Спосіб спалювання твердого палива з отриманням топкового газу для теплоенергетичних агрегатів

Спосіб спалювання твердого палива з отриманням топкового газу для теплоенергетичних агрегатів, згідно з яким подають паливо до бункера палива, потім спрямовують його до камери газифікації, куди одночасно з паливом подають частину об'єму повітря, необхідного для повного згоряння палива, а всередині камери газифікації здійснюють циклонне обертання газів при нерухомому шарі палива, що міститься на дні камери газифікації, отриманий горючий газ з камери газифікації подають до камери згоряння, де горючий газ змішують з рештою об'єму повітря, що необхідне для повного згоряння палива і що надходить через ряд наддувних отворів в стінці камери згоряння з попереднім проходженням повітря через колектор, виконаний у вигляді зовнішньої оболонки камери згоряння продуктів газифікації, отриманий високотемпературний топковий газ у вигляді високотемпературного факела спрямовують з ка U 2 52882 1 3 кількостях вологи у паливі його пряме спалювання малоефективне, а у багатьох випадках неможливе. Одним з методів, що дозволяє вирішити названі проблеми спалювання зазначеного палива є двостадійне (двоступеневе) спалювання, тобто попередня газифікація палива з подальшим спалюванням продуктів газифікації. Попередня газифікація палива з повітряним дуттям дозволяє трансформувати тверде паливо у суміш газоподібних при температурі газифікації горючих компонентів, до яких належать оксид вуглецю, водень, метан, вищі вуглеводневі гази та рідкі за нормальних умов органічні сполуки, і негорючих компонентів, а саме, діоксиду вуглецю, азоту та водяної пари. Таке газоподібне паливо згоряє значно повніше і швидше, ніж тверде паливо, що дозволяє отримати в теплоенергетичних агрегатах високу температуру полум'я при більших значеннях коефіцієнту корисної дії. Відомо спосіб двоступеневого спалювання твердого палива, що включає перший і другий ступені спалювання, при цьому вихідне тверде паливо до спалювання на першому ступені піролізують при температурі 450-500°С шляхом його змішування з високотемпературними 1000-1100°С продуктами згоряння, які отримують при спалюванні твердих продуктів піролізу на першому ступені спалювання, на якому спалюють 5-30% твердих продуктів піролізу, а решту (70-95%) в суміші з продуктами піролізу спрямовують на другий ступінь спалювання [UA №52297, F23B 1/14, 2002]. Недоліком цього способу є застосування попереднього піролізу твердого палива без доступу повітря і низька температура попереднього піролізу, адже при 450-500°С вихід піролізного газу становить не більше 30-35%, піролізних смол - понад 13-14%, твердого залишку - понад 30-35% від маси піролізованого матеріалу, що призводить до необхідності в подальшому спалювати значну кількість смол та твердих продуктів піролізу і відповідно суттєвого зменшення ефективності використання теплового потенціалу палива. Відомо спосіб спалювання палива шляхом окиснення останнього з коефіцієнтом надлишку повітря, меншим 1, подальшого охолодження отриманих газів і каталітичного допалювання цих газів при коефіцієнті надлишку повітря більше 1, при цьому гази після охолодження і перед каталітичним допалюванням пропускають через каталізатор відновлення [SU №1090105, F23C 11/00, F23D 13/18, 1982]. Недоліком цього способу є суттєві втрати теплової енергії, яку отримують при спалюванні палива з коефіцієнтом надлишку повітря, меншим 1, на стадії охолодження цих газів. Відповідно ефективність використання палива є низькою. Відомо також спосіб спалювання подрібненого твердого палива шляхом попередньої двоступеневої його газифікації у газогенераторі з подальшим допалюванням виробленого газу в топці котла, причому на першому ступені створюють закручений потік пилогазової суміші при коефіцієнті надлишку повітря, меншим одиниці, а отримані продукти газифікації твердого палива відділяють 52882 4 від крупних частинок і спрямовують до топки котла для спалювання, при цьому крупні частинки спрямовують до киплячого шару другої стадії для їх прикінцевої газифікації, допалювання і відділення частинок золи від потоку газоподібних продуктів, а останні спрямовують до топки котла для допалювання, крім того, час перебування частинок в газогенераторі регулюють зміною швидкості газового потоку і прохідного перерізу між високошвидкісною і низькошвидкісною камерами першого і другого ступеня газифікації [RU №2258866, F23C 10/00, 2005]. Недоліками цього способу є обмеження можливості застосування для подрібнених палив широкого фракційного складу, оскільки створення закрученого потоку пилогазової суміші на першому ступені газифікації і киплячого шару на другому ступені газифікації вимагає наявності подрібненого твердого матеріалу з невеликим діапазоном розміру частинок; а також низька ефективність при спалюванні палив з вологістю понад 20-25%. Найближчим до корисної моделі, що заявляється, є спосіб дискретного спалювання біомаси і отримання топкового газу для котельного обладнання шляхом спрямування палива з бункера до пристрою спалювання біомаси, в якому створено тангенціальне уведення повітря, спалювання біомаси з надходженням утвореного горючого газу до топки котельного агрегату, причому спрямування палива здійснюють горизонтально шнековим дозатором, з можливістю регулювання витрати палива частотним регулятором швидкості подачі сировини і відповідно потужності котла і температури теплоносія, до горизонтально зорієнтованого пристрою спалювання біомаси, що складається з камери газифікатора і змішувальної камери, при цьому паливо спочатку спрямовують до попередньо розігрітого газифікатора, куди одночасно з паливом зі швидкістю витікання 40-50м/с подають повітря у кількості менше 60% від об'єму, необхідного для повного спалювання палива, при цьому всередині газифікатора здійснюють циклонне обертання газів при нерухомому шарі палива, що міститься на дні газифікатора, а далі отриманий горючий газ високої калорійності з газифікатора подають до змішувальної камери, в якій відбувається змішування горючого газу, що надходить з газифікатора, з додатковим потоком повітря, необхідним для подальшого повного згоряння палива, що надходить крізь ряд наддувних отворів в стінці змішувальної камери, обладнаних повітряними засувками, за допомогою яких регулюють витрату повітря, при цьому додатковий потік повітря до змішувальної камери спрямовують через повітропровід, з'єднаний з повітряним колектором, виконаним у вигляді зовнішнього кожуха змішувальної камери, в якій відбувається процес змішування повітря, що проходить через згадані наддувні отвори, розташовані під кутом 10 -12 до радіусу змішувальної камери, з горючими газами, що надходять з газифікатора, у співвідношенні частин повітря, що надходять до змішувальної камери, і горючого газу, що отримано із спалюваної біомаси, необхідному для повного згоряння палива, а потім отриманий в результаті змішування високотемпературний топковий газ у 5 вигляді високотемпературного факела із змішувальної камери спрямовують до камери згоряння котельного агрегату, в якому відбувається прикінцеве допалювання газової суміші і подача газового факела до теплообмінників котла для нагрівання теплоносія [RU №2320921, F23C 6/04, 2008]. Зазначений спосіб має такі недоліки. Реальна вологість різних видів твердого палива на практиці може коливатись у досить широких межах і сягати значень 50-60%. Однак для цього способу спалювання палива можна використовувати паливні матеріали з вологістю, що не перевищує 25%. Оскільки вологіше паливо має низьку теплотворну здатність, то в сукупності з необхідністю випарювання вологи в кількості 25-60% від маси палива та нагрівання утвореної водяної пари до температури 1000-1200 С процес газифікації такого палива є малоефективним, а при вологості палива 35-60% - неможливим. Крім того, нестабільність значень вологості палива навіть в межах припустимих значень 8-25% може призводити до суттєвих збурень на стійкість процесів двостадійного спалювання палива, а відповідно, і на процес нагрівання теплоносія теплоенергетичним агрегатом. Ефективність використання теплового потенціалу твердих палив є низькою з кількох причин: суттєві втрати тепла в навколишньому середовищі через стінки камери газифікації в сукупності з подачею холодного повітря до камери газифікації; втрати тепла, обумовлені скиданням з теплоенергетичного агрегату до атмосфери недостатньо охолоджених димових газів. Крім того, не передбачено подрібнення твердого палива перед його спрямуванням до пристрою спалювання. В основу корисної моделі поставлено задачу розширення можливостей ефективного використання твердих паливних матеріалів з вологістю до 60% та підвищення ефективності використання теплового потенціалу твердого палива в теплоенергетичних агрегатах. Поставлену задачу вирішують тим, що у способі спалювання твердого палива з отриманням топкового газу для теплоенергетичних агрегатів, згідно з яким подають паливо до бункера палива, потім спрямовують його до камери газифікації, куди одночасно з паливом подають частину об'єму повітря, необхідного для повного згоряння палива, а всередині камери газифікації здійснюють циклонне обертання газів при нерухомому шарі палива, що міститься на дні камери газифікації, отриманий горючий газ з камери газифікації подають до камери згоряння, де горючий газ змішують з рештою об'єму повітря, що необхідне для повного згоряння палива і що надходить через ряд наддувних отворів в стінці камери згоряння з попереднім проходженням повітря через колектор, виконаний у вигляді зовнішньої оболонки камери згоряння продуктів газифікації, високотемпературний топковий газ у вигляді високотемпературного факелу спрямовують з камери згоряння до теплоенергетичного агрегату, де остаточно допалюють газову суміш і подають газовий факел до теплообмінників теплоенергетичного агрегату для нагрівання теп 52882 6 лоносія, регулюючи температуру теплоносія зміною витрати палива, згідно з корисною моделлю, паливо перед поданням до бункера палива попередньо подрібнюють у роторній дробарці, подрібнене паливо просушують в барабанній обертовій сушарці до вологості 12-25% димовими газами, які спрямовують з теплоенергетичного агрегату, регулюючи температуру процесу просушування витратою повітря, яке підмішують до димових газів, при цьому відношення об'єму камери газифікації до об'єму камери згоряння продуктів газифікації становить (1,5-1):1, частина об'єму повітря, що її подають до камери газифікації, становить 30-40%, решта повітря, яка надходить до камери згоряння продуктів газифікації, становить 60-70%, а об'єм повітря, необхідний для повного згоряння палива, становить 1,4-2,0 від розрахункового об'єму повітря, необхідного для стехіометричного окиснення палива, при цьому повітря, що його подають до камери газифікації, попередньо проходить через колектор, виконаний у вигляді зовнішньої оболонки камери газифікації. Завдяки попередньому подрібненню і просушуванню твердого палива до вологості 12-25% розширено можливості ефективного використання паливних матеріалів з вологістю до 60%. Крім того, стабілізація значень вологості палива в достатньо вузьких межах дозволяє суттєво стабілізувати процеси спалювання палива і роботи теплоенергетичного агрегату. Підвищення ефективності використання теплового потенціалу палива досягнуто таким чином. По-перше, значна, до 50-60%, частина теплового потенціалу димових газів після теплоенергетичного агрегату використовується для просушування палива. По-друге, повітря, що його спрямовують до камери газифікації палива, попередньо підігрівають від зовнішньої поверхні стінок камери газифікації, чим вносять додаткову теплову енергію до зони газифікації і мінімізують втрати тепла до навколишнього середовища. По-третє, завдяки обумовленню діапазонів зміни співвідношення об'ємів камери газифікації і камери згоряння продуктів газифікації, діапазонів розподілу на частини, що їх спрямовують до камер газифікації і згоряння, об'єму необхідного для повного згоряння палива повітря, його зв'язку із розрахунковим стехіометричним для окиснення палива об'ємом повітря оптимізовано процеси двостадійного спалювання палива. Реалізація запропонованого способу пояснюється схемою котельного комплексу для отримання гарячої води або водяної пари. Котельний комплекс містить наступні пристрої і вузли, що послідовно сполучені: стрічковий транспортер 1 вологого палива, роторну дробарку 2 для подрібнення вологого палива, проміжний бункер 3 для подрібненого вологого палива, похилий шнек 4 для подачі подрібненого вологого палива до сушарки, барабанну обертову сушарку 5 з мотор-редуктором 6, скидною трубою 7 для парогазової суміші та приймальним бункером 8 для подрібненого просушеного палива. Для переміщення подрібненого просушеного палива слугує система 7 пневмотранспорту, що з'єднана з приймальним бункером 8 і складається з послідовно сполучених тягового вентилятора 9, трубної магістралі та циклона 10, з яким сполучено вузол для спалювання подрібненого і просушеного палива та отримання топкового газу, що складається з послідовно з'єднаних витратного бункера 11 палива, обладнаного вирівнювальним змішувачем 12 з моторредуктором, горизонтального шнекового транспортера 13 палива з мотор-редуктором 14 для подачі палива до камери 15 газифікації, що має корпус з вогнетривкої цегли. Причому шнековий транспортер 13 розміщено нижче дна камери 15 газифікації, а його вихід переходить у заглиблення в дні камери 15 газифікації, через яке паливо надходить до камери 15 газифікації. З камерою 75 газифікації сполучена камера 16 згоряння продуктів газифікації, що має циліндричний корпусом з вогнетривкої цегли. Співвідношення об'ємів камери 15 газифікації і камери 16 згоряння продуктів газифікації становить (1,5-1):1. В нижній частині корпусу камери 15 газифікації утворено горизонтально зорієнтовані канали 17 для подачі повітря до камери 15 газифікації вентилятором 18, вхід якого з'єднаний з колектором 19 для підігріву повітря, виконаним у вигляді зовнішньої оболонки корпусу камери 15 газифікації. В корпусі камери 16 згоряння утворено канали 20 для подачі повітря до камери 16 згоряння продуктів газифікації вентилятором 21, вихід якого з'єднано з колектором 22 для підігріву повітря, виконаним у вигляді зовнішньої оболонки корпусу камери 16 згоряння. Дно камери 75 газифікації палива виконане з похилим підйомом в напрямку від каналів 17 для подачі повітря до протилежної бічної стінки. За цим підйомом у заглибленні дна камери 75 газифікації розміщено шнек 23 з мотор-редуктором 24 для періодичного видалення золи. Вихід циліндричної камери 16 згоряння продуктів газифікації сполучено з входом для теплового потоку енергетичного теплообмінного агрегату 25, наприклад, водогрійного чи парового котла. На виході «охолоджених» димових газів з теплообмінного агрегату 25 розміщено тяговий вентилятор 26, вихід якого сполучено з входом для сушильного теплоносія барабанної обертової сушарки 5. Для регулювання температури «гарячого» (нагрітого) теплоносія, наприклад гарячої води або пари, на виході з теплоенергетичного агрегату 25 призначено регулятор 27, що змінює частоту обертання шнекового транспортера 13 палива, витрати повітряних потоків до камери 75 газифікації палива і камери 16 згоряння продуктів газифікації. Для регулювання температури димових газів, які надходять до барабанної сушарки 5, призначено регулятор 28, що змінює витрату повітря, яке підмішують до димових газів на вході до тягового вентилятора 26. Спосіб, що заявляється, здійснюють наступним чином. Тверде паливо ручним або механізованим способом навантажують на стрічковий транспортер 1 вологого палива, яким переміщують паливо на вхідний транспортер роторної дробарки 2, звідки паливо надходить до рубальних елементів роторної дробарки 2. Подрібнене вологе паливо з 52882 8 роторної дробарки 2 подають до проміжного бункера 3 для подрібненого вологого палива, звідки похилим шнеком 4 його подають до барабанної обертової сушарки 5, обертання якої забезпечують мотор-редуктором 6. Процес просушування здійснюють спрямуванням димових газів з теплоенергетичного агрегату 25 до барабанної обертової сушарки 5, причому регулятором 28 здійснюють регулювання температури процесу просушування шляхом зміни витрати повітря, що підмішують до димових газів. Охолоджену додатково зволожену парогазову суміш з барабанної обертової сушарки 5 спрямовують до скидної труби 7. Подрібнене паливо, просушене до вологості 12-25%, з барабанної сушарки 5 потрапляє до приймального бункера 8, звідки за допомогою тягового вентилятора 9 системи пневмотранспорту його подають через трубопровід до циклона 10, в якому здійснюють розділення палива і повітря, і далі до витратного бункера 11. Вирівнювальним лопатевим змішувачем 12 з мотор-редуктором вирівнюють товщину шару палива у витратному бункері 11, чим запобігають зависанню палива і нерівномірності його подачі до пристрою для спалювання палива. З витратного бункера 11 паливо горизонтальним шнековим транспортером 13 з мотор-редуктором 14 безперервно подають до нижньої частини камери 15 газифікації. Одночасно до нижньої частини камери 15 газифікації через канали 17 вентилятором 18 подають повітря в кількості 30-40% за об'ємом від необхідної для спалювання палива, що становить 1,4-2,0 від розрахункового об'єму повітря, необхідного для стехіометричного окиснення палива. Перед подачею до каналів 17 повітря підігрівають в колекторі 19 завдяки контакту із зовнішньою поверхнею корпусу камери 15 газифікації. При проходженні повітря через шар палива останнє частково спалюють, чим забезпечують тепловою енергією процес газифікації, і здійснюють власне газифікацію палива з утворенням парогазової суміші продуктів газифікації, що складається переважно з оксиду вуглецю, водню, діоксиду вуглецю, азоту, водяної пари та незначної кількості вуглеводнів. Завдяки тангенціальному введенню повітря, похилому підйому дна та напівкруглій формі склепіння камери газифікації здійснюють циклонне обертання парогазової суміші, чим інтенсифікують і поглиблюють процес газифікації палива. Негазифікований зольний залишок палива завдяки придонному потоку парогазової суміші пересипають через верхнє ребро підйому дна на шнек 23, яким за допомогою моторредуктора 24 періодично видаляють зольний залишок з камери 15 газифікації для її подальшої утилізації. Далі парогазову суміш продуктів газифікації палива спрямовують до циліндричної камери 16 згоряння продуктів газифікації. Одночасно до камери 16 згоряння вентилятором 21 через канали 20 подають повітря в кількості 60-70% за об'ємом від необхідної для спалювання палива, що становить 1,4-2,0 від розрахункового об'єму повітря, необхідного для стехіометричного окиснення палива. Причому перед спрямуванням безпосередньо до камери згоряння повітря підігрівають в колекторі 22 завдяки контакту із зовнішньою 9 поверхнею корпусу камери 16 згоряння продуктів газифікації. При змішуванні парогазової суміші з повітрям здійснюють процес спалювання горючих продуктів газифікації з утворенням високотемпературного факела. Завдяки тангенціальному введенню повітря до камери 16 згоряння та її циліндричній формі створюють циклонне обертання високотемпературного факела, чим завдяки інтенсифікації процесу горіння забезпечують повне згоряння горючих продуктів газифікації. Утворений високотемпературний факел з камери 16 згоряння спрямовують до теплоенергетичного агрегату 25 (водогрійного чи парового котла), де остаточно допалюють газову суміш і подають високотемпературний газовий факел до теплообмінників теп 52882 10 лоенергетичного агрегату для нагрівання теплоносія. Температуру «гарячого» теплоносія на виході з теплоенергетичного агрегату 25 регулюють регулятором 27 шляхом зміни витрати твердого палива до пристрою для спалювання твердого палива, яку здійснюють зміною частоти обертання вихідного вала мотор-редуктора 14. Одночасно з цим регулятором 27 змінюють витрату повітряних потоків до камери 15 газифікації палива і камери 16 згоряння продуктів газифікації. Димові гази, утворені при згорянні парогазової суміші, після передачі тепла теплоносію за допомогою тягового вентилятора 26 спрямовують до барабанної сушарки 5. Приклади реалізації способу в реальних теплоенергетичних об'єктах наведено в таблиці. Таблиця Теплоенергетичний об'єкт Водогрійний модульний комплекс Паровий модульний комплекс Показники на біомасі з системою підготовки на біомасі з системою підготовки палива (районна котельня) палива (технологічна котельня) Тип рубальних машин УРМ-5 DP660D Тип сушарок барабанних АВМ-1,5 АВМ-1,5 (2) Тип пристроїв для двостадійного Нагрівачі твердопаливні Нагрівачі твердопаливні спалювання твердого палива НТ-2 (2) НТ-6 (2) Котли водогрійні адаптовані Котли парові газотрубні Тип котлів Е-2,5-0,9 (2) ST-8000 (2) Паливо Відходи деревини, дрова Відходи деревини, дрова Номінальна корисна потужність, 1,8 2 5,6 2 МВт Витрата подрібненої просушеної 0,9 2,7 деревини з вологістю 12%, т/год. К.к.д. комплексу, % 93 92 11 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 52882 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601