CZ15722U1 - Fluidní kotel na pevná paliva s tepelnou vestavbou - Google Patents

Description

Fluidní kotel na pevná paliva s tepelnou vestavbou

Oblast technikv

Technické řešení se týká fluidních kotlů na pevná paliva s fluidní oxidační spalovací vrstvou křemičitého písku s tepelnou vestavbou fluidního topeniště a tepelnými výkony 3 až 30 MW.

Pevným palivem těchto fluidních kotlů je uhlí o výhřevnosti nad 10 MJ/kg a biomasa, kterou tvoří např. dřevní štěpka, zemědělsky nevyužitelná sláma a organické kaly z čistíren odpadních vod.

Dosavadní stav technikv

Základní řešení fluidních kotlů na pevná paliva představuje technické řešení modernizovaného ío uhelného roštového kotle podle patentu CZ 283 457.

Jedná se o řešení fluidního kotle s fluidní oxidační spalovací vrstvou křemičitého písku o změní 1 až 1,6 mm. S ohledem na zachycování oxidu siřičitého SO₂ při spalovacím procesu vápencem je nutno udržovat teplotu fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku v oblasti 820 až 850 °C. Základním opatřením k zajištění této teploty fluidní oxidační spalovací vrstvy křemiči15 tého písku je recykl spalin, který se spalovacím vzduchem tvoří fluidační médium. Toto uspořádání garantuje optimální podmínky pro spalování neúletových částí pevného paliva, standardně uhlí. Současně garantuje dobré podmínky pro zachycování oxidu siřičitého SO₂ vápencem, pokud je do nebo na fluidní topeniště přiváděn vápenec o granulometrii 0,5 až 1 mm. Základní nevýhodou fluidního topeniště bez tepelné vestavby je skutečnost, že teplota fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku 830 °C si vynucuje přebytek fluidačního média jako spalovacího vzduchu 2,635. Při optimálním obsahu kyslíku O₂ ve spalinách 7,5 % je přebytek fluidačního média jako spalovacího vzduchu 1,55. Pokud je fluidačním médiem směs spalovacího vzduchu a recyklážních spalin, lze tento optimální přebytek O₂ 1,55 zajistit bez technických problémů. Důsledkem je vysoká tepelná účinnost fluidního kotle, a to nad 87 %. Problémem aleje nutný větší průtok spalin fluidním topeništěm oproti průtoku spalin do komína fluidního kotle. To zároveň znamená větší rozměry fluidního topeniště a trasy spalin oproti řešení, kdy by přebytek spalovacího vzduchu 1,55 zajišťoval pouze odvod tepla z fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku tepelnou vestavbou. Ta by musela v tomto případě zajistit odvod 48 % tepla, které vzniká při hoření uhlí. V tomto případě by byl recykl spalin nulový.

Řešení fluidního topeniště fluidního kotle s fluidní oxidační spalovací vrstvou křemičitého písku, které by zajistilo odvod tepla tepelnou vestavbou, je velice náročné.

Prvým zásadním problémem je vysoká intenzita přenosu tepla z fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku do tepelné vestavby. Součinitel přenosu teplaje 200 až 250 W/m²K. Tepelný tok v této úrovni při nedostatečné cirkulaci parovodní směsi může vést k přechodu bublinovitého varu v trubkách parního fluidního kotle na var blánový. K této situaci dochází, pokud tepelná vestavba je realizována jako trubkové hady instalované do fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku zapojené do okruhu volné cirkulace parovodní směsi nebo horké vody fluidního kotle. Vzniklá izolační vrstva páry na trubkách stěn tepelné vestavby vede k nedostatečnému chlazení stěny trubkové vestavby a následné havárii fluidního kotle. Nucená cirkulace parovodní směsi, která tento problém řeší, je technicky i nákladově velice náročná. Navíc je zde závažným problémem skutečnost, že součinitel přenosu tepla ve fluidní oxidační spalovací vrstvě křemičitého písku o zrnění 0,4 až 2 mm prakticky nezávisí na rychlosti fluidace, což zásadně komplikuje regulaci tepelného výkonu fluidního kotle změnou průtoku fluidačního média. Pokud jsou topné hady jako tepelná vestavba vloženy do fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku, je porušen její charakter jako ideálně míchaného reaktoru a je ohrožena dokonalost spalování a desulfatace spalin.

Druhým zásadním problémem je vysoká abraze stěn trubkové vestavby při použití uhlíkové oceli třídy 12 021, obvyklé v kotlové technice. Úbytky stěn abrazí trubek trubkové vestavby na straně fluidní vrstvy jsou, u fluidních kotlů s oxidační spalovací vrstvou jemného křemičitého písku o zrnění 0,4 mm, 4 mm za 20 tisíc hodin provozu. Kotle však musí mít životnost alespoň 30 let s tím, že mezně namáhané části těchto kotlů musí být relativně snadno vyměnitelné.

-1 CZ 15722 Ul

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry eliminuje technické řešení fluidního kotle spočívající v tom, že fluidní kotel na pevná paliva s fluidní oxidační spalovací vrstvou křemičitého písku o změní 0,4 až 2 mm realizovanou ve fluidním topeništi s vyzděnými membránovými stěnami, trubkovým propadovým roštem s kanály přívodu spalovacího vzduchu nebo spalovacího vzduchu a recyklážních spalin, dnem a trasou volné cirkulace vody nebo parovodní směsi zajišťovanou bubnem, zavodňovacími trubkami a vodními trámci se sesypy pevného paliva a konvekčními teplosměnnými plochami je opatřen trubkovou vestavbou, která je trasou volné cirkulace vody nebo parovodní směsi mezi bubnem a vodními trámci s tím, že trubky trubío kové vestavby jsou realizovány z ocelí s obsahem chrómu v rozmezí 17 až 27 %. Trubky trubkové vestavby jsou napojeny pod hladinou homogenní části fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku na trubky trubkových membránových stěn fluidního topeniště. Do trubek trubkových membránových stěn v úseku napojení trubek trubkové vestavby na trubky trubkových membránových stěn jsou instalovány clony, jejichž vnitřní průřez je 1/10 až 2/3 průřezu trubek trubkových membránových stěn.

Technické řešení je založeno na následujících neočekávaných zjištěních:

Trubky z chromových ocelí s minimálně 17 % chrómu jsou z hlediska abraze fluidní oxidační spalovací vrstvou křemičitého písku o změní 0,4 až 2 mm řádově odolnější než trubky ze standardních kotlářských uhlíkatých ocelí.

Tlaková ztráta průtoku vodní nebo parovodní směsi trubkovými membránovými stěnami fluidního topeniště jako součásti trasy volné cirkulace vodní a parovodní směsi je natolik nízká, že i při vysokém tepelném toku z fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku do trubek nevyzděných membránových stěn je chlazení těchto trubek dostatečné.

Výhody nového technického řešení jsou následující:

Technické řešení s abrazívně odolnou tepelnou vestavbou zajišťuje nárůst tepelného výkonu fluidního kotle oproti fluidnímu kotli bez tepelné vestavby s vyzděným fluidním topeništěm bez zvětšení rozměrů trasy spalin a elektrického příkonu ventilátoru fluidačního média a kouřového ventilátoru.

Není nutno realizovat investičně nákladnou trasu nucené cirkulace parovodní směsi u parních kotlů a vodní směsi u horkovodních kotlů mezi bubnem a teplosměnnou plochou.

Při částečném odvodu tepla tepelnou vestavbou fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku menším než 48 % tepelného výkonu fluidního kotle je zachován recykl spalin do fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku a tepelný výkon fluidního kotle lze přijatelně regulovat změnou hydrodynamiky spalin.

Instalace trubek tepelné vestavby ve vyzděném fluidním topeništi napojením těchto trubek na trubky trubkových membránových stěn umožňuje instalovat je nad klidovou výškou fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku; toto uspořádání neohrozí rychlost samovolného zchlazení fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku na teplotu 400 °C, ke kterému z 850 °C dochází za 10 hodin, což umožňuje efektivní regulaci fluidního kotle jeho odstavováním z provo40 zu bez nároku na start se zemním plynem nebo topnými oleji.

Přehled obrázků na výkresech

Strojně technologické schéma fluidního kotle je znázorněno na obrázku 1. Příčný řez fluidním topeništěm fluidního kotle je znázorněn na obrázku 2. Detail A napojení trubek tepelné vestavby na trubky trubkové membránové stěny fluidního topeniště je znázorněn na obrázku 3.

Příklad provedení technického řešení

Fluidní kotlová jednotka na spalování uhlí a biomasy s fluidní oxidační spalovací vrstvou křemičitého písku, jejíž je fluidní kotel součástí, je tvořena následujícími provozními soubory:

-2CZ 15722 Ul fluidním topeništěm, konvekčními teplosměnnými plochami a trasou volné cirkulace parovodní směsi, které tvoří vlastní fluidní kotel;

trasou dávkování uhlí, vápence, dřevní štěpky a pneutrasou dávkování řezané slámy; trasami spalin a odpadů spalovacího procesu; a trasou přívodu fluidačního média do fluidního kotle se startovacím zařízením fluidního kotle na zemní plyn.

Fluidní topeniště je tvořeno z boků a ve stropní části trubkovými membránovými stěnami 13 vy zděným i žárobetonem 1.8 a zespodu trubkovým propadovým roštem 13. pod kterým je dno 1.3. Spalovacím prostorem ve fluidním topeništi je fluidní oxidační spalovací vrstva křemičitého ío písku. Fluidní oxidační spalovací vrstva křemičitého písku je po výšce rozdělena na dvě výrazně odlišné části. Její spodní homogenní část je tvořena hrubozmnou frakcí křemičitého písku a popelovin, její výskaje označena Hj. Její horní část tvoří silně expandovaná část jemnozmné frakce křemičitého písku a popelovin, její výška je označena H₂. Trubky trubkové vestavby 1,4 jsou přes nátrubky 1.6 napojeny na trubky trubkových membránových stěn 1.1 vyzděných žárobetonem

1.8. Trubky trubkové vestavby 1.4 jsou opatřeny clonami 1.7. Směs spalin a spalovacího vzduchu je do trubkového propadového roštu 1.2 přiváděna z dvojice kanálů 1.5. Dno 1,3 spolu s trubkovým propadovým roštem 1.2 tvoří samostatný konstrukční celek spojený s vodními trámci 3.3.

Konvekční teplosměnné plochy fluidního kotle tvoří ekonomizér 2.1, vařák 2.2 a přehřívač 23 vodní páry. Volnou cirkulaci parovodní směsi parním fluidním kotlem zajišťuje buben 3.1, za20 vodňovací trubky 3.2 a vodní trámce 33. Parovodní směs z vodních trámců 3.3 se podle tlakových ztrát rozděluje do vařáku 23, trubek trubkových membránových stěn 1,1 a trubkové vestavby 1.4, Vodní páraje z přehřívače 23 vodní páry odváděna trasou 2.4 ke spotřebičům.

Pevné palivo je z provozního zásobníku 4.4 dávkováno dvojicí šnekových dávkovačů 4.1 bez osového hřídele přes dva sesypy 43, částečně kryté výkyvnými klapkami 43 na homogenní část fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku. Pevné palivo je zaváženo do provozního zásobníku 4.4 pevného paliva pásovým dopravníkem 53. Na tento pásový dopravník 5,1 je trasou 53 přiváděno uhlí a trasou 53 je přiváděna dřevní štěpka. Vápenec k desulfataci spalin je pneumaticky trasou 5.7 přiváděn do zásobníku 5.8 a odtud na pásový dopravník 53. Řezaná sláma je podtlakovou pneutrasou 5.4 s cyklonem 5.5 a ventilátorem 5.6 přiváděna do provozního zásobníku 4.4 pevného paliva.

Spaliny fluidního kotle odcházejí z ekonomizéru 23 do chladiče 63. V chladiči 6.1 jsou instalovány dvoj látkové vodní trysky 63. Tlakový vzduch do trysek 63 dodává kompresor 63, vodu dodává čerpadlo 6.4. Spaliny díky podtlaku vyvozenému kouřovým ventilátorem 6.6 procházejí přes tkaninový profukový filtr 6.5 a odcházejí jednak do komínové trasy 6/7, jednak jako re35 cyklážní spaliny trasou 6.8 do ventilátoru 73 spalovacího vzduchu a recyklážních spalin. Napájecí voda z trasy 2.4 je čerpadlem 2.5 zavedena do ekonomizéru 23.

Spalovací vzduch je trasou 7.1 přiváděn spolu s recyklážními spalinami z trasy 6.8 ventilátorem 73 při provozním režimu fluidního kotle do trubkového propadového roštu 13. Při startu fluidního kotle, kdy teplota fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku je nižší než 400 °C, prochází přes startovací spalovací komoru 7.5 s hořákem 7.4 s trasou 73 zemního plynu pouze spalovací vzduch. Při teplotě fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku v rozmezí 400 až 800 °C stačí k nájezdu fluidního kotle pouze přívod spalovacího vzduchu a pevného paliva do fluidního topeniště.

Pevné odpady spalovacího procesu fluidního kotle odváděné z tkaninového filtru 6.5 jsou odvá45 děny ve dvou trasách. Trasou 83 jsou tyto odpady odváděny do provozního zásobníku popelovin, který zde není znázorněn. Druhá část popelovin je pneutrasou 83 s ventilátorem 83 zaváděna do dvou sesypů 43. Tato pneutrasa 83 je sekundárním vzduchem pro spalování prachových částic pevného paliva a dopravní trasou recyklu popelovin a nezreagovaných částic oxidu vápenatého CaO, které v chladiči 63 byly převedeny nástřikem vody na hydroxid vápenatý Ca(OH)2.

Produkce páry: 11 t/h vodní pára: 220 °C / 1,3 MPa

-3CZ 15722 Ul průřez fluidního topeniště:

výška homogenní části fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku H nad trubkovým propadovým roštem 1.2:

výška napojeni trubek trubkové vestavby 1.4 nad trubkovým propadovým roštem 1.2:

výška expandované části fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku 1¾ nad trubkovým propadovým roštem 1.2:

výška osy bubnu 3.1 nad trubkovým propadovým roštem 1.2: průměr trubek trubkové vestavby 1.4: průměr vnitřního otvoru clony 1.7:

průměr trubek trubkových membránových stěn 1,1: materiál trubek trubkové vestavby 1.4: rychlost fluidace:

Pevné palivo:

uhlí: hnědé uhlí zrnění ořech o2 výhřevnost:

dřevní štěpka nesušená velikost do 50 mm

2,2 x 3,3 m

000 mm

500 mm

000 mm

500 mm mm mm mm ocel 17 251

0,6 až 1 m/s (NTP podmínky)

MJ/kg řezaná sláma velikost do 50 mm vápenec: velikost 0,5 až 1 mm

Čistota spalin: referenční podmínky 6 % O₂, NTP, suché spaliny tuhé látky: 100 mg/m³ oxid uhelnatý CO: 250 mg/m³ oxidy dusíku j ako NO₂: 400 mg/m³ oxid siřičitý SO₂: 800 mg/m³ teplota spalin: 130 °C obsah O₂ ve spalinách: 7,5 %

Podíl tepla přeneseného ze spalin do tepelné vestavby 1.4 vůči tepelnému výkonu fluidního kotle: 30 %

Klidová výška křemičitého písku o zrnění 1 až 1,6 mm nad trubkovým propadovým roštem 1.2: 200 mm

Klidová výška křemičitého písku o změní 0,6 až 1,6 mm nad trubkovým propadovým roštem 1.2: 400 mm

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Fluidní kotel na pevná paliva s fluidní oxidační spalovací vrstvou křemičitého písku o zrnění 0,4 až 2 mm realizovanou ve fluidním topeništi s vyzděnými membránovými stěnami (1.1), trubkovým propadovým roštem (1.2), kanály (1.5) přívodu spalovacího vzduchu nebo

   5 spalovacího vzduchu a recyklážních spalin, dnem (1.3) a trasou volné cirkulace vody nebo parovodní směsi zajišťované bubnem (3.1), zavodňovacími trubkami (3.2) a vodními trámci (3.3) se sesypy (4.2) pevného paliva a konvekčními teplosměnnými plochami, vyznačující se tím, že trubková vestavba (1.4) je trasou volné cirkulace vody nebo parovodní směsi mezi bubnem (3.1) a vodními trámci (3.3) a trubky trubkové vestavby (1.4) jsou realizovány z oceli s ío obsahem chrómu v rozmezí 17 až 27 %.
2. 2. Fluidní kotel na pevná paliva podle nároku 1, vyznačující se tím, že trubky trubkové vestavby (1.4) jsou napojeny pod hladinou homogenní části fluidní oxidační spalovací vrstvy křemičitého písku na trubky trubkových membránových stěn (1.1) fliidního topeniště.
3. 3. Fluidní kotel na pevná paliva podle nároku 1, vyznačující se tím, že do trubek

   15 trubkových membránových stěn (1.1) v úseku mezi napojeními trubek trubkové vestavby (1.4) na trubky trubkových membránových stěn jsou instalovány clony (1.7) jejichž vnitřní průřez je 1/10 až 2/3 průřezu trubek trubkových membránových stěn (1.1).