CZ18513U1 - Fluidní topeniště teplárenských kotlů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká fluidních topenišť teplárenských kotlů na uhlí s výhřevností nad 12 MJ/kg a na směs těchto uhlí a biomasy. Výkonově se jedná o parní a horkovodní fluidní kotle s tepelnými výkony mezi 3 až 9 MW.

Dosavadní stav techniky

Spalovací systém oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku spalující hnědá simá uhlí je popsán v CZ AO 230 120 (PV 9 211 - 82). Předmětem tohoto vynálezu je složení spalovací směsi ve fluidním topeništi.

ío Řešením fluidního uhelného topeniště pri aplikaci tohoto autorského osvědčení je uhelná spalovací komora, jejíž konstrukce je předmětem CZ AO 242 996 (PV 4603-84). Fluidní topeniště je tvořeno:

- dvouplášťovým spalovacím reaktorem, ve vnitřním prostoru, který je z boků vymezen vyzděnými ocelovými stěnami a zespodu trubkovým propadovým roštem, je oxidační fluidní spalo15 vací vrstva křemičitého písku

- spaliny procházejí žárovými cyklony podle CZ AO 251 391 (1989), teplota spalin je 780 °C

- hnědé uhlí a vápence jsou dávkovány na oxidační fluidní spalovací vrstvu křemičitého písku šnekovým dávkovačem bez osového hřídele s přívodem sekundárního vzduchu podle patentu CZ 276 412(1992)

- nájezd fluidního topeniště zajišťuje celokovová startovací spalovací komora na kapalná paliva instalovaná mezi ventilátorem spalovacího vzduchu a trubkovým propadovým roštem. Startovací spalovací komora s teleskopickým plamencem a pomocnou rotací zóny hoření je realizována podle patentu CZ 136 746 (1970) a CZ AO 190 717 (1982).

Fluidní topeniště s oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku bylo využito k ekologi25 zaci uhelných teplárenských roštových kotlů. Technické řešení podle českého patentu CZ 283 457 spočívá v:

- vyřazení pasového roštu a jeho náhradě samostatným fluidním topeništěm

- fluidačním médiem je směs spalovacího vzduchu a recyklážních spalin.

V tomto uspořádání se poprvé pri spalování kusového simého uhlí podařilo splnit emisní limity čistoty spalin podle zákona č. 352/2002 Sb. o ovzduší pro nové fluidní kotle s tepelným výkonem nad 5 MW.

Nedořešenými zůstaly následující problémy:

- splnění těchto emisních limitů čistoty spalin pri spalování uhlí s vysokým obsahem prachových podílů při ekologizaci roštových kotlů s velkoobjemovými topeništi

- snížení spotřeby vápence CaCO₃, molámí poměr dávkování vápence Ca: S = 3,3 pri 80% zachycení SO₂ za vzniku síranu vápenatého CaSO₄ je neúnosně vysoký.

Základní opatření ke snížení spotřeby vápence k desulfataci spalin představuje technické řešení absorbéru SO₂ podle českého patentu CZ 291531. Vychází ze základního význaku oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku, tj. že veškeré odpady spalovacího a desulfatačního procesu opouštějí fluidní topeniště se spalinami. Jen částečně nasulfatované Ca aditivum opouští fluidní topeniště jako CaO/CaSO₄ částice. Potom nástřikem vody do spalin se hydratuje oxid vápenatý CaO na hydroxid vápenatý Ca(OH)₂. Ca(OH)₂ reaguje v trase spalin s oxidem siřičitým SO₂ za vzniku CaSO₄. Instalace absorbéru SO₂ s pneumatickými vodními tryskami výrazně snížila spotřebu vápence.

-1 CZ 18513 Ul

Analýza odpadů zachycených za absorbérem však prokázala, že hydratace CaO na Ca(OH)₂ není úplná. V odpadech byl zjištěn významný obsah CaO.

Řešení fluidního kotle s oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku je nutno dopracovat do uspořádání, v němž bude:

- minimalizována spotřeba CaCO₃ k desulfataci spalin

- zajištěna konverze oxidu uhelnatého CO na oxid uhličitý CO₂ a obsah kysličníků dusíku ve spalinách v úrovni emisních limitů pro nové fluidní kotle s tepelným výkonem nad 5 MW i při spalování simých uhlí s vysokým podíle prachových částic. Emisní limity čistoty spalin jsou stanoveny zákonem č. 352/2002 Sb. Za referenčních podmínek (6 % O₂, NTP a suché spaliny) pro nové fluidní kotle jsou limitní koncentrace škodlivin CO = 250 mg/m³, NOX jako NO2 = 400 mg/m³, SO2 = 800 mg/m³ a tuhé látky =100 mg/m³.

Řešení minimalizace spotřeby vápence k ekologickému spalování uhlí s vysokým podílem prachových částic představuje řešení fluidního cirkulačního kotle podle CZ PV 2003-1555 s oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku.

Řešení je vyznačeno:

- rozdělením spalovacího prostoru na fluidní topeniště a spalovací komoru k dokončení oxidace CO na CO₂

- částečným recyklem hydratovaných odpadů spalovacího a desulfatačního procesu do fluidního topeniště.

Toto uspořádání splňuje ekologické nároky na nový fluidní kotel spalující uhlí s vysokým obsahem prachových podílů při minimalizaci spotřeby vápence. V souvislosti s útlumem těžby hnědých uhlí v České republice se těžařské společnosti orientují na produkci technických a průmyslových uhelných směsí pro elektrárny se současným útlumem třídění uhlí. To povede k ukončení produkce kvalitních uhlí pro teplárenství granulometrie ořech o2 a hruboprach hpl. Je proto nutné zaměřit se na spalování kusových uhlí s možností souběžného spalování biomasy. Požadavek na souběžnou výrobu energie a tepla i u malých zdrojů si vynucuje vývoj zejména teplárenských parních kotlů.

Podstata technického řešení

Řešení problematiky spalování kusového uhlí a kusové biomasy spočívá v tom, že fluidní topeniště teplárenského kotle na uhlí s vápencem a biomasou je tvořeno membránovými stěnami, které jsou zcela nebo částečně opatřeny otěruvzdomou vrstvou z keramického žáruvzdorného materiálu a zespodu je vymezeno trubkovým propadovým roštem, fluidní topeniště obsahuje oxidační fluidní spalovací vrstvu křemičitého písku o granulometrii 0,4 až 3 mm a expandované výšce přibližně 1 000 mm, pod sesypem nebo sesypy paliva ve výšce alespoň 180 mm nad nátrubky trubkového propadového roštu je instalován řídící teploměr propojený přes řídící počítač s regulátorem otáček dávkovače paliva nebo dávkovačů paliva a s regulační klapkou potrubí fluidačního média ventilátoru, dávkovač paliva nebo dávkovače paliva jsou spojeny sesypem nebo sesypy v čelní membránové stěně s fluidním topeništěm, sesyp nebo sesypy jsou napojeny na trasu sekundárního spalovacího média, trubkový propadový rošt je spojen s ventilátorem fluidačního média, který je napojen na sací potrubí spalovacího vzduchu a na potrubí recyklážních spalin napojeného na trasu spalin za kouřovým ventilátorem. V oxidační fluidní spalovací vrstvě křemičitého písku o granulometrii 0,4 až 3 mm a výšce přibližně 1 000 mm je instalována 1 řada paralelních smyček topných hadů nebo 2 řady paralelních smyček topných hadů, které jsou umístěny minimálně 300 mm nad nátrubky trubkového propadového roštu.

Řešení problematiky fluidního topeniště teplárenského kotle na kusové uhlí a kusovou biomasu je založeno na poznatcích získaných během výzkumu a vývoje této spalovací technologie spalování uhlí a biomasy

-2CZ 18513 Ul

- frakce křemičitého písku 1 až 1,6 mm jako oxidační fluidní spalovací vrstvy má měrnou hmotu při prahu fluidace větší, než je měrná hmota uhlí, tato expandovaná oxidační fluidní spalovací vrstva křemičitého písku má měrnou hmotu menší, než je měrná hmota uhlí; uhlí potom plave a hoří v celém objemu oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku nezávisle na granulo5 metni uhlí; hybnost částic křemičitého písku je natolik vysoká, že oddrcuje z povrchu uhelné částice vyhořený popílek, jde tedy o maximálně intenzivní kinetické hoření s tím, že veškeré popeloviny opouštějí fluidní topeniště jako úletová frakce spalin; tato frakce křemičitého písku tvoří homogenní oxidační fluidní spalovací vrstvu křemičitého písku o výšce přibližně 1 000 mm ío - v oxidační fluidní spalovací vrstvě křemičitého písku o změní 0,6 až 0,9 mm dochází k intenzifikaci dohoření explozivně uvolňované prchavé hořlaviny paliva, ať již uhlí nebo biomasy; tato frakce křemičitého písku tvoří nehomogenní tryskající oxidační fluidní spalovací vrstvu nad homogenní oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku o granulometrii 1 až 1,6 mm; do této části oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého pískuje vhodné dávkovat palivo; celková výška oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku o změní 0,6 až 1,6 mm dosahuje přibližně 4 000 mm

- při spalování kusového uhlí a při přívodu sekundárního vzduchu do sesypů paliva je možné snížit obsah O₂ ve spalinách na hodnoty 6 až 7 %; tato minimalizace odtahu spalin z fluidního kotle umožňuje dosažení 87 % až 89 % tepelné účinnosti fluidního kotle se současným splně20 ním emisních limitů čistoty spalin pro nové fluidní kotle s tepelným výkonem nad 5 MW; při spalování kusového uhlí, je-li do sesypů kusového uhlí přiváděna směs spalovacího vzduchu a recyklážních spalin, dosažitelný obsah kyslíku O₂ ve spalinách při splnění emisních limitů čistoty spalin pro nové fluidní kotle s tepelným výkonem nad 5 MW je 9 až 10 %

- instalace teplosměnných ploch do oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku umožňu25 je navýšit odvod tepla v trase konvekčních tepelných výměníků fluidního kotle až téměř o 50 % při 100% účinnosti přenosu tepla; intenzita tepelného toku mezi oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku a teplosměnnými plochami instalovanými do této vrstvy je v úrovni 200 kW/m² °C; toto společně s vysokou hybností částic křemičitého písku si vynucuje provedení teplosměnné plochy jako série paralelních smyček topných hadů napojených na vodní cir30 kulační čerpadlo, takto je zajištěna nezbytná nucená intenzivní cirkulace vodní a parovodní směsi trubkami tepelné vestavby; teplosměnné plochy jsou maximálně efektivní při jejich instalaci v homogenní části oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku, v tryskající části oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku přenos tepla do tepelné vestavby s výškou lineárně klesá, nad 1,4 m její výšky je přenos tepla již zanedbatelný, tepelnou vestavbu je žá35 doučí instalovat nad trubkový propadový rošt do výšky, ve které nebude při odstavení fluidního topeniště zchlazovat pískovou vrstvu ležící na trubkovém propadovém roštu

- základním hydrodynamickým předpokladem efektivního fluidního spalování je ideální vertikální míchání oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku; intenzita míchání byla sledována pomocí dvou teploměrů instalovaných nad trubkovým propadovým roštem; při intenzívní fluidaci s rychlostí fluidace 0,75 Nm³/s teploměr fluidního topeniště instalovaný 500 mm nad trubkovým propadovým roštem ukazoval teplotu 841 °C, teploměr instalovaný 100 mm nad trubkovým propadovým roštem ukazoval teplotu 839 °C; při snížení rychlosti fluidace na 0,45 Nm³/s homí teploměr ukazoval 839 °C, spodní teploměr ukazoval pouze 623 °C; pokud by byl spodní teploměr řídícím teploměrem tepelného výkonu fluidního kotle, jeho signál by vedl při sníženém výkonu fluidního kotle ke zvýšení dávkování paliva, tak aby byla indikována teplota 850 °C; to by vedlo k růstu teploty oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku na 1 068 °C; podle katalogů MUS a.s. Most a SD a.s. Chomutov je to teplota vyšší, než je teplota tání popelovin uhlí; to by vedlo k roztavení popelovin a havárii fluidního topeniště.

Zásadním důsledkem tohoto poznání je nutnost instalace řídícího teploměru pro regulaci teploty a následně tepelného výkonu fluidního kotle pouze do oblasti stabilizované teploty v homogenní

-3CZ 18513 Ul části oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku, což je minimálně 180 mm nad trubkovým propadovým roštem Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je podrobně popsáno na obrázcích 1 a 2. Obrázek 1 je strojně technologickým schématem parního fluidního kotle. Obrázek 2 je částečně příčným řezem fluidního topeniště tohoto fluidního kotle a částečně čelním pohledem na fluidní topeniště tohoto fluidního kotle.

Příklad provedení technického řešení

Fluidní kotel produkující energetickou páru pro parní turbínu s následným teplárenským využitím expandované páry je tvořen fluidním topeništěm, dopravní trasou paliva a vápence, startovací jednotkou, trasou fluidačního média, systémem konvekčních výměníků, trasou spalin s nástřikem vody do spalin, recyklem odpadů zachycených v cyklonech, tkaninovým filtrem, kouřovým ventilátorem a dopravní pneutrasou odpadů do neznázoměného provozního zásobníku.

Strop a boky fluidního topeniště tvoří žárobetonem vyzděné membránové stěny I, dno tvoří trubkový propadový rošt složený z centrální trubky 2.1, podélných trubek 2.2 a nátrubků 2,3. Teplosměnnou plochu fluidního topeniště tvoří dvě řady paralelních smyček topných hadů 3.1 a 3.2. Cirkulační voda je do dvou řad paralelních smyček topných hadů 3.1 a 3.2 přiváděna potrubími 3.3 a 3.4 napojenými na cirkulační vodní čerpadlo 9. To nasává vroucí vodu ze dna bubnu 8. Parovodní směs je ze dvou řad paralelních smyček topných hadů 3.1 a 3.2 odváděna potrubími 3.5 a 3.6 zpět do bubnu 8.

Samovolnou cirkulaci vody ve fluidním kotli zajišťuje buben 8, zavodňovací trubky 15, podélné trámce 16 a příčné trámce 26.

Uhlí s vápencem a dřevní štěpkou je z provozního zásobníku 6 dopravováno dvojicí dávkovačích šneků 5.1 a 5.2 bez osového hřídele přes sesypy 4.1 a 4.2 s výkyvnými klapkami do fluidního topeniště.

Fluidační médium tvořené spalovacím vzduchem a recyklážními spalinami je ventilátorem 7 přiváděno přes trubkový propadový rošt do fluidního topeniště. Při startu fluidního topeniště je využita startovací spalovací komora 31 s hořákem 30 na topnou naftu.

Spaliny z fluidního topeniště procházejí přes přehřívač páry 14, výpamík 13 instalovaný v trase volné cirkulace vody, přes ekonomizér 12 do trasy čistění spalin. Napájecí čerpadlo 11 přivádí napájecí vodu přes ekonomizér 12 do bubnu 8 a z něj vytlačuje vodní páru přes přehřívač páry 14 do sání parní turbíny s produkcí elektrické energie. Teplota přehřáté páry je na konstantní hodnotě udržována zde neznázoměnou trasou nástřiku parního kondenzátu do přehřáté páry.

Za ekonomizérem 12 je do absorbéru 18 SO₂ pneumatickými vodními tryskami nastřikována voda. Zchlazené spaliny procházejí cyklony 19 a tkaninovým filtrem 21. Průtok spalin zajišťuje kouřový ventilátor 25. Odpady odloučené ve fluidním kotli jsou turniketem 24 dopravovány do trasy sekundárního vzduchu s ventilátorem 10. Do této trasy sekundárního vzduchuje turniketem 23 přiváděna i část odpadů ze zásobníku 20 pod cyklony 19. Druhá část těchto odpadů je dopravním šnekem 28 dopravována do zásobníku 22 pod tkaninovým filtrem 21. Odpady ze zásobníku 22 jsou turniketem 34 dopravovány do pneutrasy 29 a touto jsou dopravovány do zde neznázoměného centrálního zásobníku popelovin. Odpady jsou odváženy autocistemou k využití ve stavební výrobě. Přívod tlakového vzduchu do pneumatických vodních trysek absorbéru 18 SO₂, tkaninového filtru 21 k jeho profuku a k čeření zde neznázoměných zásobníků vápence a zásobníku odpadů spalovacího procesuje zajištěn šroubovým kompresorem 32.

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

Jmenovitý parní výkon fluidního kotle 10 t/h

4CZ 18513 Ul

Pára	330 °C / 2,5 MPa
Teplota napájecí vody	105 °C
Tlak páry za parní turbínou	1,3 MPa
Palivo:
Uhlí průmyslová směs PS 1
Granulometrie uhlí:	10 až 40 mm
Výhřevnost	15,6 MJ/kg
Celkový obsah síry	0,85 %
Vápenec granulometrie	0,5 až 1 mm
Křemičitý písek	0,6 až 1,6 mm
Průřez fluidního topeniště	2,65 χ 3,04 m
Průtok spalovacího vzduchu	2,9 m3/s (NTP)
Průtok fluidačního média	5,8 m3/s (NTP)
Průtok sekundárního vzduchu	0,9 m3/s (NTP)
Výška fluidního topeniště	8 000 mm
Průměr bubnu 8	1 200 mm
Tepelná účinnost	88%
Obsah O2 ve spalinách	6,5 %
Teplo odvedené dvěma řadami paralelních smyček topných hadů 3.1 a 3.2	2,3 MW
Teplota oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku	830 °C
Teplota startovacích spalin	700 °C
Tepelný výkon startovací spalovací komory 31	3MW

Čistota spalin za referenčních podmínek 6 % O₂, suché spaliny, NTP (0 °C, 102,32 kPa) zajišťují splnění emisních limitů čistoty spalin dle zákona o ovzduší č. 352/2002 Sb. pro nové fluidní kotle s tepelným výkonem 5 až 50 MW.

Jako řídící teploměr T v homogenní části oxidační fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku je použit zdvojený termočlánek Pt - Pt.Rh instalovaný ve výši 500 mm nad nátrubky 2.3 trubkového propadového roštu. Termočlánek je propojen s řídícím počítačem R. Řídící počítač R je dále propojen s regulátorem otáček N dávkovačích šneků 5.1 a 5.2, s regulační klapkou 17 ventilátoru 7 a s regulační klapkou 27 recyklu spalin. Regulační klapka 17 je realizována věncem lopatek v sání ventilátoru 7. Vstupním signálem ke změně tepelného výkonu fluidního topeniště je pokles tlaku páry P. Vstupním signálem pro odstavení fluidního kotle je dosažení maxima teploty ohří35 vaně vody v teplárenské soustavě Tv. K zahájení chodu fluidního kotle dochází při dosažení minimální teploty teplárenské cirkulační vody. Do řídícího počítače R je naprogramována závislost teploty oxidační fluidní spalovací vrstvy hrubozmného křemičitého písku měřená termočlánkem T na otáčkách N dávkovačích šneků 5.1 a 5.2 při automaticky řízeném startu fluidního topeniště.

Vedle základního okruhu regulace tepelného výkonu fluidního topeniště jsou na fluidním kotli instalovány další nezbytné regulační okruhy

-5CZ 18513 Ul

- regulace obsahu kyslíku O? ve spalinách změnou nastavení regulační klapky 27 v trase spalin

- regulace teploty spalin změnou nátoku vody do pneumatických vodních trysek absorbéru 18 SO₂

- regulace přívodu recyklu odpadů spalovacího procesu do fluidního topeniště regulací otáček elmotoru turniketu 23

- regulační okruh zajišťující provoz chod/stop šnekového dopravníku 28 bez osového hřídele, ten jev provozu, je-li výška odpadů spalovacího procesu v zásobníku 20 větší než jejich určená minimální výška, pod touto minimální výškou hladiny odpadů je šnekový dopravník 28 zastaven

- regulace podtlaku na hodnotu přibližně 100 kPa pod stropem fluidního topeniště změnou nastavení lopatkového věnce v sání kouřového ventilátoru 25

- přívod hasicí vody do provozního zásobníku 6 paliva, pokud teplota ve dně tohoto zásobníku překročí 100 °C, následuje odstavení fluidního kotle

- profuk plachetky tkaninového filtru 21 tlakovým vzduchem ze šroubového kompresoru 32 při dosažení tlakové ztráty tkaninového filtru 21 900 Pa.

Symbolem označujícím regulační klapku 17 jsou ve strojně - technologickém schématu obrázek 1 označeny regulační klapky v potrubních trasách fluidního kotle. V případě kouřového ventilátoru 25 a ventilátoru 10 sekundárního vzduchu a ventilátoru 7 se jedná o lopatkové věnce v sání těchto ventilátorů.

Průmyslová využitelnost

Prezentovaný teplárenský uhelný fluidní parní kotel může vedle biomasy jako doplňkové palivo použít i ostatní spalitelné odpady, které dle zákona o odpadech nejsou zařazeny do kategorie nebezpečných odpadů.

Claims (2)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Fluidní topeniště teplárenského kotle na uhlí s vápencem a biomasou, vyznačující se tím, že je shora a z boků tvořeno membránovými stěnami (1), které jsou zcela nebo částečně opatřeny otěruvzdomou vrstvou keramického žáruvzdorného materiálu a zespoda je vymezeno trubkovým propadovým roštem, fluidní topeniště obsahuje oxidační fluidní spalovací vrstvu křemičitého písku o granulometrii 0,4 až 3 mm a expandované výšce přibližně 1 000 mm, pod sesypem (4.1) nebo sesypy (4.1) a (4.2) paliva ve výšce alespoň 180 mm nad nátrubky (2.3) trubkového propadového roštuje instalován řídící teploměr (T) propojený přes řídící počítač (R) s regulátorem otáček (N) dávkovače (5.1) paliva nebo dávkovačů (5.1) a (5.2) paliva a s regulační klapkou (17) potrubí ventilátoru (7), dávkovač (5.1) paliva nebo dávkovače (5.1) a (5.2) paliva jsou spojeny sesypem (4.1) nebo sesypy (4.1) a (4.2) v čelní membránové stěně (1) s fluidním topeništěm, sesyp (4.1) nebo sesypy (4.1) a (4.2) jsou napojeny na potrubní trasu přívodu sekundárního spalovacího média, trubkový propadový rošt je spojen s ventilátorem (7), který je napojen na potrubí spalovacího vzduchu a na potrubí recyklážních spalin napojené na trasu spalin za kouřovým ventilátorem (25).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že v oxidační fluidní spalovací vrstvě křemičitého písku o granulometrii 0,4 až 3 mm a expandované výšce přibližně 1 000 mm je instalována 1 řada paralelních smyček topných hadů (3.1) nebo 2 řady paralelních smyček topných hadů (3.1) a (3.2), které jsou umístěny minimálně 300 mm nad nátrubky (2.3) trubkového propadového roštu.