1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29762
(51) F23K 1/00 (2006.01)
F23K 1/02 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0062.1
(22) 21.01.2014
(45) 15.04.2015, бюл. №4
(72) Утегулов Болатбек Бахитжанович; Жумагулов
Михаил Григорьевич; Картджанов Нурлан
Режепбаевич
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Евразийский
национальный университет им. Л.Н. Гумилева"
Министерства образования и науки Республики
Казахстан
(56) RU 2256124, 10.07.2005г
(54) СПОСОБ ПОДГОТОВКИ
ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА К СЖИГАНИЮ
В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ КОТЕЛЬНОЙ
УСТАНОВКЕ
(57) Изобретение относится к области энергетики,
может быть использовано в котельных установках
на тепловых электростанциях, промышленных
котельных и обеспечивает повышение
эффективности и экономичности подготовки
водоугольного топлива к сжиганию в
энергетической котельной установке. Этот
технический результат достигается тем, что
производиться смешивание, насыщения
окислителям и подогрев горячим воздухом
водоугольного топлива путем подачи воздуха из
ВЗП в нижней часть конденсационного
теплообменника.
(19)KZ(13)A4(11)29762
2. 29762
2
Изобретение относится к области энергетики,
может быть использовано в котельных установках
на тепловых электростанциях, промышленных
котельных и обеспечивает повышение
эффективности и экономичности подготовки
водоугольного топлива к сжиганию в
энергетической котельной установке.
Аналог, прототип
Известно техническое решение подготовки
жидкого топлива к сжиганию в энергетической
котельной установке, в котором осуществлен способ
подготовки жидкого топлива (водомазутной
эмульсии) к сжиганию в энергетической котельной
установке, включающий приготовление жидкого
топлива, заполнение готовым топливом
теплообменника для предварительного подогрева
продуктами сгорания, подачу подогретого топлива к
горелкам котла и подачу дымовых газов в
конденсатор для их охлаждения (А.с. СССР
№989233, кл. F22В 33/18, 1981г.).
Недостатком известного способа является то, что
для предварительного подогрева жидкого топлива
перед сжиганием необходимо использование
отдельного теплообменника с подводом к нему
тепла, что снижает экономичность способа.
Наиболее близким техническим решением
(прототипом) является способ подготовки
водоугольного топлива к сжиганию в
энергетической котельной установке, который
реализован в известном способе подготовки
водоугольного топлива к сжиганию в
энергетической котельной установке (Патент РФ
№2256124, кл. F23K 1/02, 2003г.).
Способ включает приготовление водоугольного
топлива, заполнение готовым топливом
конденсационного теплообменника для
предварительного подогрева продуктами сгорания и
подачу подогретого топлива к горелке котла и
подачу образующихся продуктов сгорания,
насыщенных водяными парами, в золоуловитель, а
обеззоленных дымовых газов - в конденсационный
теплообменник, где они отдают свое физическое
тепло и тепло конденсации содержащихся в них
водяных паров циркулирующему по трубопроводу
водоугольному топливу.
Недостатком известного способа является то, что
он не позволяет увеличивать концентрацию твердой
фазы (угля) в топливе, а значит, не позволяет
увеличить его теплоту сгорания, которая прямо
пропорциональна содержанию угля в топливе.
Целью настоящего изобретения является
повышение эффективности и экономичности
способа подготовки водоугольного топлива для
сжигания в энергетической котельной установке за
счет смешивания водоугольной смеси с горячим
воздухом для сохранения седиментационной
устойчивости смеси (сохранения постоянной
концентрации угольной примесей по всему объему
топлива) и насыщения окислителям для повышения
теплоты сгорания водоугольного топлива,
направляемого на сжигание.
Эта цель достигается за счет того, что в
известном способе подготовки водоугольного
топлива к сжиганию в энергетической котельной
установке, включающем заполнение готовым
топливом конденсационного теплообменника для
предварительного подогрева продуктами сгорания,
подачу подогретого топлива к горелкам котла и
подачу образующихся продуктов сгорания,
насыщенных водяными парами, в золоуловитель, а
обеззоленных дымовых газов - в конденсационный
теплообменник для их охлаждения, в отличие от
прототипа, снизу конденсационного
теплообменника подается горячий воздух из
воздухоподогревателя котла (ВЗП) и перед
предварительным подогревом готового топлива
определяют эффективную вязкость μо, температуру
То и концентрацию угля Со готового водоугольного
топлива и задают значения максимальной
эффективной μ вязкости топлива, определяемого из
условия распыливания, максимальной температуры
Т и максимальной концентрации угля С в топливе,
направляемом на распыливание, водоугольным
топливом частично заполняют конденсационный
теплообменник с условием образования в верхней
части полости для паров воды и воздуха,
выделяемых из подогреваемого топлива, и в нижней
части - открытой поверхности, с которой проводят
испарение водной составляющей топлива путем
отвода трубопроводом из верхней части полости
паровоздушной смеси за счет образования
разряжения.
Знание величин эффективной вязкости,
температуры и концентрации угля в готовом
водоугольном топливе перед предварительным
подогревом и их максимальными значениями перед
подачей в горелки на распыливание и последующее
сжигание позволяет определить количество влаги
(воды), которое должно быть испарено из готового
топлива при его нагреве в конденсаторе-
теплообменнике, что позволяет увеличить его
теплоту сгорания перед подачей в горелки.
Горячий воздух, который подается снизу
конденсатора-теплообменника смешивает
водоугольное топлива за счет этого сохраняет
седиментационную устойчивость смеси (т.е.
сохраняет постоянную концентрацию угольной
примесей по всему объему топлива) и подогревает,
также топлива насыщается воздухом. В следствие
этого повышается эффективность сжигания
водоугольного топлива.
Наличие в конденсаторе-теплообменнике
открытой поверхности обеспечивает поступление
паровоздушной смеси с поверхности нагреваемого
водоугольного топлива в полость, расположенную в
верхней части конденсатора-теплообменника.
Поддержание в полости давления ниже
атмосферного обеспечивает отвод паровоздушной
смеси путем их откачки вакуумным насосом, что
позволяет поддерживать заданные значения
концентраций воды и угля в топливе, направляемом
в горелки.
Повышение эффективности и экономичности
способа достигается за счет того, что в
конденсационном теплообменнике продукты
сгорания охлаждаются ниже точки росы при
3. 29762
3
движении в теплообменных трубах, омываемых
водоугольным топливом, при этом одновременно
топливо нагревается горячим воздухом из ВЗП,
подаваемым с нижней части конденсатора-
теплообменника, часть водной составляющей
водоугольного топлива испаряется в виде
паровоздуной смеси которая отводится с помощью
вакуумного насоса. В результате этого процесса
повышается теплота сгорания водоугольного
топлива за счет того, что повышается массовая доля
твердой фазы и происходит насыщения с воздухом.
Сущность изобретения поясняется схемой
(фиг.1), на котором представлена система
подготовки водоугольного топлива к сжиганию в
энергетической котельной установке.
Система, реализующая предлагаемый способ,
подготовки водоугольного топлива к сжиганию в
энергетической котельной установке содержит
резервуар 1 готового водоугольного топлива,
соединенный трубопроводом 2 с насосом 3, с
конденсационным теплообменником 4.
Конденсационный теплообменник 4 соединен
трубопроводом 5 с насосом 6 и горелкой 7 для
сжигания водоугольного топлива в топке котла 8,
имеющего отводящий газоход 9 продуктов
сгорания, который соединен с золоуловителем 10 и
конденсационным теплообменником 4. Нижняя
часть конденсационного теплообменника 4
посредством трубопровода 11 соединена с
конденсатосборником 12, который посредством
трубопровода 13 подачи сконденсировавшейся воды
соединен с насосом 14 и нейтрализатором 15 на
слив. ВЗП котла 29 соединен трубопроводом 26
через вакуумный насос 27 с элементом 28
конденсационного теплообменника 4. Горячий
воздух подается через устройство 28 по
трубопроводу 26. Верхняя часть
конденсатосборника 12 трубопроводом 16 подачи
газообразной части продуктов сгорания соединена с
трубопроводом 18. В системе имеется байпасная
линия 18 подачи продуктов сгорания через
отводящий газоход 9 в дымосос. Верхняя часть
конденсационного теплообменника 4 соединена
трубопроводом 19 с каплеуловителем 17 и через
вакуумный насос 20 для подачи воздуха в топку с
горелкой 7. Конденсационный теплообменник 4
имеет в верхней части полость 21 для паров воды и
воздуха, а в нижней части полость 22 для
водоугольного топлива. Конденсационный
теплообменник 4 посредством трубопровода 23
связан с газоходом 9 продуктов сгорания котла 8.
Ниже уровня водоугольного топлива в
конденсационном теплообменнике 4 размещен
погружной насос 24, соединенный гибким шлангом
25 с трубопроводом 5.
Способ подготовки водоугольного топлива к
сжиганию в энергетической котельной установке
осуществляется следующим образом.
С помощью вискозиметра, влагомера и
термометра определяются значения эффективной
вязкости μо, концентрации угля Со и температуры То
готового топлива. Отметим, что концентрация угля
однозначно определяется влагосодержанием Wо по
формуле: Wо=(1-Cо). Исходя из заданных значений
эффективной вязкости μ и температуры Т топлива,
направляемого на горелки, по формуле
определяется значение концентрации угля C=1-W,
которое должно иметь это топливо. Здесь W -
влагосодержание топлива, направляемого на
горелки. При этом в расчете на единицу веса
поданного готового топлива, количество
испаренной воды должно составить:
вес испаренной воды/килограмм готового
топлива = (С - Со) / С (1)
Поступившее на сжигание из резервуара 1
готовое водоугольное топливо с помощью насоса 3
по трубопроводу 2 подают в нижнюю часть
конденсационного теплообменника 4, в котором оно
подогревается уходящими продуктами сгорания по
мере подъема до максимальной температуры Т,
достигаемой на открытой поверхности 22, с которой
испаряется часть водной составляющей топлива.
Горячий воздух из воздухоподогревателя котла 29
подается вакуумным насосом 27 по трубопроводом
26 на устройство 28 для подачи воздуха
расположенного на нижней части конденсатора-
теплообменника. После прохождения воздуха через
весь объем топлива малая часть воздуха остается на
топливе в виде пузырьков, а остальная часть,
образуя в верхней части 21 теплообменника 4
паровоздушную смесь с водяными парами топлива,
уходит по трубопроводу 19 за счет образования
разряжения на каплеуловитель 17 и оттуда с
вакуумным насосом 20 в горелку 7 котла 8.
Частично обезвоженное и насыщенная с
окислителем водоугольное топливо погружным
насосом 24 подают по гибкому шлангу 25 в
трубопровод 5 и, далее, с помощью насоса 6 - в
горелку 7 котла 8. Продукты сгорания, насыщенные
водяными парами, поступают в газоход 9, а затем в
золоуловитель 10. Обеззоленные дымовые газы по
трубопроводу 23 направляют в конденсационный
теплообменник 4, где они отдают свое физическое
тепло и тепло конденсации содержащихся в них
водяных паров при прохождении по
теплообменнику конденсационного теплообменника
4 окружающему водоугольному топливу.
После прохождения конденсационного
теплообменника 4 обеззоленные и частично
обезвоженные продукты сгорания по трубопроводу
11 поступают в конденсатосборник 12.
Сконденсировавшаяся вода собирается в нижней
части конденсатосборника 12, откуда по
трубопроводу 13 насосом 14 направляется через
нейтрализатор 15 на слив или использование в
технологических целях. Газообразная часть
продуктов сгорания по трубопроводу 16 поступает в
трубопровод 18 и далее дымососом направляется в
дымовую трубу. Для предотвращения возможного
выпадения конденсата в дымовой трубе возможно
частичное смещение этих газов с дымовыми газами
из газохода 9, подаваемыми по байпасной линии 18,
минуя конденсационный теплообменник 4.
Поступившее в нижнюю часть конденсационного
теплообменника 4 водоугольное топливо за счет
теплообмена с обеззоленными дымовыми газами и
4. 29762
4
горячим воздухом из ВЗП нагревается до
температуры 70-90°С в зависимости от заданного
режима. Далее проводят испарение водной
составляющей водоугольного топлива со свободной
открытой поверхности 22 путем откачки вакуумным
насосом 20 из полости 21 паровоздушной смеси,
выделяемых из подогреваемого топлива, и
поддержания давления в этой полости ниже
атмосферного, одновременно определяют долю
испарения водной составляющей по вышеуказанной
формуле (1).
Хотя в выбранном прототипе, так же как и в
заявленном способе, утилизируется тепло уходящих
продуктов сгорания, используемых для подогрева
водоугольного топлива и на испарение части его
водной составляющей, путем отвода паров воды
вакуумным насосом, в заявленном объекте
одновременно с утилизацией теплоты проводится
подогрев, насыщения и смешивание воздухом.
Дополнительное повышение эффективности в
заявленном объекте достигается также за счет того,
что в конденсационном теплообменнике
объединены процессы подогрева водоугольного
топлива, охлаждения дымовых газов ниже точки
росы, насыщения топлива с воздухом, смешивания
для сохранения седмитнтационной устойчивости и
испарения части водной составляющей топлива. За
счет подачи воздуха происходит ряд процессов,
которые увеличивают эффективность сжигания:
подогрев, испаряющий часть водной составляющей
водоугольного топлива; смешивание, для
поддержания постоянной концентрации угольной
примеси по всему объему топлива; насыщения
окислителям, для уменьшения химической
неполноты сгорания топлива.
Представленный способ подготовки
водоугольного топлива к сжиганию позволяет
контролировать его теплоту сгорания, эффективную
вязкость и температуру топлива, подаваемого в
горелки путем регулирования расхода продуктов
сгорания и воздуха, то есть количества тепла,
подаваемого в конденсационный теплообменник,
что определяет температуру подогрева и долю
испарения водоугольного топлива.
При этом относительное увеличение величины
теплоты сгорания (калорийности) топлива
определяется по формуле:
ΔJ/Jо=(J-Jо)/Jо=((Qc+Qи(С-Со))/(QcCо-(1-Cо)Qи) (2)
где J - теплота сгорания сжигаемого топлива; Jо -
теплота сгорания исходного топлива; Qc - теплота
сгорания сухого угля; Qи - теплота испарения воды.
Пример реализации заявляемого способа.
Из-за малой седиментационный устойчивости
вязкость водоугольного топлива верхней и нижней
части конденсационного теплообменника разные:
Δμ=μн-μв=1500-600=900 мПа·с
где μн - вязкость водоугольного топлива в
нижней части конденсационного теплообменника,
мПа·с; μв - вязкость водоугольного топлива в
верхней части конденсационного теплообменника,
мПа·с; Δμ - разность вязкостей.
При этом теплота сгорания топлива тоже
оказывается разным:
ΔQ=Qн-Qв=15,2-12,3=2,9 МДж/кг
где Qн, Qв - теплота сгорания топлива,
соответственно, в нижней и верхней части
конденсационного теплообменника, МДж/кг;
ΔQ - разность теплоты сгораний, МДж/кг.
При подачи в конденсационный теплообменник
предварительно подогретого воздух из ВЗП котла,
вязкость топлива меняется следующим образом:
Таблица
Способ Расход воздуха,
м3
/с
Разность вязкостей
Δμ, мПа·с
Разность теплоты сгораний
ΔQ, МДж/кг
Прототип 0 900 2,9
Пример 1 0,1V 660 2
Пример 2 0,2V 400 1,4
Пример 3 0,3V 230 0,7
Пример 4 0,4V 15 0
V - объем топлива в конденсационном
теплообменнике, м3
.
Как видно из таблицы 1 при большем количестве
воздуха Δμ уменьшается. Это приводит к
уменьшению ΔQ, что способствует увеличению
теплоты сгорания ВУТ без испарении излишка
влаги.
Стоит отметить, что при слишком большом
количестве воздуха в насосе 6 (фиг.1) может
появится кавитация. Из-за этого следует не
поднимать расход воздуха больше чем на 0,7V.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ подготовки водоугольного топлива к
сжиганию в энергетической котельной установке,
включающий заполнение готовым топливом
конденсационного теплообменника для
предварительного подогрева продуктами сгорания,
подачу подогретого топлива к горелкам котла и
подачу образующихся продуктов сгорания,
насыщенных водяными парами в золоуловитель, а
обеззоленных дымовых газов - в конденсационный
теплообменник для их охлаждения, отличающийся
тем, что производят смешивание, насыщения
окислителям и подогрев горячим воздухом
водоугольного топлива путем подачи воздуха из
воздухоподогревателя котла при помощи
вакуумного насоса и подогрев горячим воздухом
водоугольного топлива путем подачи воздуха из
ВЗП в нижнюю часть конденсационного
теплообменника.
