PL215549B1 - Sposób oraz palnik do spalania pyłu węglowego w kotle energetycznym, w utleniającym czynniku gazowym - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób oraz palnik do spalania pyłu węglowego w kotle energetycznym w utleniającym czynniku gazowym, pozwalający na intensyfikację procesu spalania, zmniejszenie emisji do atmosfery ditlenków węgla CO2, tlenków azotu NOx oraz zapobiegający powstawaniu szkodliwych zjawisk towarzyszących procesom spalania jak żużlowanie pasa palnikowego.

Stwierdzone zostało, że zastąpienie podczas spalania pyłu węglowego w kotłach energetycznych powietrza zawierającego azot N2, utleniającym czynnikiem gazowym w postaci tlenu lub mieszaniny tlenu z ditlenkiem węgla O2/CO2, zmniejsza możliwość wytwarzania w procesie spalania, tlenków azotu NOx poza tym ułatwia w znacznym stopniu usuwanie ditlenku CO2 zawartego w użytej mieszance, poprzez usuwanie ditlenku węgla innymi prostszymi metodami na etapie poprzedzającym ich emisję do atmosfery.

Znane są różne sposoby spalania pyłu węglowego i rozwiązania konstrukcyjne palników kotła energetycznego do spalania pyłu węglowego, w utleniającym czynniku gazowym. W większości rozwiązania dotyczą sposobów i konstrukcji doprowadzania tlenu lub czynnika utleniającego do palników kotła energetycznego. I tak opisane w opisie patentowym USA Nr PCT/US2003/021274 rozwiązanie konstrukcyjne palnika charakteryzuje się doprowadzeniem czystego tlenu centralną rurą usytuowaną w osi palnika a w innym amerykańskim rozwiązaniu przedstawionym w opisie patentowym USA Nr 5358222 czynnik utleniający doprowadzony jest dyszami rozmieszczonymi wzdłuż obwodu palnika. Opisany palnik wymaga zastosowania dwu typu mieszanek utleniających o różnych zawartościach tlenu O2 i ditlenku węgla CO2 uformowanych w dwa niezależne strumienie.

Znany jest ponadto z polskiego opisu patentowego wynalazku Nr 200214 firmy francuskiej L'AIR LIQUIDE SOCIETE ANONYME A DIRECTOIRE ET CONSEIL DE SURVEILLANCE POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATIONDES PROCEDES, sposób spalania charakteryzujący się oddzielnymi wtryskami paliwa i utleniacza, w którym paliwo i utleniacz wtryskiwane są w odmienny sposób. Utleniacz jest dzielony na dwie różne części, na utleniacz pomocniczy, który służy do etapowania płomienia i na utleniacz główny rozdzielony na dwa różne wtryski, jeden, szybko mieszający się z paliwem i drugi wolno mieszający się z paliwem. Wtryski utleniacza głównego i utleniacza pomocniczego są oddzielone od siebie niewielkim przedziałem czasowym. Opisane rozwiązania nie zawierają propozycji regulacji lub wpływania na temperaturę płomienia palnika, co przy wysokich koncentracjach tlenu towarzyszących opisanym sposobom spalania pyłu węglowego i konstrukcjom palników, prowadzi do powstawania w kotle energetycznym lokalnych stref wysokich temperatur około 2000°C, w obszarze instalacji palników a w konsekwencji do żużlowania pasa palnikowego i uszkodzenia kotła energetycznego.

Istota sposobu spalania pyłu węglowego w kotle energetycznym w utleniającym czynniku gazowym, wykorzystującego wprowadzane osobno niezależnie do palnika pyłu węglowego, strumienie pyłomieszaniny oraz strumienie utleniającego czynnika gazowego, według wynalazku polega na tym, że pyłomieszanina węglowa wprowadzona do części napływowej dyszy pyłowej głównej palnika po zmianie koncentracji pyłu przy pomocy osadzonego w niej osiowo łopatkowego koncentratora pyłu węglowego jest podzielona w łopatkowym separatorze pyłu węglowego wyposażonym w końcowej części w dyfuzor wewnętrzny osadzonym w części wylotowej dyszy pyłowej głównej, na strumień główny w ilości około 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej, transportowany wzdłuż wewnętrznej powierzchni ściany dyszy pyłowej głównej oraz na strumień pomocniczy w ilości około 10% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej, transportowany wzdłuż osi poziomej palnika, po czym strumień główny w ilości około 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej po zawirowaniu w zawirowaczu łopatkowym zamocowanym trwale między łopatkowym separatorem pyłu węglowego a wewnętrzną powierzchnią ściany dyszy pyłowej głównej wprowadza się do komory spalania, na zewnątrz dyfuzora wewnętrznego a niezawirowany strumień pomocniczy w ilości około 10% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej wprowadza się do komory spalania w osi poziomej palnika dodatkową dyszą pyłową osadzoną koncentrycznie w łopatkowym separatorze pyłu węglowego. Jednocześnie czynnik gazowy utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/SR doprowadza się do wlotów wzajemnie koncentrycznych, rury zewnętrznej i rury wewnętrznej dwuprzewodowego kanału doprowadzającego gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/SR, połączonego trwale poziomo, wzdłużnie z zewnętrzną powierzchnią ściany dyszy pyłowej głównej a następnie w zależności od udziału molowego tlenu w mieszaninie tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/SR, gazowy czynnik utleniający przesyła się rurą zewnętrzną i/lub rurą wewnętrzną dwuprzePL 215 549 B1 wodowego kanału doprowadzającego (6) gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR wybieraną przy pomocy automatycznego sterowania klapami odcinającymi umieszczonymi na wylotach rury zewnętrznej i rury wewnętrznej dwuprzewodowego kanału doprowadzającego gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/SR a po zawirowaniu przy pomocy korzystnie osiowego pierwszego zawirowacza osadzonego na wylocie rury zewnętrznej oraz korzystnie osiowego drugiego zawirowacza osadzonego na wylocie rury wewnętrznej dwuprzewodowego kanału doprowadzającego gazowy czynnik utleniający zawirowany gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny spaliny recyrkulacyjne odchylony w dyfuzorze zewnętrznym wprowadza się do komory paleniskowej kotła energetycznego.

Istota palnika pyłowego kotła energetycznego do spalania pyłu węglowego w utleniającym czynniku gazowym, zawierającego dyszę pyłową doprowadzającą pyłomieszaninę węglową, separator pyłu węglowego, koncentrator pyłu węglowego, dyfuzor, dyszę doprowadzającą gazowy czynnik utleniający według wynalazku polega na tym, że w części napływowej dyszy pyłowej głównej palnika osadzony jest osiowo łopatkowy koncentrator pyłu węglowego a w części wylotowej dyszy pyłowej głównej palnika jest osadzony osiowo, łopatkowy separator pyłu węglowego wyposażony w swej końcowej części w dyfuzor wewnętrzny dzielący pyłomieszaninę na strumień główny w ilości około 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej oraz na strumień pomocniczy w ilości około 10% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej, w którym osadzona jest koncentrycznie dodatkowa dysza pyłowa strumienia pomocniczego w ilości około 10% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej, przy czym między łopatkowym separatorem pyłu węglowego a wewnętrzną powierzchnią ściany dyszy pyłowej głównej jest osadzony zawirowywacz łopatkowy strumienia głównego w ilości około 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej a do zewnętrznej powierzchni ściany dyszy pyłowej głównej jest zamocowany trwale usytuowany poziomo, wzdłużnie, dwuprzewodowy kanał doprowadzający gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/SR wyposażony na wylocie w dyfuzor zewnętrzny, który stanowią wzajemnie koncentryczne rura zewnętrzna oraz rura wewnętrzna, przy czym wyloty rury zewnętrznej oraz wlot rury wewnętrznej dwuprzewodowego kanału doprowadzającego gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/SR, są wyposażone w automatycznie sterowane klapy odcinające wybierane w zależności od udziału molowego tlenu w mieszaninie tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/CO2 a na wylotach rury zewnętrznej oraz rury wewnętrznej dwuprzewodowego kanału doprowadzającego gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/SR są zamocowane zawirowacze korzystnie osiowy pierwszy zawirowacz na wylocie rury zewnętrznej oraz drugi korzystnie osiowy zawirowywacz na wylocie rury wewnętrznej dwuprzewodowego kanału doprowadzającego gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/SR.

Zastosowany według wynalazku podział pyłomieszaniny na strumień główny pyłomieszaniny i strumień dodatkowy pyłomieszaniny o zróżnicowanej koncentracji pyłu węglowego wprowadzanych osobno do komory spalania poprawia stabilizację spalania pyłu węglowego oraz pozwala na uzyskanie niższej o około 300°C temperatury płomienia palników, co zmniejsza ryzyko żużlowania ścian kotła energetycznego w pasie palnikowym.

Wynalazek został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schematycznie przekrój poziomy palnika do spalania pyłu węglowego w gazowym czynniku utleniającym z zaznaczonymi przepływami pyłomieszaniny oraz gazowego czynnika utleniającego.

Sposób spalania pyłu węglowego w kotle energetycznym w gazowym czynniku utleniającym jest realizowany przy użyciu, jako gazowego czynnika utleniającego mieszaniny tlenu i spalin recyrkulacyjnych O2/SR o niskiej temperaturze 150°-200°C pobieranych zza elektrofiltru kotła energetycznego.

Pyłomieszaninę węglową wprowadza się według wynalazku do dyszy pyłowej głównej 3 palnika gdzie dzięki działaniu osadzonego osiowo w części napływowej dyszy pyłowej głowicy 3 łopatkowego koncentratora 4 pyłu węglowego, następuje koncentracja pyłu węglowego wzdłuż wewnętrznej powierzchni ściany dyszy pyłowej głównej 3 w wyniku, czego strumień główny S_g w ilości przykładowo 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej oraz strumień pomocniczy S_p w ilości 10% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej. Strumień główny S_g w ilości 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej jest transportowany wzdłuż wewnętrznej powierzchni ściany dyszy pyłowej głównej 3 do wylotu palnika. Natomiast strumień pomocniczy S_p w ilości 10% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej jest transportowany do wylotu palnika w osi poziomej O dyszą pyłową do4

PL 215 549 B1 datkową 9 osadzoną koncentrycznie w łopatkowym separatorze 5 pyłu węglowego. Strumień główny S_g w ilości 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej jest następnie zawirowany na wylocie z palnika w zawirowaczu łopatkowym 10 oraz odchylony na zewnętrzną stronę od osi poziomej O palnika przez dyfuzor wewnętrzny 8 osadzony na końcu łopatkowego separatora 5 pyłu węglowego, co wytwarza podciśnienie prowadzące do powstania strefy recyrkulacyjnej bezpośrednio za wylotem palnika. Wzdłuż zewnętrznej powierzchni ściany dyszy pyłowej głównej 3 jest zamocowany poziomo, wzdłużnie na części długości ściany przykładowo na 3/4 długości, dwuprzewodowy kanał doprowadzający 6 gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR zawierający wzajemnie koncentryczne, rurę zewnętrzną 1 i rurę wewnętrzną 2. W zależności od udziału molowego tlenu w mieszaninie tlen/spaliny O₂/SR mieszanina tlenu/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR jest przesyłana rurą zewnętrzną 1 lub obiema rurami zewnętrzną 1 i wewnętrzną 2 kanału dwuprzewodowego doprowadzającego 6 mieszaninę tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR i po zawirowaniu w osadzonych na wylotach rur 1 i 2, osiowych zawirowywaczach, odpowiednio w osiowym zawirowaczu 11 i w osiowym zawirowaczu 12 mieszanina utleniająca tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR jest wprowadzona do komory spalania kotła energetycznego.

Palnik do spalania pyłu węglowego w gazowym czynniku utleniającym posiada według wynalazku dyszę pyłową główną 3, która jest wyposażona w części napływowej, w osadzony w niej osiowo, symetrycznie łopatkowy koncentrator 4 pyłu węglowego a w części wylotowej w usytuowany w niej symetrycznie, osiowo, łopatkowy separator 5 pyłu węglowego, wewnątrz którego jest osadzona symetrycznie, osiowo, dodatkowa dysza pyłowa 9 strumienia pomocniczego S_p w ilości 10% przepływu masowego, pyłomieszaniny węglowej. Na końcu łopatkowego separatora 5 pyłu węglowego jest zamocowany trwale dyfuzor wewnętrzny 8. W części wylotowej dyszy pyłowej głównej 3 między płaszczyzną wewnętrzną ściany dyszy pyłowej głównej 3 i separatorem łopatkowym 5 pyłu węglowego znajduje się zamocowany trwale zawirowacz łopatkowy 10 głównego strumienia S_g w ilości 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej. Zawirowacz łopatkowy 10 wzmaga stopień wirowości strumienia głównego S_g w ilości 90% przepływu masowego pyłomieszaniny, powodując utworzenia strefy podciśnienia prowadzącej do wytworzenia strefy recyrkulacji stabilizującej płomień. Do zewnętrznej powierzchni ściany dyszy pyłowej głównej 3 jest zamocowany według wynalazku usytuowany wzdłużnie, poziomo przykładowo na 3/4 długości dyszy płytowej głównej 3 dwuprzewodowy kanał doprowadzający 6 gazowy czynnik utleniający w postaci przykładowo mieszaniny tlen/spaliny recyrk ulacyjne O₂/SR. Dwuprzewodowy kanał doprowadzający 6 mieszaninę tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR stanowią według wynalazku dwie koncentryczne rury, rura zewnętrzna 1 i rura wewnętrzna 2 z których każda jest wyposażona na wlocie w klapę odcinającą 7. Klapa odcinająca 7 jest połączona z układem automatycznego sterowania nie pokazanym na rysunku. Rura zewnętrzna 1 i rura wewnętrzna 2 dwuprzewodowego kanału doprowadzającego 6 mieszaninę tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR są wyposażone w częściach wylotowych w osiowe zawirowacze 11, 12, odpowiednio osiowy zawirowacz łopatkowy 11 na rurze zewnętrznej 1 i osiowy zawirowacz łopatkowy 12 na rurze wewnętrznej 2. Klapy odcinające 7 są sterowane automatycznie według wynalazku w zależności od udziału molowego tlenu O₂ w mieszaninie tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR. Przy wysokich udziałach molowych tlenu O2 w mieszaninie tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/SR sterowana automatycznie klapa odcinająca 7 na wylocie rury zewnętrznej 1 jest zamknięta i przepływ mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR do dwuprzewodowego kanału doprowadzającego 6 mieszaninę tlen/spaliny recyrkulacyjne O2/SR jest wstrzymywany. Gazowy czynnik utleniający w postaci czystego tlenu wypływa rurą wewnętrzną 2. Na końcu części wylotowej dwuprzewodowego kanału doprowadzającego 6 mieszaninę tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR jest osadzony dyfuzor zewnętrzny 13. Zawirowacze łopatkowe 11 i 12 przykładowo osiowe powodują zawirowanie gazowego czynnika utleniającego w postaci mieszaniny tlen/spaliny O₂/SR za palnikiem, która odchylana przez dyfuzor zewnętrzny 13, na zewnątrz od osi palnika, opływa strumień główny S_g przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej, zawirowany przez zawirowacz łopatkowy 10 i dyfuzor wewnętrzny 8, stabilizując płomień oraz przyczyniając się do obniżenia temperatury płomienia o około 300°C z uwagi na niską temperaturę rzędu 150° - 200°C użytych w mieszaninie utleniającej spalin recyrkulacyjnych a poprzez strefę podciśnienia wytwarzającą wewnętrzną strefę recyrkulacji mieszaniny utleniającej bezpośrednio za palnikiem. Strumień pomocniczy S_p w ilości około 10% przepływu masowego pyłomieszaniny jest tak dobrany, że zapewnia podtrzymanie płomienia palnika nawet przy zaburzeniu wewnętrznej recyrkulacji spalin za palnikiem.

PL 215 549 B1

Z uwagi na strefowe obniżenie temperatury w pasie palnikowym komory paleniskowej wynalazek ogranicza możliwość powstawania termicznych tlenków azotu NOx podczas spalania pyłu węglowego.

Claims (2)

1. Sposób spalania pyłu węglowego w kotle energetycznym, w utleniającym czynniku gazowym, wykorzystujący wprowadzone osobno, niezależne od palnika pyłu węglowego, strumienie pyłomieszaniny węglowej oraz strumienia utleniającego czynnika gazowego, znamienny tym, że pyłomieszanina węglowa wprowadzona do części napływowej dyszy pyłowej głównej (3) palnika po zmianie koncentracji pyłu węglowego przy pomocy osadzonego w niej osiowo koncentratora (4) pyłu węglowego jest podzielona w łopatkowym separatorze (5) pyłu węglowego zakończonym dyfuzorem wewnętrznym (8), osadzonym osiowo w części wylotowej dyszy pyłowej głównej (3) na strumień główny (S_g) w ilości około 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej transportowany wzdłuż wewnętrznej powierzchni ściany dyszy pyłowej głównej (3) oraz na strumień pomocniczy (S_p) w ilości około 10% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej transportowany wzdłuż osi poziomej (O) palnika, po czym strumień główny (S_g) w ilości około 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej po zawirowaniu w zawirowaczu łopatkowym (10) zamocowanym trwale między łopatkowym separatorem (5) pyłu węglowego a wewnętrzną powierzchnią ściany dyszy pyłowej głównej (3) wprowadza się do komory spalania na zewnątrz dyfuzora wewnętrznego (8) a niezawirowany strumień pomocniczy (S_p) w ilości około 10% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej wprowadza się do komory spalania w osi poziomej palnika (10) dodatkową dyszą pyłową (9) osadzoną koncentrycznie w łopatkowym separatorze (5) pyłu węglowego, jednocześnie czynnik gazowy utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR doprowadza się do wlotów wzajemnie koncentrycznych, rury zewnętrznej (1 i rury wewnętrznej (2) dwuprzewodowego kanału doprowadzającego (6) gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR, usytuowanego poziomo, wzdłużnie, połączonego trwale z zewnętrzną powierzchnią ściany dyszy pyłowej głównej (3) a następnie w zależności od udziału molowego tlenu w mieszaninie tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR, gazowy czynnik utleniający przesyła się rurą zewnętrzną (1) i/lub rurą wewnętrzną (2) dwuprzewodowego kanału doprowadzającego (6) gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR, wybieraną przy pomocy automatycznego sterowania klapami odcinającymi (7) umieszczonymi na wylotach rury zewnętrznej (1 i rury wewnętrznej (2) dwuprzewodowego kanału doprowadzającego (6) gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR a po zawirowaniu przy pomocy korzystnie osiowego zawirowacza (11) osadzonego na wylocie rury zewnętrznej (1) oraz osiowego zawirowacza (12) osadzonego na wylocie rury wewnętrznej (2) dwuprzewodowego kanału doprowadzającego (6) gazowy czynnik utleniający, zawirowany gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR odchylony w dyfuzorze zewnętrznym (13) wprowadza się do komory paleniskowej kotła energetycznego.

2. Palnik pyłowy kotła energetycznego do spalania pyłu węglowego w utleniającym czynniku gazowym, zawierający dyszę pyłową, doprowadzającą pyłomieszaninę węglową separator pyłu węglowego, koncentrator pyłu węglowego, dyfuzor, dyszę doprowadzającą gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu, znamienny tym, że wewnątrz części napływowej dyszy pyłowej głównej (3) palnika osadzony jest osiowo łopatkowy koncentrator (4) pyłu węglowego a w części wylotowej dyszy pyłowej głównej (3) palnika jest osadzony osiowo łopatkowy separator (5) pyłu węglowego wyposażony w swej końcowej części w dyfuzor wewnętrzny (8) dzielący pyłomieszaninę na strumień główny (9) w ilości około 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej oraz na strumień pomocniczy (S_p) w ilości około 10% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej, w którym osadzona jest koncentrycznie dodatkowa dysza pyłowa (9) strumienia pomocniczego (S_p) w ilości około 10% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej, przy czym między łopatkowym separatorem (5) pyłu węglowego a wewnętrzną powierzchnią ściany dyszy pyłowej głównej (3) jest osadzony zawirowacz łopatkowy (10) strumienia głównego (S_g) w ilości około 90% przepływu masowego pyłomieszaniny węglowej a do zewnętrznej powierzchni ściany dyszy pyłowej głównej (3) jest zamocowany trwale usytuowany poziomo, wzdłużnie dwuprzewodowy kanał doprowadzający (6) gazowy czynnik utleniający w postaci tlenu lub mieszaniny tlen/spaliny recyrkulacyjne O₂/SR wyposażony na wylocie w dyfuzor zewnętrzny (13).