PL221934B1

PL221934B1 - Method and vortex burner for low-emission co-incineration of shredded biomass and pulverized coal in the power boiler

Info

Publication number: PL221934B1
Application number: PL398558A
Authority: PL
Inventors: Bartosz Świątkowski; Tomasz Golec; Marcin Razum; Sławomir Mazur
Original assignee: Inst Energetyki
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2016-06-30
Also published as: PL398558A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku są sposób i palnik wirowy do niskoemisyjnego współspalania rozdrobnionej biomasy z pyłem węglowym w kotle energetycznym przeznaczone zwłaszcza do palników wirowych o słabym zawirowaniu.The subject of the invention is a method and a vortex burner for low-emission co-combustion of comminuted biomass with coal dust in a power boiler, especially for low-swirl vortex burners.

Znane jest ze stosowania w praktyce ciepłowniczej wykorzystanie niskoemisyjnych palników wirowych do współspalania rozdrobnionej biomasy z pyłem węglowym, które różnią się miejscem, stopniem i sposobem mieszania rozdrobnionej biomasy z pyłem węglowym stanowiącym paliwo główne. Na przykład znane z polskiego opisu patentowego PL 195 937 rozwiązanie, w którym pył węglowy i rozdrobniona biomasa o zawartości wilgoci od 10-40% są doprowadzane osobnymi przewodami a zmieszanie paliw odbywa się przez pierścień stabilizujący, służący do zapalenia i stabilizacji płomienia, bezpośrednio, przed zapłonem płomienia lub przed doprowadzeniem pyłu węglowego do palnika. W japońskim opisie patentowym JP 2009168315 firmy japońskiej BABCOCK HITACHI IND CO, wymieszanie rozdrobnionej biomasy z pyłem węglowym następuje przed palnikiem, przy czym przewód transportujący biomasę jest wyposażony w elementy zwężające pole przekroju poprzecznego. Dzięki temu strumień rozdrobnionej biomasy po przejściu przez przewężenie przewodu uzyskuje zwiększoną prędkość, po czym wypływa prostopadle do przewodu mieszaniny pyłowo-powietrznej mieszając się efektywnie z paliwem głównym. W rozwiązaniu opisanym w opisie patentowym USA nr 6986311 amerykańskiej firmy JOEL VATSKY system palnikowy zawiera iniektor paliwa, w którym następuje wymieszanie dwu rodzajów paliw stałych, spalanych następnie w komorze paleniskowej kotła energetycznego. System palnikowy zawiera dwa oddzielne przewody transportujące paliwo pierwsze w postaci rozdrobnionej biomasy, paliwo drugie w postaci pyłu węglowego, przy czym przy wylocie przewodu transportującego biomasę znajdują się elementy mechaniczne, na których następuje rozproszenie strumienia paliwa i skierowanie go w stronę położenia drugiego strumienia paliwa w postaci pyłu węglowego w celu wymieszania objętościowego. System palnikowy zawiera dodatkową koncentryczną rurę przeznaczoną do zainstalowania palnika rozpałkowego. Ponadto znane jest wykorzystanie elementów palnika wirowego do spalania rozdrobnionej biomasy w kotle energetycznym, takich jak rozdzielacz stożkowy umieszczony na rurze doprowadzającej rozdrobnioną biomasę, opisanego w polskim opisie patentowym PL .... (P-397841) do współspalania rozdrobnionej biomasy z pyłem węglowym.It is known to use in heating practice to use low-emission vortex burners for co-combustion of comminuted biomass with coal dust, which differ in the place, degree and method of mixing the comminuted biomass with coal dust constituting the main fuel. For example, the solution known from the Polish patent specification PL 195 937, in which coal dust and comminuted biomass with a moisture content of 10-40% are supplied through separate lines and the fuel is mixed through a stabilizing ring, which is used to ignite and stabilize the flame, directly before igniting the flame or before feeding the pulverized coal to the burner. In the Japanese patent description JP 2009168315 of the Japanese company BABCOCK HITACHI IND CO, the mixing of the comminuted biomass with the coal dust takes place before the burner, and the biomass transporting conduit is equipped with elements narrowing the cross-sectional area. Thanks to this, the stream of comminuted biomass, after passing through the narrowing of the conduit, obtains an increased speed, and then flows out perpendicular to the conduit of the dust-air mixture, mixing effectively with the main fuel. In the solution described in US patent No. 6,986,311 of the American company JOEL VATSKY, the burner system includes a fuel injector, in which two types of solid fuels are mixed, then burned in the combustion chamber of a power boiler. The burner system comprises two separate conduits transporting the first fuel in the form of comminuted biomass, the second fuel as pulverized coal, with mechanical elements at the outlet of the conduit transporting the biomass, on which the fuel stream is dispersed and directed towards the position of the second fuel stream in the form of coal dust to mix by volume. The burner system includes an additional concentric pipe intended for the installation of the kindling burner. Moreover, it is known to use elements of a vortex burner for combustion of comminuted biomass in a power boiler, such as a conical separator placed on a pipe feeding comminuted biomass, described in the Polish patent description PL .... (P-397841) for co-combustion of comminuted biomass with coal dust.

Opisane rozwiązania nie zapewniają zbliżonych poziomów koncentracji pyłu biomasowego i pyłu węglowego, co powoduje osadzanie pyłu biomasowego na wewnętrznych elementach palnika oraz niecałkowite wypalenie biomasy skutkujące niską efektywnością procesu spalania.The described solutions do not ensure similar concentration levels of biomass dust and coal dust, which causes biomass dust deposition on the internal elements of the burner and incomplete burnout of the biomass, resulting in a low efficiency of the combustion process.

Istota sposobu niskoemisyjnego współspalania rozdrobnionej biomasy z pyłem węglowym w palniku wirowym kotła energetycznego, wykorzystującego proces mieszania strugi rozdrobnionej biomasy ze strugą pyłu węglowego oraz zapłon paliwa bezpośrednio za wylotem palnika w komorze paleniskowej według wynalazku polega na tym, że strumień rozdrobnionej biomasy wprowadzonej do palnika przewodem transportującym rozdrobnionej biomasy, jest dzielony na dwa strumienie o różnej koncentracji, na strumień pomocniczy o podwyższonej koncentracji biomasy od 2 KG/m³ do 5 KG/m³, który transportowany jest w osi poziomej palnika rurą rdzeniową oraz na strumień główny o niższej koncentracji biomasy od 0,4 KG/m³ do 1 KG/m³ wprowadzany do przewodu pyłu węglowego przez otwartą przestrzeń utworzoną między ścianą zewnętrzną rury rdzeniowej i wewnętrzną ścianą przewodu doprowadzającego rozdrobnioną biomasę, usytuowanych wzajemnie koncentrycznie wewnątrz przewodu pyłu węglowego, po czym po wymieszaniu strumienia głównego rozdrobnionej biomasy z pyłem węglowym w przewodzie pyłu węglowego następuje w głównej strefie spalania komory paleniskowej bezpośrednio za wylotem palnika zapłon mieszaniny strumienia pomocniczego rozdrobnionej biomasy o podwyższonej koncentracji z wylotu rury rdzeniowej oraz z wylotu przewodu pyłowego strumienia pyłu węglowego wymieszanego z rozdrobnioną biomasą strumienia głównego o niższej koncentracji biomasy a ponadto poza główną strefą spalania w komorze paleniskowej następuje zapłon strumienia rozdrobnionej biomasy o podwyższonej koncentracji z rury rdzeniowej.The essence of the low-emission method of co-combustion of comminuted biomass with coal dust in a rotary burner of a power boiler, which uses the process of mixing the stream of comminuted biomass with a stream of coal dust, and the ignition of the fuel directly after the burner outlet in the furnace chamber according to the invention, that the stream of comminuted biomass introduced to the burner through the fragmented biomass is divided into two streams with different concentrations, into an auxiliary stream with an increased biomass concentration from 2 KG / m ³ to 5 KG / m ³ , which is transported along the horizontal axis of the burner with a core pipe, and into the main stream with a lower biomass concentration than 0.4 KG / m ³ to 1 KG / m ³ introduced into the pulverized coal conduit through the open space created between the outer wall of the core pipe and the inner wall of the conduit feeding the comminuted biomass, located mutually concentrically inside the pulverized coal conduit, and then, after mixing the stream g in the main combustion zone of the combustion chamber, directly after the burner outlet, ignition of the mixture of the auxiliary stream of comminuted biomass with increased concentration from the outlet of the core pipe and from the outlet of the pulverized coal stream of the coal dust mixed with the comminuted biomass of the main stream with lower concentration of biomass and, moreover, outside the main combustion zone in the combustion chamber, the stream of comminuted biomass is ignited with an increased concentration from the core pipe.

Istota niskoemisyjnego palnika wirowego do współspalania rozdrobnionej biomasy z pyłem węglowym, wykorzystującego usytuowane wzajemnie koncentrycznie osobne przewody doprowadzające pył węglowy i pył biomasowy, posiadającego strefę zapłonu położoną bezpośrednio za wylotem palnika, według wynalazku polega na tym, że w końcowej części przewodu doprowadzającego pył węglowy, zakończonej wlotem kolankowym jest osadzony koncentrycznie korzystnie na 1/3 jego długości przewód głównego strumienia rozdrobnionej biomasy o koncentracji 0,4 KG/m³-1 KG/m³, zakończonyThe essence of the low-emission swirl burner for co-combustion of comminuted biomass with coal dust, using mutually concentrically arranged separate coal dust and biomass dust supply lines, having an ignition zone located directly behind the burner outlet, according to the invention consists in the fact that in the end part of the pulverized coal supply duct, the elbow inlet is concentrically mounted on 1/3 of its length, the conduit of the main stream of comminuted biomass with a concentration of 0.4 KG / m ³ -1 KG / m ³ , ended

PL 221 934 B1 ukośnym wlotem, przy czym w końcowej części przewodu doprowadzającego główny strumień rozdrobnionej biomasy jest osadzona koncentrycznie rura rdzeniowa wprowadzająca osiowo strumień pomocniczy rozdrobnionej biomasy o podwyższonej koncentracji od 2 KG/m³ do 5 KG/m³, usytuowana osiowo, koncentrycznie do przewodu doprowadzającego pył węglowy, zakończona stabilizatorem płomienia, ponadto przekrój poprzeczny przewodu doprowadzającego strumień główny rozdrobnionej biomasy jest większy od 1,2 do 1,6 razy od przekroju rury rdzeniowej połączonej z wlotem osiowym strumienia pomocniczego rozdrobnionej biomasy o wysokiej koncentracji, a pomiędzy ścianą wewnętrzną przewodu doprowadzającego strumień główny rozdrobnionej biomasy i ścianą zewnętrzną rury rdzeniowej doprowadzającej strumień pomocniczy rozdrobnionej biomasy, znajduje się przestrzeń otwarta.With an oblique inlet, while in the end part of the conduit supplying the main stream of comminuted biomass there is a concentrically mounted core pipe introducing axially auxiliary stream of comminuted biomass with increased concentration from 2 KG / m ³ to 5 KG / m ³ , located axially, concentrically to of the coal dust supply conduit, terminated with a flame stabilizer, moreover, the cross section of the conduit supplying the main stream of comminuted biomass is 1.2 to 1.6 times greater than the cross section of the core pipe connected to the axial inlet of the secondary stream of comminuted biomass with a high concentration, and between the inner wall of the conduit comminuted biomass main stream and the outer wall of the core pipe supplying the comminuted biomass auxiliary stream has an open space.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie łatwej adaptacji palników na pył węglowy do współspalania biomasy z pyłem węglowym, co przy obecnym wzroście znaczenia paliw alternatywnych czyni przedstawione rozwiązanie atrakcyjnym zarówno od strony technicznej jak i ekonomicznej.The advantage of the invention is to ensure easy adaptation of pulverized coal burners for the co-combustion of biomass with pulverized coal, which, with the current increasing importance of alternative fuels, makes the presented solution attractive both from the technical and economic point of view.

Wynalazek został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schematycznie zasadę współspalania pyłu węglowego i rozdrobnionej biomasy oraz palnik wirowy do współspalania pyłu i rozdrobnionej biomasy w przekroju podłużnym.The invention has been shown in an embodiment in the drawing showing schematically the principle of co-combustion of coal dust and comminuted biomass and a vortex burner for co-combustion of dust and comminuted biomass in a longitudinal section.

Sposób niskoemisyjnego współspalania rozdrobnionej biomasy z pyłem węglowym w komorze paleniskowej kotła energetycznego polega według wynalazku na podziale strumienia rozdrobnionej biomasy na dwa strumienie o różnej koncentracji wprowadzonego pyłu biomasowego, głównego strumienia rozdrobnionej biomasy transportowanego przewodem rozdrobnionej biomasy 2 o koncentracjiThe method of low-emission co-combustion of comminuted biomass with coal dust in the combustion chamber of a power boiler consists, according to the invention, of dividing the comminuted biomass stream into two streams with different concentrations of the introduced biomass dust, the main stream of comminuted biomass transported through the comminuted biomass 2 conduit with the concentration

33

0,4-1 KG/m , przykładowo o koncentracji 0,7 KG/m oraz strumień pomocniczy o podwyższonej kon33 centracji 2-5 KG/m , przykładowo 3,3 KG/m wprowadzony rurą rdzeniową 3 do końcowej części przewodu strumienia głównego rozdrobnionej biomasy 2. Średnica przekroju poprzecznego rury rdzeniowej 3 jest mniejsza od 1,2 do 1,6 od średnicy przekroju poprzecznego przewodu transportującego strumień główny rozdrobnionej biomasy 2 tworząc między ścianą końcowej części przewodu 2 a ścianą rury rdzeniowej 3 przestrzeń otwartą PP. Dzięki wytworzonej przestrzeni otwartej PP około 50% rozdrobnionej biomasy o niższej koncentracji przykładowo 0,7 KG/m³ jest wprowadzone do przewodu pyłu węglowego 1. Paliwo biomasowe opuszczając otwartą przestrzeń PP wskutek różnicy ciśnień zwiększa prędkość przepływu poprawiając wymieszanie z pyłem węglowym w przewodzie pyłu węglowego 1. Pozostała część strumienia pyłu biomasowego jest transportowana wewnątrz rury rdzeniowej 3, mocującej stabilizator płomienia 4. Wymieszanie strumienia mieszaniny pyłu węglowego i rozdrobnionej biomasy o koncentracji 0,7 KG/m z przewodu 2 ze strumieniem skoncentrowanego pyłu biomasowego o koncentracji 3,3 KG/m z rury rdzeniowej 3, następuje poza palnikiem w komorze paleniskowej KS kotła energetycznego. Strumień rozdrobnionej biomasy wymieszany z pyłem węglowym w przewodzie 1 trafia na stabilizator 4 i rozpyla się w pobliżu wylotu palnika. Natomiast strumień biomasy o podwyższonej koncentracji 3,3 KG/m transportowany rurą rdzeniową 3 jest wprowadzony do komory paleniskowej KS gdzie ulega zapłonowi poza strefą spalania pyłu węglowego.0.4-1 KG / m, for example with a concentration of 0.7 KG / m and a secondary stream with higher concentration, 2-5 KG / m, for example 3.3 KG / m introduced through the core pipe 3 to the end of the main stream conduit of the comminuted of biomass 2. The diameter of the cross-section of the core pipe 3 is smaller than 1.2 to 1.6 than the diameter of the cross-section of the pipe carrying the main stream of the comminuted biomass 2, creating an open space PP between the wall of the end part of the pipe 2 and the wall of the core pipe 3. Due to the created open space PP, about 50% of the comminuted biomass with a lower concentration, for example 0.7 KG / m ^3, is introduced into the coal dust conduit 1. The biomass fuel, leaving the open space of PP, increases the flow velocity due to the pressure difference, improving the mixing with coal dust in the coal dust conduit 1. The remainder of the biomass dust stream is transported inside the core pipe 3, securing the flame stabilizer 4. Mixing the stream of a mixture of coal dust and comminuted biomass with a concentration of 0.7 KG / m from the conduit 2 with a stream of concentrated biomass dust with a concentration of 3.3 KG / m with of the core pipe 3, takes place outside the burner in the combustion chamber KS of the power boiler. The stream of comminuted biomass mixed with pulverized coal in the conduit 1 hits the stabilizer 4 and is sprayed near the burner outlet. On the other hand, the biomass stream with an increased concentration of 3.3 KG / m, transported through the core pipe 3, is introduced into the KS combustion chamber where it ignites outside the coal dust combustion zone.

Według wynalazku palnik wirowy komory paleniskowej KS do niskoemisyjnego spalania pyłu węglowego posiada przewód transportu pyłu węglowego 1, do którego pył węglowy wprowadza się wlotem kolankowym WK. Na 1/10-1/2 długości przewodu pyłu węglowego 1 przykładowo na 1/3 długości, w końcowej jego części jest osadzony koncentrycznie przewód transportu strumienia głównego ₃ rozdrobnionej biomasy 2 o koncentracji 0,4 KG/m , zakończony osiowym wlotem WS. W końcowej części przewodu transportu strumienia głównego rozdrobnionej biomasy 2 na 1/3 długości jest usytuowana koncentrycznie do przewodu transportu pyłu węglowego 1 rura rdzeniowa 3 do transportu pomocniczego strumienia pyłu biomasowego o koncentracji 3,3 KG/m³. Średnica przekroju poprzecznego rury rdzeniowej 3 jest mniejsza o 1,2 do 1,6, przykładowo 1,4 średnicy przekroju poprzecznego przewodu 2 transportu strumienia głównego rozdrobnionej biomasy o mniejszej koncentracji, wytwarzając według wynalazku po obu stronach rury rdzeniowej 3, między jej ścianą zewnętrzną a wewnętrzną ścianą przewodu transportującego strumień główny rozdrobnionej biomasy 2, otwartą przestrzeń PP w kształcie przykładowo pierścienia. W wylocie rury rdzeniowej 3 transportującej strumień pomocniczy pyłu biomasowego o podwyższonej koncentracji 3,3 KG/m³ osadzony jest stabilizator płomienia 4.According to the invention, the swirl burner of the combustion chamber KS for low-emission combustion of coal dust has a coal dust transport conduit 1, into which the coal dust is introduced through an elbow WK inlet. On 1 / 10-1 / 2 of the length of the pulverized coal 1, for example 1/3 of its length, at its end part, there is a concentric transport line for the main stream _{3 of} comminuted biomass 2 with a concentration of 0.4 KG / m, ended with an axial inlet WS. In the final part of the main stream transport pipe for comminuted biomass 2, 1/3 of its length, a core pipe 3 is arranged concentrically to the coal dust transport pipe 1 for transporting the auxiliary biomass dust stream with a concentration of 3.3 KG / m ³ . The diameter of the cross-section of the core pipe 3 is smaller by 1.2 to 1.6, for example 1.4, the diameter of the cross-section of the mainstream transport conduit 2 of the particulate biomass with a lower concentration, producing according to the invention on both sides of the core pipe 3, between its outer wall and with the inner wall of the conduit transporting the main stream of the comminuted biomass 2, an open PP, for example in the shape of a ring. A flame stabilizer 4 is embedded in the outlet of the core pipe 3 transporting the auxiliary stream of biomass dust with an increased concentration of 3.3 KG / m ³ .

Podział strumienia biomasy na dwa strumienie o różnej koncentracji oraz osobne ich wprowadzenie do komory paleniskowej KS, powoduje rozciągnięcie płomienia biomasowego, co wpływa korzystnie na przebieg spalania pyłu węglowego, ponieważ zbyt duże skoncentrowanie pyłu biomasy w pobliżu płomienia palnika obniża stężenie utleniacza.The division of the biomass stream into two streams of different concentration and their separate introduction into the KS furnace chamber causes the biomass flame to be stretched, which has a positive effect on the course of coal dust combustion, because too high concentration of biomass dust near the burner flame reduces the oxidant concentration.

PL 221 934 B1PL 221 934 B1

Zaletą palnika według wynalazku jest obniżenie koncentracji biomasy w przewodzie transportu pyłu węglowego 1 do wartości pyłu węglowego, co ogranicza osadzanie pyłu biomasowego na wewnętrznych elementach palnika. Ponadto wstępne częściowe wymieszanie strumieni paliw, pyłu węglowego i rozdrobnionej biomasy w przewodzie transportu pyłu węglowego 1 zwiększa wypalenie biomasy.An advantage of the burner according to the invention is the reduction of the biomass concentration in the coal dust transport conduit 1 to the value of coal dust, which reduces the deposition of biomass dust on the internal elements of the burner. Moreover, pre-partial mixing of fuel streams, pulverized coal and comminuted biomass in the pulverized coal transport line 1 increases the burnout of the biomass.

Claims

Method of low-emission co-combustion of comminuted biomass with coal dust in a power boiler swirl burner using the process of mixing the stream of comminuted biomass with a stream of coal dust and ignition of the fuel in the furnace chamber directly after the burner outlet, characterized in that the stream of comminuted biomass introduced to the burner through a conveying conduit (2 ) is divided into two streams with different concentrations, into an auxiliary stream with a higher concentration from 2 KG / m ³ to 5 KG / m ³ , which is transported in the horizontal axis of the burner by a core pipe (3), and into the main stream with a lower concentration than 0 , 4 KG / m to 1 KG / m introduced into the pulverized coal conduit (1) through the open space (PP) formed between the outer wall of the core pipe (3) and the inner wall of the crushed biomass feed conduit (2), arranged mutually concentrically inside the dust conduit coal (1), and then after mixing the main stream of comminuted biomass with dust in the coal dust conduit (1), in the main combustion zone of the furnace chamber (KS), immediately after the burner outlet (W), ignition of the mixture of the auxiliary stream of comminuted biomass from the outlet of the core pipe (3) and the mixture of coal dust and comminuted biomass of the main stream from the conduit outlet (1), moreover, outside the main combustion zone of the furnace chamber (KS), ignition of the comminuted biomass from the outlet of the core pipe (3).

2.Low-emission swirl burner for co-combustion of comminuted biomass with coal dust in a power boiler, containing separate coaxially arranged coal dust and biomass dust supply lines characterized by an ignition zone located downstream of the burner outlet, characterized by the fact that in the end part of the coal dust transporting conduit (1 ) with an elbow inlet (WK), is concentrically located, preferably on 1/3 of its length, the conduit transporting the comminuted biomass (2) with the axial inlet (WS), where in the end part of the conduit transporting the comminuted biomass (2) by 1/2, preferably by 1 / 3 of its length is embedded concentrically to the coal dust conduit (1) the core pipe (3) for the axial transport of the auxiliary stream of comminuted biomass with increased concentration, ending with a flame stabilizer (4) installed at the burner outlet, moreover, the diameter of the cross-section of the conduit transporting the main stream of comminuted biomass ( 2) states 1.2 to 1.6 diameters of the cross-section of the core pipe (3) transporting the auxiliary stream with an increased concentration of comminuted biomass, where between the inner wall of the conduit transporting the main stream of comminuted biomass (2) and the outer wall of the core pipe (3) transporting the comminuted auxiliary stream of biomass with an increased concentration, there is an open space (PP) ensuring the flow of preferably about 50% of the stream of comminuted biomass to the coal dust transport conduit (1).