CZ20021337A3 - Fluidní kotel na spalování uhlí, biomasy a plynných paliv - Google Patents

Abstract

Fluidní kotel spalující uhlí, biomasu a plynné palivo, jehož podstata spočívá v tom, že pevné palivo je přiváděno na fluidní spalovací vrstvu křemičitého písku, jejíž granulometrie je plně nebo částečně v celkovém rozsahu 0,3 až 2 mm, společně s proudem sekundárního spalovacího vzduchu nebo směsi spalovacího vzduchu a recyklážních spalin. Do fluidní spalovací vrstvy křemičitého pískuje instalován výměník (3), fluidní spalovací vrstva křemičitého písku, ohřívací voda nebo ohřívaná parovodní směs. Výměník (3) je instalován minimálně 0,4 m nad trubkový propadovým roštem (2) fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku a minimálně v této výšce nad trubkovým propadovým roštěm (2) je vyzděna membránová stěna (1.1) spalovací komory (1) fluidního kotle. Do fluidní spalovací vrstvy křemičitého pískuje trubkou či trubkami přiváděno plynné palivo ke startu kotle nebo pomocné či alternativní palivo fluidního kotle, fluidačním médiem fluidní spalovací vrstvy křemičitého pískuje vzduch přiváděný přes trubkový propadový rošt (2). Spalovací komora (1) fluidního kotle je ve výšce minimálně 1,5 m nad , fluidním propadovým roštěm (2) zúžena na minimálně 2/3 průřezu trubkového propadového roštu (2) a do tohoto zúženého prostoru spalovací komory (1) fluidního kotle je eventuálně přiváděn terciární spalovací vzduch nebo recyklážní spaliny.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká řešení fluidních kotlů s oxidační vrstvou křemičitého písku spalujících uhlí,biomasu a plynná paliva,zejména zemní plyn,který je startovacím,doplňkovým nebo alternativním palivem pevných paliv.Výkonová oblast předpokládaného použití je 1,5 20MW tepelného výkonu individuální kotlové jednotky.

Dosavadní stav techniky

Stav techniky fluidních kotlů s oxidační fluidní spalovací vrstvou křemičitého písku je obsažen v českém patentu č.283457 .Toto řešení zajišťuje adiabatickou teplotu fluidní spalovací vrstvy o granulometrii 0,3 - 2mm a teplotě 830 C - 10 Ca při obsahu O2 ve spalinách 7 - 12% přívodem recyklu spalin ke spalovacímu vzduchu.Toto uspořádání zcela splňuje veškeré technologické nároky na řešení fluidního kotle a zajišťuje jeho rozsah regulace tepelného výkonu v rozmezí 40 - 100%.Použití spodního rozsahu výše uvedené granulometrie písku umožňuje spalování uhlí s vysokým podílem prachových částic a biomasy.

Řešení má však určité problémy :

a/ Strojní zařízení je investičně vysoce náročné a elektrický příkon ventilátoru spalovacího vzduchu a kouřového ventilátoru je příliš vysoký.U 5 MW jednotky je elektrický příkon 150 kW.

b/ Při spalování biomasy,která má více než 90% prchavé hořlaviny /H2/je nutný přívod sekundemího vzduchu natolik vysoký,že je ohrožena tepelná stabilita fluidní spalovací vrstvy.Problém se zvětšuje se snížením granulometrie biomasy.

c/ Přívod startovacích spalin o teplotě cca 550 C přes trubkový propadový rošt vyžaduje instalaci ventilátoru o výtlaku 15 000 Pa,třebaže přetlak pod roštem fluidního kotle při jeho standardním provozu je 8 500 - 9 000 Pa.,přes rošt fluidního kotle s tepelným výkonem 5,5 MW nepřivedeme více než 2,2 MW jako entalpii startovacích spalin,pokud bychom instalovali do fluidní vrstvy teplosměnnou plochu ,kterou lze odebrat cca 40% tepla z fluidní vrstvy a tak bez recyklu spalin zajistit adiabatickou teplotu fluidní vrstvy 830 C.,tímto přívodem spalin bychom fluidní vrstvu nedokázali ohřát nad 400 C,a tedy vůbec kotel nastartovat.

d/Regulační rozsah kotle 40 - 10%, jakkoliv je žádoucí,není u dnes převažujícího systému horkovodního vytápění rozhodující při použití této kotlové jednotky,kterou lze efektivně regulovat systémem chod/stop ve zvoleném teplotním intervalu cirkulující ohřívané vody. Omezení regulačního rozsahu fluidního kotle s teplosměnnou vestavbou je dáno praktickou nezávislostí přenosu tepla ve fluidní vrstvě na rychlosti fluidace.

Zásadním problémem je tedy snížení investičních a provozních nákladů fluidní kotlové jednotky,tak aby byla v ČR obchodně dostupná,ale zároveň splňovala veškeré emisní limity čistoty spalin ČR i EU.

I

Podstata vynálezu

Řešením problematiky fluidních kotlů s oxidační polydispersní vrstvou,které eliminuje výše uvedené problémy,se jeví řešení podle předkládaného vynálezu ,spočívající v tom,že je použit fluidní kotel spalující uhlí,biomasu a plynné palivo vyznačený tím,že pevné palivo je přiváděno na fluidní spalovací vrstvu křemičitého pískujejíž granulometrie je plně nebo částečně v celkovém rozsahu 0,3 - 2mm, společně s proudem sekundemího vzduchu a recyklážních spalin .,do fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku je instalován výměník fluidní spalovací vrstva křemičitého písku - ohřívaná voda nebo ohřívaná parovodm směs.,výměník je instalován minimálně 0,4m nad trubkovým propadovým roštem fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku a minimálně v této výšce nad trubkovým propadovým roštem je vyzděna membránová stěna spalovací komory fluidního kotle.,do fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku je trubkou či trubkami přiváděno plynné palivo ke startu kotle nebo jako pomocné či alternativní palivo fluidního kotle.,fluidačním mediem fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku je vzduch přiváděný přes trubkový propadový rošt.Spalovací komora fluidního kotle je ve výšce minimálně l,5m nad fluidním propadovým roštem zúžena na 2/3 průřezu trubkového propadového roštu a do tohoto zúženého prostoru spalovací komory fluidního kotle je eventuelně přiváděn terciální spalovací vzduch nebo recyklážní spaliny.

Technické řešení dle předkládaného vynálezu je založeno na následujících skutečnostech: a/ Hoření polydispersmho pevného paliva má ve fluidním kotli při přívodu paliva na fluidní vrstvu dvě oblasti .Uletová frakce hoří nad fluidní vrstvou a způsob hoření určuje hlavně množství sekundemího media a obsah O2 v tomto mediu a potom i zásadně podíl prchavé hořlaviny v palivu /H2/.Neúletová frakce paliva hoří ve fluidní vrstvě.Obsah 7 - 12% ve spalinách nad fluidní vrstvou ,který je žádoucí s ohledem na čistotu spalin,lze zajistit instalací teplosměnné plochy do fluidní vrstvy. Potom je fluidačním mediem fluidní vrstvy spalovací vzduch.

b/Při spalování biomasy nebo mezně prachových uhlí jsou nároky na přívod sekundemího vzduchu nebo vzduchu a spalin tak vysoké,že je nezbytné použít k dohoření CO tercielní vzduch nebo recyklážní spaliny nad přívodem sekundemího vzduchu.

c/ Přenos tepla ve fluidní vrstvě v úrovni 200 - 280 W/m²K zajistí na teplosměnné ploše představující 6% celkové teplosměnné plochy fluidního kotle přenos 30 40% tepla.

Zařízení se výrazně minimalizuje a klesají investiční náklady i náklady na energie. Startováním fluidního kotle plynným palivem přiváděným do fluidní vrstvy při provozní tlakové ztrátě fluidní vrstvy zásadně klesají energetické nároky kotle.

Lze konstatovat,že takovouto realizací fluidní kotlové jednotky se sníží průtok spalin kotlovou jednotkou oproti řešení v českém patentu č.283457 na 60 - 70% ,investiční náklady klesnou na 70 - 80% a energetická náročnost jednotek klesne na 60% výše uvedeného řešení.Efektivně a ekologicky lze spalovat i vysoce popelnatá paliva a biomasu.Systém je optimálně využitelný v horkovodním komunálním vytápění a v parních kotelnách s instalací paralelních kotlových jednotek.

• 4 · • 4 · 4

44444 · ·

Přehled obrázků na výkresech

Řešení fluidního kotle podle vynálezu je znázorněno na obrázku 1.Jedná se o schéma svislého řezu fluidním kotlem doplněného základním zapojením fluidního kotle v kotlové jednotce.

Fluidní kotel tvoří spalovací komora kotle. 1 .fluidní topeniště 2 .teplosměnná plocha 3 fluidní vrstvy a konvekční ohřívač 7_.Palivo je do fluidního kotle dopravováno trasou 4 .Spalovací vzduch je do kotle dopravován ventilátorem 5 .čerpadlem 6 je do kotle dopravována ohřívaná voda.Vápenec k desulfataci je do fluidního kotle dopravován trasou 8 Vodní čerpadlo 9_ dopravuje vodu do fluidního topeniště ke zvýšení obsahu vodní páry ve spalinách s ohledem na zvýšení zachycení SO2. Popel oviny a odpady desulfatace spalin jsou zachycovány na tkaninovém filtru 10 .Spaliny z kotlové jednotky jsou kouřovým ventilátorem 11 odváděny do komína.Ventilátorem 12. jsou recyklážní spaliny zaváděny po jejich smísení se vzduchem z ventilátoru 5_ jako trasa 4.4 do trasy dopravy paliva na spalovací fluidní pískovou vrstvu. Trasa 13 zemního plynu zajišťuje přívod zemního plynu do oxidační fluidní pískové vrstvy a do hlídacího hořáku hoření zemního plynu 13.2 .

Detailnější popis dílčích úseků fluidní kotlové jednotky je následující:

Spalovací komoru 1 fluidního kóde tvoří membránová stěna 1.1 s vyzdívkou 1,2 žárobetonem,zúžením průřezu 1.3 spalovací komory ,do nějž je sérií štěrbin mezi trubkami membránové stěny 1.1 přiváděn trasou 1.4 terciální spalovací vzduch.Palivo a sekundemí medium,tj. směs spalovacího vzduchu a recyklážní ch spalin je do fluidního kotle přiváděno přes klapku 1.5 .

Fluidní topeniště 2 tvoří trubkový propadový rošt 2.1 .část membránové stěny spalovací komory 1 ,zde označené jako 2.2 .která je na rozdíl od ostatních částí spalovací komory J_ vždy vyzděna.Výsypka 2.3 obsahuje křemičitý písek fluidní spalovací vrstvy .Je opatřena výsypy pro evntuální obměnu části fluidní spalovací vrstvy pro případ,že v palivu jsou nehořlavé nefluidující látky.

Dopravní trasa paliva 4_ je tvořena velkokapacitní skládkou,zavážecí trasou paliva 4.1 ,provozním zásobníkem 4.2 .šnekovým podavačem bez osového hřídele,tj.s volným šnekem

4.3 do fluidního kotle.

Trasu dopravy vápence 8 tvoří čeřený zásobník 8.1 vápence sjeho pneumatickým zavážením,oklepávací tkaninový filtr 8.2 .turniket 8.3 dmychadla 8.4 a pneutrasa 8.5

Trasu tkaninového filtru 10 tvoří vlastní tkaninový filtr 10.1 .dopravní šnek 10.2, turniket 10.3 .šroubový kompresor profuku plachetky 10.4 se zde neznázoměným odloučením oleje a vymražením spalin na rosný bod -25 C.

Pneutrasu odvodu popělo vin 10.5 tvoří vlastní pneudoprava a velkoobjemový zásobník s tkaninovým oklepávacím filtrem,čeřením a výpustní hubicí popelovin do cisterny.

·· ·♦ • · · « • * ♦

4 9

4 4

9449

Příklad provedení 1

Byl realizován fluidní horkovodní kotel pro komunální vytápěm.S ohledem na požadavek MŽP ČR v návaznosti na požadavky EU byla jako palivo určena směs simého hnědého uhlí a dřevní štěpky.Schema řešení je totožné s uspořádáním na obr.l.

Zadávací parametry:

Uhlí :

druh: hruboprach výhřevnost: 16,9 MJ/kg síra celková: 1,1%

Dřevní štěpka:

velikost: střední rozměr 40mm vlhkost: neupravená cca 50% podíl dřevní štěpky 30% objemově tepelný výkon j ednotky : 5,0 MW teplota cirkulační vody : 110/70 C

Technické řešení:
Fluidní kotel:
průřez fluidní vrstvy	2 100x2 550
výška kotle:	9 000
teplosměnná konvekční plocha:	180 m 2
teplosměnná plocha fluidní vrstvy :	10 m2
změní křemičitého písku :	0,3 - 2,0mm.
výška fluidní vrstvy klidová :	0,5 m
průřez kanálu spalin ve spalovací komoře	: 700x2 100
Tkaninový filtr:
plocha plachetky :	360 m2
průtok spalin na komínu	5,8 m3/s při 100 C
Vápenec :
střední velikost zm:	7 mikronů
čistota:	90% CaCO3
molární poměr Ca/S :	2,6
Dosažené výsledky:
maximální výkon fluidního kotle :	5,6 MW
tepelná účinnost fluidního kotle :	87%
stupeň zachycení SO2 :	80,4%

····

1«

Čistota spalin vztažena na 6% 0₂ suché spalin a NTP pevné látky : 19 mg/m³

CO: 170 mg/³

Byl použiti dávkovač pro ulili,druhý dávkovač pro dřevní štěpku.

NO_X jako NO₂: 390 mg/m³

Odpady spalovacího a desulfatačního procesu byly zpracovány na stabilizát,tj odpad nebezpečí O /ostatní/.

Regulace tepelného výkonu kotlové jednotky byla řešena systémem chodu chod/stop s průměrným intervalem odstávky v topné sezóně 1-3 hod/cyklus. Maximální délka odstávky bez přívodu zemního plynu s kapacitou 4MW do Kotlové jednotky byla 12 hodin.

Příklad provedení 2

Byla realizována fluidní kotelna v potravinářském komplexu se zadávacími parametry :

celková produkce páry: pára:

parní odběry:

a/ protitlaká turbina:

výstup pára b/ přímý odběr páry pára

50t/h

2.4 MPa/380 C

1.4 MW

0,7 MPa/150 C 25 t/h

190 C/1,4 MPa 25t/h

Palivo :

a/hydrolyzovaný lignin s vlhkostí 60 - 65% výhřevnost 4,5-6 MJ/kg popel 3 - 6% síra 0,11% maximální velikost individuální částice : 50 mikronů surový lignin je hrubě rozdružený filtrační koláč stabilizační palivo : zemní plyn 15 - 20% b/zemní plyn samostatně pro případ situace nedostatku ligninu

Technické řešení:

a/jsou použity 4 fluidní kotle s oxidační fluidní vrstvou ,každý o výkonu 10MW b/ každý fluidní kotel je řešen v uspořádání dle obrázku 1 a dle provedení analogického provedení 1 s následujícími změnami

·>♦· ·· · ·· ·· ·· ··«· ···« • to totototo 99 9 • · tototo toto·· · 9 9 · ♦· ··♦ ··· ··· · ·· * ·· ··«·

A/ Fluidní topeniště je řešené jako dvojstupňový systém v provedení dle českého patentu č 28 34 57,tj.

vlastní fluidní topeniště 2_ s vyzděnou membránovou stěnou 2.2 a teplosměnnou plochou 3_ ve fluidní vrstvě je řešeno z hlediska napájecí vody jako průtočné

- Opalovací komora kotle 1_ s konvekčním vařákem 7je řešena jako systém s volnou nou cirkulací parovodní směsi přes buben kotle,sytá pára z bubnu je přehřívána na pracovní parametry turbíny v přehřívači umístěném před vařák 7

B/ Vlastní fluidní topeniště je řešeno jako spojení dvojice topenišť dle příkladu provedení 1 s tím,že spalovací komora j_ je společná a nedělená pro každý fluidní kotel.

C/ Mezi fluidní kotel a tkaninový filtr 10 je instalován vodní chladič spalin k eliminaci průniku jisker biomasy na plachetku filtru,s rozstřikem vody pneumatickými tryskami.

Základní technické rozměry jedné kotlové jednotky průřez fluidního topeniště : výška fluidního topeniště : tepelná vestavba: spalovací komora: buben :

výška kotle :

Chladič spalin počet: průřez výška

Tkaninový filtr Průtok spalin do komína Dávkování ligninu

200 x 2 550 2 200 2 x 7,5 m²

800 x 2 800 x 6 000 01 500 x 5 500 10 000

1,600x900

000 800 m² m³/s při 100 C 4 šnekové dávkovače bez osového hřídele 260

Počet trubek přívodu zemního plynu do fluidní vrstvy 8 x 020

Uzavřené trubky,obvodové otvory 03

Hlídací hořák 0,4 MW

Dosažené výsledky:

Tepelný výkon 1 kotlové jednotky 11 MW

Tepelná účinnost kotle 85%

Čistota spalin splňuje emisní limit EU pro tepelný

Výkon 50 MW

Kotlová jednotka je vybavena centrálním automatickým řízením a výkonová regulace kotlů je řešena odstavováním kotlů systémem 100% / 75% / 50% / 25% &X&- /117 » · tototo toto· to ě «to ·· · ·»:· 4 5» 4 to • to to > · · to · 4 • to toto · · *«· · to to to • to ··· · · · • •toto to· · ··' ····

Claims (2)

Patentové nároky

1. Fluidní kotel spalující uhlí, biomasu a plynná paliva vyznačený tím,že pevné palivo je přiváděno na fluidní spalovací vrstvu křemičitého písku, granulometrie křemičitého pískuje volena v rozsahu0,3 - 2mm, spolu s pevným palivem je na fluidní vrstvu přivá děno sekundemí spalovací medium,tvořené spalovacím vzduchem nebo jeho směsí s recyklážními spalinami,eventuelně pouze recyklážními spalinami., do fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku je instalován výměník fluidní spalovací vrstva křemičitého písku - ohřívaná voda nebo ohřívaná parovodní směs,výměník je instalován minimálně 0,4m nad trubkovým propadovým roštem fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku a minimálně v této výšce nad trubkovým propadovým roštem je vyzděna membránová stěna spalovací komory fluidního kotle,do fluidní spalovací vrstvy křemičitého pískuje trubkou či trubkami přiváděno plynné palivo ke startu kotle nebo jako pomocné či alternativní palivo fluidního kotle,fluidačním mediem fluidní spalovací vrstvy křemičitého písku je vzduch přiváděný přes trubkový propadový rošt.

2. Zařízení dle bodu 1 vyznačené tím,že spalovací komora fluidního kotle je ve výšce minimálně l,5m nad fluidním propadovým roštem zúžena na minimálně 2/3 průřezu trubkového propadového roštu a do tohoto zúženého prostoru spalovací komory fluidního kotle je evntuálně přiváděn terciální spalovací vzduch nebo recyklážní spaliny.

J&ZV- 733?· • ’ · · *«·»·»♦ · · · • · * · · · · • · · * 94 9999