotle a analogicky i vysokých nákladech provozních. Je to dáno skutečností, že adiabatická teplota fluidní spalovací vrstvy je dosahována vysokým přebytkem vzduchu. Ten je zhruba dvakrát větší, než jaký by byl zapotřebí pro dosažení adiabatické teploty hoření 800 až 870 °C oproti stavu, kdy by bylo dosaženo odvodu 40 až 50 % tepla při spalování uhlí tepelnou vestavbou instalovanou do fluidní spalovací vrstvy.

Dalším problémem je minimalizace spotřeby uhličitanu vápenatého CaCO₃ s technickým označením vápenec k dosažení snížení obsahu oxidu siřičitého SO₂ ve spalinách na úroveň emisních limitů čistoty spalin dle zákona o ovzduší č. 86/2002 Sb. a splnění jeho emisních limitů čistoty spalin v oblasti oxidu uhelnatého CO a oxidů dusíku NO_X při velkokapacitním spalování hnědých uhlí o granulometrii hruboprach. Stejně závažným problémem je řešení abraze vestavěných teplosměnných ploch do fluidní pískové oxidační vrstvy. Zásadní je konstatování, že tepelný tok z fluidní vrstvy do teplosměnné plochy instalované do fluidní pískové oxidační spalovací vrstvy je tak vysoký, že v parním provedení fluidního kotle je nebezpečí přechodu bublinového varu na blánový s následnou tepelnou destrukcí trubek tepelné vestavby.

Závažným problémem je požadavek na spalování směsi uhlí a biomasy, obvykle dřevní štěpky o hmotnosti biomasy nad 10 % hmoty spalovaného uhlí.

Podstata technického řešení

Řešení problematiky fluidních kotlů o tepelném výkonu do 30 MW spočívá v tom, že fluidní kotel s oxidační pískovou spalovací fluidní vrstvou křemičitého písku s teplotami v rozmezí 800 až 870 °C a pracovní rychlosti fluidace 0,45 až l,2m³/s(NTP) má minimální výšku sypané vrstvy křemičitého písku 150 mm pro spalování kusového uhlí o změní až 40 mm a granulometrii křemičitého písku 1 až 2 mm, pro spalování uhlí s více než 20 % částic uhlí o změní v rozmezí 0 až 2 mm je sypaná výška křemičitého písku o granulometrii 1 až 2 mm navýšena o minimálně 100 mm křemičitým pískem o granulometrii 0,5 až 1 mm, fluidní topeniště s fluidní oxidační pískovou spalovací vrstvou je tvořeno vyzděnými membránovými stěnami s vyzděným membránovým stropem s vyzděným membránovým spalinovým kanálem a trubkovým propadovým roštem, na který je připojena trasa spalovacího vzduchu nebo spalovacího vzduchu a spalin, trasa spalovacího vzduchu a trasa spalin jsou opatřeny regulačními orgány, které zajišťují obsah kyslíku ve spalinách objemově v rozmezí 6,5 až 12 %, sesyp či sesypy uhlí nebo uhlí s Ca aditivem jsou umístěny minimálně ve výšce 1000 mm nad trubkovým propadovým roštem, vyzděný membránový strop je umístěn minimálně 2500 mm nad trubkovým propadovým roštem, průřez membránového vyzděného spalinového kanálu je 10 až 40 % plochy trubkového propadového roštu.

Ve fluidní oxidační pískové spalovací vrstvě je instalována teplosměnná vestavba, jejíž povrch je opatřen protiabrazivní vrstvou s dobrou tepelnou vodivostí, teplosměnná vestavba je instalována svým spodním povrchem minimálně 200 mm nad trubkovým propadovým roštem, v horkovodním provedení fluidního kotle je teplosměnná vestavba napojena na ekonomizér a následně na

- 1 CZ 14545 Ul buben, v parním provedení fluidního kotle je teplosměnná vestavba napojena na cirkulační čerpadlo vody a následně na buben.

Trasa startovacích spalin ze startovací komory na kapalné či plynné startovací palivo je napojena najedno či více startovacích hrdel, jejichž osa je umístěna ve výšce do 1500 mm nad trubkovým propadovým roštem.

Trasa sekundárního vzduchu nebo sekundárního vzduchu a spalin napojená na sesyp je s výhodou pneutrasou popelovin fluidního kotle, trasa je s výhodou opatřena ventilátorem.

Trasa spalin za fluidním kotlem je opatřena jednou či více pneumatickými vodními tryskami.

Fluidní topeniště je vertikálně rozděleno instalací svislých vyzděných membránových stěn na jednotlivé sekce, každá sekce má svůj vlastní trubkový propadový rošt a startovací hrdlo či hrdla a sesyp či sesypy.

Teplosměnná vestavba je tvořena obdélníkovými či čtvercovými trubkami na povrchu opatřenými pevně k nim připojenými pásy z tvrdokovu.

Technické řešení je založeno na následujících skutečnostech:

- Při výtlaku ventilátoru startu kotle 15 000 Pa a provozní tlakové ztrátě fluidní spalovací pískové oxidační vrstvy včetně trubkového roštu 8700 až 9000 Pa představuje entalpie startovacích spalin o teplotě 600 °C v rozmezí 40 až 45 % jmenovitého tepelného výkonu fluidního kotle, tj. 35 až 40 % jmenovitého tepelného výkonu topeniště. Experimentálně se prokázalo, že v tomto uspořádání lze ohřát fluidní spalovací pískovou oxidační vrstvu na 300 až 350 °C, což postačuje k samovolnému spolehlivému zahoření uhlí a realizaci nájezdu fluidního kotle. Pokud je do fluidní oxidační spalovací vrstvy instalována teplosměnná vestavba, která při startu fluidního kotle souběžně odebírá teplo ze startovacích spalin, délku doby dosažení teploty 300 až 350 °C se výrazně prodlužuje, při technicky optimální velikosti teplosměnné vestavby není možné teploty 3 50 °C vůbec dosáhnout.

- Abraze povrchu teplosměnné vestavby je vysoká, bylo experimentálně prokázáno, že úbytek tloušťky teplosměnné vestavby v oxidační pískové spalovací vrstvě je 1,3 mm za 4000 hodin provozu, v popelové oxidační pískové vrstvě spalující uhlí o změní 10 mm s doplňkovým občasným přívodem jemného písku pro doplnění výšky fluidní vrstvy málopopelnatých uhlí byl zjištěn úbytek tloušťky stěny 8 mm za 30 000 hodin provozu. Naopak při provozu fluidní sušárny vysokopecní strusky se štěrbinovým roštem vytvořeným vůči sobě přesazovanými úhelníky byla abraze vysokopecní strusky o velikosti do 15 mm eliminována instalací pásů tvrdokovu na vnější stranu úhelníků štěrbinového roštu o průřezu 2500 x 2500 mm; abraze vysokopecní strusky ze zkušeností získaných v cementárnách je 2 až 3 krát intenzivnější než u popele z uhlí či než u písku. Tepelnou vestavbu je bezpodmínečně nutné řešit jako dlouhodobě abrazivzdomý systém, přičemž je nutno zachovat dobrou tepelnou vodivost tepelné vestavby, a to ať již instalací tvrdokovu, zesílením stěn trubek ze standardní oceli, či použitím vysoce legovaných chromniklových ocelí, což jsou vedle nákladného vysokoteplotního nástřiku tvrdokovu v inertní atmosféře na teplosměnnou vestavbu základní způsoby realizace protiabrazivní vrstvy teplosměnné vestavby.

- Zvýšený obsah dřevní štěpky spalované s uhlím významně ovlivňuje tvarování fluidního topeniště s ohledem na více než 90 % obsah prchavé hořlaviny v dřevní štěpce. Tato prchavá hořlavina je obecně směsí metanu CH4, vodíku H₂ a dalších uhlovodíků. Při jejich spalování proniká minimálně 30 % této hořlaviny jako dlouhý plamen fluidní spalovací vrstvou, pro jeho dohoření platí zásady známé ze spalování plynných a kapalných paliv ve spalovacích komorách s následnou diferencí.

- Jedná se o nízkoteplotní spalování v oblasti teplot obvykle 850 až 1100 °C, kdy vliv kinetiky spalovacího procesu na dobu hoření je již významný.

-2CZ 14545 Ul

- Přesto zásadní vliv na dobu hoření, a tedy délku plamene mají difusní procesy zajišťující přímý kontakt paliva a kyslíku, které jsou určovány okamžitou rychlostí spalovacího systému podél plamene, je nezbytné, aby rychlost v koncové části plamene prchavé hořlaviny byla výrazně zvýšena bez snížení teploty plamene, je tedy nutné vytvořit ve stropu fluidního topeniště vyzděný kanál, který toto urychlení spalovacího systému zajistí.

- Zcela zásadní charakter má poznání, že při teplotách nad 800 °C je rovnovážná., konverze transformace oxidu uhelnatého CO na oxid uhličitý CO₂ prakticky 100 %. To znamená, že intenzivní promísení spalin při teplotě v úrovni 800 °C a obsahu kyslíku O₂ ve spalinách 6,5 až 12 % objemových, je garancí téměř dokonalého vyhoření uhlíku z pevné i prchavé hořlaviny z uhlí.

ío Toto zcela eliminuje nepříznivý efekt bočního přívodu uhlí do fluidního topeniště, který je vynucen jednoduše realizovatelným technickým řešením dávkovače či dávkovačů uhlí do fluidního kotle s oxidační pískovou spalovací vrstvou. S ohledem na výše uvedené skutečnosti je žádoucí přívod sekundárního média do sesypů dávkovače uhlí minimalizovat na úroveň nezbytnou pro bezpečný provoz dávkovače uhlí bez osového hřídele.

- Pokud se nezvýší výrazně plocha fluidního roštu tak, že rychlosti fluidace budou v úrovni do

0,8Nm/s, je nutno přivádět doplňkově startovací spaliny do fluidní pískové spalovací vrstvy i mimo trubkový propadový rošt.

Pro jednoznačnost technického pojmu písek je konstatováno, že se jedná o plavený křemičitý písek se základní složkou oxidu křemičitého SiO₂, tento písek je tříděn na výše uvedené granulometrické frakce.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je dále podrobněji prezentováno na přiloženém výkresu parníhofluidního kotle. Obrázek 1 je schematický podélný řez fluidním kotlem s oxidační pískovou spalovací vrstvou. Na obrázku 2 je schematicky znázorněn příčný řez fluidním topeništěm tohoto fluidního kotle.

Příklady provedení technického řešení

Fluidní topeniště 1.0 je vymezeno membránovými stěnami 1.1, které jsou vyzděny žárobetonem

1,2. Zespodu je fluidní topeniště 1.0 uzavřeno výsypkou 1.3. Shora je fluidní topeniště L0 omezeno membránovým vyzděným stropem, který přechází v membránový vyzděný spalinový kanál 1.5.

Uhlí s vápencem je z provozního zásobníku do fluidního topeniště 1.0 dávkováno šnekovým dávkovačem 2.1 bez osového hřídele přes sesyp 2,2 s výkyvnou klapkou. Při experimentálním ověřování spalování dřevní štěpky byla touto trasou do fluidního topeniště 1.0 dávkována předem zhomogenizovaná směs uhlí s dřevní štěpkou. Na tu byl při její dopravě do provozního zásobníku dávkován ze zásobníku vápence přes turniket s regulací otáček vápenec.

Zařízení trasy 3.6 fluidačního média před fluidním kotlem tvoří vysokotlaký ventilátor, do jehož sání je při provozu fluidního kotle přiváděn jednou trasou spalovací vzduch a druhou trasou recyklážní spaliny. Obě trasy mají své regulační klapky. Řízením průtoku fluidačního média je opatřen i vysokotlaký ventilátor. Regulace průtoků v trasách spalovacího vzduchu a recyklážních spalin je určena k nastavení kyslíku ve spalinách za fluidním kotlem. Regulace průtoku fluidačního média na vysokotlakém ventilátoru je základem kontinuální regulace tepelného výkonu fluidního kotle, kdy na tuto změnu průtoku reaguje šnekový dávkovač 2.1 změnou otáček, čímž se reguluje dávkování uhlí s vápencem, případně s dřevní štěpkou tak, aby teplota fluidní oxidační spalovací pískové vrstvy byla trvale udržována v rozmezí 830 až 850 °C. Při provozu fluidního kotle je směs spalovacího vzduchu a recyklážních spalin vysokotlakým ventilátorem dodávána do trubkového propadového roštu 3.1. Při startu fluidního kotle ze studeného stavu je trasa recyklážních spalin do vysokotlakého ventilátoru uzavřena. Studený vzduch je vysokotlakým ventilátorem dodáván do spalovací komory s hořákem na zemní plyn. Startovací spaliny jsou

-3 CZ 14545 Ul dopravovány do trubkového propadového roštu 3.1 a současně do dvou hrdel 3.2, která jsou pod šnekovými dávkovači 2.1 zaústěna do membránové stěny 1.1 v prostoru fluidní oxidační pískové spalovací vrstvy. Při teplém startu, kdy teplota fluidní oxidační pískové spalovací vrstvy neklesla pod 400 až 450 °C, stačí k nájezdu této fluidní vrstvy pouze start vysokotlakého ventilátoru a zahájení dávkování uhlí. Ventilátor 3.3 dodává sekundární vzduch pneutrasou 3.4 do sesypů

2,2. Do této pneutrasy 3.4 je turniketem 3.5 vnášen cirkulační popílek a zde neznázoměnou trasou obdobně je do trasy 3.4 vnášena část odpadů zachycená na tkaninovém filtru.

Do vodní trasy parního fluidního kotle je napájecí voda přiváděna napáječkou 4.1 napájecí voda prochází ekonomizérem 4.2 a vstupuje do bubnu 43. Volnou cirkulaci vody zajišťují dvě zavodňovací vertikální trubky 44 Na ně navazují horizontální zavodňovací trubky 4.5 pro vařák 4.6 a horizontální zavodňovací trubky 4/7 a 48 pro membránové stěny 1.1 fluidního kotle. Spaliny opouštějící fluidní topeniště vyzděným membránovým spalinovým kanálem 1.5, procházejí spalinovým kanálem tlakové částí fluidního kotle, vymezené membránovými stěnami 1.1 přes parní přehřívač 4.14 a vařák 46. Spalinový kanál ekonomizéru 42 je tvořen plechovými stěnami. Do trasy 4.15 přehřáté páry je z napáječky 4.1 přiváděna napájecí voda k regulaci konstantní teploty přehřáté páry na výstupu z fluidního kotle. Tato přehřátá pára vstupuje do parní turbíny. Do fluidní oxidační pískové spalovací vrstvy fluidního topeniště 1.0 je instalována teplosměnná vestavba 4.10. Vroucí vodu z bubnu 43 do teplosměnné vestavby 4.10 přivádí cirkulační čerpadlo 49 trasou 4.11. Směs vroucí vody a vodní páry je z teplosměnné vestavby 4.10 odváděna do bubnu 43 trasou 4.12.

Spaliny odcházejí z fluidního kotle trasou 5. Tu tvoří vodní chladič opatřený pneumatickými vodními tryskami, tkaninový filtr, kouřový ventilátor a trasa mechanického transportu odpadů z tkaninového filtru do zásobníku odpadů. Odtud jsou odpady odváženy na skládku, kde po promísení s vodou tvoří vodonerozpustný stabilizát.

Příklad 1

Byl realizován fluidní parní kotel se zadávacími parametry: produkce páry maximální 12,5 t/h produkce páry minimální 8 t/h teplota páry 320 °C tlak páry 2,5 MPa teplota napájecí vody 105 °C

Palivo:

AJ hnědé uhlí změní 0 až 10 mm výhřevnost obsah celkové síry hp 1 hruboprach

16,9 MJ/kg 1,2%

B/ Směs hnědého uhlí ad AJ se suchou dřevní štěpkou o výhřevnosti 14 MJ/kg, poměr dřevní štěpky vůči uhlí hmotově 20 %.

Technické řešení kotle:

průřez trubkového propadového roštu 3.14 výška vyzděného membránového stropu nad trubkovým propadovým roštem 3.15 šířka membránového vyzděného spalinového kanálu 1.5 po

4400 x 2200 mm

5000 mm

-4CZ 14545 Ul jeho vyzdění 100 mm vrstvou žárobetonu buben 4.3 plocha teplosměnné vestavby 4.10 z oceli tř. 17 výška kotle plocha parního přehřívače 4.14 plocha vařáku 4.6 plocha ekonomizéru 4.2 šnekové dávkovače 2,1 bez osového hřídele teplota fluidní oxidační pískové spalovací vrstvy obsah O₂ ve spalinách teplota spalin za fluidním kotlem teplota spalin do komína sypaná výška písku o granulometrii 1 až 1,6 mm sypaná výška písku o granulometrii 0,5 až 1,0 mm tepelný výkon startovací spalovací komory teplota spalin na vstupu do parního přehřívače 4.14 startovací palivo byl realizován 30 % recykl popelovin trasou 3.4

1200 mm

01400x3000 mm m^{1 2} m

m²

196 m²

240 m²

830 až 850 °C 7 až 9 %

180 °C 110 °C 250 mm 200 mm 5MW

750 °C zemní plyn

Dosažené technologické výsledky:

tepelná účinnost kotle 87 % stupeň vyhoření popelovin 96 % molámí poměr dávkování Ca/S 2,8 čistota spalin vztaženo na referenční podmínky 6 % O₂, suché spaliny a NTP tuhé látky : 20 mg/m³

CO: 197 mg/m³

NO₂: 385 mg/m³

SO₂:

785 mg/m³

Při spalování dřevní štěpky dle zadání byla změna koncentrací CO aNO₂ ve spalinách zanedbatelná, obsah SO₂ poklesl o 15 %.

Claims

NÁROKY

NA OCHRANU

1. Fluidní kotel s oxidační pískovou spalovací fluidní vrstvou křemičitého písku s teplotami v rozmezí 800 až 870 °C a pracovní rychlostí fluidace 0,45 až 1,2 m/s (NTP), vyznačující se tím, že sypaná vrstva křemičitého písku pro spalování kusového uhlí o změní až 40 mm má minimální výšku 150 mm a granulometrie křemičitého pískuje 1 až 2 mm, pro spalování uhlí s více než 20 % částic uhlí o změní v rozmezí 0 až 2 mm je sypaná vrstva křemičitého písku o granulometrii 1 až 2 mm navýšena o minimálně 100 mm křemičitým pískem o granulometrii

-5 CZ 14545 Ul

0,5 až 1 mm, fluidní topeniště (1.0) s fluidní oxidační pískovou spalovací vrstvou je tvořeno vyzděnými membránovými stěnami (1.1) s vyzděným membránovým stropem s vyzděným membránovým spalinovým kanálem (1.5) a trubkovým propadovým roštem (3.1), na který je připojena trasa (3.6) spalovacího vzduchu nebo spalovacího vzduchu a spalin, trasa spalovacího vzduchu a trasa spalin jsou opatřeny regulačními orgány, pro zajištění obsahu kyslíku ve spalinách objemově v rozmezí 6,5 až 12 %, sesyp či sesypy (2.2) uhlí nebo uhlí s Ca aditivem jsou umístěny minimálně ve výšce 1000 mm nad trubkovým propadovým roštem (3.1), vyzděný membránový strop je umístěn minimálně 2500 mm nad trubkovým propadovým roštem (3.1), průřez membránového vyzděného spalinového kanálu (1.5) je 10 až 40 % plochy trubkového propadového roštu (3. 1).
2. Fluidní kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že ve fluidní oxidační pískové, spalovací vrstvě je instalována teplosměnná vestavba (4.10), jejíž povrch je opatřen protiabrazivní vrstvou s dobrou tepelnou vodivostí, teplosměnná vestavba (4.10) jež instalována svým spodním povrchem minimálně 200 mm nad trubkovým propadovým roštem (3.1), v horkovodním provedení fluidního kotle je teplosměnná vestavba (4.10) napojena na ekonomizér (4.2) a následně na buben (4.3), v parním provedení fluidního kotle je teplosměnná vestavba (4.10) napojena na cirkulační čerpadlo vody (4.9) a následně na buben (4.3).
3. Fluidní kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že trasa startovacích spalin ze startovací komory na kapalné či plynné startovací palivo je napojena na je, dno či více startovacích hrdel (3.2), jejichž osa je umístěna ve výšce do 1500 mm nad trubkovým propadovým roštem (3.1).
4. Fluidní kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že trasa (3.4) sekundárního vzduchu nebo sekundárního vzduchu a spalin napojena na sesyp (2.2) je pneutrasou recyklu popelovin fluidního kotle a trasa (3.4) je opatřena vlastním ventilátorem (3.3).
5. Fluidní kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že trasa (5) spalin za fluidním kotlem je opatřena jednou či více pneumatickými vodními tryskami.
6. Fluidní kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že fluidní topeniště je vertikálně (1.0) rozděleno instalací svislých vyzděných membránových stěn na jednotlivé sekce, každá sekce má svůj vlastní trubkový propadový rošt (3.1) a startovací hrdlo či hrdla (3.2) a sesyp či sesypy (2.2).
7. Fluidní kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že teplosměnná vestavba (4.10) je tvořena obdélníkovými či čtvercovými trubkami na povrchu opatřenými pevně knim připojenými pásy z tvrdokovu.