PL200331B1 - Sposób opalania kotła płomienicowego dużej mocy paliwem pyłowym - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób opalania kotła płomienicowego dużej mocy paliwem pyłowym gdzie, co najmniej 30% paliwa spala się w komorze spalania wstępnego (1), zaś wychodzące z komory spalania wstępnego palące się gazy płomienia przyspiesza się do prędkości co najmniej 80 m/s i tą prędkością wdmuchuje się je do płomienicy (7) kotła.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób opalania kotła płomienicowego dużej mocy paliwem pyłowym, zwłaszcza pyłem węgla brunatnego.

Znane kotły płomienicowe, przystosowane do opalania olejem lub gazem, charakteryzują się jak najmniejszymi wymiarami płomienie i temperaturą spalin na wyjściu płomienicy od 1100°C do 1200°C. Palnik olejowy lub gazowy charakteryzuje się krótkim, pękatym płomieniem, który dochodzi do obwodowej ścianki płomienicy i tam wytwarza strumień ciepła, którego maksymalne wartości sięgają 400 kW/m². W ściance rury powstaje wskutek tego duży spadek temperatur, który pociąga za sobą odpowiednie różnice wydłużeń i naprężeń wewnątrz ścianki. Z uwagi na materiał różnice te należy ograniczyć, w związku z czym Wymagania Techniczne dla kotłów parowych TRD 306, punkt 11 ograniczają grubość ścianki płomienicy do 20 mm. Powoduje to także ograniczenie średnicy płomienicy, ponieważ większe średnice wymagają większych grubości ścianek.

Przy porównywalnej mocy, płomienica opalana pyłem węgla brunatnego musi mieć znacznie większą długość i średnicę, niż płomienica opalana olejem lub gazem. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest po pierwsze to, że pył węgla brunatnego w porównaniu do oleju lub gazu wymaga do wypalenia około 2,5- do 3-krotnej objętości, po drugie zaś to, że temperaturę spalin należy obniżyć na tyle, by była ona wystarczająco niższa od temperatury topnienia popiołu, wynoszącej około 920°C do 940°C, aby zapobiec zażużleniu płomienicy i znajdujących się za nią ciągów rurowych. W praktyce temperatura spalin płomienicy opalanej pyłem węgla brunatnego powinna wynosić około 850°C, czyli znacznie mniej niż w przypadku płomienic opalanych olejem lub gazem.

W ramach grubości ścianek, ograniczonych przez wspomniane Wymagania Techniczne dla kotłów parowych i wynoszących 20 mm, oraz typowych dla tej grupy kotłów ciśnień pary, wynoszących przykładowo 18x10³ hPa (18 bar) odpowiednio do znormalizowanego progu ciśnieniowego 16x10³ hPa (16 bar), średnice płomienic mogą wynosić co najwyżej 800 mm, co nie pozwala osiągnąć objętości, wymaganej do wypalenia pyłu węgla brunatnego.

Jeżeli na płomienicy, na przykład w odstępie 1000 mm, rozmieści się pierścienie wzmacniające, można wówczas wprawdzie zwiększyć średnicę płomienicy do 1300 mm, jednak osiągana w ten sposób moc może wynosić jedynie około 4,6 MW. Rynek wymaga jednak mocy spalania w zakresie 20 MW. Wysiłki te rozbijają się jednak o wspomniane Wymagania Techniczne, ograniczające grubość ścianek do wartości, poza które trzeba wyjść, jeżeli chce się osiągnąć większe moce spalania.

Celem wynalazku jest zaproponowanie sposobu opalania kotła płomienicowego paliwem pyłowym, który pozwala osiągnąć duże moce spalania.

Zadanie to rozwiązano zgodnie z wynalazkiem za pomocą sposobu opalania kotła płomienicowego dużej mocy paliwem pyłowym, w którym jak największą część paliwa, korzystnie co najmniej 30%, spala się w komorze spalania wstępnego, zaś wychodzące z komory spalania wstępnego, palące się gazy płomienia przyspiesza się do prędkości co najmniej 80 m/s i z tą prędkością wdmuchuje się je do płomienicy kotła.

Korzystnie, około 60% paliwa spala się w komorze spalania wstępnego.

Gazy płomienia przyspiesza się do około 100 m/s.

Korzystnie, gazy płomienia wdmuchuje się do płomienicy współosiowo względem niej.

Według innej cechy wynalazku gazy płomienia wdmuchuje się do płomienicy ukośnie w dół przy kącie nachylenia od 8° do 14° względem osi płomienicy, w miejscu położonym nad osią płomienicy, przy czym, korzystnie, kąt nachylenia leży pomiędzy 8° i 10°.

Kąt nachylenia dobiera się tak, aby górna tworząca płomienia i górna tworząca płomienicy były w dużym stopniu równoległe do siebie.

Zgodnie ze sposobem część powietrza do spalania wdmuchuje się bezpośrednio do płomienicy przez rury nadmuchowe.

Wynalazek jest oparty na fakcie, że większe grubości ścianek płomienicy są dopuszczalne wówczas, gdy zmniejszy się gęstość strumienia ciepła, co z kolei można osiągnąć, jeżeli wytworzy się płomień, którego średnica jest mała w porównaniu do średnicy płomienicy. Średnica płomienia o zadanej mocy cieplnej jest tym mniejsza, im większa jest jego prędkość. W rezultacie większą średnicę płomienicy można zastosować wówczas, gdy zwiększy się prędkość płomienia.

Dużą prędkość płomienia osiąga się tak, że jak największą część paliwa, korzystnie co najmniej 30%, jeszcze korzystniej 60%, spala się w komorze spalania wstępnego, zaś wychodzące z komory

PL 200 331 B1 spalania wstępnego, palące się gazy płomienia przyspiesza się i dopiero wówczas wdmuchuje się je do płomienicy kotła.

Według wynalazku przyspieszenie następuje do prędkości co najmniej 80 m/s, korzystnie 100 m/s, z którą to prędkością gazy płomienia wdmuchuje się do płomienicy, korzystnie współosiowo względem niej. Jeśli gazy płomienia wdmuchuje się do płomienicy ukośnie w dół, zanieczyszczenia, na przykład popiół, gromadzące się na dnie płomienicy, są wydmuchiwane w kierunku wylotu płomienicy.

Wprawdzie na drodze, która doprowadziła go do wynalazku, Zgłaszający stosował już wcześniej dysze do przyspieszania płomienia, było to jednak robione w zupełnie innym celu, zaś prędkość płomienia wynosiła jedynie 50 do 60 m/s i była ograniczona stabilnością płomienia. Przyspieszanie płomienia służyło wcześniej wyłącznie do zdmuchiwania z dna płomienicy popiołu powstającego w trakcie spalania, w którym to celu płomień kierowano z góry ukośnie względem osi płomienicy, zaś wspomniana prędkość płomienia była wystarczająca. Z cechy tej, jak już wspomniano, można zrobić użytek także w ramach wynalazku, jednak dalsze zwiększanie prędkości płomienia jest dokonywane w podanym wyżej, innym celu, którego nie dało się zrealizować w ramach cech stanu techniki.

Komora spalania wstępnego jest włączona w obieg wody w kotle i pobiera ciepło z płomienia. Płomień jest zatem już częściowo chłodzony, gdy ulega przyspieszaniu. Przyspieszony płomień działa w płomienicy jak iniektor. Podczas wypalania pozostałości niespalonego paliwa z zewnętrznego obszaru płomienicy odrywa on oziębione już tam gazy i miesza się z nimi, co dodatkowo przyczynia się do obniżenia temperatury płomienia.

Skutkiem zastosowania środków według wynalazku jest obniżenie maksymalnej wartości gęsto^ścⁱ strrnenia cta^pta z ^po^dan^yc^h na ws^tępie ^{400 kW/}m^{2 d}o okoto ^{150 d}o ^{160 kW/}m². ^Prz^y tatom samym obciążeniu materiału możliwe jest, zatem, proporcjonalne do stosunku podanych wyżej gęstości strumienia ciepła, zwiększenie grubości ścianki płomienicy z pierwotnych 20 mm odpowiednio do zależności 20 x 400/160 do 50 mm. Przy zadanym ciśnieniu pary 18x10³ hPa można wykonać płomienice o średnicach równych 1900 mm bez użycia pierścieni wzmacniających oraz 2500 mm przy użyciu pierścieni wzmacniających, co odpowiada mocy paleniska w przypadku pyłu węgla brunatnego równej 9 względnie 15 MW przy użyciu pojedynczej płomienicy oraz 22 MW przy użyciu dwóch płomienic w tym samym kotle. Teoretycznie, można również połączyć w tym samym kotle dwie płomienice o mocy 15 MW każda, jednak z uwagi na ich wymiary cały układ nie nadawałby się do transportu drogowego ani kolejowego. Przy podanej mocy kotła równej 22 MW wchodzi się w zakres, interesujący dla odbiorców takich kotłów. Ponieważ koszty energii w przypadku pyłu węgla brunatnego są znacznie niższe niż ma to miejsce dla oleju lub gazu, zwyżka inwestycyjna w porównaniu do kotłów opalanych olejem lub gazem, związana z większym kotłem, potrzebnym dla niego miejscem oraz wstępną obróbką paliwa, podlega szybkiej amortyzacji.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został objaśniony na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kocioł płomienicowy z nasadzonym nań współosiowo palnikiem do realizacji sposobu według wynalazku, w przekroju wzdłużnym, zaś fig. 2 - kocioł płomienicowy z nasadzonym poza osią płomienicy, skierowanym ukośnie w dół palnikiem, w przekroju wzdłużnym.

Na fig. 1 ukazany jest w przykładzie wykonania płomienicowy kocioł parowy do realizacji sposobu według wynalazku, który to kocioł ma w niniejszym przykładzie moc 9 MW i jest opalany reńskim pyłem węgla brunatnego. Pył węgla brunatnego jest spalany w komorze spalania wstępnego 1, rozszerzającej się stożkowo od wejścia. Z poszerzonym końcem komory spalania wstępnego 1 połączona jest dysza przyspieszająca 2, która zwęża się stożkowo od wyjściowej średnicy komory spalania wstępnego 1 w kierunku wylotu.

Na wejściu komory spalania wstępnego 1 znajduje się zbiorcza obudowa 3 z łopatkami kierującymi 4 przepływem powietrza, które to łopatki są w stanie wprawić w zawirowania powietrze do spalania L1, napływające ze zbiorczej obudowy 3 do komory spalania wstępnego 1.

Przez wejście komory spalania wstępnego 1 przeprowadzona jest współśrodkowo względem komory lanca 5, która kończy się w przybliżeniu w miejscu największej średnicy komory, gdzie umieszczony jest na niej kołpak kierujący. Lanca 5 służy do doprowadzania pyłu węgla brunatnego, sfluidyzowanego w znany sposób poza ukazanym układem, za pomocą gazu nośnego, zwłaszcza powietrza.

Na wyjściu dyszy przyspieszającej 2 przyłączona jest współosiowo płomienica 7, na której końcu przeciwległym względem dyszy przyspieszającej 2 umieszczona jest komora zwrotna 8, do której otwiera się płomienica 7. Z komory zwrotnej wychodzi równolegle do płomienicy 7 ciąg rurowy 9, zło4

PL 200 331 B1 żony z kilku, wzajemnie równoległych rur. Komora spalania wstępnego 1 co najmniej częściowo, dysza przyspieszająca 2, płomienica 7 i ciąg rurowy 9 leżą w napełnionym częściowo wodą do poziomu 11 kotle 10, przy czym ciąg rurowy 9 znajduje się korzystnie pod płomienicą 7.

W czasie pracy powietrze do spalania L-ι wdmuchuje się do zbiorczej obudowy 3, formując z niego za pomocą łopatek kierujących strumień toryczny, który płynie w pobliżu ścianki komory spalania wstępnego 1 spiralnie w kierunku końca komory, mającego większą średnicę. Z uwagi na parametry fizyczne część strumienia powietrza do spalania odwraca się w obszarze największej średnicy komory spalania wstępnego 1 i płynie centralnie w kierunku wejścia komory spalania wstępnego 1. W ten strumień zwrotny wdmuchuje się za pomocą lancy 5 sfluidyzowany pył węgla brunatnego. Na swej drodze wewnątrz strumienia zwrotnego pył węgla brunatnego zostaje nagrzany, wskutek czego podlega spontanicznemu zapłonowi, gdy zetknie się z powietrzem do spalania w obszarze wejścia do komory spalania wstępnego 1. Płomień, który nie został przedstawiony na rysunku wewnątrz komory spalania wstępnego 1 i dyszy przyspieszającej 2, wypełnia całkowicie komorę spalania wstępnego 1 i dyszę przyspieszającą 2 poza cienką, znajdującą się blisko ściankii warstwą zimnego powietrza. Płomień, wychodzący z dyszy przyspieszającej 2, ma prędkość, wynoszącą co najmniej około 80 m/s, korzystnie około 100 m/s.

Wyjściowa średnica d1 dyszy przyspieszającej 2 wynosi w przedstawionym przykładzie wykonania 488 mm dla przyspieszenia płomienia do 100 m/s lub 545 mm dla przyspieszenia płomienia do około 80 m/s, o ile cała ilość powietrza do spalania L1 przechodzi przez komorę spalania wstępnego 1. Wspomniana, znajdująca się blisko ścianki warstwa zimnego powietrza sięga aż do ujścia dyszy przyspieszającej 2, co zaznaczono odpowiednio na fig. 1.

Płomień 6 jest wdmuchiwany współosiowo do płomienicy 7 o średnicy D1 = 1800 mm, gdzie w trakcie wypalania jeszcze niespalonych ilości paliwa pyłowego ulega on poszerzeniu od pierwotnej średnicy, mniejszej niż wyjściowa średnica dyszy przyspieszającej 2, do średnicy D₂, wynoszącej około 700 do 800 mm. Swoim impulsem płomień 6 wytwarza w znany sposób silną cyrkulację spalin w płomienicy 7, której następstwem jest odpowiednie przenoszenie ciepła na ścianki płomienicy 7 w drodze konwekcji, która sumuje się z transportem ciepła w wyniku promieniowania płomienia.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych palników, sposób spalania według wynalazku zapewnia bardzo równomierną gęstość strumienia ciepła wzdłuż powierzchni grzejnej płomienicy 7, wynoszącą średnio około 150 KW/m² ze słabo zaznaczonym maksimum, równym 170 KW/m² w obszarze największej średnicy D₂ płomienia 6 w płomienicy 7. W ten sposób spełnione są założenia cieplne dla wymaganych większych grubości ścianek. Grubość ścianki może w przedstawionym przykładzie wynosić 35 mm, dzięki czemu na wewnętrzną średnicę płomienicy 7 pozostaje jeszcze 1730 mm.

Dla innych mocy, wewnętrzną średnicę płomienicy 7 o kwadratowej podstawie należy wyliczyć w znany sposób ze stosunku mocy. Ta sama reguła dotyczy wyjściowej średnicy d1 dyszy przyspieszającej 2.

Długość L1 płomienicy 7 wynosi w przedstawionym przykładzie 5800 mm, spełniając tym samym wymagania dotyczące wystarczającego wypalenia oraz ustawienia równowagi NO. Dla mocy kotła 3,5 MW wystarcza długość 4800 mm, dla mocy 13,5 MW potrzebnych jest 7100 mm. Przy innych mocach należy przeprowadzić interpolację liniową. Długość nie jest przy tym wymiarem szczególnie istotnym.

Spaliny wytwarzane przez płomień opuszczają płomienicę 7 na końcu przeciwległym do dyszy przyspieszającej 2, wchodząc do komory zwrotnej 8, skąd są kierowane do pierwszego ciągu rurowego 9, umieszczonego w dolnym obszarze kotła wokół płomienicy 7. Popiół lotny osadza się w komorze zwrotnej 8, skąd można go usunąć.

Osiowa długość komory zwrotnej 8 wynosi w przykładzie 1250 mm, zaś dla kotłów o innej mocy należy ją przeliczyć proporcjonalnie do wewnętrznej średnicy płomienicy 7.

Na fig. 2 ukazany jest przykład wykonania, w którym komora spalania wstępnego 1 wraz z dyszą przyspieszającą 2 jest umieszczona nad osią płomienicy 7 i biegnie ukośnie do osi płomienicy 7, w związku z czym wychodzący z dyszy przyspieszającej 2 płomień 6 jest skierowany do płomienicy 7 ukośnie w dół.

Kąt nachylenia α pomiędzy osią komory spalania wstępnego 1 z dyszą przyspieszającą 2 i osią płomienicy 7 jest korzystnie tak dobrany, żeby odstęp A pomiędzy powierzchnią płomienia 6 i płomienicą 7 nad płomieniem 6 był w przybliżeniu stały na całej długości płomienia 6. W ten sposób niezmienione pozostają maksymalne wartości strumienia ciepła. Najbardziej korzystny kąt α leży pomiędzy 7° i 10°.

PL 200 331 B1

Zaleta tego rozwiązania polega na ułatwieniu wydmuchiwania zanieczyszczeń, gromadzących się czasami w najniższym punkcie komory spalania wstępnego 1, jak na przykład pozostałości popiołu i innych. Wydmuchiwanie tych pozostałości z komory spalania wstępnego 1 jest łatwiejsze, jeżell komora spalania wstępnego 1 jest nachylona w opisany sposób. Również ukośny przebieg płomienia 6 sprzyja wydmuchiwaniu zanieczyszczeń z płomienicy 7.

Kąt α może być także większy i sięgać przedziału od 12° do 14°, ponieważ maksymalna wartość gęstości strumienia ciepła zależy nie tylko od odstępu A, lecz również od stosunku średnic D2/D1 płomienia 6 i płomienicy 7.

W przypadku gatunków węgla, które zawierają więcej niż 0,3% azotu, może być konieczne zastosowanie środków obniżających ilość ΝΟχ. Skuteczne jest tutaj rozwiązanie, w którym komora spalania wstępnego 1 pracuje w pobliżu punktu stechiometrycznego lub poniżej niego, zaś potrzebna do spalania, resztkowa ilość L2 powietrza jest wdmuchiwana przez rury nadmuchowe 12, przystawione do czołowej powierzchni płomienicy 7, na której dysza przyspieszająca 2 uchodzi do płomienicy 7, bezpośrednio do płomienicy 7. Te rury nadmuchowe 12 można korzystnie zastosować także do wydmuchiwania osadów popiołu lotnego z płomienicy 7.

Pozostałe cechy przedstawionego przykładu wykonania odpowiadają cechom opisanym powyżej, w związku z czym można zrezygnować z ich powtórnego objaśnienia.

Claims (8)

1. Sposób opalania kotła płomienicowego dużej mocy paliwem pyłowym, znamienny tym, że jak największą część paliwa, korzystnie co najmniej 30%, spala się w komorze spalania wstępnego, zaś wychodzące z komory spalania wstępnego, palące się gazy płomienia przyspiesza się do prędkości co najmniej 80 m/s i z tą prędkością wdmuchuje się je do płomienicy kotła.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że około 60% pallwa spala się; w komorze spalania wstępnego.

3. Sposóbwedług zas^z. 1 albo 2, znamienny tym, że gazy płomienia przyspiesza εϊξ? do około 100 m/s.

4. Sposób według zas^z. 1, znamienny tym, że gazy ptomienia wdmuchuje sśę do ptomienicy współosiowo względem niej.

5. Spooch według ζθ-^ζ. 1, znamienny tym, że gazy ptomienia wdmuch^j sśę do ptomienicy ukośnie w dół przy kącie nachylenia od 8° do 14° względem osi płomienicy, w miejscu położonym nad osią płomienicy.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że kąt nachylenia leży pomiędzy 8° i 10°.

7. Sposóbwedług za-sroz. 5, znamiennytym, że kąt nachylenia dobieea εϊξ? lak, aby górna iworząca płomienia i górna tworząca płomienicy były w dużym stopniu równoległe do siebie.

8. Sposób według zastoz. 1, znamienny tym, że część powierza do spalania wdmuchuje się bezpośrednio do płomienicy przez rury nadmuchowe.