PL235866B1 - Sposób oraz urządzenie do optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób oraz urządzenie do optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych, przeznaczonych między innymi do spalania paliw odpadowych, w tym mułów węglowych lub paliwa tradycyjnego węglowego, zwłaszcza o wysokiej wilgotności, lub ich mieszanek.

Z dotychczasowego stanu techniki znane są różnego rodzaju kotły rusztowe, stosowane na przykład w zakładach termicznego przekształcania (utylizacji) odpadów różnego pochodzenia lub w ciepłownictwie, do wytwarzania ciepła, w których spala się paliwa stałe, w szczególności węgiel. W tego typu kotłach paliwo doprowadzane jest na ruszt, nad którym znajduje się opromieniowana komora spalania z układem powietrza wtórnego. Za opromieniowaną komorą spalania wzdłuż linii prądu spalin znajduje się część konwekcyjna kotła, w której umieszczone są powierzchnie ogrzewalne, gdzie następuje odzysk ciepła spalin do czynnika roboczego, najczęściej wody lub pary wodnej oraz powietrza (w spalinowym podgrzewaczu powietrza). W części konwekcyjnej kotła, w zależności od typu kotła umieszczone są przegrzewacze pary, w których czynnikiem roboczym jest para wodna, lub podgrzewacze wody, w których czynnikiem roboczym jest woda, lub podgrzewacze powietrza, w których czynnikiem roboczym jest powietrze do spalania. W kotle parowym występują wszystkie te elementy, a w kotle wodnym nie występuje przegrzewacz pary.

W stosowanych powszechnie kotłach rusztowych spalanie paliwa następuje na przesuwającym się ruszcie mechanicznym. Pod czynnym odcinkiem rusztu znajduje się skrzynia podrusztowa, zwana również skrzynią powietrzną, której zadaniem jest umożliwienie rozdziału i doprowadzenia przez nią powietrza do warstwy paliwa znajdującej się na ruszcie, w sposób zapewniający jak najefektywniejsze spalanie, przy czym doprowadzenie powietrza do paliwa realizuje się za pomocą szeregu stref podmuchowych rozciągających się w kierunku poprzecznym do kierunku przesuwania się rusztu. Strefy podmuchowe, otwarte od góry, poprzedzielane są strefami uszczelniającymi, któryc h zadaniem jest utrudnić przedmuchy powietrza pomiędzy sąsiednimi strefami podmuchowymi. Umożliwia to - poprzez dobór ilości powietrza podawanego do każdej strefy podmuchowej - oddziaływanie na proces spalania paliwa znajdującego się na ruszcie.

Znane są różne konstrukcje skrzyń podrusztowych oraz sposobów doprowadzania za ich pomocą powietrza przez ruszt do stref spalania na ruszcie. Przykładowo z opisu polskiego wzoru użytkowego nr 53625 znana jest zamknięta skrzynia podrusztowa, zasilana powietrzem z wentylatora, która ma szereg stref podmuchowych w postaci komór podmuchowych o kształcie wydłużonego odwróconego ostrosłupa ściętego. Powietrze z wnętrza skrzyni dostaje się do strefy podmuchowej przez otwór umieszczony zasadniczo centralnie w jednej z dłuższych ścianek komory podmuchowej. W rozwiązaniu tym do wszystkich stref rusztowych podawane jest powietrze o tej samej temperaturze, co nie umożliwia optymalizacji procesu spalania przez efektywne wykorzystanie utleniacza.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P.307369 znany jest sposób doprowadzenia powietrza podmuchowego i wtórnego do kotłów z rusztem mechanicznym i układ powietrza podmuchowego i wtórnego rusztu mechanicznego. Sposób polega na podaniu powietrza odrębnie do każdej strefy rusztu przy ściśle regulowanej ilości powietrza w każdej strefie i odseparowaniu stref między sobą. Powietrze wtórne podawane jest również w sposób umożliwiający regulację jego ilości i kierunku wypływu. Układ powietrza podmuchowego utworzony jest z kolektora, z którego do każdej skrzyni strefy podmuchowej rusztu doprowadzone są przewody, które mają różne średnice i przechodzą przez całą szerokość podmuchowej skrzyni, a na końcu są zaślepione. U dołu przewodów wykonany jest rząd otworów. Na wlotach każdego z przewodów znajdują się regulacyjne klapy. Powietrze wtórne doprowadzone jest kolektorem umocowanym pod zapłonowym sklepieniem. Na wlocie kolektora znajduje się regulacyjna klapa, a z boku wykonany jest rząd otworów o różnych przekrojach. Różnice w przekrojach otworów w kolektorze wtórnego powietrza i otworów w przewodach podmuchu są tak dobrane, aby zapewnić równomierny wypływ powietrza na całej długości kolektora i przewodów. Kolektor powietrza wtórnego zamocowany jest obrotowo wokół swojej osi, co umożliwia ustawienie kierunku wypływu strug powietrza względem pokładu rusztu. Średnice przewodów, kolektora wtórnego powietrza i sumaryczne przekroje otworów w przewodach i kolektorze wtórnego powietrza są tak dobrane żeby zapewnić optymalną ilość powietrza podmuchowego i wtórnego stosownie do zapotrzebowania każdej strefy podmuchowej rusztu jak i komory paleniskowej kotła. Rozwiązanie to posiada standardowo stosowane strefy podmuchowe, do których wdmuchiwane jest powietrze. Rozwiązanie według P.307369 w istotny sposób poprawia równomierność rozpływu powietrza do stref rusztowych oraz

PL 235 866 B1 niweluje przecieki powietrza między strefami. Nie spełnia jednak funkcji poprawy intensywności suszenia i zapłonu wilgotnego paliwa, ponieważ do wszystkich stref kierowane jest powietrze o temperaturze atmosferycznej lub wstępnie podgrzane jeżeli kocioł jest wyposażony w podgrzewacz powietrza. Rozwiązanie według P.307369 nie spełnia również funkcji oszczędności powietrza do spalania, zużywając go do procesu suszenia paliwa, przez co zwiększana jest strata wylotowa.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P. 323397 znany jest sposób podawania powietrza podmuchowego do paleniska rusztowego z podziałem strefowym. Strefy spalania wyznaczają skrzynie powietrzne. Rozwiązanie charakteryzuje się tym, że każda strefa podmuchowa ma indywidualny nawiew powietrza realizowany korzystnie poprzez indywidualny wentylator wyposażony w indywidualny układ regulacji wydatku powietrza, a strefy podmuchowe tworzą skrzynie powietrzne. Jest to rozwiązanie podobne do P.307369 z tym, że do każdej strefy dedykowany jest osobny podmuch powietrza. Rozwiązanie to w istotny sposób poprawia równomierność rozpływu powietrza do stref rusztowych, natomiast nie wprowadza oszczędności powietrza do spalania, nie przyczynia się również do poprawy suszenia i zapłonu wilgotnych paliw.

Z opisu patentowego PL187706 znany jest sposób i urządzenie do wytwarzania i wykorzystania gazów z odpadów, w którym ujawniony jest sposób spalania z podziałem kotła na różne strefy, do których można podawać czysty tlen, gaz wysokokaloryczny, powietrze albo spaliny. W rozwiązaniu tym zastosowana jest klasyczna - to jest ze strefowym podziałem poprzecznym - podrusztowa skrzynia powietrzna.

Znany z opisu polskiego wzoru użytkowego nr 57850 ruszt zawiera pod pokładem rusztowym skrzynię powietrzną, podzieloną na izolowane między sobą strefy powietrzne obejmujące poszczególne leje, do których doprowadzane jest powietrze do spalania, przy czym na wlocie do każdej strefy wmontowane są zasuwy. Znana jest również skrzynia powietrzna rusztu taśmowego z opisu polskiego wzoru użytkowego nr 47472, której przód stanowi pojemnik połączony zamkniętymi kanałami z przyporządkowanymi im strefami powietrznymi. Każda strefa powietrzna oddzielona jest od pojemnika zasuwą z układem dźwigni. Ulepszenie tych rozwiązań znaleźć można w opisie PL192614, w którym ujawniono urządzenie do wprowadzania powietrza podmuchowego w paleniskach kotłów wodnych i parowych, które utworzone jest z przewodu rozprowadzającego powietrze, z którego wyprowadzone są przewody biegnące bezpośrednio do poszczególnych lejów znajdujących się pod pokładem rusztowym i połączonych stycznie do otworów prostokątnych wykonanych w dłuższych ściankach bocznych lejów. W przewodzie rozprowadzającym powietrze usytuowanym wzdłuż ściany bocznej paleniska znajdują się otwory w kształcie wycinków koła ułożone regularnie wokół wałka, na którym po zewnętrznej stronie ścianki bocznej przewodu rozprowadzającego powietrze osadzona jest okrągła przesłona z otworami w kształcie wycinków koła. Prostokątne otwory wlotu powietrza w dłuższych ściankach bocznych lejów zakryte są od góry stałymi kierownicami powietrza, które nachylone są w dół. Ponadto z opisu patentowego PL225179 znana jest skrzynia podrusztowa kotła rusztowego zawierająca jedną lub szereg stref równoległych o osiach prostopadłych do kierunku ruchu rusztu oddzielonych strefami uszczelniającymi, mające w jednej lub dwóch ściankach bocznych otwory wlotowe powietrza, charakteryzująca się tym, że w strefach podmuchowych zabudowane są dodatkowe jedna lub więcej przegrody, zabudowane wzdłużnie to jest równolegle do boku dłuższego strefy, prostopadle do kierunku ruchu rusztu, dzieląc strefy na podstrefy. Korzystnie jedna lub więcej niż jedna z przegród jest regulowana, czyli przegrody mają możliwość regulacji ilości powietrza przedostającego się przez przegrodę lub pomiędzy przegrodą a elementem konstrukcyjnym strefy. Rozwiązanie to umożliwia dopasowanie ilości powietrza podmuchowego do profilu zapotrzebowania na to powietrze oraz zmniejszenie powierzchni stref uszczelniających. Również to rozwiązanie opisuje modyfikację sposobu podawania powietrza pod ruszt z klasycznym podziałem stref.

Wskazane rozwiązania skupiają się przede wszystkim na poprawie rozpływu powietrza do stref podrusztowych, również tych, które odpowiadają za suszenie paliwa (strefa początkowa) oraz chłodzenie żużla (strefa końcowa). Nie uwzględniają zatem oszczędności powietrza przeznaczonego do procesu spalania, bowiem wykorzystują to powietrze do wszystkich stref. Ponadto wykorzystanie powietrza również do suszenia paliwa wilgotnego nie jest efektywnym rozwiązaniem i nie wpływa istotnie na poprawę jego zapłonu.

Z opisu patentowego PL201029 znana jest wielostrefowa skrzynia podrusztowa kotła rusztowego, zawierająca szereg równoległych podłużnych stref podmuchowych o osiach prostopadłych do kierunku ruchu pokładu rusztowego i poprzedzielanych strefami uszczelniającymi, przy czym strefy podmuchowe mają w jednej z dwóch dłuższych ścianek bocznych otwory wlotowe powietrza, każda

PL 235 866 B1 strefa podmuchowa podzielona jest poprzecznie, na co najmniej trzy podstrefy podmuchowe, każda podstrefa podmuchowa ma oddzielny otwór wlotowy powietrza, a podstrefy podmuchowe są oddzielone od siebie pionowymi przegrodami ulokowanymi pod bieżniami rusztu, charakteryzująca się tym, że szerokość każdej strefy podmuchowej mierzona na poziomie pokładu rusztowego jest równa odległości pomiędzy dwiema strefami podmuchowymi na tym poziomie. Skrzynia podrusztowa według tego wynalazku, zainstalowana nawet w dotychczas eksploatowanych kotłach rusztowych ma umożliwiać prowadzenie procesu spalania ze współczynnikiem nadmiaru powietrza lambda wynoszącym około 1,6 lub mniej.

W kotłach ze znanymi skrzyniami podrusztowymi, aby uzyskać pełne wypalenie się warstwy paliwa podawanej na ruszt, prowadzi się proces spalania przy nadmiarze powietrza charakteryzującym się współczynnikiem lambda wynoszącym od 1,8 do 2,5. Taka ilość powietrza zapewnia co prawda poprawne warunki spalania ale nie zapewnia polepszenia warunków zapłonu paliwa, szczególnie wilgotnego, wywołuje równocześnie szereg niekorzystnych skutków. Zwiększanie nadmiaru powietrza do spalania chłodzi materiał, z którego wykonany jest ruszt, ale jednocześnie powoduje zwiększanie strumienia spalin, które muszą być następnie oczyszczane z substancji szkodliwych dla środowiska. Nadmiar powietrza powoduje zmniejszenie sprawności kotła poprzez zwiększanie straty wylotowej, która w znanych kotłach rusztowych wynosić może nawet do 20%. Wraz ze wzrostem ilości podawanego nadmiarowego powietrza pogarszają się warunki stechiometryczne przyczyniające się do wzrostu ilości powstających w palenisku tlenków azotu, dzięki wiązaniu azotu atmosferycznego z powietrza do postaci utlenionej w formie NO.

W związku z zaostrzaniem się norm dotyczących ochrony środowiska, przy jednoczesnym wzroście zainteresowania spalania paliw niskojakościowych o dużej wilgotności, powstała potrzeba opracowania konstrukcji skrzyni podrusztowej, która zwiększałaby efektywność pracy kotła przy znacznie mniejszym niż dotychczas nadmiarze powietrza i przy spalaniu gorszych gatunkowo, a przy tym tańszych paliw. Celem twórców wynalazku było opracowanie rozwiązania, które byłoby urządzeniem nieskomplikowanym w budowie i działaniu i możliwa by była jego zabudowa nie tylko w nowych ale również w istniejących kotłach rusztowych, które umożliwi optymalizację procesu spalania w rusztowych kotłach energetycznych, polegającą przede wszystkim na zmniejszeniu nadmiaru powietrza do spalania w prowadzonym procesie spalania z jednoczesnym ograniczeniem emisji do atmosfery substancji szkodliwych, zwłaszcza NOx. Celem jest maksymalne dopasowanie ilości czynnika suszącego paliwo oraz powietrza podmuchowego zarówno do termodynamicznych etapów procesu spalania jak i do profilu powierzchniowego zapotrzebowania na utleniacz doprowadzany z powietrzem i/lub z recyrkulowanymi spalinami, identyfikacja powierzchni stref uszczelniających z ekranami bocznymi komory paleniskowej i zastąpienie w nich powietrza do spalania czynnikiem o mniejszej zawartości utleniacza. Realizacja wskazanych celów wpłynie na zwiększenie efektywności energetycznej kotłów.

Istotę wynalazku stanowi sposób optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych, w których powierzchnia robocza (czynna) rusztu podzielona jest umownie na część początkową stanowiącą powierzchnię zasypu świeżego paliwa, obejmującą korzystnie do 30% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, część centralną rusztu stanowiącą powierzchnię efektywnego spalania paliwa, obejmującą korzystnie od 40% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, oraz część końcową stanowiącą powierzchnię przed zsypem żużla z rusztu, obejmującą korzystnie do 30% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, polegający na tym, że czynnik gazowy zawierający utleniacz do procesu spalania, w postaci powietrza i/lub spalin, wprowadza się do komory spalania kotła poprzez skrzynię podrusztową, szczelnie podzieloną na podmuchową strefę centralną oraz podmuchową strefę dodatkową, przy czym przez strefę centralną skrzyni usytuowaną pod częścią centralną rusztu wprowadza się do komory spalania kotła powietrze pierwotne (podmuchowe), natomiast przez strefę dodatkową usytuowaną:

- pod częścią początkową rusztu, i/lub

- pod częścią końcową rusztu, i/lub

- pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej w kierunku do osi wzdłużnej rusztu, wprowadza się do komory spalania kotła czynnik gazowy w postaci powietrza pierwotnego lub powietrza wtórnego lub mieszaniny powietrza z recyrkulowanymi spalinami lub najkorzystniej samych recyrkulowanych spalin, przy czym korzystnie spaliny pobiera się z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła.

PL 235 866 B1

Korzystnie, spaliny recyrkulowane pobiera się zza odpylacza kotła, dzięki czemu do skrzyni podrusztowej doprowadza się już spaliny odpylone.

Korzystnie, przez podmuchową strefę dodatkową wprowadza się do komory spalania kotła czynnik gazowy o temperaturze co najmniej równej temperaturze odparowywania wilgoci z paliwa. Temperatura niższa obniża efektywność odparowania wilgoci higroskopijnej.

Korzystnie, przez podmuchową strefę dodatkową wprowadza się do komory spalania kotła czynnik gazowy o temperaturze nie przekraczającej 200°C. Temperatura wyższa niż 200°C zwiększa ryzyko termicznego uszkodzenia materiału zarówno skrzyni podrusztowej, jak i samych rusztowin.

Korzystnie, z wykorzystaniem układu regulacji kontroluje się proces spalania w zależności od wilgotności paliwa, w taki sposób, że im wilgotność paliwa jest większa tym w podstrefę usytuowaną pod częścią początkową rusztu podaje się większą ilość czynnika gazowego (suszącego), a do strefy końcowej rusztu podaje się mniej czynnika gazowego. Pozwala to na optymalizację procesu spalania i efektywność wykorzystania mediów, bowiem w przypadku gdy podawane paliwo ma mniejszą wilgotność i nie ma potrzeby jego intensywnego suszenia, to do podstrefy usytuowanej pod częścią początkową rusztu można podawać mniejszą ilość czynnika gazowego (suszącego).

Korzystnie, w wariancie wynalazku, w którym jako czynnik gazowy wykorzystuje się wyłącznie powietrze, do strefy dodatkowej usytuowanej pod częścią początkową rusztu, w celu suszenia paliwa podaje się strumień podgrzanego powietrza, a do strefy dodatkowej usytuowanej pod częścią centralną rusztu podaje się normalne, to jest niepodgrzane powietrze. Rozwiązanie takie pozwala na oszczędność na kosztach zewnętrznego (pozakotłowego) podgrzewania powietrza, co zwiększa sprawność kotła. W znanych rozwiązaniach całość powietrza kierowanego do komory kotła była wcześniej podgrzewana.

Istotę wynalazku stanowi również urządzenie do optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych, w których powierzchnia robocza (czynna) rusztu podzielona jest umownie na część początkową stanowiącą powierzchnię zasypu świeżego paliwa, obejmującą korzystnie do 30% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, część centralną stanowiącą powierzchnię efektywnego spalania paliwa, obejmującą korzystnie od 40% całkowitej powierzchni roboczej r usztu, oraz część końcową stanowiącą powierzchnię przed zsypem żużla z rusztu, obejmującą korzystnie do 30% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, charakteryzujące się tym, że ma postać skrzyni podrusztowej, która podzielona jest na podmuchową strefę centralną usytuowaną pod częścią centralną rusztu oraz podmuchową strefę dodatkową usytuowaną:

- pod częścią początkową rusztu, i/lub

- pod częścią końcową rusztu, i/lub

- pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej w kierunku do osi wzdłużnej rusztu, przy czym całkowita powierzchnia podmuchowej strefy dodatkowej nie przekracza wartości 50%, korzystnie do 30% całkowitej powierzchni roboczej (czynnej) rusztu, strefa centralna jest szczelnie oddzielona od strefy dodatkowej przegrodą/przegrodami, do strefy centralnej z co najmniej jednego wentylatora podmuchowego doprowadzony jest co najmniej jeden kanał powietrza pierwotnego (podmuchowego), natomiast do strefy dodatkowej doprowadzony jest co najmniej jeden kanał powietrza pierwotnego lub powietrza wtórnego lub mieszaniny powietrza z recyrkulowanymi spalinami lub najkorzystniej samych recyrkulowanych spalin, przy czym kanał doprowadzania recyrkulowanych spali n korzystnie wychodzi z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła.

Korzystnie, na tą część podmuchowej strefy dodatkowej, która usytuowana jest pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych, składają się dwie symetryczne do siebie podstrefy, znajdujące się po dwóch stronach części centralnej rusztu. Spalanie warstwy paliwa na powierzchni rusztu jest symetryczne względem osi wzdłużnej rusztu, zatem nierównomierne zasilenie w utleniacz jednej strony rusztu w porównaniu do drugiej strony rusztu spowodowałoby asymetrię i utrudniło równomierne spalanie paliwa na ruszcie, a dodatkowo spowodowałoby, że jeden ekran komory paleniskowej byłby chroniony a drugi byłby zagrożony. Nierównomierne zasilanie stref bocznych spowoduje, że w części gdzie podajemy bardzo mało czynnika utleniającego (czy to zawartego w powietrzu czy w recyrkulowanych spalinach) spalanie na powierzchni rusztu nad daną strefą będzie zachodziło w warunkach redukcyjnych (o wysokim stężeniu CO). Atmosfera redukcyjna wpływa bardzo korozyjnie na materiał, z którego wykonane są ekrany komory paleniskowej. W części asymetrycznej zasilanej z kolei zbyt dużą (w porównaniu do wartości stechiometrycznej zapotrzebowania na czynnik utleniający) ilość czynnika utleniającego w procesie spalania wytworzy się atmosfera utlenia

PL 235 866 B1 jąca bogata w nadmiarowy utleniacz. Atmosfera taka nie jest szczególnie korozyjna dla ekranów komory paleniskowej, ale świadczy o złym wykorzystaniu utleniacza i powiększa stratę wylotową kotła. Tych negatywnych efektów można uniknąć poprzez stosowanie rozwiązania według wynalazku.

Korzystnie, powierzchnia tej części podmuchowej strefy dodatkowej, która usytuowana jest pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych, nie przekracza 50% całkowitej powierzchni podmuchowej strefy dodatkowej. Najkorzystniej jeśli największą część podmuchowej strefy dodatkowej stanowi strefa początkowa gdzie zachodzi proces suszenia paliwa. Nadmierne zwiększanie podstref bocznych wpływałoby na zmniejszenie wykorzystania powierzchni strefy początkowej, a przez to zmniejszyłoby efektywność suszenia wilgotnego paliwa. Ponadto zwiększenie podstref bocznych w wariancie, w którym zasila się je recyrkulowanymi spalinami, spowodowałoby zmniejszenie efektywności spalania z uwagi na zmniejszenie ilości czynnika utleniającego w czynniku gazowym wprowadzanym do komory paleniskowej kotła.

Korzystnie, strefa centralna skrzyni podrusztowej ma w przekroju poprzecznym kształt czworokąta, najkorzystniej prostokąta lub trapezu.

Korzystnie, kanał doprowadzania recyrkulowanych spalin kierowanych do podmuchowej strefy dodatkowej wychodzi z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła zza odpylacza kotła, dzięki czemu do skrzyni podrusztowej doprowadza się już spaliny odpylone.

Korzystnie, podmuchowa strefa centralna skrzyni podrusztowej szczelnie podzielona jest przegrodami, poprzecznie, to jest prostopadle do kierunku osi wzdłużnej rusztu, na co najmniej dwie, korzystnie od trzech do pięciu, podstref podmuchowych, zasilanych powietrzem podmuchowym ro zdzielonym na osobne strumienie powietrza do każdej z podstref. Skrzynia ze strefą centralną podzieloną poprzecznie na kilka podstref zasilanych rozdzielonymi strumieniami powietrza podmuchowego oraz podstrefą strefy dodatkowej usytuowaną pod częścią początkową rusztu i podstrefą strefy dodatkowej usytuowaną pod częścią końcową rusztu pozwala zoptymalizować dostarczanie czynnika utleniającego do każdego z termodynamicznych etapów procesu spalania jak suszenie paliwa (realizowane głównie w podstrefie strefy dodatkowej usytuowanej pod częścią początkową rusztu), odgazowanie paliwa, zapłon części lotnych, spalanie homogeniczne, spalanie heterogoniczne, dopalanie (realizowane głównie pod częścią centralną rusztu) oraz chłodzenie pozostałości stałych po zakończon ym procesie spalania (realizowane głównie w podstrefie strefy dodatkowej usytuowanej pod częścią końcową rusztu).

Korzystnie, podmuchowa strefa dodatkowa skrzyni podrusztowej podzielona jest przegrodami na co najmniej dwie podstrefy, najkorzystniej na cztery podstrefy, to jest podstrefę usytuowaną pod częścią początkową rusztu, podstrefę usytuowaną pod częścią końcową rusztu, oraz dwie przeciwległe podstrefy pod częścią centralną rusztu, ale w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej w kierunku do osi wzdłużnej rusztu.

Korzystnie, w wariancie ze skrzynią podrusztową o czworokątnym kształcie strefy centralnej, przegrody dzielące podmuchową strefę dodatkową na podstrefy zabudowane są w narożach strefy dodatkowej, dzieląc szczelnie strefę dodatkową na dwie, trzy lub cztery podstrefy, w zależności od ilości zabudowanych przegród narożnych.

Korzystnie, przegrody w postaci klap lub zasuw, dzielące podmuchową strefę dodatkową na podstrefy są elementem układu regulacji, umożliwiającego w zależności od potrzeb ich kontrolowane od 0 do 100% otwieranie lub zamykanie, co pozwala na jeszcze lepszą kontrolę procesu spalania w zależności od jakości paliwa, zwłaszcza jego wilgotności. Przykładowo: im wilgotność paliwa jest większa tym z wykorzystaniem wspomnianej regulacji w podstrefę usytuowaną pod częścią początkową rusztu podaje się większą ilość czynnika gazowego (suszącego), a do strefy końcowej rusztu podaje się mniej czynnika gazowego. Najkorzystniej urządzenie wyposażone jest w automatyczny układ regulacji, w którym regulacja dostarczania czynnika gazowego zachodzi automatycznie w funkcji zawartości części palnych w żużlu oraz/lub w funkcji temperatury sklepienia zapłonowego kotła. W takim wariancie klapy/zasuwy są sterowane przez sygnał z regulatora (PID) na podstawie różnicy wartości zadanej i wartości zmierzonej. W omawianym przypadku części palne w żużlu będą mierzone i porównywane do wartości, którą operator ustali jako optymalną, na przykład 5%. W momencie, w którym układ pomiarowy zmierzy części palne >5% to zacznie otwierać wlot spalin do suszenia, jeżeli zmierzy wartości <5% to zacznie przymykać wlot spalin żeby nie przegrzać rusztu.

Korzystnie, w wariancie wynalazku, w którym jako czynnik gazowy wykorzystuje się wyłącznie powietrze, urządzenie wyposażone jest w zewnętrzny (pozakotłowy) podgrzewacz powietrza, z które

PL 235 866 B1 go do strefy dodatkowej doprowadzony jest co najmniej jeden kanał powietrza podgrzanego, natomiast do strefy centralnej usytuowanej pod częścią centralną rusztu doprowadzony jest co najmniej jeden kanał powietrza normalnego, to jest niepodgrzanego. Suma powietrza kierowanego do strefy dodatkowej stanowi do 30% całkowitego powietrza do spalania i dlatego jego podgrzanie będzie mniej kosztowne niż podgrzewanie pozakotłowo całego strumienia powietrza do spalania.

Korzystnie cały układ wyposażony jest w wentylator wyciągowy spalin, który ma za zadanie wspomaganie naturalnego ciągu kominowego, tak zwanym ciągiem sztucznym, to jest wspomagając odprowadzenie spalin odpływających z paleniska kotła do atmosfery.

Rozwiązanie według wynalazku zapewnia eliminację niekontrolowanych i niepożądanych przedmuchów (strat) powietrza (tzw. powietrza nadmiarowego) nie biorącego udziału w procesie efektywnego spalania w części centralnej rusztu. W etapach procesu spalania związanych z suszeniem paliwa w części początkowej rusztu, chłodzeniem żużla w części końcowej rusztu oraz strefach bocznych rusztu sąsiadujących z ekranami komory paleniskowej powietrze podmuchowe najkorzystniej zostaje zastąpione recyrkulowanymi spalinami. Powietrze do spalania wykorzystywane jest optymalnie w strefie centralnej rusztu gdzie zachodzą właściwe procesy spalania związane z utlenianiem palnych składników paliwa. Takie rozwiązanie pozwala na znaczne obniżenie nadmiaru powietrza do spalania, a tym samym wzrost sprawności kotła. Strefy boczne rusztu i strefa końcowa - gdzie w klasycznych rozwiązaniach skrzyń powietrznych występują największe i niepożądane przedmuchy powietrza zasilane są recyrkulowanymi spalinami oszczędzając w ten sposób powietrze do spalania. W tym najkorzystniejszym wariancie zakłada się wprowadzenie do podmuchowej strefy dodatkowej jedynie recyrkulowanych spalin, które ogrzewają i suszą paliwo, a następnie dostają się do komory spalania kotła. Spaliny te, zwykle o temperaturze około 130-200°C umożliwiają suszenie wilgotnych paliw, na przykład odpadów i/lub miałów węglowych.

Rozwiązanie umożliwia zwiększenie zakresu paliwowego, a tym samym elastyczności pracy kotła. Innymi słowy zastosowanie skrzyni podrusztowej według wynalazku pozwoli efektywnie spalać gorsze (wilgotniejsze) a tym samym tańsze paliwa. Zamiast paliwa o maksymalnej wilgotności 40% (jakie stosuje się zwykle w kotłach rusztowych) będzie można spalać paliwa o wilgotności nawet do 60%, na przykład w postaci mułów i szlamów i/lub ich mieszanek, bowiem w wyniku podawania gorącego czynnika suszącego do strefy dodatkowej pod częścią początkową rusztu paliwo zostanie efektywnie podsuszone. Powietrze wtórne lub najkorzystniej gorące spaliny zwiększają skuteczność suszenia paliwa na ruszcie, ogrzewają je i ułatwiają zapłon (szczególnie wilgotnych paliw). Podawanie zarówno do strefy początkowej jak i końcowej rusztu recyrkulowanych spalin zamiast powietrza podmuchowego, przyczynia się do zmniejszenia straty wylotowej, a tym samym zwiększa sprawność cieplną procesu spalania. W przypadkach gdy powietrze podmuchowe podawane jest do strefy początkowej i końcowej rusztu, nie jest ono zużywane do właściwego procesu spalania a jedynie do suszenia paliwa i chłodzenia rusztu. Zastąpienie go recyrkulowanymi spalinami w tych strefach pozwala na poprawę warunków spalania paliwa na ruszcie i jednocześnie ogranicza stratę wylotową, wpływając istotnie na poprawę efektywności energetycznej kotła.

Podsumowując, w wyniku doprowadzenia gorących recyrkulowanych spalin do strefy dodatkowej pod częścią początkową rusztu osiąga się następujące korzyści:

- większą efektywność procesu suszenia paliwa w części początkowej rusztu, a następnie jego zapłonu,

- możliwość skierowania powietrza podmuchowego wyłącznie do części środkowej (centralnej) rusztu, gdzie jest największe zapotrzebowanie na powietrze do spalania, a co za tym idzie zmniejszenie strat powietrza do spalania,

- efektywne stechiometryczne wykorzystanie utleniacza w procesie spalania paliwa zgodnie z profilem powierzchniowego zapotrzebowania powietrza do spalania, przez co poprawia się sprawność spalania i ogranicza stratę wylotową,

- zastąpienie powietrza spalinami w strefie dodatkowej (czyli ograniczenie przepływu powietrza w tej strefie), w której występują największe nieszczelności.

Efektywność suszenia paliwa wpływa na efektywność procesu spalania na ruszcie, którą ocenia się głównie po ilości części palnych w popiele dennym (żużlu). Jeśli tych części palnych jest zbyt dużo (>5% masy odprowadzanego z kotła żużla) to oznacza, że paliwo nie zdążyło się wysuszyć i opóźniło zapłon paliwa wydłużając proces spalania, przez co paliwo uległo niecałkowitemu spaleniu na powierzchni czynnej rusztu. Rozwiązanie według wynalazku daje możliwość regulacji procesu spalania, w taki sposób, że zwiększa się strumień recyrkulowanych spalin podawanych do strefy początkowej

PL 235 866 B1 w celu lepszego suszenia paliwa, niweluje się dzięki temu straty paleniskowe i zwiększa efektywność energetyczną całego kotła. Wpływa to pośrednio na oszczędność paliwa, które jest efektywniej spalane.

Rozwiązanie według wynalazku przyczynia się również do ograniczenia emisji tlenków azotu (NOx), co wynika z faktu, że proces spalania na ruszcie przeprowadzany jest z wykorzystaniem powietrza i recyrkulowanych spalin doprowadzonych w uporządkowany sposób, który jest optymalny dla termodynamicznych etapów procesu spalania. Obniżenie zawartości tlenu w spalinach za kotłem wpływa na obniżenie straty wylotowej, obniżenie współczynnika nadmiaru powietrza do spalania i to w dalszej kolejności powoduje obniżenie emisji NOx.

Większość znanych dotychczas rozwiązań wykorzystujących skrzynie podrusztowe było opracowanych w celu podawania powietrza do skrzyni powietrznej ze strefami poprzecznie umieszczonymi do kierunku transportu paliwa. Zawierają one różne modyfikacje dotyczące sposobów zasilania tych stref w powietrze podmuchowe, aby możliwie jak najbardziej równomiernie rozdzielić powietrze do strefy spalania i możliwie jak najdokładniej nim sterować. W rozwiązaniu według niniejszego wynalazku twórcy poszli dalej i skrzynia podrusztowa została podzielona na strefę dodatkową (zewnętrzną) i środkową (centralną) tak, aby jak najbardziej efektywnie zasilać cały proces spalania paliwa na ruszcie, przy czym proces ten jest podzielony zgodnie z termodynamicznymi etapami jak suszenie paliwa, odgazowanie paliwa, zapłon części lotnych, spalanie homogeniczne, spalanie heterogoniczne, dopalanie oraz chłodzenie pozostałości stałych po spalaniu. Do etapu suszenia paliwa oraz chłodzenia pozostałości stałych po spalaniu doprowadzany jest czynnik gazowy w postaci recyrkulowanych spalin lub mieszanki recyrkulowanych spalin z powietrzem podmuchowym, termodynamicznie korzystniejszy od samego powietrza podmuchowego, dzięki czemu efektywniej wykorzystywane jest powietrze do spalania we właściwych (spalanie części lotnych, spalanie homogeniczne, spalanie heterogeniczne) etapach procesu spalania. Wprowadzenie podmuchowej strefy dodatkowej usytuowanej w miejscach, w których zwykle występują największe straty czynnika utleniającego, zasilanej według najkorzystniejszego wariantu niniejszego rozwiązania recyrkulowanymi spalinami w istotny sposób ogranicza straty czynnika utleniającego i zwiększa sprawność procesu spalania.

Wariant z podawaniem w strefę początkową samego powietrza podmuchowego (zamiast recyrkulowanych spalin) wykorzystywany będzie tylko w przypadku kiedy spalane będzie suche paliwo. Taka możliwość regulacji podawania czynnika gazowego wpływa właśnie na optymalizację procesu spalania. Sposób według wynalazku realizowany z wykorzystaniem specjalnej skrzyni powietrznej obejmuje szeroki zakres zmienności paliwa i w zależności od jakości paliwa (jego wilgotności) można wykorzystywać odpowiednie strefy zasilając je recyrkulowanymi spalinami albo powietrzem podmuchowym.

Zastosowanie rozwiązania według wynalazku skutkuje wieloma zaletami i to w każdej ze stref rusztu.

Do zalet wynalazku w strefie dodatkowej usytuowanej pod częścią początkową rusztu należą:

a) Suszenie wilgotnego paliwa z ograniczeniem straty wylotowej związanej z nadmiarem powietrza do spalania w kotłach rusztowych.

W klasycznych skrzyniach podrusztowych, do suszenia paliwa wykorzystywane jest powietrze podmuchowe, które jest najistotniejsze dla procesu właściwego spalania (utleniania) i najkorzystniej jakby było wykorzystane wyłącznie do tego procesu. Taki wariant byłby możliwy tylko w przypadku gdyby do kotła podawane było idealnie suche (o zerowej zawartości wilgotności) paliwo. Wtedy powietrze podawane do kotła zużywane byłoby jedynie we właściwym etapie procesu spalania, czyli zapłonu paliwa a następnie spalania części lotnych i części stałych palnych. W praktyce paliwo podawane do kotła jest surowe, zawiera wilgoć i tym samym powietrze podmuchowe zużywane jest w pierwszej kolejności do suszenia paliwa a dopiero następnie do jego spalania. Powietrze zużyte do suszenia paliwa jest powietrzem mało efektywnie wykorzystanym dla procesu spalania i powiększa stratę wylotową kotła. W najkorzystniejszym wariancie rozwiązania według niniejszego wynalazku do suszenia paliwa wykorzystuje się recyrkulowane spaliny (ewentualnie w mieszance z powietrzem podmuchowym), które są gorące, czyli termodynamicznie korzystniejsze od powietrza w celach suszarniczych, a przy tym nie wykorzystuje się samego powietrza podmuchowego w celach suszarniczych i poprawia się w ten sposób sprawność kotła ograniczając stratę wylotową kotła (zmniejsza się współczynnik nadmiaru pow ietrza do kotła).

b) Spaliny za kotłem rusztowym mają zwykle temperaturę w granicach 130-200°C, natomiast powietrze podmuchowe zazwyczaj ma temperaturę otoczenia. Oczywistym jest, że termo

PL 235 866 B1 dynamicznie proces suszenia czynnikiem gorętszym (spalinami) jest efektywniejszy niż czynnikiem chłodniejszym (powietrzem).

c) Tworzenie korzystniejszej atmosfery spalinowej w obrębie sklepienia zapłonowego, które stanowi obmurówka nad pierwszą strefą rusztu a jednocześnie początkową strefą skrzyni powietrznej. Sklepienie zapłonowe nagrzewa się od promieniujących gazów spalinowych z komory paleniskowej i ułatwia zapłon warstwy paliwa na ruszcie. W wariancie, w którym w tą strefę podaje się zamiast gorących spalin istotnie chłodniejsze powietrze podmuchowe, wpływa się na chłodzenie sklepienia i pogorszenie warunków jego funkcjonowania, niekorzystnie wpływając na zapłon paliwa.

d) Mniejsze koszty zakupu obmurówki kotła (odchudzenie konstrukcji, mniejszy ciężar, podparcie). W wyniku zastąpienia powietrza gorącymi spalinami następuje mniejsze chłodzenie sklepienia i polepszenie warunków jego pracy, dzięki czemu istnieje możliwość zastosowania mniejszej ilości wymurówki na sklepienie, zmniejszając tym samym ciężar całego kotła oraz jego koszt.

e) Szybsza wymiana ciepła (zwiększenie dynamiki pracy kotła) poprzez regulację ilością recyrkulowanych spalin / powietrza podmuchowego. Mniejsza masa wymurówki zwiększa dynamikę pracy kotła. Wymurówka w kotle zwiększa inercję układu paleniskowego kotła przez zwiększenie jego pojemności cieplnej. Dla dynamiki kotła jest to efekt niekorzystny, który powoduje, że kocioł z większą masą wymurówki wolniej reaguje na wymuszenia zmiany jego obciążenia cieplnego. Kocioł z mniejszą masą wymurówki jest bardziej dynamiczny, co oznacza, że szybciej reaguje na zmiany jego obciążenia cieplnego. Skraca się również czas jego rozruchu jak i odstawienia.

Do zalet wynalazku w strefie dodatkowej usytuowanej pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej w kierunku do osi wzdłużnej rusztu, należą:

f) Uszczelnienie rusztu wzdłuż krawędzi bocznych rusztu, tym samym niwelowanie straty wylotowej związanej z nadmiarem powietrza do spalania. W strefach bocznych rusztu i strefie końcowej - gdzie w klasycznych rozwiązaniach skrzyń powietrznych występują największe i niepożądane przedmuchy - w proponowanym rozwiązaniu strefy zasilane są najkorzystniej recyrkulowanymi spalinami lub mieszaniną recyrkulowanych spalin z powietrzem podmuchowym, oszczędzając w ten sposób powietrze do procesu spalania.

g) Poprawienie warunków spalania w strefach przyściennych. Strefa przyścienna w kotle charakteryzuje się najmniej korzystnymi warunkami spalania ze względu na bliski kontakt warstwy spalin z zimnymi ekranami komory paleniskowej, co powoduje nagłe wychłodzenie spalin i spadek kinetyki reakcji procesów spalania. Zastąpienie powietrza podmuchowego gorącymi spalinami w warstwie przyściennej podnosi temperaturę spalin, a tym samym kinetykę reakcji.

Do zalet wynalazku w strefie dodatkowej usytuowanej pod częścią końcową rusztu należą:

h) Schładzanie rusztu z ograniczeniem straty wylotowej związanej z nadmiarem powietrza do spalania. W strefach bocznych rusztu i strefie końcowej - gdzie w klasycznych rozwiązaniach skrzyń powietrznych występują największe i niepożądane przedmuchy - w proponowanym rozwiązaniu strefy zasilane są najkorzystniej recyrkulowanymi spalinami lub mieszaniną recyrkulowanych spalin z powietrzem podmuchowym, oszczędzając w ten sposób powietrze do procesu spalania.

i) Efektywniejsze wykorzystanie powietrza do spalania.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia rzut perspektywiczny na górną powierzchnię skrzyni podrusztowej, ze strefą centralną w kształcie prostokąta zasilaną powietrzem podmuchowym, podzieloną na cztery podstrefy podmuchowe oraz obwodową strefą dodatkową zasilaną recyrkulowanymi spalinami; fig. 2 - rzut perspektywiczny na górną powierzchnię skrzyni podrusztowej, ze strefą centralną w kształcie trapezu zasilaną powietrzem podmuchowym, podzieloną na cztery podstrefy podmuchowe oraz obwodową strefą dodatkową zasilaną recyrkulowanymi spalinami; fig. 3 - rzut poglądowy od góry na skrzynię podrusztową, podzieloną na strefę centralną w kształcie prostokąta, podzieloną na pięć podstref podmuchowych, oraz obwodową strefę dodatkową podzieloną na 4 podstrefy; fig. 4 - rzut poglądowy od góry na skrzynię podrusztową, podzieloną na strefę centralną w kształcie trapezu, podzieloną na trzy podstrefy podmuchowe, oraz obwodową strefę dodatkową podzieloną na 4 podstrefy; fig. 5 - rzut poglądowy

PL 235 866 B1 od góry na skrzynię podrusztową, podzieloną na strefę centralną w kształcie prostokąta,podzieloną na pięć podstref podmuchowych, oraz obwodową strefę dodatkową podzieloną na 4 podstrefy zasilane recyrkulowanymi spalinami przez układ cylindrycznych kanałów rozprowadzających; natomiast na fig. 6 - układ kotła rusztowego z układem recyrkulacji spalin wraz z usytuowaną pod rusztem skrzynią podrusztową.

P r z y k ł a d 1

Urządzenie według wynalazku pokazane na fig. 3 w rzucie poglądowym od góry stanowi przykład skrzyni podrusztowej 2, podzielonej na podmuchową strefę centralną 3 usytuowaną pod częścią centralną rusztu stanowiącą powierzchnię efektywnego spalania paliwa, obejmującą 70% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1, oraz na podmuchową obwodową strefę dodatkową 4 usytuowaną:

- pod częścią początkową rusztu, stanowiącą powierzchnię zasypu świeżego paliwa, obejmującą 10% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1,

- pod częścią końcową rusztu, stanowiącą powierzchnię przed zsypem żużla z rusztu, obejmującą całkowitej 10% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1, i

- pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych obejmującą 10% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1.

Strefa centralna 3 skrzyni podrusztowej 2 ma w przekroju poprzecznym kształt prostokąta i szczelnie podzielona jest przegrodami 12, poprzecznie (to jest prostopadle do kierunku osi wzdłużnej 6 rusztu 1) na pięć podstref podmuchowych (la, Ib, Ic, Id, le), zasilanych strumieniami powietrza podmuchowego.

Podmuchowa strefa dodatkowa 4 podzielona jest przegrodami 13 na cztery podstrefy, to jest podstrefę (II) usytuowaną pod częścią początkową rusztu, podstrefę (V) usytuowaną pod częścią końcową rusztu, oraz dwie przeciwległe i symetryczne do siebie prostokątne podstrefy (III) i (IV) pod częścią centralną rusztu, ale w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu 1 licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej 5 w kierunku do osi wzdłużnej 6 rusztu. Przegrody 13 dzielące podmuchową strefę dodatkową na podstrefy zabudowane są w narożach strefy dodatkowej, dzieląc szczelnie strefę dodatkową na cztery podstrefy (II, III, IV, V). Przegrody 13 dzielące podmuchową strefę dodatkową na podstrefy mają postać zasuw (pokazane na rysunku zarówno w wersji zamkniętej jak i otwartej, to jest wysuniętej poza obudowę skrzyni) i wyposażone są w układ automatycznej regulacji 14, umożliwiający w zależności od potrzeb ich kontrolowane od 0 do 100% otwieranie lub zamykanie, co pozwala na jeszcze lepszą kontrolę procesu spalania w zależności od jakości paliwa, zwłaszcza jego wilgotności.

Na rysunku fig. 6 pokazano regulator, oznaczony jako PID, z którego wychodzą trzy sygnały: pierwszy - do zaworu zwrotnego na układzie spalin recyrkulowanych (jego zamykanie będzie zwiększało przepływ spalin do strefy dodatkowej); drugi - do zaworu regulacyjnego wentylatora podmuchowego 8 (jego zamykanie będzie zwiększało przepływ spalin recyrkulowanych do strefy dodatkowej i zmniejszało tworzenie mieszaniny powietrze/recyrkulowane spaliny); trzeci - do zasuw regulacyjnych w strefie dodatkowej (ich otwieranie/zamykanie będzie regulować przepływ spalin recyrkulowanych między podstrefami w strefie dodatkowej). Sygnałem wejściowym jest pomiar zawartości części palnych w żużlu dennym odprowadzanym z rusztu 1.

Całkowita powierzchnia podmuchowej strefy dodatkowej 4 wynosi 30% całkowitej powierzchni roboczej (czynnej) rusztu. Powierzchnia każdej z podstref (III) i (IV) wynosi po 5% (łącznie 10%) całkowitej powierzchni roboczej (czynnej) rusztu.

Strefa centralna jest na całym obwodzie szczelnie oddzielona od strefy dodatkowej przegrodą 7. Do strefy centralnej z wentylatora podmuchowego 8 doprowadzony jest kanał 9 powietrza pierwotnego (podmuchowego), natomiast do strefy dodatkowej doprowadzony jest kanał 10 recyrkulowanych spalin, który wychodzi z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła, zza odpylacza 11 kotła.

Urządzenie wyposażone jest w układ regulacji 14 umożliwiający kontrolowanie procesu spalania w zależności od wilgotności paliwa.

Układ przedstawiony na fig. 6 zawiera wentylator wyciągowy spalin 16, który ma za zadanie wspomaganie naturalnego ciągu kominowego, tak zwanym ciągiem sztucznym, to jest wspomagając odprowadzenie spalin odpływających z paleniska kotła do atmosfery.

Z wykorzystaniem wariantu urządzenia opisanego w niniejszym przykładzie realizuje się sposób optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych, przeznaczonych do spalania paliw o wysokiej wilgotności. Czynnik gazowy zawierający utleniacz do procesu spalania, w postaci powietrza podmuchowego i recyrkulowanych spalin, wprowadza się do komory spalania 5

PL 235 866 B1 kotła poprzez skrzynię podrusztową 2, szczelnie podzieloną na podmuchową strefę centralną 3 oraz podmuchową strefę dodatkową 4, przy czym przez strefę centralną wprowadza się do komory spalania kotła powietrze pierwotne (podmuchowe), natomiast przez strefę dodatkową wprowadza się do komory spalania kotła czynnik gazowy w postaci recyrkulowanych spalin, które pobiera się za pomocą wentylatora recyrkulacji 17 z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła, zza odpylacza 11 kotła, dzięki czemu do skrzyni podrusztowej doprowadza się już spaliny odpylone.

Przez podmuchową strefę dodatkową 4 wprowadza się do komory spalania 5 kotła czynnik gazowy o temperaturze co najmniej równej temperaturze odparowywania wilgoci z paliwa, nie przekraczającej 200°C.

Z wykorzystaniem układu regulacji 14 kontroluje się proces spalania w zależności od wilgotności paliwa, w taki sposób, że im wilgotność paliwa jest większa tym w podstrefę usytuowaną pod częścią początkową rusztu podaje się większą ilość czynnika gazowego (suszącego), a do strefy końcowej rusztu podaje się mniej czynnika gazowego. Pozwala to na optymalizację procesu spalania i efektywność wykorzystania mediów, bowiem w przypadku gdy podawane paliwo ma mniejszą wilgotność i nie ma potrzeby jego intensywnego suszenia, to do podstrefy usytuowanej pod częścią początkową rusztu można podawać mniejszą ilość czynnika gazowego (suszącego).

P r z y k ł a d 2

Urządzenie według wynalazku pokazane na fig. 4 w rzucie poglądowym od góry stanowi przykład skrzyni podrusztowej 2, podzielonej na podmuchową strefę centralną 3 usytuowaną pod częścią centralną rusztu stanowiącą powierzchnię efektywnego spalania paliwa, obejmującą 60% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1, oraz na podmuchową obwodową strefę dodatkową 4 obejmującą 40% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, usytuowaną:

- pod częścią początkową rusztu, stanowiącą powierzchnię zasypu świeżego paliwa, obejmującą 12,5% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1, i

- pod częścią końcową rusztu, stanowiącą powierzchnię przed zsypem żużla z rusztu, obejmującą 12,5% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1, i

- pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej 5 w kierunku do osi wzdłużnej 6 rusztu 1, obejmującą 15% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1.

Strefa centralna 3 skrzyni podrusztowej 2 ma w przekroju poprzecznym kształt trapezu i szczelnie podzielona jest przegrodami 12, poprzecznie (to jest prostopadle do kierunku osi wzdłużnej 6 rusztu 1) na trzy podstrefy podmuchowe (la, Ib, Ic), zasilane strumieniami powietrza podmuchowego.

Podmuchowa strefa dodatkowa 4 podzielona jest przegrodami 13 na cztery podstrefy, to jest podstrefę (II) usytuowaną pod częścią początkową rusztu, podstrefę (V) usytuowaną pod częścią końcową rusztu, oraz dwie przeciwległe i symetryczne do siebie podstrefy (III) i (IV) pod częścią centralną rusztu, ale w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej 5 w kierunku do osi wzdłużnej 6 rusztu 1, przy czym długość podstref (III) i (IV) jest dobrana w taki sposób aby powstała powierzchnia podstrefy odpowiadała powierzchni rusztu, na której zachodzi proces odpowiednio suszenia paliwa max. do 30% (II) oraz wychładzania żużla max. do 30% (V). Przegrody 13 dzielące podmuchową strefę dodatkową 4 na podstrefy mają postać klap zabudowanych w narożach strefy dodatkowej i wyposażone są w układ automatycznej regulacji 14, umożliwiający w zależności od potrzeb ich kontrolowane od 0 do 100% otwieranie lub zamykanie, co pozwala na jeszcze lepszą kontrolę procesu spalania w zależności od jakości paliwa, zwłaszcza jego wilgotności.

Strefa centralna 3 jest na całym obwodzie szczelnie oddzielona od strefy dodatkowej 4 przegrodą 7. Do strefy centralnej 3 z wentylatora podmuchowego 8 doprowadzony jest kanał 9 powietrza pierwotnego (podmuchowego), natomiast do strefy dodatkowej 4 doprowadzony jest kanał 10 mieszaniny powietrza pierwotnego (podmuchowego) wydzielonego ze strumienia powietrza pierwotnego (podmuchowego) z tłoczenia wentylatora podmuchowego z recyrkulowanymi spalinami, który wychodzi z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła, zza odpylacza 11 kotła.

Urządzenie wyposażone jest w układ automatycznej regulacji 14 umożliwiający kontrolowanie procesu spalania w zależności od wilgotności paliwa.

Z wykorzystaniem wariantu urządzenia opisanego w niniejszym przykładzie realizuje się sposób optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych, przeznaczonych do spalania paliw o wysokiej wilgotności. Czynnik gazowy zawierający utleniacz do procesu spalania, w postaci powietrza i spalin, wprowadza się do komory spalania 5 kotła poprzez skrzynię podrusztową 2,

PL 235 866 B1 szczelnie podzieloną na podmuchową strefę centralną 3 oraz podmuchową strefę dodatkową 4, przy czym przez strefę centralną 3 wprowadza się do komory spalania 5 kotła powietrze pierwotne (podmuchowe), natomiast przez strefę dodatkową 4 wprowadza się do komory spalania 5 kotła czynnik gazowy w postaci mieszaniny powietrza pierwotnego (podmuchowego) wydzielonego ze strumienia powietrza pierwotnego (podmuchowego) z tłoczenia wentylatora podmuchowego 8 z recyrkulowanymi spalinami, które pobiera się za pomocą wentylatora recyrkulacji 17 z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła, zza odpylacza 11 kotła, dzięki czemu do skrzyni podrusztowej 2 doprowadza się już spaliny odpylone.

Przez podmuchową strefę dodatkową 4 wprowadza się do komory spalania 5 kotła czynnik gazowy o temperaturze co najmniej równej temperaturze odparowywania wilgoci z paliwa, nie przekraczającej 200°C.

Z wykorzystaniem układu regulacji 14 kontroluje się proces spalania w zależności od wilgotności paliwa, w taki sposób, że im wilgotność paliwa jest większa tym w podstrefę usytuowaną pod częścią początkową rusztu podaje się większą ilość czynnika gazowego (suszącego), a do strefy końcowej rusztu podaje się mniej czynnika gazowego.

Pod kątem technologicznym korzyść układu trapezowego opisanego w niniejszym przykładzie jest związana z wyrównaniem przepływu strumienia recyrkulowanych spalin w strefie dodatkowej 4 w przypadku zasilania strefy dodatkowej 4 kanałem z tylko jednej strony, na przykład tylko od strony strefy początkowej. W takiej sytuacji układ trapezowy rozszerzający się w kierunku strefy końcowej pozwoli na wyrównanie ciśnienia w strefie dodatkowej związane z jednostronnym zasilaniem.

P r z y k ł a d 3

Urządzenie według wynalazku pokazane na fig. 5 w rzucie poglądowym od góry stanowi przykład skrzyni podrusztowej 2, podzielonej na podmuchową strefę centralną 3 usytuowaną pod częścią centralną rusztu stanowiącą powierzchnię efektywnego spalania paliwa, obejmującą 70% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1, oraz na podmuchową obwodową strefę dodatkową 4 usytuowaną:

- pod częścią początkową rusztu, stanowiącą powierzchnię zasypu świeżego paliwa, obejmującą 10% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1, i

- pod częścią końcową rusztu, stanowiącą powierzchnię przed zsypem żużla z rusztu, obejmującą całkowitej 10% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1, i

- pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych obejmującą 10% całkowitej powierzchni roboczej rusztu 1.

Podmuchowa strefa dodatkowa 4 składa się z czterech podstref (II, III, IV, V), w postaci oddzielonych od siebie skrzyń wewnętrznych. Do wnętrza każdej skrzyni umieszczonej w strefach dodatkowych doprowadzone są wewnętrzne kanały, które przechodzą przez całą szerokość podmuchowej skrzyni, a na końcu są zaślepione. U dołu kanałów wykonany jest rząd króćców cylindrycznych, przez które wyprowadzane są recyrkulowane spaliny.

Podstrefa (II) usytuowana jest pod częścią początkową rusztu, podstrefa (V) usytuowana jest pod częścią końcową rusztu, a dwie przeciwległe i symetryczne do siebie podstrefy (III) i (IV) usytuowane są pod częścią centralną rusztu, ale w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej 5 w kierunku do osi wzdłużnej 6 rusztu 1.

Całkowita powierzchnia podmuchowej strefy dodatkowej 4 wynosi 30% całkowitej powierzchni roboczej (czynnej) rusztu.

Podstrefy strefy dodatkowej są szczelnie oddzielone od strefy centralnej. Do strefy centralnej z wentylatora podmuchowego 8 doprowadzony jest kanał powietrza pierwotnego (podmuchowego) 9, natomiast do każdej z podstref strefy dodatkowej doprowadzone są kanały 10 recyrkulowanych spalin, które wychodzą z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła, zza odpylacza 11 kotła.

Z wykorzystaniem wariantu urządzenia opisanego w niniejszym przykładzie realizuje się sposób optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych, przeznaczonych do spalania paliw o wysokiej wilgotności. Czynnik gazowy zawierający utleniacz do procesu spalania, w postaci powietrza podmuchowego i recyrkulowanych spalin, wprowadza się do komory spalania 5 kotła poprzez skrzynię podrusztową 2, szczelnie podzieloną na podmuchową strefę centralną 3 oraz podmuchową strefę dodatkową 4, przy czym przez strefę centralną wprowadza się do komory spalania kotła powietrze pierwotne (podmuchowe), natomiast przez podstrefy strefy dodatkowej wprowadza się do komory spalania kotła czynnik gazowy w postaci recyrkulowanych spalin, które pobiera się za

PL 235 866 B1 pomocą wentylatora recyrkulacji 17 z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła, zza odpylacza 11 kotła, dzięki czemu do skrzyni podrusztowej doprowadza się już spaliny odpylone.

Przez podmuchową strefę dodatkową 4 wprowadza się do komory spalania 5 kotła czynnik gazowy o temperaturze co najmniej równej temperaturze odparowywania wilgoci z paliwa, nie przekraczającej 200°C.

Claims (16)

1. Sposób optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych, w których powierzchnia robocza (czynna) rusztu podzielona jest umownie na część początkową stanowiącą powierzchnię zasypu świeżego paliwa, obejmującą korzystnie do 30% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, część centralną rusztu stanowiącą powierzchnię efektywnego spalania paliwa, obejmującą korzystnie od 40% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, oraz część końcową stanowiącą powierzchnię przed zsypem żużla z rusztu, obejmującą korzystnie do 30% roboczej powierzchni całkowitej rusztu, znamienny tym, że czynnik gazowy zawierający utleniacz do procesu spalania, w postaci powietrza podmuchowego i/lub recyrkulowanych spalin, wprowadza się do komory (5) spalania kotła poprzez skrzynię podrusztową (2), szczelnie podzieloną na podmuchową strefę centralną (3) oraz podmuchową strefę dodatkową (4), przy czym przez strefę centralną (3) skrzyni usytuowaną pod częścią centralną rusztu (1) wprowadza się do komory (5) spalania kotła powietrze pierwotne (podmuchowe), natomiast przez strefę dodatkową (4) usytuowaną:

- pod częścią początkową rusztu, i/lub

- pod częścią końcową rusztu, i/lub

- pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory (5) paleniskowej w kierunku do osi wzdłużnej (6) rusztu (1), wprowadza się do komory (5) spalania kotła czynnik gazowy w postaci powietrza pierwotnego lub powietrza wtórnego lub mieszaniny powietrza z recyrkulowanymi spalinami lub najkorzystniej samych recyrkulowanych spalin, przy czym korzystnie spaliny pobiera się z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spaliny recyrkulowane pobiera się zza odpylacza (11) kotła.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przez podmuchową strefę dodatkową (4) wprowadza się do komory (5) spalania kotła czynnik gazowy o temperaturze co najmniej równej temperaturze odparowywania wilgoci z paliwa.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przez podmuchową strefę dodatkową (4) wprowadza się do komory (5) spalania kotła czynnik gazowy o temperaturze nie przekraczającej 200°C.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że z wykorzystaniem układu regulacji (14) kontroluje się proces spalania w zależności od wilgotności paliwa, w taki sposób, że im wilgotność paliwa jest większa tym w podstrefę usytuowaną pod częścią początkową rusztu podaje się większą ilość czynnika gazowego (suszącego), a do strefy końcowej rusztu podaje się mniej czynnika gazowego.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w wariancie wynalazku, w którym jako czynnik gazowy wykorzystuje się wyłącznie powietrze podmuchowe, do strefy dodatkowej usytuowanej pod częścią początkową rusztu w celu suszenia paliwa podaje się wydzielony strumień podgrzanego powietrza podmuchowego, a do strefy dodatkowej usytuowanej pod częścią centralną rusztu podaje się normalne, to jest niepodgrzane powietrze podmuchowe.

7. Urządzenie do optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych, w których powierzchnia robocza (czynna) rusztu (1) podzielona jest umownie na część początkową stanowiącą powierzchnię zasypu świeżego paliwa, obejmującą korzystnie do 30% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, część centralną stanowiącą powierzchnię efektywnego spalania paliwa, obejmującą korzystnie od 40% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, oraz część końcową stanowiącą powierzchnię przed zsypem żużla z rusztu, obejmującą korzystnie do 30% całkowitej powierzchni roboczej rusztu, znamienne tym, że ma po

PL 235 866 B1 stać skrzyni podrusztowej (2), która podzielona jest na podmuchową strefę centralną (3) usytuowaną pod częścią centralną rusztu (1) oraz podmuchową strefę dodatkową (4) usytuowaną: - pod częścią początkową rusztu, i/lub

- pod częścią końcową rusztu, i/lub

- pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej (5) w kierunku do osi wzdłużnej (6) rusztu (1), przy czym całkowita powierzchnia podmuchowej strefy dodatkowej (4) nie przekracza wartości 50%, korzystnie do 30% całkowitej powierzchni roboczej (czynnej) rusztu (1), strefa centralna (3) jest szczelnie oddzielona od strefy dodatkowej (4) przegrodą/przegrodami (7), do strefy centralnej (3) z co najmniej jednego wentylatora podmuchowego (8) doprowadzony jest co najmniej jeden kanał (9) powietrza pierwotnego (podmuchowego), natomiast do strefy dodatkowej (4) doprowadzony jest co najmniej jeden kanał (10) powietrza pierwotnego lub powietrza wtórnego lub mieszaniny powietrza z recyrkulowanymi spalinami lub najkorzystniej samych recyrkulowanych spalin, przy czym kanał doprowadzania recyrkulowanych spalin korzystnie wychodzi z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła.

8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że na tą część podmuchowej strefy dodatkowej (4), która usytuowana jest pod częścią centralną rusztu (1), w jej skrajnych obszarach zewnętrznych, składają się dwie symetryczne do siebie podstrefy (III) i (IV), znajdujące się po dwóch stronach części centralnej rusztu.

9. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że powierzchnia tej części podmuchowej strefy dodatkowej (4), która usytuowana jest pod częścią centralną rusztu (1), w jej skrajnych obszarach zewnętrznych, nie przekracza 50% całkowitej powierzchni podmuchowej strefy dodatkowej.

10. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że strefa centralna (3) skrzyni podrusztowej (2) ma w przekroju poprzecznym kształt czworokąta, najkorzystniej prostokąta lub trapezu.

11. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że kanał (10) doprowadzania recyrkulowanych spalin kierowanych do podmuchowej strefy dodatkowej (4) wychodzi z ciągu spalinowego przedmiotowego kotła zza odpylacza (11) kotła.

12. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że podmuchowa strefa centralna (3) skrzyni podrusztowej (2) szczelnie podzielona jest przegrodami (12), poprzecznie, to jest prostopadle do kierunku osi wzdłużnej (6) rusztu (1), na co najmniej dwie, korzystnie od trzech do pięciu, podstref podmuchowych, zasilanych powietrzem podmuchowym rozdzielonym na osobne strumienie powietrza do każdej z podstref.

13. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że podmuchowa strefa dodatkowa (4) skrzyni podrusztowej (2) podzielona jest przegrodami (13) na co najmniej dwie podstrefy, najkorzystniej na cztery podstrefy, to jest podstrefę (II) usytuowaną pod częścią początkową rusztu, podstrefę (V) usytuowaną pod częścią końcową rusztu, oraz dwie przeciwległe podstrefy (III) i (IV) pod częścią centralną rusztu, ale w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej (5) w kierunku do osi wzdłużnej (6) rusztu (1).

14. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że w wariancie ze skrzynią podrusztową (2) o czworokątnym kształcie strefy centralnej (3), przegrody (13) dzielące podmuchową strefę dodatkową (4) na podstrefy zabudowane są w narożach strefy dodatkowej (4), dzieląc szczelnie strefę dodatkową (4) na dwie, trzy lub cztery podstrefy, w zależności od ilości zabudowanych przegród narożnych (13).

15. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że przegrody w postaci klap lub zasuw (13) dzielące podmuchową strefę dodatkową (4) na podstrefy są elementem układu regulacji (14), najkorzystniej automatycznego, z możliwością ich kontrolowanego od 0 do 100% otwierania lub zamykania.

16. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że w wariancie wynalazku, w którym jako czynnik gazowy wykorzystuje się wyłącznie powietrze podmuchowe, urządzenie wyposażone jest w zewnętrzny (pozakotłowy) podgrzewacz (15) wydzielonego powietrza podmuchowego, z którego do strefy dodatkowej (4) doprowadzony jest co najmniej jeden kanał powietrza podgrzanego, natomiast do strefy centralnej usytuowanej pod częścią centralną rusztu doprowadzony jest co najmniej jeden kanał powietrza normalnego, to jest niepodgrzanego.