Бойлер з осадженим шаром і спосіб його експлуатації

1.Бойлер з осадженим шаром твердого палива і з рухомими колосниковими гратами, що містить корпус, рухомі колосникові грати, призначені для переміщування шару твердого палива між завантажувальним отвором для подачі твердого палива і вихідним отвором для вивантаження шлаків, засіб подачі первинного повітря, що містить повітровід первинного повітря і циркуляційний засіб первинного повітря, призначений для подачі потоку первинного повітря під рухомі колосникові грати, засіб подачі вторинного повітря, перший регулюючий засіб, призначений для зміни величини потоку первинного повітря залежно від потужності, що споживається бойлером, і від надстехіометричного надлишку кисню в топкових газах, засіб відбору потоку топкових газів, що містить газовід топкових газів і циркуляційний пристрій топкових газів, і засіб змішування потоку топкових газів, що подається, з потоком первинного повітря, який відрізняється тим, що він додатково містить другий регулюючий засіб, призначений для зміни величини потоку топкових газів залежно від величини потоку первинного повітря, і тим, що газовід топкових газів з'єднано з повітроводом первинного повітря вище по потоку від циркуляційного засобу первинного повітря. 2. Бойлер по п. 1, який відрізняється тим, що другий регулюючий засіб містить датчик температури і датчик потоку топкових газів для визначення кількості топкових газів. 3. Бойлер по одному з пунктів 1 або 2, який відрізняється тим, що роль засобу змішування потоку топкових газів з потоком первинного повітря грає циркуляційний засіб первинного повітря. 4. Бойлер по одному з пунктів 1 - 3, який відрізняється тим, що засіб відбору топкових газів містить C2 (54) БОЙЛЕР З ОСАДЖЕНИМ ШАРОМ І СПОСІБ ЙОГО ЕКСПЛУАТАЦІЇ 39149 значення кількості топкових газів, що відбирається, в результаті виміру температури і розходу потоку топкових газів, що відбираються, і регулювання кількості, що відбирається, відповідно до оптимального коефіцієнта рециркуляції. 10. Спосіб по одному із пунктів 6-9, який відрізняється тим, що змішування потоку топкових газів з первинним повітрям здійснюється вище по потоку від циркуляційного засобу первинного повітря, який подає потік первинного повітря в бойлер. ______________________________ ра, що нагнітає це повітря. В результаті повного змішування первинного повітря з топковими газами не відбувається, тобто не досягається однорідність суміші топкових газів і первинного повітря, яка б забезпечувала оптимальні умови горіння. Найбільш близьким до заявленого винаходу по сукупності суттєвих відзнак є описаний в статті Кена Л. Малоні спосіб експлуатації бойлера із осадженим шаром твердого палива і з рухомими колосниковими гратами, призначений для зменшення вмісту оксидів азоту NOx в топкових газах, який включає визначення потужності, що віддається бойлером, і, залежно від цієї потужності, визначення кількості твердого палива, що підлягає спалюванню, і, нарешті, визначення розходу подачі вторинного повітря, вимір надстехіометричного надлишка кисню в топкових газах, відбір потоку топкових газів на виході бойлера, і регулювання розходу потоку первинного повітря залежно від потужності, що віддається, і виміряного надстехіометричного надлишка кисню. Цей спосіб дозволяє значно знизити викиди оксидів азоту NOx при низькому рівні надлишкового O2, проте в ньому передбачено, що топкові гази уводяться одночасно і в потік первинного повітря, і в потік вторинного повітря, але у всіх випадках нижче по потоку від вентилятора, що забезпечує нагнітання повітря. Також не згадується про те, що утворення оксидів азоту може варіюватися залежно від коефіцієнта рециркуляції топкових газів, і в ній не відмічаються ті переваги, що дає визначення оптимального коефіцієнта рециркуляції. Таким чином, задача подальшого удосконалення бойлера з осадженим шаром і способу його використання з метою ефективного зниження вмісту оксидів азоту NOx в топкових газах бойлерних установок все ще є актуальною задачею. В основу винаходу, відповідно, поставлена задача запропонувати бойлер із осадженим шаром, в якому, завдяки зміненням у його конструкції, забезпечувався б мінімально можливий вміст оксидів азоту NOx у топкових газах. Поставлена задача вирішена тим, що запропоновано бойлер із осадженим шаром твердого палива і з рухомими колосниковими гратами, що містить корпус, рухомі колосникові грати, призначені для переміщування шару твердого палива між завантажувальним отвором для подачі твердого палива і вихідним отвором для вивантаження шлаків, засоби для подачі первинного повітря, що містять воздуховід первинного повітря і циркуляційний засіб первинного повітря і призначені для подачі потоку первинного повітря під рухомі колосникові грати, засоби для подачі вторинного повітря, перший регулюючий засіб, призначений для зміни величини потоку первинного повітря залежно від Винахід відноситься до способу експлуатації бойлера і до типу бойлера, що дозволяють знизити вміст оксидів азоту в топкових газах. Більш конкретно, винахід відноситься до способу експлуатації бойлера з осадженим шаром твердого палива і з рухомими колосниковими гратами, що призначений для зменшення вмісту NOx в топкових газах, що виділяються, і до бойлера, який дозволяє здійснити ций спосіб. Найбільш близьким до заявленого винаходу по сукупності суттєвих відзнак є описаний в статті Кена Л. Малоні бойлер із осадженим шаром твердого палива і з рухомими колосниковими гратами, що містить корпус, рухомі колосникові грати, призначені для переміщування шару твердого палива між завантажувальним отвором для подачі твердого палива і вихідним отвором для вивантаження шлаків, циркуляційний засіб первинного повітря, призначений для подачі потоку первинного повітря під рухомі колосникові грати, засоби для подачі вторинного повітря і перший регулюючий засіб, призначений для зміни величини потоку первинного повітря залежно від потужності, що споживається бойлером, і від надстехіометричного надлишку кисню в топкових газах, засоби для забора потоку топкових газів і засіб для змішування потоку топкових газів, що подається, з потоком первинного повітря. Саме засоби для забора потоку топкових газів і засіб для змішування потоку топкових газів, що подається, з потоком первинного повітря дозволяють зменшити надлишок повітря шляхом домішування топкових газів до повітря, що надходить в зону горіння бойлерів з осадженим шаром твердого палива, і зазначається, що таким чином може бути зменшено вміст оксидів азоту. Причина, по якій рециркуляція частини топкових газів може зменшити вміст оксидів азоту NOx, полягає в тому, що при температурах, які перевищують приблизно 600°С, диоксид азоту NO2 розкладається з утворенням моноксида азоту NO. Останній при температурах, що перевищують приблизно 560°С, розкладається в значній мірі на азот і кисень. Отже, пропускання топкових газів крізь шар палива при високій температурі приводить в певній мірі до розкладу оксидів азоту. Проте, цей бойлер має тільки регулюючий засіб, призначений для зміни величини потоку первинного повітря залежно від потужності, що споживається бойлером, і від надстехіометричного надлишку кисню в топкових газах, але не має регулюючого засобу, призначеного для зміни величини потоку топкових газів залежно від величини потоку первинного повітря. Відсутність такого засобу не дозволяє постійно підтримувати оптимальний коефіцієнт рециркуляції топкових газів в потік первинного повітря. Крім того, трубопровід подачі топкових газів у цій конструкції введено в повітровід первинного повітря після вентилято 2 39149 потужності, що споживається бойлером, і від надстехіометричного надлишку кисню в топкових газах, засоби для відбору потоку топкових газів, що містять газовід топкових газів і циркуляційний пристрій топкових газів, і засіб для змішування потоку топкових газів, що подається, з потоком первинного повітря, який, за винаходом, додатково містить другий регулюючий засіб, призначений для зміни величини потоку топкових газів залежно від величини потоку первинного повітря, і тим, що газовід топкових газів з'єднано з повітроводом первинного повітря вище по потоку від циркуляційного засобу первинного повітря. Таке рішення дозволяє змінювати величину потоку топкових газів залежно від величини потоку первинного повітря, визначати оптимальний коефіцієнт рециркуляції топкових газів в потоці первинного повітря, постійно забезпечувати оптимальне співвідношення топкових газів і первинного повітря. Введення потоку топкових газів, призначеного для змішування з потоком первинного повітря, вище по потоку від першого циркуляційного засобу забезпечує високу однорідність суміші топкових газів і первинного повітря, і завдяки цьому оптимальні умови горіння. Доцільно, щоб у бойлері другий регулюючий засіб містив датчик температури і датчик потоку топкових газів для визначення кількості топкових газів. Таке рішення допомагає вчасно визначати оптимальний коефіцієнт рециркуляції топкових газів в потоці первинного повітря і постійно забезпечувати оптимальне співвідношення топкових газів і первинного повітря. Можна у ролі засобу для змішування потоку топкових газів з потоком первинного повітря застосовувати циркуляційний засіб первинного повітря. Таке рішення спрощує конструкцію бойлера, одночасно забезпечуючи необхідну для оптимальних умов горіння однорідність суміші топкових газів і первинного повітря. В кращому варіанті здійснення винаходу доцільно, щоб засіб відбору топкових газів містив циркуляційний пристрій топкових газів, що керується другим регулюючим засобом. Таке рішення допомагає своєчасно реагувати на зміни в режимі роботи і постійно забезпечувати оптимальне співвідношення топкових газів і первинного повітря. В найкращому варіанті здійснення винаходу доцільно, щоб бойлер, крім іншого, містив обчислювальний блок, призначений для прийому від датчиків даних, що характеризують температуру води на вході бойлера, температуру води на виході бойлера і зовнішню температуру, а також для розрахунку потужності, що віддається бойлером, і крім того для регулювання висоти шару твердого палива, швидкості гратів і кількості вторинного повітря, причому обчислювальний блок має використовуватись також для прийому даних, що характеризують температуру і витрати топкових газів, що відбираються, і для регулювання кількості топкових газів, що подаються на рециркуляцію циркуляційним засобом топкових газів, і кількості первинного повітря, що переміщається циркуляційним засобом первинного повітря. В основу винаходу поставлено також задачу запропонувати спосіб експлуатації бойлера із осадженим шаром, який, завдяки введенню додаткових стадій контролю та керування, постійно б забезпечував роботу бойлера в оптимальному режимі з мінімально можливим вмістом оксидів азоту NOx в топкових газах. Поставлена задача вирішена тим, що запропоновано спосіб експлуатації бойлера із осадженим шаром твердого палива і з рухомими колосниковими ґратами, призначений для зменшення вмісту оксидів азоту NOx в топкових газах, який включає визначення потужності, що віддається бойлером, і, залежно від цієї потужності, визначення кількості твердого палива, що підлягає спалюванню, і, нарешті, визначення розходу подачі вторинного повітря, вимір надстехіометричного надлишка кисню в топкових газах, відбір потоку топкових газів на виході бойлера, і регулювання розходу потоку первинного повітря залежно від потужності, що віддається, і виміряного надстехіометричного надлишка кисню, який, за винаходом, включає визначення оптимального коефіцієнта рециркуляції, і змішування потоку відібраних топкових газів з первинним повітрям таким чином, що суміш утворює потік первинного повітря, що містить таку кількість топкових газів, що відповідає оптимальному коефіцієнту рециркуляції. Саме визначення оптимального коефіцієнта рециркуляції і змішування топкових газів з первинним повітрям у відповідному співвідношенні забезпечує сталу роботу бойлера з мінімальним вмістом оксидів азоту NOx в топкових газах. Доцільно, щоб визначення оптимального коефіцієнта рециркуляції включало експлуатацію бойлера при різних коефіцієнтах рециркуляції з метою визначення величини, що дає найменший вміст NOx. Таке рішення дозволяє саме для умов роботи даного бойлера точно визначити величину коефіцієнта рециркуляції, що дає найменший вміст NOx. Для спрощення роботи доцільно, щоб визначення оптимального коефіцієнта рециркуляції здійснювалось при зчитуванні величини оптимального коефіцієнта рециркуляції з таблиць в залежності від типу бойлера, що застосовується, і природи твердого палива. Таке рішення дає можливість підтримувати оптимальний режим роботи бойлера навіть неосвідченим операторам. В більш досконалому варіанті винаходу відбір топкових газів включає визначення кількості, що відбирається, в результаті виміру температури і розходу потоку топкових газів, що відбираються, і регулювання кількості, що відбирається, відповідно до оптимального коефіцієнта рециркуляції. Таке рішення забезпечує більш точне визначення реальній кількості топкового газу, що відбирається, бо дані про величину потоку газу залежать від його температури, тобто її обов'язково необхідно брати до уваги. Доцільно, щоб змішування потоку топкових газів з первинним повітрям здійснювалося вище по потоку від циркуляційного засобу первинного повітря, що подає потік первинного повітря в бойлер. 3 39149 Саме таке рішення забезпечує високу однорідність суміші топкових газів і первинного повітря, і завдяки цьому - оптимальні умови горіння. Бойлер частіше містить також обчислювальний блок, призначений для прийому з датчиків даних, що характеризують температуру води на вході бойлера, температуру води на виході бойлера і зовнішню температуру, і для розрахунку потужності, що віддається бойлером, а також для регулювання висоти шару твердого палива, швидкості гратів і кількості вторинного повітря, причому обчислювальний блок застосовується також для прийому даних, що характеризують температуру і розхід топкових газів, що відбираються, і для регулювання кількості топкових газів, що подаються на рециркуляцію циркуляційним засобом топкових газів, і кількості первинного повітря, що переміщується циркуляційним засобом первинного повітря. Інші характеристики і переваги винаходу легко побачити із слідуючого нижче опису найкращого варіанта бойлера, що пропонується відповідно до винаходу і супроводжується кресленнями. Креслення демонструє схематичне зображення бойлера за винаходом. На кресленні представлено бойлер з осадженим шаром твердого палива. Бойлер містить корпус 1, всередині якого розташовані рухомі колосникові грати 2. Тверде паливо 3, здебільшого просто подрібнене вугілля, розташовано на поверхні гратів і утворює шар, товщина якого змінюється в залежності від потужності, що споживається бойлером. Пристрій 4 рухає рухомі колосникові грати. Повітровід 5 забезпечує підведення під рухомі колосникові грати потоку первинного повітря, що подається циркуляційним засобом первинного повітря у вигляді вентилятора 6 первинного повітря і регулюється першим регулюючим засобом (не показаний). При необхідності шляхом приведення в дію вентилятора 7 вторинного повітря в корпус бойлера зверху рухомих колосникових грат по повітроводу 8 вторинного повітря нагнітається вторинне повітря. Вода системи обігрівання циркулює в трубопроводах 9. Топкові гази, що утворюються внаслідок процесу горіння, виводяться по каналу 10 в напрямі димової труби 11 за допомогою витяжного вентилятора 12. На відміну від попереднього рівня техніки бойлер за даним винаходом крім всіх вищезгаданих елементів містить додатковий газовід 13, що з'єднує димову трубу 10 на виході бойлера із повітроводом 5 вище по потоку від вентилятора 6, який створює потік первинного повітря. Цей газовід 13 містить циркуляційний засіб топкових газів у вигляді вентилятора 14 топкових газів. Крім того, газовід 13 містить датчик температури і датчик розходу потоку топкових газів (не показано), які дозволяють визначити скоректований розхід потоку топкових газів, що направляється на рециркуляцію в напрямі повітроводу 5 первинного повітря і регулюється другим регулюючим засобом (не показано). Як було сказано вище, бойлер в найкращому варіанті містить також обчислювальний блок, призначений для прийому з датчиків даних, що харак теризують температуру води на вході бойлера, температуру води на виході бойлера і зовнішню температуру, і для розрахунку потужності, що віддається бойлером, а також для регулювання висоти шару твердого палива, швидкості гратів і кількості вторинного повітря, причому обчислювальний блок застосовується також для прийому даних, що характеризують температуру і розхід топкових газів, що відбираються, і для регулювання кількості топкових газів, що подаються на рециркуляцію циркуляційним засобом топкових газів, і кількості первинного повітря, що переміщується циркуляційним засобом первинного повітря. Такі обчислювальні блоки для регістрації даних і управління апаратурою загальновідомі, тому їх окремий опис не є доцільним. Були проведені випробування з метою реалізації винаходу, як функції коефіцієнту рециркуляції топкових газів. В цьому описі коефіцієнт рециркуляції є відношенням розходу топкових газів, що направляються на рециркуляцію в напрямі повітроводу 5, до розходу потоку первинного повітря в повітроводі 5. В цих випробуваннях коефіцієнт рециркуляції змінювався в межах значень від нуля до приблизно 50%. Ці випробування дозволили зробити два висновки. Перший висновок полягає в тому, що вміст оксидів азоту, одержаних при використанні певного виду палива, спочатку зменшується, а потім збільшується, таким чином проходить через мінімум, якщо коефіцієнт рециркуляції підвищується з 0 до 50%. Отже, існує оптимальна величина коефіцієнта рециркуляції. Другий висновок полягає в тому, що оптимальний коефіцієнт рециркуляції, що дає мінімальний вміст оксидів азоту, мало змінюється при зміні потужності (для конкретного бойлера і одного і того ж палива), так що на весь діапазон потужності бойлера розповсюджується практично єдиний оптимальний коефіцієнт рециркуляції. Результати цих випробувань дозволили виробити умови здійснення винаходу. Передусім, було визначено, що в процесі експлуатації бойлера потрібно регулювати розхід первинного повітря. Отже, застосування встановленого оптимального коефіцієнта рециркуляції вимагає також регулювання потоку топкових газів, що відбираються, який після цього домішується до первинного повітря для формування потоку первинного повітря, що нагнітається під рухомі колосникові грати. Такого регулювання потоку топкових газів, що відбираються, з метою визначення розходу потоку, що відбирається, і його порівнянням з кількістю первинного повітря досягають, керуючи циркуляційним засобом топкових газів (вентилятором 14) в залежності, з одного боку, від кількості необхідного первинного повітря і, з іншого боку, від температури топкових газів. За умови, що зменшення вмісту оксидів азоту є максимальним для встановленого оптимального коефіцієнта рециркуляції, важливо відзначити, що цей оптимальний коефіцієнт рециркуляції буде таким же і при проходженні потоку первинного повітря крізь шар палива. Отже, для формування потоку первинного повітря необхідно добре змішати потік рециркуляційних топкових газів з первинним повітрям. 4 39149 З цією метою в варіанті здійснення винаходу, приведеному на кресленні, газовід 13 рециркуляції топкових газів входить в повітровід 5 первинного повітря до циркуляційного засобу (вентилятор 6) первинного повітря. Проте можливо також підключення трубопроводу 13 і до місця, яке знаходиться нижче по потоку від вентилятора 6. В цьому випадку було б доцільно, щоб первинне повітря і рециркуляційний потік змішувалися в спеціальному пристрої, наприклад, в камері змішування, що розміщена на вході бойлера. Хоч циркуляційний засіб 14 топкового газу наведено виконаним у вигляді вентилятора, можливий варіант (при використанні витяжного вентилятора 12 і коли перепад тиску між вентилятором 12 і димовою трубою 11 є достатнім) безпосереднього пропускання потоку відібраних топкових газів по газоводу 13 без вентилятора 14. В цьому випадку регулювання потоку топкових газів здійснюється регулювальною заслонкою, встановлюваною в газоводі 13, ширина зазору якої регулюється згаданим вище обчислювальним блоком. Останній здійснює керування приводом регулювальної заслонки замість приводу вентилятора 14. Приклад Розглянемо тепер приклад конкретного здійснення винаходу у вигляді бойлера, що представлений на кресленні. Бойлер являє собою бойлер з вугільним завантаженням і з рухомими колосниковими гратами потужністю 17,5 МВт, який призначено для подачі перегрітої води з середньою температурою 150°С в систему міського теплопостачання. Вміст кисню в топкових газах вимірюється за допомогою аналізатора на основі оксиду цирконію, встановленого на виході камери згоряння і вище по потоку від витяжного вентилятора. Розхід первинного повітря вимірюється за допомогою п'єзоелектричного датчика, встановленого поруч нагнітаючого вентилятора 6 (циркуляційного засобу первинного повітря), зі сторони, яка усмоктує повітря, і мембранного диференціального датчика тиску. Розхід коректується залежно від температури. Розхід рециркуляційних топкових газів заміряється псевдотрубкою Вентурі, встановленою з нагнітаючої сторони вентилятора 14 (циркуляційного засобу топкових газів), що забезпечує циркуляцію топкових газів. Головними робочими механізмами є приводний засіб колосникових грат, що дозволяє регулювати їх швидкість, приводи, що змінюють кут нахилу лопаток пристрою, розміщеного вище по потоку нагнітаючого вентилятора (циркуляційного засобу первинного повітря), і приводний засіб вентилятора (циркуляційного засобу топкових газів), що забезпечує циркуляцію топкових газів. В першому циклі випробувань, коли бойлер працював на 86% своєї потужності, вміст оксидів азоту знизився з 240 до 201 мг/м3; в другому циклі випробувань при 50% потужності вміст оксидів азоту зменшився з 308 до 259 мг/м3. Оптимальний коефіцієнт рециркуляції, що дає мінімальні значення, склав приблизно 15 - 20%. Зрозуміло, що винахід не зводиться до опису і подання найкращого варіанта його здійснення і що в елементи, які складають його, можуть бути внесені усі відповідні еквіваленти, що не виходять за його межі. 5 39149 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 6