PL208984B1 - Sposób i komora paleniskowa kotła energetycznego do współspalania biomasy z węglem - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i komora paleniskowa kotła energetycznego do współspalania biomasy z węglem, znajdujące zastosowanie w energetyce ciepłowniczej opartej na alternatywnych paliwach odnawialnych.

Spalanie biomasy lub jej współspalanie z węglem w klasycznych komorach paleniskowych kotła energetycznego jest poprzedzone procesem przygotowania paliwa polegającym na rozdrobnieniu biomasy i węgla w młynach energetycznych lub specjalnych liniach technologicznych a następnie na nawęglaniu biomasy. Stosowane w ciepłownictwie procesy przygotowawcze paliwa nie zapewniają zbliżonego poziomu rozdrobnienia składników mieszaniny biomasa-węgiel. W praktyce występuje przemiał węgla na poziomie 200 μ a przemiał biomasy na poziomie 2-5 mm, co prowadzi do występowania znacznych różnic w czasach spalania mieszaniny biomasa-węgiel w klasycznej komorze spalania zapewniającej przebywanie cząstek paliwa w strefie spalania przez czas około 1 sek. - a w konsekwencji do niedopalenia biomasy i powstawania dużej ilości odpadów paleniskowych. Ponadto strefa spalania klasycznej komory paleniskowej kotła energetycznego posiada ograniczone możliwości przyjęcia masy paliwa w postaci biomasa-węgiel z powodu jej 35%-wego wzrostu objętości, spowodowanego małą gęstością biomasy.

Opisane niedogodności doprowadziły do szukania rozwiązań, które zapewniłyby do zwiększenie udziału biomasy w mieszaninie paliwowej biomasa-węgiel i jednocześnie eliminowały drogie ekonomiczne procesy przygotowawcze polegające, na rozdrobnieniu biomasy i jej nawęglaniu. Dodatkowo, niska temperatura samozapłonu biomasy, skierowała poszukiwanie rozwiązania problemu współspalania biomasy z paliwem węglowym na wirowe komory paleniskowe do niskotemperaturowego spalania pyłu węglowego.

Znane są różne rozwiązania wirowych paleniskowych komór przeznaczonych do spalania drobnozmielonego węgla w szczególności pyłu węglowego, które różnią się między sobą sposobami wywoływania zawirowania przestrzennego spalonego pyłu węglowego i doprowadzonego powietrza na przykład wywołanego urządzeniami zewnętrznymi jak opisano w polskim opisie patentowym PL 180167 lub wytworzonego w procesie niskotemperaturowego spalania mieszaniny pyłowo-powietrznej opisanego w polskim opisie patentowym nr 170075, gdzie niskotemperaturowe zawirowanie przestrzenne spalanej mieszaniny pyłowo-powietrznej powstaje dzięki usytuowaniu w narożach pionowych ścian bocznych komory, palników mieszaniny pyłowo-powietrznej o wylotach skierowanych tangencjonalnie w dół komory oraz dysz powietrza w leju komory, o wylotach skierowanych w górę komory paleniskowej. Zgodność kierunku wypływu mieszaniny pyłowo-powietrznej z palników tangencjonalnych i powietrza z dysz w leju komory skierowanego w górę komory zapewnia powstanie wiru przestrzennego powietrza i mieszaniny pyłowo-powietrznej.

Jak opisano w polskim opisie zgłoszeniowym PL 326412 dodatkowe umieszczenie na pionowych ścianach komory palników mieszaniny pyłowo-powietrznej na różnych poziomach wysokości ścian o zróżnicowanych kątach osi wypływu rosnących w dół komory oraz wyposażeniu leja komory w urządzenie dolnego nadmuchu powietrza zapewnia wyodrębnienie w komorze wirowej do niskotemperaturowego spalania pyłu węglowego dwu stref spalania, różniących się odrębnym usytuowaniem, temperaturą i czasem przebywania w nich spalanych cząstek, strefy dopalania usytuowanej w górnej części komory o temperaturach od 1200° do 1500° oraz strefy wirowej usytuowanej w leju komory o wydłużonym czasie spalania i niskich temperaturach od 600° do 900°. Dotychczasowe podejmowane przez specjalistów z dziedziny ciepłownictwa energetycznego próby wykorzystania komór paleniskowych do niskotemperaturowego współspalania pyłu węglowego i biomasy okazały się w praktyce bezskuteczne, natomiast wzmocniona została tendencja pogłębiania procesu przeróbki biomasy, aż do fazy uzyskania czynnika gazowego w postaci spalin z biomasy, co przedstawia polski opis patentowy nr 203792, pt. Sposób i instalacja wprowadzania gorących spalin z przedpaleniska spalającego biomasę do wirowej komory kotła pyłowego, w którym entalpia spalin z uzyskanych ze spalonej biomasy jest przekazywana do układu wodno-parowego kotła energetycznego. Spaliny z biomasy uzyskuje się przez spalenie biomasy w usytuowanym poza kotł em energetycznym specjalnym przedpalenisku rusztowym schodkowym i dopalającym a następnie przewodem zewnętrznym doprowadza się je do otworów wlotowych w kotle, wspomagając przepływ spalin strumienicą lub wentylatorem w zależności od odległości przedpaleniska od kotła pyłowego. Spaliny z biomasy o temperaturze około 850°C wprowadza się do wirowej komory na pył węglowy wyposażonej w palniki strumieniowe i dysze dopalające, dyszami spalin rozmieszczonymi w leju lub na ścianach komory i ukierunPL 208 984 B1 kowanymi tak, aby nastąpiło maksymalne przekazanie ciepła z doprowadzonych do komory paleniskowej spalin, do układu wodno -parowego kotła energetycznego.

Wadą opisanego rozwiązania jest prowadzenie osobnego procesu spalania biomasy, wymagającego budowy przedpaleniska, co wskazuje na znaczną komplikację techniczną związana z prowadzeniem dwu osobnych procesów osobno spalania biomasy i osobno spalania pyłu węglowego, powodujących wzrost kosztów ekonomicznych będących przeszkodą w eksploatacji rozwiązania.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i konstrukcji komory paleniskowej do współspalania biomasy z pyłem węglowym niewymagających procesu przetwarzania biomasy przed wprowadzeniem jej do paleniska kotła energetycznego.

Istota sposobu współspalania biomasy z węglem w komorze paleniskowej kotła energetycznego, w którym przez podanie z różnego poziomu wysokości pionowych ścian komory wirowej, strumieni mieszaniny pyłowo-powietrznej skierowanych tangencjonalnie w dół komory o kątach wypływu strumieni mieszaniny pyłowo-powietrznej rosnących w dół komory, oraz jednoczesne podanie powietrza dolnego nadmuchu z dołu leja w górę komory, wytwarza się proces niskotemperaturowego spalania, mieszaniny pyłowo-powietrznej z wyodrębnioną w przestrzeni komory spalania, strefą dopalania wysokotemperaturową, usytuowaną w górnej części komory i wirową strefą niskotemperaturową usytuowaną w leju komory według wynalazku polega na tym, że do wytworzonej w wyniku wielokrotnej recyrkulacji spalin i powietrza dolnego nadmuchu strefy wirowej niskotemperaturowej, usytuowanej w leju komory paleniskowej, wprowadza się korzystnie do dolnych warstw strefy wirowej jednocześ nie z dwu stron leja komory przy pomocy strug powietrza wzajemnie przeciwległych, skierowanych w dół komory, gruboziarnistą biomasę, poddając ją wypaleniu w strefie wirowej.

Istota komory paleniskowej kotła energetycznego do współspalania biomasy z węglem wykorzystująca konstrukcję niskotemperaturowej wirowej komory paleniskowej, której pionowe ściany są wyposażone w tangencjonalne palniki mieszaniny pyłowo-powietrznej umieszczone na różnych poziomach wysokości ścian pionowych komory, których osie wypływu tworzą z prostopadłą ściany pionowej kąty o wartościach rosnących w dół komory a której lej posiada urządzenie dolnego nadmuchu powietrza skierowane wylotem w górę komory paleniskowej, według wynalazku polega na tym, że w odległ o ś ci wynoszą cej 0,15 do 0,20 szerokoś ci komory paleniskowej liczonej od najniż ej usytuowanego palnika mieszaniny pyłowo-powietrznej na ostatnim n-tym poziomie wysokości ścian pionowych komory, są zainstalowane na przeciwległych ścianach leja komory dysze-palniki biomasy pochylone wylotami w dół komory, których oś wypływu tworzy z prostopadłą do pionowych ścian komory, kąt o wartości zbliżonej w granicach plus/minus 5° do wartości kąta, jaki tworzy prostopadła do ściany pionowej komory z osią wypływu najniżej położonego palnika mieszaniny pyłowo-powietrznej usytuowanego na n-tym poziomie wysokości ściany pionowej komory.

Zaletą sposobu i komory do współspalania biomasy z węglem w kotłach energetycznych jest według wynalazku wyeliminowanie procesu przygotowawczego rozdrobnienia i suszenia biomasy, wymagającego zaangażowania dużych środków technicznych i ekonomicznych. Istotny jest również aspekt bezpieczeństwa spalania biomasy, który zapewnia wynalazek. Biomasa wprowadzana jest bezpośrednio do wytworzonej wcześniej strefy wirowej o niskiej temperaturze, w atmosferze doprowadzanego do leja komory, zimnego powietrza dolnego nadmuchu, co dodatkowo obniża niebezpieczeństwo samozapłonu biomasy mogące prowadzić do uszkodzenia kotła energetycznego.

Wynalazek został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym przekrój pionowy niskotemperaturowej komory paleniskowej kotła energetycznego do współspalania biomasy z mieszaniną pyłowo-powietrzną.

Według wynalazku sposób współspalania biomasy z węglem polega na wytworzeniu w wirowej komorze paleniskowej do spalania pyłu węglowego procesu niskotemperaturowego spalania mieszaniny pyłowo-powietrznej polegającego na podaniu z różnych poziomów wysokości ścian pionowych strug mieszaniny pyłowo-powietrznej skierowanych w dół do centrum komory K o kątach zróżnicowanych rosnących w dół komory K przy jednoczesnym podaniu powietrza dolnego nadmuchu z l eja w górę komory K w wyniku, czego wskutek wielokrotnej recyrkulacji spalin i powietrza powstają w przestrzeni komory dwie strefy zawirowania charakteryzujące się rożnymi temperaturami i różnym czasem przebywania spalanych cząstek paliwa. Strefa dopalająca D wysokotemperaturowa, usytuowana w górnej części komory paleniskowej K o temperaturach od 1200°C do 1500°C i krótkim czasie przybywania spalonych cząstek paliwa oraz strefa wirowa W niskotemperaturowa, usytuowana w leju SB komory K o temperaturach od 600°C do 900°C i dłuższym czasie spalania. Według wynalazku do dolnych warstw strefy wirowej W wprowadza się jednocześnie z obu stron leja SB komory K przy

PL 208 984 B1 pomocy strug powietrza wzajemnie przeciwległych, skierowanych w dół komory K, gruboziarnistą biomasę o rozdrobnieniu od 20 do 40 mm i wilgotności 50% pozostawiając ją przez okres 3 sek. w strefie wirowej W do odparowania i wypalenia samoistnego.

W znanej wirowej komorze paleniskowej K do niskotemperaturowego spalania pyłu węglowego przykładowo w kotle OP-140 z lejem SB zastosowano jak pokazano na rysunku, trzy poziomy rozmieszczenia palników podstawowych mieszaniny pyłowo-powietrznej PPi, PP2, PP3. wzdłuż ścian pionowych SP. Palniki podstawowe mieszaniny pyłowo-powietrznej PP^ PP2, PP3 posiadają wyloty skierowane tangencjonalnie w dół komory K a ich osie wypływu tworzą z prostopadłą do ścian pionowych SP komory K kąty <α₁, <α2, <α o wartościach rosnących w dół komory przykładowo 28°, 29°, 30°. Według wynalazku w odległości L stanowiącej od 0,15 do 0,20 szerokości komory S wynoszącej dla kotła OP-140 przykładowo 6,5 m mierzonej od miejsca zamocowania palnika mieszaniny pyłowopowietrznej PP3 na 3-cim poziomie wysokości ścian pionowych SP, zainstalowana jest na każdej z dwu przeciwległych ścianach leja SB komory K, dysze-palniki PD o wylocie skierowanym w dół komory K. Osie wypływu dysz-palników PD doprowadzających biomasę w strugach powietrza tworzą z prostopadłą do pionowych ścian SP komory K kąt <β o wartości zbliżonej w granicach ±5° do wartości kąta <α3 jaki tworzy prostopadła do ściany SP komory K z osią wypływu mieszaniny pyłowopowietrznej palnika PP3 usytuowanego na 3-cim poziomie wysokości ścian. Przykładowo kąt <0,3 wynosi 30° a kąt <β₂ 25°.

Współspalanie biomasy i węgla w niskotemperaturowej komorze paleniskowej według wynalazku odbywa się w następująco. Strumienie pyłowo-powietrzne paliwa podstawowego poziomu PP1 wytwarzają strefę wysokotemperaturową dopalającą D o temperaturze 1250°C usytuowaną w górnej części komory K. Natomiast strumienie mieszaniny pyłowo-powietrznej z palników podstawowych drugiego PP2 i trzeciego poziomu PP3 oraz strumień powietrza dysz powietrznych DP wytwarzają niskotemperaturową strefę wirową W o temperaturach na poziomie 600-900°C usytuowaną w leju SB komory K.

Ustalenie według wynalazku ścisłych relacji wartości miedzy kątem <α utworzonym przez prostopadłą do ściany pionowej SP komory K a osią wypływu palników podstawowych PP_n mieszaniny pyłowo-powietrznej oraz kątem <β między prostopadłą do pionowej ściany SP komory K a osią wypływu dysz-palników PD biomasa/powietrze, w leju SB, gwarantuje, że biomasa jest wprowadzona dyszami-palnikami PD w dolne warstwy strefy wirowej W w leju SB i przebywa w strefie wirowej W przez około 3 sek. w temperaturze 800°C, co zapewnia jej odparowanie i wypalenie samoistne.

Wynalazek został eksperymentalnie sprawdzony na kotłach energetycznych OP-140 w Elektrociepłowni w Jastrzębiu Zdroju.

Dzięki wynalazkowi możliwe jest spalanie gruboziarnistej biomasy rozdrobnieniu od 20-40 mm i wilgotności 50% bez wstępnej obróbki przygotowawczej, co eliminuje konieczność stosowania specjalnych młynów tzw. dezintegratorów, obniżając koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Ponadto podanie biomasy o wilgotności do 50% eliminuje konieczność stosowania energochłonnego osuszania biomasy. Użyte według wynalazku palenisko wirowe z rozszerzoną strefą spalania w postaci chłodnego leja komory paleniskowej SB daje możliwość znacznego powiększenia udziału biomasy do poziomu ponad 20% udziału w paliwie całkowitym podawanym do paleniska.

Claims (2)

1. Sposób współspalania biomasy w komorze paleniskowej kotła energetycznego, w którym przez podanie z różnego poziomu wysokości pionowych ścian komory wirowej strumieni mieszaniny pyłowo-powietrznej skierowanych tangencjonalnie w dół komory o kątach wypływu mieszaniny pyłowo-powietrznej rosnących w dół komory oraz jednoczesne podanie powietrza dolnego nadmuchu z dołu leja w górę komory wytwarza się proces niskotemperaturowego spalania mieszaniny pyłowopowietrznej z wyodrębnioną w przestrzeni komory spalania, strefą dopalania, wysokotemperaturową usytuowaną w górnej części komory i wirową strefę niskotemperaturową usytuowaną w leju, znamienny tym, że do wytworzonej w wyniku wielokrotnej recyrkulacji spalin i powietrza strefy wirowej (W) niskotemperaturowej, usytuowanej w leju (SB) komory (K), wprowadza się korzystnie do dolnych warstw strefy wirowej (W) jednocześnie z dwu stron leja (SB) przy pomocy strug powietrza, wzajemnie przeciwległych skierowanych w dół komory (K) gruboziarnistą biomasą, poddając ją wypaleniu.

PL 208 984 B1

2. Komora paleniskowa kotła energetycznego do współspalania biomasy z węglem wykorzystująca konstrukcję niskotemperaturowej wirowej komory paleniskowej do spalania pyłu węglowego, której pionowe ściany są wyposażone w tangencjonalne palniki mieszaniny pyłowo-powietrznej umieszczone na różnych poziomach wysokości ścian pionowych komory, których osie wypływu tworzą z prostopadłą do ściany pionowej kąty o wartościach rosnących w dół komory a której lej posiada urządzenie dolnego nadmuchu powietrza skierowane wylotem w górę komory paleniskowej, znamienny tym, że w odległości (L) wynoszącej 0,15 do 0,20 szerokości (S) komory paleniskowej (K) liczonej od najniżej usytuowanego palnika mieszaniny pyłowo-powietrznej (PP_n) na n-tym poziomie wysokości pionowych ścian (SP) komory (K) z ciągu palników mieszaniny pyłowo-powietrznej rozmieszczonych na 1,2... n poziomach wysokości ścian pionowych (SP) są zainstalowane na przeciwległych ścianach leja (SB) dysze-palniki biomasy (PD) pochylone wylotami w dół komory, których oś wypływu tworzy z prostopadłą do pionowych ścian (SP) komory kąt (β), wartości zbliżonej w granicach plus/minus 5° do kąta (a_n) jaki tworzy prostopadła do ściany pionowej (SP) komory z osią wypływu najniżej położonego palnika mieszaniny pyłowo-powietrznej (PPn) usytuowanego na n-tym poziomie wysokości pionowych ścian (SP) komory paleniskowej.