CZ17020U1 - Průtočný horkovodní fluidní kotel - Google Patents

Description

(54) Název užitného vzoru:

Průtočný horkovodní fluidní kotel

CZ 17020 Ul

Průtočný horkovodní fluidní kotel

Oblast techniky

Technické řešení se týká horkovodních teplárenských kotelen o celkovém výkonu 2 až 30 MW s individuálními tepelnými výkony průtočných horkovodních fluidních kotlů 2 až 7 MW.

Dosavadní stav techniky

Zákon o ovzduší č. 352/2002 Sb. stanovuje emisní limity čistoty spalin uhelných kotlů, které si vynucují v případě českých hnědých uhlí desulfataci spalin. Pro teplárenské kotelny s tepelnými výkony do 30 MW je instalace desulfatační jednotky za ekologizovaný roštový kotel investičně příliš nákladná. Pro teplárenství jsou k dispozici energetická uhlí z úpraven uhlí, jejichž výhřevío nost přesahuje 16 MJ/kg. Řešení problému je zvládnuto fluidním kotlem s oxidační fluidní spalovací vrstvou hrubozmného písku se současným přívodem uhlí a vápence do fluidního topeniště.

Technické provedení představuje uspořádání fluidního kotle podle patentu CZ 283 457. Zde fluidní topeniště nahrazuje roštové topeniště v klasickém roštovém kotli s volnou cirkulací horké vody přes ohřívač vody spojený s bubnem. Toto uspořádání je dlouhodobě úspěšně ověřeno.

Jeho základním problémem jsou vysoké investiční náklady. Ty lze zásadně snížit pouze maximálním využitím možností, které představují instalace tepelné vestavby do fluidního topeniště a změna uspořádání výměníkové části fluidního kotle tak, aby byl zajištěn maximálně intenzívní přenos tepla ze spalin do vody. Zkušenosti získané při vývoji těchto horkovodních fluidních kotlů prokázaly, že zásadním problémem při řešení výše uvedených požadavků je nízká intenzita přenosu tepla při samovolném proudění u konvekčních výměníků fluidního kotle se svislými trubkami a podélným obtékáním těchto trubek spalinami a obtížné zajištění dostatečně intenzívní samovolné cirkulace vody tepelnou vestavbou fluidního topeniště, která nedovoluje plně využít možností až 48% odvodu tepla tepelnou vestavbou z celkového tepelného výkonu horkovodního fluidního kotle.

Podstata technického řešení

Problematika minimalizace investičních nákladů horkovodního fluidního kotle je řešena uspořádáním průtočného horkovodního fluidního kotle, spočívajícím v tom, že průtočný horkovodní fluidní kotel na uhlí nebo uhlí a biomasu s oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku o změní do 3 mm je realizován s fluidním topeništěm s oxidační fluidní spalovací vrstvou křemi30 čitého písku obsahující minimálně 100 mm klidové sypané výšky křemičitého písku o změní 1 až 2 mm, fluidní topeniště je z boků a shora vymezeno membránovými stěnami a zespodu trubkovým propadovým roštem, v oxidační fluidní spalovací vrstvě křemičitého písku je instalována tepelná vestavba se svislými trubkami a podélnými trubkami, procházejícími membránovými stěnami, horní rozvodná trubka či trubky je napojena/jsou napojeny na buben, spodní rozvodná trubka či rozvodné trubky je napojena/jsou napojeny na tepelný výměník ohřevu vody, který je instalován v kanálu spalin průtočného fluidního kotle a na vstupuje napojen na cirkulační vodní čerpadlo, v membránové stěně fluidního topeniště je instalován jeden či více sesypů paliva. Úsek kanálu spalin průtočného fluidního kotle s tepelným výměníkem ohřevu vody tvoří dvě membránové stěny a dvě trubkovnice tepelného výměníku. Tepelný výměník ohřevu vody je po výšce rozdělen na sekce vodorovných trubek, oddělených vodorovnými rozvodnými trubkami, v každé sekci je jedna či více vodorovných trubek napojena/jsou napojeny na svislé rozvodné trubky, v prvé sekci jsou svislé rozvodné trubky napojeny na přívodní vodorovnou rozvodnou trubku, v poslední sekci jsou svislé rozvodné trubky napojeny na odvodní vodorovnou rozvodnou trubku. Rozteče vodorovných trubek jsou alespoň v jedné sekci vodorovných trubek odlišné od rozteče vodorovných trubek v dalších sekcích vodorovných trubek. Membránové stěny fluidního topeniště jsou zčásti nebo zcela vyzděny. Trubkový propadový rošt tvoří shora uzavřené nátrubky s otvory v jejich boční stěně, nátrubky jsou instalovány na rozvodných trubkách. Sesyp či sesypy paliva instalované v membránové stěně fluidního topeniště jsou spojeny jedním či více šneko- 1 CZ 17020 Ul vými dávkovači paliva bez osového hřídele a s přívodem sekundárního vzduchu, sesyp či sesypy paliva jsou opatřeny klapkami.

Prezentované řešení je založeno na poznatcích získaných experimentálně při vývoji této spalovací technologie. Oxidační fluidní spalovací vrstvu křemičitého písku tvoří po výšce dva zásadně odlišné hydrodynamické systémy. Spodní představuje homogenní systém o teplotě 800 až 850 °C, který má charakter sopečné lávy v jícnu sopky s klidným, mírně zvlněným povrchem a má výšku zhruba 1000 mm. Součinitel tepla v této části oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku je 250 až 280 W/m^2oC. Homí část tvoří silně expandovaný tryskající hydrodynamický systém, dosahující výšky zhruba 2800 mm. Součinitel přenosu tepla v tomto systému po ío výšce klesá, až v úrovni 1400 mm nad homogenním systémem má již zcela zanedbatelnou hodnotu. Klidová výška oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého pískuje zhruba 500 mm.

Každý teplárenský kotel musí do tepelné sítě dodávat teplo úměrně jeho odběru. Optimálním systémem výkonové regulace fluidního kotle v teplárenství je intenzívní produkce tepla spojená s ohřevem cirkulující vody na maximum a následná odstávka fluidního kotle na dobu, než teplota cirkulačního vodního systému klesne na povolené minimum. Fluidní kotel není nutné po každé takové odstávce nákladně startovat zemním plynem nebo topným olejem, pokud teplota fluidní spalovací vrstvy neklesne pod 400 °C. U fluidního kotle s oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku je možná jeho až 12hodinová odstávka. Prvým zásadním závěrem pro konstrukci průtočného horkovodního fluidního kotle je zjištění, že tepelnou vestavbu oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku je nutno instalovat ve výškovém rozmezí 600 až 1000 mm nad fluidním trubkovým propadovým roštem. Toto uspořádání využívá maximálně intenzívní přenos tepla do tepelné vestavby v homogenní části oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku. Při odstávce musí být klidová výška oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku nižší než je spodní úroveň trubek tepelné vestavby tak, aby během odstávky nebyla tepelnou vestavbou zchlazována. S ohledem na intenzitu tepelného toku a vysoké hydrodynamické odpory je při takovémto řešení tepelné vestavby nutná nucená cirkulace vody tepelnou vestavbou.

Dalším požadavkem je, aby trubky tepelné vestavby neporušily horizontální a vertikální míchání oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku, což by narušilo teplotní pole oxidační fluidní spalovací vrstvy a zásadně zhoršilo desulfataci spalin. Tento požadavek je splněn, když podstatnou část teplosměnné plochy tvoří vertikální trubky. Obsah popelovin a Ca aditiva obsažených ve spalinách průtočného horkovodního fluidního kotle s oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku podstatně převyšuje obsah těchto látek ve spalinách roštových kotlů. Tato skutečnost vede k větší abrazi trubek konvekčního ohřívače vody oproti jeho abrazi v kotli s roštovým topeništěm. Důsledkem tohoto poznání je požadavek na nejen optimální, ale i konstantní rychlost spalin při jejich průchodu konvekčním ohřívačem při poklesu teploty spalin ze zhruba 700 °C na zhruba 180 °C. Součinitel přestupu teplaje při příčném obtékání trubek o téměř 50 % vyšší, než v případu podélného obtékání trubek. Tepelný výměník, instalovaný ve spalinovém kanálu průtočného horkovodního fluidního kotle, je proto nutné realizovat s příčným obtékáním svazku vodorovných trubek spalinami, zmenšujícími se roztečemi těchto trubek po trase spalin a s nuceným přívodem vody do tepelného výměníku, bez úseků s volnou cirkulací vody přes buben.

Pro účely popisu řešení průtočného horkovodního fluidního kotle je uvedeno vysvětlení základních technických pojmů spojených s technologií tohoto spalovacího systému:

- Oxidační fluidní spalovací vrstva křemičitého pískuje spalovací systém, který zajišťuje spalování uhlí nebo uhlí a biomasy bez omezení a úpravy jejich granulometrie s tím, že veškeré popeloviny a částečně nasulfatované Ca odpady oddrcené na velikost úletové frakce odcházejí z fluidního topeniště se spalinami. Oddrcování popelovin z povrchu hořící uhelné částice a povrchových vrstev Ca aditiva je důsledkem hybnosti částic křemičitého písku.

- Pod pojmem Ca aditivum se rozumí vápenec CaCO₃, který se přivádí s uhlím do fluidního topeniště a který je z hlediska dosažení intenzifikace desulfatace spalin doplněn směsí popelovin,

-2CZ 17020 Ul síranu vápenatého CaSO₄ a hydroxidu vápenatého Ca(OH)₂ přiváděnou trasou sekundárního vzduchu do fluidního topeniště; Ca(OH)₂ vzniká hydrataci zkalcinovaného vápence na oxid vápenatý CaO po nástřiku vody do spalin za průtočným horkovodním fluidním kotlem. CaO opouští fluidní topeniště nasulfatovaný na CaSO₄ zhruba do 30 %.

- Při přívodu pouze spalovacího vzduchu do trubkového propadového roštu fluidního topeniště tak, aby teplota oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku byla 800 až 850 °C, obsah O₂ ve spalinách byl zhruba 13,2 % a nebyly by splněny emisní limity čistoty spalin oxidu uhelnatého CO a oxidů dusíku NO_X a komínová ztráta průtočného horkovodního fluidního kotle by byla neúnosná. Teplota oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku je určena podmínío kou sulfatace CaO na CaSO₄. Problém obsahu O₂ ve spalinách je řešen recyklem spalin, doplňujícím přívod spalovacího vzduchu tak, aby při teplotě oxidační fluidní spalovací vrstvy 800 až 850 °C byl obsah kyslíku O₂ ve spalinách 7,5 až 8 %. Pokud bychom instalovali maximálně technologicky možnou vestavbu do fluidního topeniště, při teplotě 850 °C by teplosměnnou vestavbou bylo odvedeno 48 % celkově průtočným horkovodním fluidním kotlem produkovaného tepla. Za těchto podmínek by byl obsah O₂ ve spalinách zhruba 5 % a recykl spalin by byl nulový.

- Čím je větší tepelná vestavba oxidační fluidní spalovací vrstvy hrubozmného křemičitého písku, tím je menší recykl spalin přidávaný ke spalovacímu vzduchu, tím se zároveň zmenšuje průtok fluidačního média, průřez trubkového propadového roštu fluidního topeniště, velikost tepelného výměníku a velikost zařízení na čistění spalin ve spalinové trase.

Základní výhodou prezentovaného řešení průtočného horkovodního fluidního kotle je minimalizace investičních nákladů. Snížení průtoku fluidačního média a následně průtoku spalin kotlovou jednotkou vede i k úspoře elektrického proudu elektrických motorů ventilátoru fluidačního média a kouřového ventilátoru, a tedy i k úspoře provozních nákladů fluidní kotelny. Zvyšuje se provozní spolehlivost tlakového celku průtočného horkovodního fluidního kotle, protože sváry trubek tepelného výměníku jsou vně tlakového tělesa.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je podrobněji popsáno na obrázcích 1, 2, 3 a 4. Obrázek 1 je strojně-technologickým schématem horkovodní fluidní kotlové jednotky s průtočným horkovodním fluidním kotlem. Obrázky 2, 3 a 4 znázorňují průtočný horkovodní fluidní kotel. Na obrázku 2 je podélný řez průtočným horkovodním fluidním kotlem. Na obrázku 3 je příčný řez fluidním topeništěm tohoto kotle a na obrázku 4 je příčný řez tepelným výměníkem tohoto kotle.

Příklad provedení technického řešení

Průtočný horkovodní fluidní kotel spalující uhlí s vápencem je tvořen fluidním topeništěm s oxi35 dační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku a tepelným výměníkem 4 vody. Fluidní topeniště je zespodu vymezeno trubkovým propadovým roštem 1 a uzavřeno dnem 2.4. Trubkový propadový rošt 1 tvoří dvě přívodní trubky 1,1, které jsou napojeny na centrální trubku 1,2 fluidačního média, ve které je v úseku mezi přívodními trubkami 1.1 instalována zde neznázoměná uzavírací klapka. Na přívodní trubky 1,1 jsou napojeny rozvodné trubky 1,3 opatřené shora uza40 vřenými nátrubky 1.4 s kruhovými otvory po stěnách nátrubků 1,4.

Fluidní topeniště je z boků vymezeno membránovými stěnami 2 vyzděnými po celé ploše včetně stropu fluidního topeniště žárobetonem 23. Membránové stěny 2 jsou zespodu napojeny na podélné vodní trámce 2.2 a příčné vodní trámce 2.5. Podélné vodní trámce 2.2 jsou zavodňovacími trubkami 2.1 spojeny s bubnem 5. Shora jsou membránové stěny 2 tvořící boční stěny průtoč45 ného fluidního kotle napojeny na sběrné trubky 2.9, ústící do bubnu 5. Zadní membránová stěna 2 fluidního topeniště má svou sběrnou trubku 2.6 trubkami 2.7 napojenou na sběrnou trubku 2.8. Tato sběrná trubka 2.8 je spojena se sběrnými trubkami 2,9. Na sběrnou trubku 2.8 jsou dále

-3CZ 17020 Ul napojeny membránové stěny 2 čel průtočného fluidního kotle. Fluidní topeniště je postaveno na stojinách 2.10.

Tepelnou vestavbu 3 oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku tvoří dvě paralelní řady trubkových mříží. Ty jsou spodními podélnými trubkami 3.4 a horními podélnými trubkami 3.5 napojeny na rozvodné trubky 3.1 a 3.2. Spodní podélné trubky 3.4 a horní podélné trubky 35 jsou propojeny svislými trubkami 33.

Spaliny z fluidního topeniště vstupují do tepelného výměníku 4 ohřevu vody. Spalinový kanál tepelného výměníku 4 ohřevu vody tvoří dvě membránové stěny 2 a dvě trubkovnice 45. Trubkový svazek tepelného výměníku 4 vody tvoří tři sekce vodorovných trubek 4.1. Prvá sekce ío těchto trubek 4,1 je dvojchodá. Voda z cirkulačního čerpadla 7 vodního okruhu teplárenského systému je přiváděna do přívodní vodorovné rozvodné trubky 42. Na tuto trubku 42 navazují svislé rozvodné trubky 43. Svislé rozvodné trubky 43 z druhého chodu prvé sekce tepelného výměníku 4 ohřevu vody jsou napojeny na vodorovnou rozvodnou trubku 4.4 tepelného výměníku 4 ohřevu vody druhé sekce. Svislé vodorovné trubky 43 třetí sekce tepelného výměníku 4 ohřevu vody jsou napojeny na odvodní vodorovnou rozvodnou trubku 4,6 třetí sekce tepelného výměníku 4 ohřevu vody. Taje spojena s rozvodnými trubkami 3.1 tepelné vestavby 3. Voda z tepelné vestavby 3 je rozvodnými trubkami 32 odváděna do bubnu 5. Ohřátá voda odchází z bubnu 5 do vodního okruhu teplárenského systému.

Uhlí s vápencem je zde neznázorněnou trasou přívodu paliva přiváděno dvojicí šnekových dáv20 kováčů 8 přes dva sesypy 6 paliva stíněnými klapkami 6.1 do fluidního topeniště. Neznázoměnou trasu paliva tvoří zásobník uhlí, redlerový podavač uhlí, šikmý dopravní šnek bez osového hřídele, zásobník vápence s turniketem, jehož výsyp je zaveden do šikmého dopravního šneku bez osového hřídele, provozní zásobník uhlí a násypky šnekových dávkovačů 8, do násypek je instalován přívod hasicí vody.

Fluidační médium tvoří směs spalovacího vzduchu a recyklážních spalin, která je ventilátorem 9 dopravována do trubkového propadového roštu I. Při startu ventilátor 9 přivádí spalovací startovací vzduch do hořáku 11 na zemní plyn a spalovací komory 10, jejíž spaliny zajišťují start průtočného horkovodního fluidního kotle, pokud teplota oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku klesla pod 400 °C. Průtočný horkovodní fluidní kotel je za těchto podmínek startován po sekcích fluidního topeniště, prvá sekce je startována při uzavřené uzavírací klapce v centrální trubce 12. Tato klapka je při startu druhé sekce fluidního topeniště a při provozu průtočného horkovodního fluidního kotle trvale zcela otevřena.

Spaliny z průtočného horkovodního fluidního kotle odcházejí do cyklonového odlučovače 14. V této trase spalin je do spalin pneumatickými vodními tryskami 13 nastřikována voda. Odpady spalovacího procesu tvořené popílkem a odpady desulfatace spalin jsou ze zásobníku 15 jednak odváděny šnekovým dopravníkem 19 do zásobníku 20, jednak jsou turniketem 16 zaváděny do trasy sekundárního vzduchu z ventilátoru 12. Do této trasy jsou turniketem 4.7 přiváděny odpady spalovacího procesu ze dna spalinového kanálu tepelného výměníku 4 ohřevu vody.

Spaliny z cyklonového odlučovače 14 procházejí tkaninovým filtrem 17 s tlakovým profukem plachetky a vstupují do kouřového ventilátoru 21. Jedna část spalin odchází do komína, druhá část je recyklem spalin fluidního topeniště.

Odpady spalovacího procesu zachycené tkaninovým filtrem 17 jsou turniketem 18 zaváděny do zásobníku 20. Z něj jsou šikmým šnekovým dopravníkem 22 bez osového hřídele zaváděny do provozního zásobníku kotlové jednotky. Jeho výpusť je opatřena pneumatickou hubicí, která umožňuje plnění cisteren. Ty odvážejí odpady spalovacího procesu. Po nástřiku vody tyto odpady spalovacího procesu tvoří na skládce stabilizát.

Je prezentováno technické řešení průtočného horkovodního fluidního kotle s následujícími výkonovými, technologickými a rozměrovými parametry:

-4CZ 17020 Ul

	Tepelný výkon kotle:	7MW
	přenos tepla tepelnou vestavbou fluidního topeniště:	2,0 MW
	vstupní teplota vody do tepelného výměníku 4:	70 °C
	výstupní teplota vody z bubnu 5:	130 °C
5	Palivo: uhlí granulometrie ořech o2 MUS a. s.
	velikost částic uhlí:	10 až 20 mm
	výhřevnost:	19,8 MJ/kg
	celkový obsah síry:	1,7%
10	obsah popela v sušině:	10,5 %
	celkový obsah vody: Vápenec: lom Čížkovice	26,3 %
	granulometrie:	0,5 až 1 mm
	Průřez fluidního topeniště:	2,2 m χ 3,2 m
15	průřez spalinového kanálu tepelného výměníku 4 vody: výška mezi trubkovým propadovým roštem 1	2,4 m χ 1,7 m
	a stropem fluidního topeniště:	5 m
	průměr bubnu 5:	1000 mm
	Tepelná účinnost kotle:	90%
20	obsah kyslíku O2 ve spalinách:	7,5 %

Čistota spalin za referenčních podmínek: 6 % O₂, suché spaliny, O C, 102,32 kPa

oxidy dusíku NOX jako oxid dusičitý NO2:	330,4 mg/m3
oxid uhlíku CO:	194,7 mg/m3
oxid siřičitý SO2:	525,2 mg/m3
25 tuhé látky:	19,1 mg/m3.
Průmyslová využitelnost

Průtočné horkovodní fluidní kotle mohou jako palivo kromě uhlí využívat nejen směs uhlí a biomasy, ale i uhlí a granulovaných spalitelných odpadů, které nemají charakter nebezpečných látek pro životní prostředí.

Claims (6)

1. 30 NÁROKY NA OCHRANU

   1. Průtočný horkovodní fluidní kotel na uhlí nebo uhlí a biomasu s oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku o změní do 3 mm, vyznačující se tím, že fluidní topeniště s oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku obsahuje minimálně 100 mm klidové sypané výšky křemičitého písku o změní mezi 1 až 2 mm, fluidní topeniště je z boků a shora vyme35 zeno membránovými stěnami (2) a zespodu trubkovým propadovým roštem (1), v oxidační fluidní spalovací vrstvě křemičitého písku je instalována tepelná vestavba (3) se svislými trubkami (3.3) a podélnými trubkami (3.4) a (3.5), procházejícími membránovými stěnami (2) a napojenými na rozvodné trubky (3.1) a (3.2), horní rozvodná trubka či trubky (3.2) je napojena/jsou napojeny na buben (5), spodní rozvodná trubka či trubky (3.1) je napojena/jsou napojeny na

   40 tepelný výměník (4) ohřevu vody, který je instalován v kanálu spalin průtočného fluidního kotle,

   -5CZ 17020 Ul a který je na vstupu napojen na cirkulační vodní čerpadlo (7), a v membránové stěně (2) fluidního topeniště je instalován jeden či více sesypů (6) paliva.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že úsek kanálu spalin průtočného fluidního kotle s tepelným výměníkem (4) ohřevu vody tvoří dvě membránové stěny (2) a dvě

   5 trubkovnice (4.5) tepelného výměníku (4).
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že tepelný výměník (4) ohřevu vody je po výšce rozdělen na sekce vodorovných trubek (4.1) oddělených vodorovnými rozvodnými trubkami (4.4), v každé sekci je jedna či více vodorovných trubek (4.1) napojena či napojeny na svislé rozvodné trubky (4.3), v prvé sekci jsou svislé rozvodné trubky (4.3) napojeny na ío přívodní vodorovnou rozvodnou trubku (4.2), a v poslední sekci jsou svislé rozvodné trubky (4.3) napojeny na odvodní vodorovnou rozvodnou trubku (4.6).
4. 4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozteče vodorovných trubek (4.1) jsou alespoň v jedné sekci vodorovných trubek (4.1) odlišné od rozteče vodorovných trubek (4.1) v dalších sekcích vodorovných trubek (4.1).

   15
5. 5. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že membránové stěny (2) fluidního topeniště jsou zčásti nebo zcela vyzděny.
6. 6. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že trubkový propadový rošt (1) tvoří shora uzavřené nátrubky (1.4) s otvory v jejich boční stěně, a nátrubky (1.4) jsou instalovány na rozvodných trubkách (1.3).

   20 7. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že sesyp či sesypy (6) paliva jsou spojeny s jedním či více šnekovými dávkovači (8) paliva bez osového hřídele a s přívodem sekundárního vzduchu, a sesyp či sesypy (6) paliva jsou opatřeny klapkou či klapkami (6.1).