CZ307680B6 - Systém pro zajištění fluidačního a oxidačního média v režimu oxyfuel pro fluidní kotel - Google Patents

Abstract

Systém pro zajištění fluidačního a oxidačního média v režimu oxyfuel pro fluidní kotel (1), který na vstupu obsahuje primární ventilátor (4) vzduchu a přívod kyslíku a na výstupu ventilátor (5) spalin, propojený s primárním ventilátorem (4) vzduchu. K primárnímu ventilátoru (4) vzduchu je připojena vzduchová regulační armatura (12) s prvkem (6) měření průtoku vzduchu, spalinová regulační armatura (2) s měřicím prvkem (7) průtoku odebíraných spalin a kyslíková regulační armatura (3) s dalším prvkem (8) měření průtoku kyslíku.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká systému zajištění potřebného množství fluidačního média a zároveň okysličovadla pro kotel na pevná paliva s fluidní vrstvou, který pracuje v režimu oxyfuel, tj. jedná se o spalování paliva s okysličovadlem se zvýšeným obsahem kyslíku převyšujícím koncentraci kyslíku v atmosférickém vzduchu až po technicky čistý kyslík. Oxyfuel je jednou z CCS technologií, tj. technologií pro záchyt CO2 ze spalovacího procesu

Dosavadní stav techniky

Kotle na tuhá paliva s fluidní vrstvou nezbytně potřebují pro svůj správný provoz určité množství fluidačního média, které uvádí do vznosu vrstvu částic inertního materiálu, která přechází, po překročení určité prahové mimovrstvové rychlosti proudění tohoto média, do stavu fluidace. Do takto vytvořené fluidní vrstvy se přivádí palivo a probíhá zde spalovací proces. V případě běžného spalování paliva se vzduchem je tímto fluidačním médiem právě vzduch, který tedy zároveň slouží jako okysličovadlo i jako médium pro zajištění fluidace. Tento vzduch, nazývaný někdy také jako primární vzduch, se do fluidního kotle přivádí pomocí primárního ventilátoru přes tzv. windbox - někdy nazývaný i jako plénum, což je prostor, který slouží k ustálení proudění média před rozdělením na jednotlivé trysky distributoru.

Proces oxyfuel spalování se od spalování se vzduchem liší především v tom, že oxidační médium obsahuje vyšší koncentraci kyslíku, než atmosférický vzduch. V takovém případě se výrazně mění objem a složení spalin ze spalovacího procesu, kde proti spalování se vzduchem roste podíl produktů spalování - CO2, vodní pára, emisní plyny, a klesá obsah dusíku. Spalování s okysličovadlem obohaceným kyslíkem má však negativní důsledek v podobě rostoucí adiabatické teploty plamene. Často je nutné tuto teplotu cíleně snižovat, tento problém se přitom u spalování se vzduchem nevyskytuje. Snižování teploty se řeší užitím masivní recirkulace chladnějších spalin odebíraných za kotlem, jejichž průtok se volí tak, aby se teplota plamene v ohništi, snížila na úroveň umožňující technickou realizovatelnost kotle. Současně pilotní projekty oxyfuel kotlů jsou založeny na spalování plynu nebo práškového uhlí a průtok recirkulovaných spalin odpovídá 2 až 3 násobku spalin vzniklých při spalování s obohaceným okysličovadlem.

V případě fluidního kotle je navíc nutné stále dodávat potřebné množství fluidačního média, které nezávisí na použitém okysličovadle. Pokud se použije okysličovadlo obohacené kyslíkem, bylo by pro zajištění fluidace dodáváno spolu s ním zbytečně mnoho kyslíku, a to výrazně více, než je potřeba pro samotný spalovací proces, což by bylo neekonomické. V extrémním případě platí, že objem čistého kyslíku potřebný na spálení 1 kg paliva je asi 4 až 5x nižší, než potřebný objem vzduchu. I v tomto případě se pro dosažení vhodných fluidačních podmínek nabízí užití recirkulace spalin, volba jejich množství a způsob zavedení se však proti popsanému případu plynových a práškových kotlů liší tím, že kromě regulace teploty fluidní vrstvy se recirkulací řídí i proces fluidace. Tomu je třeba přizpůsobit řešení celého systém recirkulace spalin včetně jeho regulace.

Dále je také u oxyfuel fluidního kotle nutné řešit plynulý a bezproblémový přechod mezi režimy spalování se vzduchem při najíždění na oxyfuel, kde je zejména nezbytné udržet stabilní fluidační poměry a teplotu fluidní vrstvy. Důvodem je skutečnost, že fluidní kotel nelze najíždět přímo v oxyfuel režimu, ale je nezbytné jeho start realizovat nejdříve ve vzduchovém režimu. Totéž platí i pro odstavování kotle.

- 1 CZ 307680 B6

Oxyfuel spalování ve stacionární fluidní vrstvě je novou technologií, která je perspektivní z mnoha důvodů. Nevyžaduje náročnou přípravu paliva před spalováním - palivo se nemusí sušit a jemně mlít, fluidní ohniště se provozuje v přetlakovém režimu, což vylučuje možnost přisávání falešného vzduchu, který jinak výrazně snižuje koncentraci CO₂ ve spalinách a tím omezuje oxyfuel efekt, a lze provádět aditivní odsiřování přímým dávkováním vápence do fluidní vrstvy, což snižuje produkci emisí a zjednodušuje následné čištění spalin, případně separaci CO₂.

Podstata vynálezu

Výše popsané technické problémy oxyfuel spalování ve stacionární fluidní vrstvě jsou řešeny systémem pro zajištění fluidačního a oxidačního média v režimu oxyfuel pro fluidní kotel, který na vstupu obsahuje primární ventilátor vzduchu a přívod kyslíku a na výstupu ventilátor spalin, propojený s primárním ventilátorem vzduchu, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že k primárnímu ventilátoru vzduchu je připojena vzduchová regulační armatura s prvkem měření průtoku vzduchu, spalinová regulační armatura s měřicím prvkem průtoku odebíraných spalin a kyslíková regulační armatura s dalším prvkem měření průtoku kyslíku.

Spalinová regulační armatura je s výhodou umístěna na větvi odebíraných spalin, která obsahuje zařízení pro odvod kondenzátu a na větvi primární směsi je za primárním ventilátorem vzduchu a přívodem kyslíku umístěno další zařízení pro odvod kondenzátu. Mezi spalinovou regulační armaturou a ventilátorem spalin je ve výhodném provedení umístěn odprašovací prvek. Větev odebíraných spalin a větev primární směsi jsou s výhodou osazeny tepelnou izolací.

Technické řešení srovnává disproporce mezi potřebným množstvím fluidačního média, které musí být bezpodmínečně zachováno, a množstvím okysličovadla - čistého kyslíku. Na výstupu z odprašovacího zařízení kotle jsou odebírány ochlazené a odprášené spaliny, které jsou přiváděny do T-kusu potrubí na sání primárního ventilátoru fluidního kotle. Druhým vstupem Tkusu může být nasáván okolní vzduch, a to především při najíždění a odstavování kotle. Oba proudy odebíraných spalin i vzduchu v potrubí obsahují spojitě polohovatelné řízené regulační armatury - klapky, které umožňují řídit poměr mezi množstvím nasávaného vzduchu a odebíranými spalinami při zachování stejného množství média přiváděného do fluidního kotle. Toto množství je řízeno změnou otáček primárního ventilátoru. V případě oxyfuel režimu je armatura v potrubí nasávaného vzduchu částečně či zcela uzavřena a ventilátor nasává přednostně odebírané spaliny. Do systému je v případě oxyfuel režimu nutné přivádět kyslík z externího zdroje. Tento kyslík je zaveden do výtlačného potrubí primárního ventilátoru a je na řádově vyšší tlakové úrovni, než fluidační médium. Přívodní potrubí čistého kyslíku je vybaveno spojitě řízeným regulačním ventilem, který umožňuje přivádět přesně potřebné množství kyslíku. Všechna potrubí vzduchu, odebíraných spalin a kyslíku jsou vybavena prvky měření průtoku, aby bylo možné přesně řídit množství fluidačního média a koncentrace kyslíku v něm tak, aby byla zajištěna plně vyvinutá fluidace v kotli a aby byla dodržena teplota fluidní vrstvy v tolerovaném rozmezí.

Systém je dále vybaven dalším ventilátorem v potrubí spalin odcházejících z kotle, v místě před odběrem spalin do primárního ventilátoru. Toto řešení je nezbytné proto, aby vzhledem k tlakovým poměrům v potrubním systému, primární ventilátor v oxyfuel režimu nasával pouze spaliny odcházející z kotle a nikoliv vzduch, který by mohl být nasát teoreticky možným zpětným tokem v komíně.

Celá potrubní trasa je tepelně izolována, aby bylo zajištěno, že nedojde k podkročení teploty rosného bodu fluidačního média spojeného s nežádoucí kondenzací vodní páry. V potrubní trase jsou rovněž umístěny uzavíratelné odvody kondenzátu pro případ startu a odstavování kotle, což jsou nestacionární stavy, kdy ke kondenzaci může dojít.

-2CZ 307680 B6

Celkově toto řešení zajišťuje bezpečné udržení požadovaných fluidačních poměrů jak při přechodu provozu kotle ze spalování se vzduchem do oxyfuel režimu, tak při provozu v plném oxyfůel režimu. Zajišťuje, že do systému není přisáván žádný nekontrolovaný falešný vzduch a je tak dosahováno požadované koncentrace CO2 v odchozích spalinách.

Navržené řešení je zcela nové, dosud neaplikované. Jeho funkčnost byla ověřena na poloprovozním zařízení. Není známo, že by v podmínkách ČR byl navržen nebo postaven fluidní kotel se stacionární fluidní vrstvou pro technologii oxyfuel.

Objasnění výkresu

Systém pro zajištění fluidačního a oxidačního média v režimu oxyfůel pro fluidní kotel podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde je na obr. 1 znázorněno schéma příkladného řešení.

Příklady uskutečnění vynálezu

Systém pro zajištění fluidačního a oxidačního média pro fluidní kotel v režimu oxyfuel se sestává z jednotlivých komponent a potrubního systému dle schématu na obr. 1 a je připojen ke kotli s fluidní vrstvou. Hlavním prvkem je primární ventilátor 4, který je umístěn před vstupem do windboxu fluidního kotle. Otáčky primárního ventilátoru 4 jsou řízeny pomocí frekvenčního měniče řízení sloužícího k nastavení požadovaného tlaku ve windboxu. Primární ventilátor 4 je opatřen tepelnou izolací. Sání primárního ventilátoru 4 je rozděleno do dvou větví - první je větev sání vzduchu 13, která obsahuje regulační armaturu 12 a prvek 6 pro měření objemového průtoku. Druhou větví sání primárního ventilátoru 4 je přívod spalin, které jsou nasávány z kotle 1 ventilátorem 5 a jsou odprášeny, a které jsou odebírány za výstupem z odprašovacího prvku spalin. Tyto spaliny jsou vedeny přes regulační armaturu 2, větev rovněž obsahuje měřicí prvek 7 průtoku pro měření objemového průtoku. Před vstupem do směšovacího dílu je umístěno uzavíratelné zařízení 9 pro odvod kondenzátu. Celá tato větev je opatřena tepelnou izolací. Přívod kyslíku je umístěn v potrubí na výstupu z primárního ventilátoru 4 a je proveden na řádově vyšší tlakové hladině. Ve větvi přívodu kyslíku je umístěna regulační armatura 3 a další prvek 8 pro měření průtoku kyslíku. Napojení větve přívodu kyslíku do primárního potrubí je provedeno ejektorem. Větev potrubí fluidačního média od primárního ventilátoru k windboxu fluidního kotle je opatřena tepelnou izolací.

Přívod spalin z kotle 1 je v dalším provedení opatřen odprašovacím prvkem 11 spalin cyklonem, popř. elektrostatickým nebo tkaninovým filtrem.

Ještě v dalším provedení je před vstupem fluidačního média do windboxu umístěno další zařízení 10 pro odvod kondenzátu.

Průmyslová využitelnost

Stávající projekty uvažují s aplikací oxyfůel spalování u plynových a práškových kotlů. Systém pro zajištění fluidačního a oxidačního média pro fluidní kotel v režimu oxyfůel podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění při stavbě nových nebo retrofitech stávajících kotlů s fluidní vrstvou, kde bude aplikována oxyfůel technologie např. pro záchyt CO2 ze spalin.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (3)

1. Systém pro zajištění fluidačního a oxidačního média v režimu oxyfuel pro fluidní kotel (1) obsahující na vstupu kotle primární ventilátor vzduchu a přívod kyslíku, se vzduchovou regulační armaturou s prvkem měření průtoku vzduchu, a na výstupu kotle ventilátor spalin, se spalinovou regulační armaturou s měřicím prvkem průtoku odebíraných spalin, vyznačující se tím, že k fluidačnímu primárnímu ventilátoru (4) vzduchu je připojena větev pro recirkulaci spalin propojující výstup spalin do komína (15) se sáním fluidačního primárního ventilátoru (4), na níž je umístěna regulační armatura (2) s měřicím prvkem (7) průtoku odebíraných spalin a zařízení (9) pro odvod kondenzátu, přičemž k sání fluidačního primárního ventilátoru (4) je dále připojena vzduchová regulační armatura (12) s prvkem (6) měření průtoku vzduchu, pro start zařízení ve vzduchovém režimu a na výtlak fluidačního primárního ventilátoru (4) je připojena kyslíková regulační armatura (3) s dalším prvkem (8) měření průtoku kyslíku pro provoz zařízení v režimu oxyfuel.

2. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že za primárním ventilátorem (4) vzduchu a přívodem kyslíku je umístěno další zařízení (10) pro odvod kondenzátu.

3. Systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že mezi spalinovou regulační armaturou (2) a ventilátorem (5) spalin je umístěn odprašovací prvek (11).