UA123475C2

UA123475C2 - METHOD OF COMBUSTION OF SOLID FUEL

Info

Publication number: UA123475C2
Application number: UAA201908895A
Authority: UA
Inventors: Євген Валентинович Скляренко; Евгений Валентинович Скляренко
Original assignee: Інститут Технічної Теплофізики Нан України
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-04-07

Abstract

Винахід належить до теплоенергетики і може бути використаний в теплоенергетичних установках, що працюють з попередньою газифікацією твердого палива. Спосіб спалювання твердого палива, в якому тверде паливо попередньо піддають фронтальному способу газифікації з отриманням генераторного газу, який характеризується тим, що в реакційну зону газифікації, назустріч руху палива, здійснюють подачу, попередньо підігрітого до температури 300-600 °C, закрученого потоку повітря, що створює периферійну високотемпературну зону окислення надлишкового тиску і розріджену центральну зону відновлення із зоною зворотного потоку, в яку подають продукти газифікації твердого палива, та водяного газу, утвореного при взаємодії розжареного вуглецю і водяної пари, яку отримують шляхом регенерації фізичної теплоти розплавленого шлаку, при його охолодженні. Технічний результат: підвищення ефективності процесу газифікації, покращення якості генераторного газу та зменшення теплових і шкідливих викидів у довкілля.The invention relates to thermal power and can be used in thermal power plants operating with pre-gasification of solid fuels. A method of burning solid fuel, in which the solid fuel is pre-subjected to a frontal method of gasification to obtain a generator gas, characterized in that in the reaction zone of gasification, towards the movement of fuel, supply preheated to a temperature of 300-600 ° C, swirling air flow, creating a peripheral high-temperature zone of excess pressure oxidation and a sparse central recovery zone with a reverse flow zone to which the products of gasification of solid fuel and water gas formed by the interaction of hot carbon and water vapor obtained by regeneration of its physical heat cooling. EFFECT: increase of efficiency of gasification process, improvement of generator gas quality and reduction of thermal and harmful emissions into the environment.

Description

Винахід належить до теплоенергетики і може бути використаний в теплоенергетичних установках, що працюють з попередньою газифікацією твердого палива.The invention belongs to thermal power engineering and can be used in thermal power plants operating with preliminary gasification of solid fuel.

Відомий спосіб газифікації твердого палива в шарових газогенераторах прямого процесуA known method of solid fuel gasification in layered gas generators of the direct process

ІС.Д.Федосеев, А.Б.Черньшев. Полукоксование и газификация твердого топлива.- М.:I.D. Fedoseev, A.B. Chernshev. Semi-coking and solid fuel gasification. - M.:

Гостоптехиздат.- 1960. - 327с|, в якому тверде паливо, що газифікують, подають зверху вниз, а зону відновлення розташовують над зоною окислення, при цьому дуття в зону окислення подають знизу, під колосникову решітку і через шлакову зону.Gostoptekhizdat.- 1960. - 327s|, in which the solid gasifying fuel is fed from top to bottom, and the reduction zone is located above the oxidation zone, while the blowing into the oxidation zone is fed from below, under the grate and through the slag zone.

В зоні окислення відбувається взаємодія вуглецю палива з вільним та зв'язаним киснем дуття, до утворення, переважно, двоокису вуглецю. Ці реакції, в основному, проходять в дифузійній області, що підтверджується сильною залежністю швидкості окислення від інтенсивності дуття, тобто від його відносної швидкості до розжареного вуглецю. При збільшенні відносної швидкості збільшується температура в зоні окислення і відповідно збільшується інтенсивність газифікації. Вплив відносної швидкості дуття проявляється і у зоні відновлення, де проходять основні реакції відновлення двоокису вуглецю в окис вуглецю і взаємодії розжареного вуглецю з парами води та утворення водяного газу (суміш СО і нг).In the oxidation zone, the carbon of the fuel interacts with free and bound oxygen of the blow, to the formation, mainly, of carbon dioxide. These reactions mainly take place in the diffusion region, which is confirmed by the strong dependence of the oxidation rate on the intensity of the blowing, that is, on its relative speed to red-hot carbon. When the relative speed increases, the temperature in the oxidation zone increases and, accordingly, the intensity of gasification increases. The influence of the relative blowing speed is also manifested in the reduction zone, where the main reactions of reduction of carbon dioxide into carbon monoxide and the interaction of red-hot carbon with water vapor and the formation of water gas (a mixture of CO and NG) take place.

Ці реакції найбільше проявляються на межі зон окислення і відновлення, де є висока температура (вище 700 "С), а концентрація вільного кисню є незначною, що призводить до утворення основної маси СО і Не, які в значній мірі впливають на калорійність генераторного газу.These reactions are most pronounced at the border of the oxidation and reduction zones, where there is a high temperature (above 700 "C) and the concentration of free oxygen is insignificant, which leads to the formation of the main mass of CO and He, which significantly affect the calorific value of the generator gas.

Одним із суттєвих недоліків відомого способу, що погіршує ефективність газифікації, є низька відносна швидкість дуття і неможливість її збільшення за рахунок інтенсифікації дуття, оскільки збільшення відносної швидкості, за межі критичної швидкості обтікання, неминуче призводить до порушення стійкості шару палива і аеродинаміки газового потоку, утворення локальних зон з високою, чи низькою температурою, виносом часток палива з шару, що змінює склад і калорійність газу.One of the significant disadvantages of the known method, which impairs the efficiency of gasification, is the low relative speed of blowing and the impossibility of increasing it due to the intensification of blowing, since an increase in the relative speed, beyond the critical flow speed, inevitably leads to a violation of the stability of the fuel layer and the aerodynamics of the gas flow, the formation of local zones with high or low temperature, removal of fuel particles from the layer, which changes the composition and calorific value of the gas.

Іншим недоліком даного способу газифікації є те, що максимальна температура процесу обмежується температурою плавкості золи вихідного палива, в силу можливого спікання золи і порушення аеродинаміки газового потоку, а це ускладнює роботу газогенератора з частковим, чи повним "затуханням" процесу. Для усунення цього недоліку температуру процесу обмежують шляхом зменшення відносної швидкості дуття, введенням додаткової кількості води із дуттям, а також використанням складних пристроїв для шуровки шару палива, що ускладнює процес і погіршує ефективність способу.Another disadvantage of this method of gasification is that the maximum temperature of the process is limited by the melting temperature of the ash of the original fuel, due to the possible sintering of the ash and violation of the aerodynamics of the gas flow, and this complicates the operation of the gas generator with partial or complete "quenching" of the process. To eliminate this drawback, the temperature of the process is limited by reducing the relative speed of blowing, introducing an additional amount of water with blowing, as well as using complex devices for scraping the fuel layer, which complicates the process and impairs the efficiency of the method.

Найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, є фронтальний спосіб газифікації (П.В. Скафа. Подземная газификация углей. М: ГОСГОРТЕХИЗДАТ, 1960. -322 сі, що вибрано за прототип.The closest in technical essence and the result that is achieved is the frontal method of gasification (P.V. Skafa. Underground gasification of coal. M: GOSGORTEKHIZDAT, 1960. -322 si, which was chosen as a prototype.

Основна відмінність фронтального способу газифікації від розглянутого способу, полягає в тому, що напрям руху отриманого генераторного газу є прямо протилежним напрямку руху потоку дуття і переміщенню зони окислення в процесі газифікації, як показано на схемі: -нннн Г п --- 30 -- 3Т- -- 38-- 30The main difference between the frontal method of gasification and the considered method is that the direction of movement of the generated generator gas is directly opposite to the direction of movement of the blowing flow and the movement of the oxidation zone during the gasification process, as shown in the diagram: -nnnn Г p --- 30 -- 3Т - -- 38-- 30

Д, де: П - подача палива; Д - подача дуття; Г - відведення генераторного газу; ЗС - зона сушки;D, where: P - fuel supply; D - blowing supply; G - removal of generator gas; ZS - drying zone;

ЗТ - зона термічного розкладу; ЗВ - зона відновлення; ЗО - зона окислення.ZT - zone of thermal decomposition; ЗВ - recovery zone; ZO - oxidation zone.

Технічно фронтальний спосіб газифікації реалізують шляхом подачі струменя повітря в центр реакційної зони газифікації, де створюється зона окислення підвищеного тиску, 3 максимальною (до 1600-1800 "С) температурою процесу. Передача тепла до зони термічного розкладу і зони сушіння відбувається в основному, за рахунок радіаційного теплообміну і теплопровідності, оскільки потік гарячих газів вглибину шару палива проникає в незначній кількості. При цьому, інтенсифікація газифікації в зоні окислення досягається за рахунок високої температури процесу, високої відносної швидкості газового потоку, розвинутої зовнішньої і внутрішньої реакційної поверхні вуглецю, та покращення умов дифузії кисню до його поверхні внаслідок її постійного очищення струминою дуття.Technically, the frontal method of gasification is implemented by supplying a jet of air to the center of the reaction zone of gasification, where an oxidation zone of increased pressure is created, 3 at the maximum (up to 1600-1800 "C) temperature of the process. The transfer of heat to the zone of thermal decomposition and the drying zone occurs mainly due to radiative heat exchange and thermal conductivity, since the flow of hot gases penetrates into the depth of the fuel layer in an insignificant amount. At the same time, the intensification of gasification in the oxidation zone is achieved due to the high process temperature, high relative velocity of gas flow, developed external and internal carbon reaction surface, and improvement of diffusion conditions oxygen to its surface as a result of its constant cleaning by the blowing jet.

Перевагою фронтального способу газифікації є можливість ведення процесу з рідким шлаковидаленням, тобто температура в зоні окислення підтримується значно вище температури плавлення золи вихідного палива, що підвищує інтенсивність і продуктивність процесу газифікації, оскільки її підвищення на 10 "С збільшує швидкість хімічних реакцій в 2-3 рази (П.В. Скафа. Подземная газификация углей. М: ГОСГОРТЕХИЗДАТ, 1960. -322 с|. При цьому, в залежності від швидкості і складу дуття, а також від відстані між соплом подачі дуття і розжареним вуглецем є можливість регулювання, як температурного режиму процесу газифікації, так і калорійності генераторного газу.The advantage of the frontal method of gasification is the possibility of conducting the process with liquid slag removal, that is, the temperature in the oxidation zone is maintained much higher than the melting temperature of the ash of the original fuel, which increases the intensity and productivity of the gasification process, since its increase by 10 "C increases the rate of chemical reactions by 2-3 times (P.V. Skafa. Underground gasification of coal. M: GOSGORTEKHIZDAT, 1960. -322 s|. At the same time, depending on the speed and composition of the blowing, as well as on the distance between the nozzle of the blowing supply and the red-hot coal, there is the possibility of regulation, as the temperature the mode of the gasification process, as well as the calorific value of generator gas.

Проте, при збільшенні швидкості дуття збільшуються його питомі витрати, що призводить до погіршення калорійності генераторного газу в силу часткового окислення його горючих компонентів і додаткового його баластування негорючими продуктами згоряння.However, with an increase in the blowing speed, its specific consumption increases, which leads to a deterioration in the calorific value of the generator gas due to the partial oxidation of its combustible components and its additional ballasting with non-combustible combustion products.

Недоліком прототипу є і те, що створення зони підвищеного тиску в центрі зони окислення призводить до того, що леткі продукти із зон сушіння, термічного розкладу і зони відновлення тяжіють до її обтікання по периферії. При цьому, значна частина двоокису вуглецю і водяної пари не відновлюється до СО і Н2, а високомолекулярні сполуки (смоли) не піддаються термічному розкладу, що знижує ступінь газифікації і якість генераторного газу, який потребує складної і дорогої системи очистки.The disadvantage of the prototype is that the creation of a zone of increased pressure in the center of the oxidation zone leads to the fact that volatile products from the drying, thermal decomposition and recovery zones tend to flow around it on the periphery. At the same time, a significant part of carbon dioxide and water vapor is not reduced to CO and H2, and high-molecular compounds (resins) are not subject to thermal decomposition, which reduces the degree of gasification and the quality of generator gas, which requires a complex and expensive purification system.

Крім того, із зони окислення розплавленим шлаком виносяться дрібні частки вуглецю, що збільшує теплові втрати з розплавленим шлаком на величину їх хімічного і механічного недопалу. Загальна величина теплових втрат може сягати до 10 і більше відсотків, від потенційної теплоти вихідного палива, що суттєво погіршує енергетичну ефективність даного способу газифікації та забруднює довкілля тепловими і шкідливими викидами.In addition, small particles of carbon are removed from the oxidation zone by molten slag, which increases heat losses with molten slag by the amount of their chemical and mechanical underfire. The total value of heat losses can reach up to 10 percent or more of the potential heat of the original fuel, which significantly worsens the energy efficiency of this gasification method and pollutes the environment with heat and harmful emissions.

Суттєвим недоліком прототипу, що перешкоджає практичному його застосуванню, є труднощі з конструктивним оформленням системи подачі повітря, яка знаходиться у високотемпературній зоні і повинна відслідковувати переміщення зони окислення в глибину шару палива.A significant drawback of the prototype, which prevents its practical application, is the difficulty with the design of the air supply system, which is located in the high-temperature zone and must monitor the movement of the oxidation zone in the depth of the fuel layer.

В основу винаходу поставлена задача вдосконалення фронтального способу газифікації твердого палива шляхом подачі, в реакційну зону газифікації, попередньо підігрітого до температури 300-600 С, закрученого повітряного потоку, що забезпечує підвищення продуктивності і інтенсивності процесу газифікації та регенерації фізичного тепла розплавленого шлаку для виробництва водяного газу, що додатково підвищує калорійність генераторного газу та зменшує теплові і шкідливі викиди у довкілля.The invention is based on the task of improving the frontal method of solid fuel gasification by supplying a swirling air stream, preheated to a temperature of 300-600 C, into the reaction zone of gasification, which ensures an increase in the productivity and intensity of the gasification process and regeneration of the physical heat of molten slag for the production of water gas , which additionally increases the calorific value of generator gas and reduces heat and harmful emissions into the environment.

Поставлена задача вирішується тим, що у способі спалювання твердого палива, в якому тверде паливо попередньо піддають фронтальному способу газифікації з отриманням генераторного газу, згідно з винаходом, в реакційну зону газифікації, назустріч руху палива,The problem is solved by the fact that in the method of burning solid fuel, in which the solid fuel is preliminarily subjected to the frontal method of gasification with the production of generator gas, according to the invention, in the reaction zone of gasification, towards the movement of the fuel,

Зо здійснюють подачу, попередньо підігрітого до температури 300-600 "С повітря, закрученим потоком, що створює периферійну високотемпературну зону окислення надлишкового тиску і розріджену центральну зону відновлення із зоною зворотного потоку, в яку подають продукти газифікації твердого палива, та водяного газу, утвореного при взаємодії розжареного вуглецю і водяної пари яку отримують шляхом регенерації фізичної теплоти розплавленого шлаку, при його охолодженні.Air, preheated to a temperature of 300-600 "С, is supplied by a swirling flow, which creates a peripheral high-temperature oxidation zone of excess pressure and a rarefied central recovery zone with a return flow zone, into which solid fuel gasification products and water gas formed during the interaction of red-hot carbon and water vapor, which is obtained by regenerating the physical heat of molten slag, during its cooling.

Попередній підігрів повітря, що здійснюють шляхом часткової регенерації теплоти продуктів газифікації через стінку жарової труби пальника, дозволяє перегріти повітря до температури 900-1100 "С в просторі камери газифікації, при його переміщенні від пальника до зони окислення.Preheating of air, carried out by partial regeneration of the heat of gasification products through the wall of the heat pipe of the burner, allows the air to be overheated to a temperature of 900-1100 "С in the space of the gasification chamber, when it is moved from the burner to the oxidation zone.

Такий підігрів повітря дозволяє зменшити його витрати, підвищити ефективність процесу за рахунок створення високотемпературної зони окислення і проведення процесу газифікації з високими швидкостями в режимі рідкого шлаковидалення. При цьому, при зменшенні повітряного дуття і відповідно баласту (двоокису вуглецю і водяної пари), підвищується калорійність генераторного газу і зменшуються викиди емісії МОх у довкілля при його спалюванні. А створення центральної розрідженої зони відновлення з температурою 750- 1000 С дозволяє піддавати термічному розкладу високомолекулярні сполуки (смоли), зі ступенем розкладу до 9095 ії утворенням неконденсованих горючих газів. Крім того, високі температури зони відновлення сприяють значному скороченню і баласту (диоксиду вуглецю і водяної пари) за рахунок їх відновлення в СО ії Н2, що підвищує калорійність генераторного газу, а загалом і ефективність всього процесу.This heating of air allows to reduce its consumption, to increase the efficiency of the process due to the creation of a high-temperature oxidation zone and to carry out the gasification process at high speeds in the mode of liquid slag removal. At the same time, with a decrease in air blowing and, accordingly, ballast (carbon dioxide and water vapor), the calorific value of the generator gas increases and the emission of MOH emissions into the environment during its combustion decreases. And the creation of a central rarefied recovery zone with a temperature of 750-1000 C allows thermal decomposition of high-molecular compounds (resins), with a degree of decomposition up to 9095 and the formation of non-condensable combustible gases. In addition, the high temperatures of the recovery zone contribute to a significant reduction of ballast (carbon dioxide and water vapor) due to their recovery in CO and H2, which increases the calorific value of generator gas, and in general, the efficiency of the entire process.

Підвищенню ефективності процесу сприяє також, регенерація теплоти розплавленого шлаку у воду, при його охолодженні в піддоні, що зменшує теплові викиди у довкілля щонайменше на 5-10 Фо, в залежності від зольності вихідного палива. При цьому, утворюється водяна пара яка надходить у зону відновлення, де взаємодіє з розжареним вуглецем до утворення водяного газу (суміші СО і Н2), що також підвищує калорійність генераторного газу.The regeneration of the heat of the molten slag into water, when it is cooled in a tray, also helps to increase the efficiency of the process, which reduces heat emissions to the environment by at least 5-10 Fo, depending on the ash content of the original fuel. At the same time, water vapor is formed, which enters the recovery zone, where it interacts with red-hot carbon to form water gas (a mixture of CO and H2), which also increases the calorific value of generator gas.

Крім того, ефективність процесу газифікації підвищується і за рахунок збільшення часу перебування продуктів термічного розкладу у високотемпературній зоні відновлення, оскільки реакції відновлення проходять не тільки в шарі розжареного вуглецю, але й продовжуються в потоці суміші продуктів газифікації і мілюо дисперсного розжареного вуглецю, під час руху через бо простір камери газифікації і жарової труби пальника, до топки теплоенергетичної установки.In addition, the efficiency of the gasification process increases due to the increase in the residence time of the thermal decomposition products in the high-temperature recovery zone, since the recovery reactions take place not only in the layer of red-hot carbon, but also continue in the flow of the mixture of gasification products and miluo-dispersed red-hot carbon, during movement through because the space of the gasification chamber and the heat pipe of the burner, to the firebox of the thermal power plant.

Суттєвим для підвищення ефективності способу спалювання твердого палива є спалювання генераторного газу в режимі самозаймання, без його охолодження, що підвищує його теплоту згоряння щонайменше на 20 95.Essential for increasing the efficiency of the method of burning solid fuel is the burning of generator gas in auto-ignition mode, without its cooling, which increases its heat of combustion by at least 20 95.

Вагомою перевагою способу є і те, що генераторний газ можна спалювати в існуючих теплоенергетичних установках, а внаслідок більш низьких робочих температур згоряння генераторного газу зменшуються шкідливі викиди у довкілля і особливо емісії МОХ.A significant advantage of the method is that generator gas can be burned in existing thermal power plants, and due to lower operating temperatures of generator gas combustion, harmful emissions to the environment and especially MOH emissions are reduced.

Реалізація способу здійснюється наступним чином.The implementation of the method is carried out as follows.

Подрібнене тверде паливо, із бункера, шнековим живильником, подають в камеру газифікації на колосникову решітку, де рухомий затиснутий шар палива підпалюють, при цьому отримані продукти згоряння відводять через жарову трубу пальника, у топку теплоенергетичної установки. Фронтально, назустріч руху палива, на його розжарену поверхню, з камери первинного повітря пальника подають потік повітря, попередньо підігрітого до температури 300- бО0С, від стінки жарової труби і закрученого в лопатевому апараті. Отримані продукти газифікації твердого палива, та водяного газу, утвореного при взаємодії розжареного вуглецю і водяної пари яку отримують шляхом регенерації фізичної теплоти розплавленого шлаку, при його охолодженні у піддоні, з камери газифікації, подають через жарову трубу в амбразуру топки, де змішують з підігрітим і закрученим в лопатевому апараті потоком повітрям, необхідним для повного їх спалювання в режимі самозаймання.Crushed solid fuel from the hopper is fed by a screw feeder into the gasification chamber on the grate, where the moving compressed layer of fuel is ignited, while the resulting combustion products are removed through the heat pipe of the burner to the furnace of the thermal power plant. Frontally, towards the movement of the fuel, on its heated surface, from the primary air chamber of the burner, a flow of air, preheated to a temperature of 300-bo0C, is supplied from the wall of the heat pipe and swirled in the blade apparatus. The obtained products of gasification of solid fuel and water gas, formed by the interaction of red-hot carbon and water vapor, which is obtained by regenerating the physical heat of molten slag, when it is cooled in a tray, from the gasification chamber, are fed through a heat pipe into the embrasure of the furnace, where they are mixed with the heated and swirled in the blade apparatus by the flow of air necessary for their complete combustion in the self-ignition mode.

Таким чином, забезпечується очікуваний технічний результат, а саме - вдосконалення способу газифікації твердого палива. Реалізація способу, що заявляється, дає змогу підвищити інтенсивність і продуктивність процесу газифікації твердого палива, підвищити калорійність генераторного газу на 25-30 Фо і зменшити теплові викиди в навколишнє середовище на 5-10 9бо, а загалом, підвищити ефективність способу спалювання твердого палива в існуючих теплоенергетичних установках.Thus, the expected technical result is provided, namely, improvement of the solid fuel gasification method. Implementation of the proposed method makes it possible to increase the intensity and productivity of the solid fuel gasification process, increase the calorific value of the generator gas by 25-30 Fo and reduce heat emissions into the environment by 5-10 9bo, and in general, increase the efficiency of the method of burning solid fuel in existing thermal power plants.

Claims

FORMULA OF THE INVENTION The method of burning solid fuel, in which the solid fuel is preliminarily subjected to a frontal method of gasification to obtain generator gas, which is distinguished by the fact that in the reaction zone of gasification, in the direction of the movement of the fuel, preheated to a temperature of 300-600 "С, twisted air flow, which creates a peripheral high-temperature oxidation zone of excess pressure and a rarefied central reduction zone with a return flow zone, into which solid fuel gasification products are fed, and water gas formed by the interaction of red-hot carbon and water vapor, which is obtained by regenerating the physical heat of molten slag , during its cooling.