BG110642A

BG110642A - Vuzdoushno - strouyna gorelka s biomasen tsentur

Info

Publication number: BG110642A
Application number: BG10110642A
Authority: BG
Inventors: Albert Larue; John Monacelli
Original assignee: Babcock & Wilcox Power Generation Group, Inc.
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-10-31
Also published as: KR101600815B1; CN101881439B; TW201105907A; ZA201002947B; JP2010261707A; CN101881439A; CA2701967A1; US20100275824A1; AR076502A1; KR20100118954A; BRPI1001478A2; AU2010201710A8; PL2249081T3; CO6330169A1; MX2010004681A; AU2010201710A1; NZ596441A; EP2249081A1; CL2010000425A1; EP2249081B1

Abstract

Gorivna aparatoura, pozvolyavashta izgaryane na biomasno gorivo, vklyuchvashta gorelkov vuzel, sudurzhasht biomasna dyuza, kontsentrichno obgradena ot aktivna vuzdoushna zona i razprostirashta se aksialno po dulzhinata na aktivnata vuzdoushna zona, kato gorelkoviyat vuzel e razpolozhen v zavihryashta kamera, a zavihryashtata kamera e s vuzmozhnost za svurzvane kum pesht na kotel. Gorelkoviyat vuzel e s vuzmozhnost za svurzvane kum peshtta chrez gorelkovo gurlo, prez koeto se dostavyat vuzdouh i gorivo za gorelkoviya vuzel i se vkarvat v peshtta.

Description

Област на техниката [0001] Настоящето изобретение се отнася главно до областта на индустриална горелкова апаратура за осъществяване на горивни функции при енергийно производство.

[0002] Използваният тук термин биомаса описва широка гама от органични вещества,

получени от различен живот, или доскоро живи организми, като треви и изделия от дърво. Източници на биомаса включват дървета, шубраци, храсти, остатъчна растителност от събиране на реколта, зърно и зеленчуци. Биомасата е често растителна маса, събрана за генериране на електрическа енергия или производство на топлинна енергия. Биомасата може също да включва биоразградими отпадъци от органичен произход, които могат да бъдат изгорени като гориво.

[0003] Биомасата се различава от изкопаемите горива, които са въглеводороди и се намират в горния слой на земната кора. Типични примери на изкопаеми горива включват въглища и петрол. За разлика от изкопаемите горива, горива от биомаса се смятат обикновено за СО2 неутрални и възобновяеми източници, тъй като СО2, генериран от горене на биомаса може да бъде отстранен от атмосферата чрез растенията, които предоставят биомаса.

[0004] Тъй като физическите свойства и химическия състав на биомасата се различава съществено от тази на въглищата, горива от биомаса за производство на енергия в миналото са били използвани като основно или спомагателно гориво в проточните котли. Тези котли не разчитат на горелки, което позволява значително повече време при горене в пещ и следователно имат занижени изисквания за подготовка на горивото. [0005] Глобалното затопляне, свързано с парниковите газови емисии увеличава интересът към разработване на нови технологии, за да се позволи широко използване на възобновяеми източници за производство на енергия. Една от областите на такъв интерес е използването на горива от биомаса в горивна суспензия, където за кратко време в пещта се изисква фино раздробяване за ефективно изгаряне.

[0006] Разтрошени въглища за отопление е основното средство за отоплителната суспензия в производството на електроенергия. В първата стъпка въглища са механично разтрошени на фини прахови частици. Частиците след това са подведени през суспензия в основен въздушен поток към горелка, където горелката избутва въздуха/горивната смес в пещ за горене. Времето за пребиваване е предвидено от 1 до секунди, което обикновено е достатъчно за пълно разпрашаване на горивните въглища с правилно оразмеряване на частиците.

[0007] Отоплението с биомаса в котли, използващи разпратени въглища за отопление е

все по-разпространено като част от стратегията за намаляване на парниковите газове. За да се осъществи тази стратегия е необходимо разработването на горелка, способна ефективно да използва горива от биомаса в горивна суспензия.

[0008] Отоплителни горива от биомаса са изправени пред много технически предизвикателства. В сравнение с битумни въглища, горива от биомаса имат значително по-ниски стойности за отопление и по-висока концентрация на летливи вещества. Отоплителната стойност е обратно пропорционална на съдържанието на влага, така че тя се равнява на 25% на 75% от тази на типични битумни въглища. Биомасната влага често ще бъде намалявана преди запалването за осъществяване третиране на материала и за подобряване ефективността на процеса. Независимо от това, изгаряне на биомаса вместо въглища изисква значително повече горивна маса за постигане на сравнително добра топлина. Освен това, докато високо летлив вид биомаса осъществява лесно запалване на горивото, то високото съдържание на влага може да забави запалването. Закъснение при запалване е особено нежелано в суспензия за горене.

[0009] Друго притеснение с горива от биомаса е ако тази биомаса не се обработва до същите размери, както прахообразни въглища. Опитът показва, че успешно суспендиране на гориво може да се постигне с дървени частици с размер 0.0625 инча, наподобяващи горния размер за прахообразни въглища от 0.012 инча. Обема на частицата варира в зависимост от диаметъра на кубчета, като по този начин дървените частици са около 150 пъти по-малки от обема на по-големите частици въглища, използвани за суспендиране на гориво. По-големият обем на биомасата по този начин изисква бързо запалване и бързо горене, способстващи за използването на биомаса в пещи, проектирани за прахообразни въглища за гориво.

[0010] Известна техника за използване на биомаса при суспендиране на гориво е комбинирано изгаряне на биомаса. При тази техника биомасна частица е комбинирана с прахообразни въглища и първичен въздух в единичен поток. Общият поток се вкарва след това в пещта. Тази техника обаче е с ограничена практичност, поради факта, че получената скорост на дюзата на горелката е необходима за поддържане на два вида частици при суспендиране. Прекомерно голяма скорост на дюзата на горелката се получава при неустойчив пламък, забавяне на запалването, и бедни горивни характеристики.

[0011] Така че остава необходимостта от разработване на средства за ефикасна и ефективна алтернатива за изгаряне на въглища за енергийно производство и средства, които позволяват широко разпространеното изгаряне на въглеродно неутрално гориво за приложения в енергийно производство.

Техническа същност на изобретението [0012] Изпълненията на настоящето изобретение предоставят нов апарат за горене. Поконкретно, изпълненията на настоящото изобретение осигуряват апарат за горене, способен да изгаря гориво от биомаса и редуващо се между биомаса и въглища за горене, ако е необходимо, и / или изгаряне на комбинация от въглища и горива от биомаса едновременно.

[0013] Изпълненията на настоящето изобретение обхващат потенциалните възможности на горелките от предшестващото състояние. US патент 7 430 970 е

включен тук чрез позоваване.

[0014] Настоящето изобретение представлява подобрение на горелките от предшестващото състояние, като предоставя ново устройство за изгаряне на сменяеми горива, но не ограничаващи се до биомаса.

[0015] Изпълненията на настоящето изобретение предлагат по-добър метод и апарат за комбинирано изгаряне на биомаса заедно с прахообразни въглища.

[0016] Горивна апаратура, с възможност за изгаряне на гориво от биомаса, включваща горелков възел, който съдържа биомасна дюза, концентрично заобиколена от активна въздушна зона и разпростираща се аксиално по дължината на активната въздушна зона, като горелковия възел е поместен в завихряща камера, а завихрящата камера е свързана към пещ на котел, и горелковият възел е с възможност за свързване към пещта чрез гърло, през което въздух и гориво, доставени за горелковия възел са съединени в пещта. [0017] В изпълненията на настоящото изобретение, апаратът включва охлаждащ вентилатор, осигуряващ първи приток на въздух към завихрящата камера, активен канал за въздух, обхващащ активната въздушна зона за получаване на основна част от първия приток на въздух, като активният канал за въздух има активен регулатор за регулиране на влизащата активна част в активния канал за въздух, активна дюза за доставяне на споменатата активна част към споменатото гърло на горелката, коляно на горелка за получаване на прахообразни въглища и втори приток на въздух, преминаващ през дюза за прахообразни въглища в тясно пръстеновидно пространство, оформено между активната дюза и дюзата за въглища, като активната част служи за ускоряване запалването на прахообразни въглища чрез свързване с вътрешен цилиндър за струя въглища, напускаща дюзата за въглища, а активната част също служи за ускоряване на горенето.

[0018] Различните нови признаци, които характеризират изобретението са посочени подробно в приложените претенции за оформяне на това разкритие. За по-добро разбиране на изобретението, неговите предимства и специфични обекти са постигнати чрез неговите приложения, позовавайки се на приложените чертежи и описание, където е показан предпочитан вариант на изобретението.

Кратко описание на чертежите [0019] На чертежите:

[0020] Фигура 1 е схематичен разрез на изпълнение на настоящото изобретение; [0021] Фигура 2 е схематичен разрез на вариантно изпълнение на настоящото изобретение;

[0022] Фигура 3 е схематичен разрез на вариантно изпълнение на настоящото изобретение;

[0023] Фигура 4 представлява схематично напречно сечение на изпълнение на настоящото изобретение, което идентифицира концентрични зони на настоящото изобретение.

Описание на предпочитано вариантно изпълнение [0024] Позовавайки се на фигурите, в които еднакви обозначения определят едни и същи или функционално подобни елементи на няколко фигури, като фиг. 1 показва горелковия възел 1, поместен в завихряща камера 2, която е съединена към пещ 3 на котел (не показан). Вторичен въздух 22 е предоставен към завихрящата камера 2 от охлаждащ вентилатор (не показан) и се нагрява от въздушен подгревател (не показан). Горелковият възел 1 е свързан към пещта 3 чрез горелково гърло 4, през което се подава въздух и гориво за горелковия възел 1, изпускани в пещта 3. Част от вторичния въздух 22 представлява активен въздух 5. Активният въздух 5 влиза в активна тръба за въздух 6 и се регулира от активен регулатор на въздух 7. Активният въздух 5 продължава през горелковия възел 1, през активна дюза 8 и излиза през горелковото гърло 4.

[0025] Вторичен въздух 22 също е предоставен към горелковия възел (обозначен като вторичен въздух към горелковия възел 9). Вторичния въздух 22 влиза в горелковия възел 1 и преминава на паралелни поточни части на вътрешната въздушна зона 10 и външната въздушна зона 11. Завихрящи крила в тези зони служат за завъртане на вторичния въздух 22, за да подпомогнат запалването и изгарянето на вторичния въздух 22, който е в съприкосновение с разпратения поток въглища. Въздушно сепариращо крило 12 на изхода на външната зона 11 спомага за увеличаване размера на вътрешна рециркулационна зона (ВРЗ), оформена в резултат на аеродинамика. Разпратени въглища и основен въздух 13 влизат в коляно на горелка 14 и продължават през дюза за въглища 15 в тясно пръстеновидно пространство, оформено между активната дюза 8 и дюзата за въглища 15. Активният въздух 5 служи за ускоряване на запалването на прахообразни въглища чрез свързване вътрешния цилиндър за струята въглища (не показан), напускащ дюзата за въглища 15; и служи за ускоряване на горенето чрез духащ ефект доставящ въздух в центъра на пламъка. US 7 430 970 дава подробно разяснение за ускореното запалване, приложено към активния въздух.

[0026] Горелковият възел 1, съгласно изпълненията на настоящото изобретение може да бъде използван в комбинация със система за подаване на въздух над зоната на горене (не показана). Част от вторичния въздух 22, предоставен към пещта за изгаряне, е предоставен към системата за подаване на въздух над зоната на горене, така че общото количество въздух, предоставено към горелковия възел 1 е по-малко от теоретично необходимия въздух. Това води до разреждане на средата в пещта, преди системата за подаване на въздух над зоната на горене да е захранена. Ускореното изгаряне, високата температура на пламъка, и по-големи IRZ, всички те служат за поефективно намаляване на NOx.

(0027] В изпълненията на настоящето изобретение, биомаса може да бъде приготвена за суспензионно запалване, използвано при дробилки, мелници и други подобни (не показани), събрани и регулиращи процентното захранване чрез винтов захранващ механизъм или еквивалентно устройство (не показано) и пневматично пренесени до горелковия възел 1 през подходящ тръбопровод. Тръбопроводът доставя биомаса и транспортира въздух 16 през коляното 14, чийто изход е разположен в оста на горелковия възел 1.

[0028] В някои изпълнения може да се използва редуциращ вентил 17 за намаляване площта на напречното сечение на биомасната дюза 18, като дюзата е напречна на горелковото коляно 14 и продължава през активния въздушен канал 16. Редуциращият вентил 17 служи за намаляване задръстването на потока, като биомасната дюза 18 се разпростира през дължината на горелковия възел 1. Близо до пещта горелковия възел 1 завършва, като диаметърът на върха на биомасната дюза 19 може да бъде разширен, както е показано (Фигура 1.) за намаляване на биомасната изходна скорост при оптимална стойност за изгаряне. В някои изпълнения тази изходна скорост е между около 2500 фута / мин и около 5000 фута / мин, и за предпочитане между около 3000 фута / мин и 4000 фута / мин.

[0029] В следващ вариант, активен въздух 5 обкръжава върхът на биомасната дюза 19 и служи за ускоряване запалването на биомасата, тъй като той влиза в горелковото гърло 4 и доставя въздух за захранване на горенето, като биомасата продължава в пещта. Горещият вторичен вътрешен въздух, който обгражда биомасната дюза осигурява топлина, за да може допълнително влагата да се отстрани от биомасното

гориво, като същевременно доставя гориво с оксидант, за да се улесни запалването и изгарянето. Това решава проблема, свързан с забавеното запалване и горене, характерен за изгарянето на биомаса в горелките от предшестващото състояние. Активен въздушен регулатор 7 е настроен да доставя активен въздух 5 в такова количество, така че да се сведат до минимум емисиите на азотни окиси NOx при изгаряне на биомаса в съчетание с прахообразни въглища. При случаите, когато биомасата не е в състояние да гори, системата за захранване на биомаса (не показана), която обслужва горелковия възел 1 се затваря, като се затваря и вентил 23. След това вентил 21 се отваря и се регулира в комбинация с активния регулатор 7 за доставяне на оптимално количество активен въздух 5, необходимо за намаляване на NOx, когато изгарят въглища. Когато биомасата трябва да се запали, вентил 21 се затваря и вентил 23 се отваря за пропускане на биомаса и пренасяне на въздух 16.

[0030] Позовавайки се на фиг. 4, на която е изобразено напречно сечение на горелковия възел 1 от настоящето изобретение, се виждат обособени пет отделни зони на горелковия възел 1. Биомасна зона 32, определена от биомасна дюза 18 е концентрично обградена от активна въздушна зона 44, оформяща пространството между биомасната дюза и активната дюза 8. Дюза за въглища 15 концентрично обгражда активната дюза 8, определяща първа пръстеновидна зона 47, където преминават разпратени въглища и първичен въздух 13. Цилиндър 42 концентрично обгражда дюзата за въглища 15 и

определя вътрешната въздушна зона 10, която е вътрешна за цилиндъра 42 и външна въздушна зона 11, която е външна за цилиндъра 42.

[0031] Макар, че е показан предпочитан вариант, то алтернативни изпълнения също са осъществими без да се излиза от обхвата на настоящето изобретение.

[0032] Едно алтернативно изпълнение включва права тръба без редуциращ вентил 17 (фиг. 2), и / или без разширяване към пещта на края на биомасната дюза 18. В това изпълнение също е показано като алтернатива по-къса или прекъсната биомасна дюза 18, като върхът на биомасната дюза 19 свършва в активната дюза 8 в близост до активния въздушен канал 6. Това изпълнение осигурява допълнително предимство за подгряване и предварително смесване на биомасата с активния въздух, като по този начин се добавя допълнително влага, извлечена от биомасното гориво.

[0033] Намалена конусна част може да се използва при изхода на биомасната дюза 18 (фигура 3) за ускоряване на биомасното гориво, като влизайки в пещта 3 да предотвратява връщането в биомасната дюза 18. Макар, че биомасната дюза 18 е илюстрирана на фигурите като дюза с отворен край, тя може лесно да бъде оборудвана с дефлектори или завихрители, разположени близо до изхода за увеличаване степента на смесване на биомасата с активния въздух.

[0034] В други варианти могат да бъдат включени регулиращи средства за подпомагане незначителното предно/ задно настройване в крайната позиция на биомасната дюза 18 спрямо активната тръба за осъществяване по-нататъшно оптимизиране на изгарянето. Макар, че биомасната дюза 18 е показана наравно с края на активната тръба на фигура 1, тя може да бъде разположен малко по-назад или напред. В някои варианти може да се използва вентил 21 за пропускане на малко количество въздух или горещ вторичен въздух или ненагрят въздух, за да бъде добавен въздух във вътрешността на пламъка, докато гори биомасата. Целта на това е да се уголеми стехиометричния център за найниската NOx (като алтернатива за увеличаване на количеството на транспортирания въздух).

[0035] Изпълненията на настоящото изобретение предоставят редица предимства. Въздушно струйната горелка с биомасно съвместно запалване, съгласно изпълненията на настоящето изобретение осигурява нова, по-добра структура и дава възможност за по-добър метод за горене на биомасни горива.

[0036] Голямата активна зона, приемаща биомасната дюза, без да се променя размера на горелката, спестява инженерни и производствени разходи, които обикновено са свързани с изграждане на горелки с различни размери за приспособяване към биомасно горене.

[0037] Голямата биомасна дюза позволява горене на по-голямо количество на биомаса в подбрани горелки така, че по-малко горелки са необходими за захранване на горивна биомаса. Биомасното горене е в размер до 40% от мощността горелка, позволяваща котелно биомасно изгаряне в размер на 20%, когато се използват само половината горелки.

[0038] Доставките на биомасно гориво често варират в зависимост от сезона, така че биомасно горене не може да се извършва непрекъснато. В алтернативен вариант биомасната дюза може да бъде захранена с вторичен въздух, когато не гори биомаса така, че и биомасната дюза 18 и активната дюза 8 осигуряват комбинирана активна въздушна струя за изгарянето на прахообразни въглища.

[0039] Също така, преноса на въздух с биомаса съдейства на предпочитания стехиометричен център на горелката при изгаряне на биомаса в комбинация с въглища. При този случай въглищният поток е редуциран така, че по-високото съотношение РА/РС е предоставено към горелката. То е увеличено с преноса на въздух от биомаса за снабдяване на стехиометричния център с много ниски емисии на NOx.

[0040] Освен това разполагането на биомасна дюза в активната зона осигурява

източник на горещ вторичен въздух за запалване и захранване изгарянето на биомасното гориво, и предотвратява забавеното запалване от предшестващото състояние, както и захранва горене на съвместно запалено биомасно гориво.

[0041] Макар, че е показано специфично изпълнение на настоящето изобретение и описано подробно, за да илюстрира прилагането на принципите на изобретението, трябва да се разбира, че изобретението може да има друго изпълнение, без да нарушава тези принципи.

Claims

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

1. Горивна апаратура, способна да гори гориво от биомаса, съдържаща:

горелков възел, състоящ се от биомасна дюза, концентрично заобиколена от активна въздушна зона и разпростираща се по дължината на споменатата активна въздушна зона, като споменатият горелков възел е разположен в завихряща камера, а споменатата завихряща камера е свързана към пещта на котела, при което споменатият горелков възел е с възможност за свързване към споменатата пещ чрез горелково гърло, през което се доставят въздух и гориво за горелковия възел, вкарвани в пещта;

силов вентилатор, осигуряващ първо снабдяване на въздух към споменатата завихряща камера;

активен канал на въздуха, обхващат споменатата активна въздушна зона, за получаване на основна част от споменатата първа доставка на въздух, като активният канал за въздух има активен регулатор за регулиране на споменатата активна част, влизаща в активния канал за въздух;

активна дюза за приемане на споменатата активна част от споменатия активен канал за въздух, като споменатата активна дюза доставя споменатата активна част към гърлото на горелката;

горелково коляно за приемане на прахообразни въглища и втора доставка на въздух; споменатите прахообразни въглища и споменатата втора доставка на въздух продължават през дюза за въглища, в тясно пръстеновидно пространство, оформено между споменатата активна дюза и споменатата дюза за въглища, като споменатата активна част служи за ускоряване на запалването на прахообразните въглища чрез свързване с вътрешен цилиндър на жигльор за въглища, напускащ споменатата дюза за въглища; като споменатата активна част също така служи за ускоряване на горенето.
2. Горивна апаратура съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че споменатия горелков възел работи в комбинация със система за подаване на въздух над зоната на горене.
3. Горивна апаратура съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че допълнително включва регулатор за намаляване сечението на споменатата биомасна дюза.
4. Горивна апаратура съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че освен това съдържа намаляваща конусна част, поставена при изхода на биомасната дюза за ускоряване на биомасното гориво, като споменатото биомасно гориво влиза в пещта и е предотвратено връщането му в споменатата биомасна дюза.
5. Горивна апаратура съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че освен това съдържа поне един отражател, който е разположен в близост до изхода на биомасната дюза за увеличаване степента на смесване на споменатото биомасно гориво с активната част.
6. Горивна апаратура съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че освен това съдържа поне един завихрител, който е разположен в близост до изхода на биомасната дюза за увеличаване степента на смесване на споменатото биомасно гориво с активната част.
7. Горивна апаратура съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че първата доставка на въздух е нагрята чрез въздушен подгревател.
8. Метод за използване на горивна апаратура съгласно претенция 1, включващ осигуряване на първи вентил и втори вентил, при което когато биомаса не е доставена споменатия първи вентил е затворен, а споменатия втори вентил е отворен и регулира със споменатия активен регулатор захранването на необходимото количество от споменатата активна порция, а когато биомаса е доставена споменатия втори клапан е затворен, а споменатия първи клапан е отворен за пропускане на биомаса и пренасяне на въздух.
9. Въздушно-струйна горелка с биомасен център, включваща биомасна тръба, определяща биомасна зона, където аксиална тръба концентрично обгражда биомасната тръба и там е определена аксиална зона между тях, а пръстеновидна тръба концентрично обгражда аксиалната тръба и там е определена първа пръстеновидна зона между тях, при което цилиндър концентрично обгражда пръстеновидната тръба и там е определена втората пръстеновидна зона между тях, а стена на горелката концентрично огражда цилиндъра и там е определена третата пръстеновидна зона между тях, като активен въздушен канал е радиално поместен между аксиалната тръба и пръстеновидната тръба, при което активният въздушен канал осигурява комуникация на флуид между аксиалната зона и завихрящатата камера, и средства за подобряване разпрашаването на въглища, падащи около част от захранващия канал, поместен в първата пръстеновидна зона.
10. Горелка, съгласно претенция 9, характеризираща се с това, че биомасната тръба има дюза със заострен край, който завършва в аксиалната тръба и преди активния въздушен канал.
11. Горелка, съгласно претенция 9, характеризираща се с това, че биомасната тръба има дюза със заострен край, който завършва вътре в горелката и надолу по активния въздушен канал.
12. Горелка, съгласно претенция 11, характеризираща се с това, че заострения край на биомасната дюза се разширява радиално вътре в горелката.
13. Горелка, съгласно претенция 11, характеризираща се с това, че заострения край на биомасната дюза се стеснява радиално вътре в горелката.
14. Горелка, съгласно претенция 11, характеризираща се с това, че биомасната тръба освен това съдържа вентил за вливане.
15. Горелка, съгласно претенция 14, характеризираща се с това, че биомасната дюза е надлъжно регулируема по дължината на горелката.
16. Горелка, съгласно претенция 15, характеризираща се с това, че първата пръстеновидна зона съдържа устройство за подобряване на потока.
17. Горелка, съгласно претенция 16, характеризираща се с това, че биомасната тръба освен това съдържа редуциращ вентил надолу по вентила за вливане.
18. Горелка, съгласно претенция 11, характеризираща се с това, че освен това съдържа средства за снабдяване на първата пръстеновидна зона с прахообразни въглища и разделящи средства за снабдяване на биомасната тръба с биомасно гориво.
19. Горелка, съгласно претенция 17, характеризираща се с това, че освен това съдържа средства за снабдяване на първата пръстеновидна зона с прахообразни въглища и разделящи средства за снабдяване на биомасната тръба с биомасно гориво.
20. Горелка, съгласно претенция 11, характеризираща се с това, че освен това съдържа крило във втората пръстеновидна зона, крило в третата пръстеновидна зона, при което втората пръстеновидна зона и третата пръстеновидна зона са свързани посредством флуид с завихрящатата камера.