способ сжигания низкосортных углей

Формула изобретения

СПОСОБ СЖИГАНИЯ НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ путем подачи угля в реактор, термической обработки с получением горючего газа и коксозольного остатка, направления горючего газа на сжигание в горелки и коксозольного остатка - в аэрофонтанную топку и очистки продуктов сгорания от твердых частиц, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, слой угля в реакторе дополнительно обрабатывают низкотемпературной плазмой, а твердые частицы, полученные при очистке, удаляют.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сжиганию твердого топлива и может быть использовано на тепловых электростанциях.

Известен способ сжигания низкосортных углей, в котором для стабилизации горения твердого топлива используют высокореакционное жидкое или газообразное топливо [1]. Мазутные или газовые форсунки монтируются совместно с основными угольными горелками либо устанавливаются дополнительно к ним. Например, котлоагрегат ПК-39 имеет 12 основных пылеугольных горелок, производительностью 8 т/ч и 8 мазутных форсунок для растопки и подсветки факела производительностью 1,3 т/ч. При включении всех мазутных форсунок обеспечивается нагрузка котлоагрегата до 30% от минимальной. Пусковые форсунки используются также для стабилизации горения пылеугольного факела при работе энергоблока в режиме неполной нагрузки.

Недостатком данного способа сжигания углей является использование в нем дефицитного мазута, а также сложность в эксплуатации мазутного хозяйства, особенно в зимнее время, когда мазут необходимо постоянно подогревать. В связи с ограниченностью запасов жидких и газообразных углеводородов "Энергетическая программа СССР" на длительную перспективу вплоть до 2000 г. нацелена на максимальное сокращение расхода мазута при работе тепловых электростанций [2]. К тому же при совместном сжигании угля и мазута наблюдается резкое увеличение мехнедожога, повышаются выбросы оксидов азота и снижается надежность работы станционного оборудования [3].

Одним из перспективных способов сжигания низкосортных углей, интенсивно разрабатываемых в последние годы, являются методы сжигания угля с использованием низкотемпературной плазмы [4, 5]. В плазменных способах сжигания низкосортных углей розжиг и стабилизация горения пылеугольного факела обеспечивается за счет высокотемпературной плазменной струи, нагретой с помощью электрической дуги в плазмотроне (генераторе низкотемпературной плазмы). Эти плазмотроны размещаются в пылеугольной горелке вместо мазутной форсунки. Отличие плазмотрона [4] от генератора плазмы [5] состоит в том, что в первом случае электрическая дуга находится внутри камеры плазмотрона, тогда как во втором аппарате плазменная струя выдувается за пределы камеры и нагрев пылеугольной смеси осуществляется открытой электрической дугой. Как показали многолетние эксперименты, приведенные в КазНИИЭнергетики, нагрев пылеугольного факела открытой дугой более эффективен, что связано с участием в процессе теплообмена заряженных частиц, укоряемых электрическим полем. Использование низкотемпературной плазмы для сжигания низкосортных углей позволяет исключить из процесса дефицитный мазут, снизить мехнедожог и уменьшить выбросы оксидов азота [3].

Недостатком плазменных методов сжигания пылеугольного факела является недостаточная эффективность процесса. Она объясняется противоречием между принципом факельного сжигания пылевидного твердого топлива и организацией генерирования низкотемпературной плазмы. Принцип пылевидного сжигания твердого топлива предусматривает рассредоточение частичек угля в значительном объеме топочного пространства. Совершенно противоположны ему современные возможности генерирования низкотемпературной плазмы, которые позволяют выделять значительные мощности в весьма малых объемах (объемная плотность энергии до 250 МВт/м³). В результате не удается полностью реализовать значительные потенциальные возможности прогрессивного плазменного метода нагрева измельченных материалов.

Известен электродуговой плазменный реактор для обработки мелкодисперсных материалов, в котором удается частично разрешить противоречие между объемом генерируемой плазмы и объемом нагреваемого пылевидного угля [6]. В этом аппарате электрическую дугу зажигают на поверхность плотного слоя измельченного угля. Данное устройство содержит цилиндрическую разрядную камеру, снабженную выводом для подсоединения к источнику питания и охватывающую камеру электромагнитную катушку. На одном торце камеры установлен шлакосборник, а на другом размещены по меньшей мере один узел горения электрической дуги и узел ввода обрабатываемого материала. В этом аппарате для повышения эффективности обработки и увеличения надежности реактора узел горения дуги выполнен в виде полого корпуса из диэлектрического материала. Корпус состоит из цилиндрического участка, переходящего на обращенном к камере торце в усеченный конус. На цилиндрическом участке корпуса установлено плотно прилегающее к его внутренней стенке контактное кольцо из электропроводного материала, к которому присоединен вывод от источника питания. Внутренняя полость корпуса соединена с узлом ввода обрабатываемого материала. Узел горения дуги рассматриваемого плазменного реактора представляет собой своеобразные песочные часы, где вместо песка движется плотный слой мелкодисперсного угля, на поверхности которого горит электрическая дуга.

Недостатком указанного устройства является малая глубина проникновения плазмы в перерабатываемый материал, что снижает эффективность процесса сжигания угля.

Наиболее близким к предлагаемому способу является система для двухступенчатого сжигания высокозольных твердых топлив в аэрофонтанном предтопке с циркулирующим кипящим слоем и предварительной термоподготовкой исходного топлива [7]. Такая система содержит следующие устройства: реактор предварительной термической подготовки топлива; аэрофонтанную топку для сжигания коксового остатка после термической подготовки топлива; транспортно-разгонный участок для подачи коксового остатка на сжигание; бункер провала; циклон выделения из потока газов золы - теплоносителя; воздухоподогреватель, утилизирующий тепло золы, выводимой из цикла; воздуходувку, дозатор подачи исходного топлива и коксового остатка, горелочное устройство.

Процесс осуществляют следующим образом. Дробленое топливо (10-15 мм) поступает из бункера в реактор-пиролизер, куда вводится из другого бункера горячая зола грубых фракций, используемая в качестве теплоносителя. С помощью теплоносителя в пиролизере поддерживается температура 700-800^оС, при которой из дробленки выделяется 25-30% потенциального тепла топлива с образованием горячей парогазовой смеси. Парогазовая смесь подается в горелки котла на сжигание, а оставшийся после пиролиза в реакторе высокозольный коксовый остаток (зольностью 60-65% ) подают в аэрофонтанную топку, где он сжигается в циркулирующем аэрофонтанном слое. Предельная температура процесса пиролиза 800^оС задается исходя из необходимости обеспечения надежной работы шнека, выводящего твердые остатки пиролиза в аэрофонтанный предтопок. Продукты сгорания после аэрофонтанного предтопка очищаются системой циклонов от золы грубых фракций, частично используемой в качестве теплоносителя, а очищенные продукты сгорания выводятся в топку парового котла.

Таким образом, процесс включает две ступени. Первая ступень - преобразование исходного твердого топлива в поток слабозапыленного газа с высокой теплотой сгорания в реакторе предварительной термической подготовки топлива и поток горячих обеспыленных продуктов сгорания коксового остатка в аэрофонтанной топке с циркулирующим кипящим слоем. Вторая ступень - сжигание в топке котла или в топке любого другого топливоиспользующего устройства горючего газа, получаемого при термообработке исходного топлива, и утилизация физического тепла продуктов сгорания коксового остатка.

Данная система сжигания позволяет создать экологически чистую ТЭС на твердом топливе с высокой зольностью (углей, сланцев, сухих отходов углеобогащения и др.). В этой системе улавливается не менее 85% золы, поступающей с исходным топливом, что предохраняет от эрозионного износа поверхности нагрева котлов при использовании высокозольных топлив и облегчает работу золоулавливающих устройств. Она позволяет использовать топливо полидисперсного состава с размером крупных частиц до 25 мм без предварительной просушки, а также сжигать низкокалорийное топливо с теплотой сгорания от 3,5 до 18 МДж/кг. При использовании указанной системы содержание оксидов азота в продуктах сгорания составляет не более 259 мг/нм³, а остаточное содержание горючих в золе варьируется от 0,5 до 3,0% в зависимости от вида и свойств топлива.

Однако столь уникальные показатели процесса достигаются высокой ценой. В частности, по условиям теплового баланса для нагрева 1 т исходного топлива до температуры пиролиза (973-1073 К) необходима рециркуляция 1,9-2,0 теплоносителя, что требует определенных затрат и снижает энергетическую эффективность процесса. Рециркуляция таких количеств золы грубых фракций резко снижает надежность работы аэрофонтанного предтопка и существенно увеличивает капитальные затраты и эксплуатационные расходы за счет абразивного износа поверхностей рециркуляционного контура.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности процесса сжигания и уменьшение энергозатрат путем организации самоподдерживающего окислительного процесса пиролиза низкосортного угля и исключения рециркуляций теплоносителя.

Цель достигается тем, что в известном способе сжигания низкосортных углей, включающем операции термической обработки топлива в реакторе, удаления горючих газов в горелки котла, охлаждения коксозольного остатка, его подачу в аэрофонтанную топку и очистку продуктов сгорания после аэрофонтанной топки от твердых частиц, предложены две новые операции. Во-первых, генерирование низкотемпературной плазмы в слое дробленого топлива, продуваемого окислителем. Во-вторых, направление в золоудалитель твердых частиц, улавливаемых при очистке продуктов сгорания после аэрофонтанной топки.

При плазменном окислительном пиролизе угля нагревается углевоздушнопаровая смесь (где содержание пара соответствует, например, рабочей влажности угля) внешним тепловым источником (плазмотроном), через который подают окислитель - воздух, взаимодействующий затем с топливом. При таком подходе исключается необходимость в организации рециркуляции мелкодисперсного теплоносителя, с помощью которой нагревали технологическую смесь в прототипе. Процесс достижения требуемой теплоты сгорания коксового остатка становится одностадийным и, кроме того, появляется возможность такой организации процесса окислительного плазменного пиролиза угля, когда первоначально запущенный с помощью плазмотронов процесс может самоподдерживаться за счет тепловыделения по реакции

С + 0,50₂ = СО + 26,41 ккал/моль СО.

Как показывает практика, удельное тепловыделение по указанной реакции, первоначально возбуждаемой плазмотронами в интервале температур 1073-1173 К, на 30-40% превышает величину удельных энергозатрат на нагрев свежей углепаровоздушной смеси, поступающей в зону плазменного окислительного пиролиза. Тем самым при правильно подобранных исходных составах технологической смеси и массовых отношениях уголь : воздух : пар реализуется режим самоподдерживающегося окислительного пиролиза, первоначально инициируемого (запускаемого) с помощью плазмотронов, которые по мере выхода на режим отключаются.

Установлено, что при плазменном окислительном пиролизе углей в интервале температур 1073-1173 К и массовом отношении уголь : воздух : пар = 1:1: 0,065 кг:кг:кг можно реализовать режим самоподдерживающегося окислительного пиролиза с приемлемыми технологическими характеристиками, достигаемыми одной стадией термоподготовки: остаточная теплота сгорания коксового остатка 900-1100 ккал/кг исходного топлива; удельная теплота сгорания газа 1600-1650 ккал/кг газа.

При генерировании низкотемпературной плазмы в плотном слое дробленого топлива удается полностью согласовать объемы перерабатываемого угля и генерируемой плазмы. Такое масштабное согласование зоны выделения энергии и зоны поглощения тепла обеспечивает максимальный вклад тепловой энергии в нагреваемую массу угля. Соответственно обеспечиваются максимальная эффективность процесса сжигания и минимальные энергозатраты. Это касается самой плазменной технологии.

В теплоэнергетическом аспекте при помощи плазменного окислительного пиролиза, обеспечивающего самоподдерживающийся процесс сжигания низкосортных углей, удается исключить рециркуляцию золы грубых фракций. Отсутствие значительных масс перемещаемого теплоносителя повышает эффективность процесса сжигания и значительно уменьшает энергозатраты, связанные с отделением и перемещением золы грубых фракций. За счет исключения рециркуляции теплоносителя уменьшается абразивный износ поверхностей рециркуляционного контура и существенно повышается надежность аэрофонтанного предтопка, а также снижаются капзатраты и эксплуатационные расходы.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Аэрофонтанный предпоток для сжигания низкосортных углей содержит реактор 1 предварительной термической подготовки топлива, аэрофонтанную топку 2 для сжигания коксового остатка после термической подготовки топлива, транспортно-разгонный участок 3 для подачи коксового остатка на сжигание, бункер 4 провала, циклон 5, воздухоподогреватель 6, утилизирующий тепло золы, выводимой из цикла, воздуходувку 7, дозаторы 8, 9 соответственно исходного топлива и коксового остатка, горелочное устройство 10.

Новыми элементами устройства являются плазмотроны 11, установленные в реакторе 1 термической обработки топлива с амбразурами, размещенными в слое дробленого топлива, а также золопровод 12, соединенный с устройством очистки продуктов сгорания от золы после аэрофонтанной топки 2 с системой золоудаления.

Процесс сжигания низкосортных углей осуществляют следующим образом.

Дробленое топливо (10-15 мм) поступает через дозатор 8 подачи исходного топлива в реактор 1. В реакторе 1 в слое дробленого топлива, продуваемого окислителем, генерируют низкотемпературную плазму путем включения плазмотронов 11. При нагреве углевоздушнопаровой смеси, осуществляется процесс окислительного плазменного пиролиза угля. После выхода процесса на режим самоподдерживающегося окислительного пиролиза плазмотроны 11 отключаются. Образующаяся в реакторе 1 горячая парогазовая смесь подается в горелки котла (устройство 10) на сжигание. Оставшийся после пиролиза в реакторе 1 высокозольный коксовый остаток (зольностью 60-65%) подается через дозатор 9 и транспортно-разгонный участок 3 в аэрофонтанную топку 2, где он сжигается в циркулирующем слое. Продукты сгорания после аэрофонтанной топки 2 очищаются системой циклонов 5 от золы грубых фракций. Очищенные продукты сгорания после циклонов 5 выводятся в топку парового котла, твердые частицы направляют в золоудалитель через теплообменник (воздухоподогреватель 6).

П р и м е р 1. Предложенный способ сжигания низкосортных углей приведен применительно к котлоагрегату БКЗ-50 паропроизводительностью 50 т/ч, оборудованному двумя модулями, содержащими реактор термообработки топлива и аэрофонтанный предтопок.

П р и м е р 2. В реактор предварительной термической подготовки топлива подается дробленый экибастузский уголь (ЭУ) зольностью 50%, теплотой сгорания 3450 ккал/кг и влажностью 6,5%, состав которого приведен в таблице.

Расход подаваемого в реактор дробленого ЭУ крупностью 5-10 мм 5,1 т/ч. Расход воздуха 5,1 т/ч, а водяного пара 0,33 т/ч. В реакторе в нижнем слое дробленого топлива, продуваемого паровоздушной смесью с расходом 5,43 т/ч, генерируют низкотемпературную плазму путем включения двух плазмотронов, расположенных один против другого. Мощность плазмотрона 670 кВт, температура вытекающей плазменной струи 2000 К. При нагреве углевоздушнопаровой смеси плазменными струями осуществляется окислительный пиролиз топлива, который при достижении температуры 1123 К выходит на самоподдерживающийся режим, после чего плазмотроны отключаются, а необходимое для нагрева свежего слоя дробленки количество теплоты выделяется за счет окисления углерода предыдущего слоя топлива до СО. Образующаяся в реакторе горячая парогазовая смесь подается в горелки котла на сжигание. Состав горючего газа, об.%: CO 31, H₂ 26, N₂ 41; CO₂ 2. Температура горючего газа 1173 К, а теплота сгорания 1650 ккал/кг газа. Выход горючего газа 7,13 т/ч. Оставшийся после окислительного пиролиза коксовый остаток (КО) с теплотой сгорания 1100 ккал/кг подается в аэрофонтанную топку, где он сжигается в циркулирующем слое. Выход КО 3,4 т/ч. Продукты сгорания КО системой циклонов очищаются от зоны грубых фракций и с температурой 1273 К выводятся в топку парового котла. Уловленные твердые частицы направляют через теплообменник в золоудалитель.

Технико-экономическая эффективность предложенного способа сжигания низкосортных углей состоит в повышении эффективности процесса сжигания, уменьшении энергозатрат, снижении капитальных затрат и уменьшении эксплуатационных расходов.