PL232107B1 - Sposób spalania mieszanki paliwowej wodno-węglowej i urządzenie do spalania mieszanki paliwowej wodno-węglowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób spalania mieszanki paliwowej wodno-węglowej i urządzenie do spalania mieszanki paliwowej wodno-węglowej do zastosowań w energetyce ciepłowniczej.

Dotychczas praktycznie stosowane mieszanki paliwowe to miał węglowy z odpadami organicznymi, paliwo stałe i gaz nośny, mieszanki pyło-powietrzne. Mieszanki te spalane są w strumieniu powietrza doprowadzanego do komory spalania kotła energetycznego. Spalanie mieszanek wodno-węglowych prowadzone było natomiast na etapie doświadczalnym.

Znany z polskiego zgłoszenia wynalazku nr P.288224 sposób spalania paliwa płynnego polega na doprowadzeniu paliwa przez dysze i odparowaniu go za pomocą czynnika gazowego. Czynność tą wykonuje się w miejscu, w którym kropelki paliwa z dysz paliwowych są ekranowane od promieniowania czoła płomienia z palnika. Odparowane paliwo opuszczające kanał płynie przez szczeliny wlotowe w kierunku przestrzeni wewnętrznej palnika nie absorbując już promieniowania płomienia. Palnik według tego zgłoszenia składa się z dwóch segmentowych części stożkowych otwierających się w kierunku przepływu. Osie środkowe tych części stożkowych przesunięte są względem siebie tak, że na całej długości palnika powstają styczne otwory wlotowe do przestrzeni wewnętrznej. Powyżej każdego z tych otworów, w kanale palnika znajduje się co najmniej jedna dysza paliwowa, której paliwo może mieszać się w kanale z czynnikiem gazowym.

Znany, z polskiego opisu patentowego nr 224446, sposób spalania zawiesin wodno-węglowych polega na zmieleniu ziaren węgla w tej zawiesinie poniżej 20 μm. Zawartość węgla w tej zawiesinie wynosi nie więcej, niż 91% wagowych. Taką zawiesinę podaje się do dyszy dozującej poprzez przyłącz paliwa wodno-węglowego, pod ciśnieniem 2,5-3,5 bara, atomizując ją równocześnie powietrzem o ciśnieniu 2-4 barów podawanym do dyszy poprzez przyłącz powietrza do atomizacji. Zawiesinę spala się w komorze spalania rozgrzanej przed spalaniem do temperatury co najmniej 950°C inicjując spalanie paliwa wodno-węglowego płomieniem spalanego gazu. Współspalanie gazu i zawiesiny wodno-węglowej prowadzi się poprzez modulowanie charakterystyki pracy palnika polegające na płynnej regulacji wydajności przez zmianę przepływu gazu i ciśnienia powietrza do atomizacji.

Palnik gazowy do spalania zawiesin wodno-węglowych, według powyższego patentu zawiera dyszę dozującą zawiesinę wodno-węglową. Ta dysza dozująca zawiera przyłącz paliwa wodno-węglowego oraz przyłącz powietrza do atomizacji umieszczone równolegle w stosunku do siebie. Dysza dozująca jest umieszczona w dolnej części tarczy piętrzącej gazu. Ponadto, palnik zawiera przepustnicę regulującą ilość gazu dodawanego do palnika oraz przepustnicę powietrza i wentyl ator powietrza do spalania gazu.

Znany z polskiego opisu patentowego nr 164669 piec do spalania ciekłych odpadów o dużej zawartości wody składa się z korpusu wykonanego z ceramicznego materiału ogniotrwałego oraz palników paliwa pełnowartościowego, dysz powietrznych i zewnętrznego płaszcza tworzącego z korpusem pierścieniową komorę podgrzewania. Pierścieniowa komora podgrzewania, poprzez zawirowujące kanały, połączona jest z komorą spalania. Ponadto, piec posiada wannę usytuowaną w dolnej części korpusu, której gardziel łączy się z komorą spalania.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia do spalania mieszanki paliwowej wodno-węglowej.

Sposób spalania mieszanki paliwowej wodno-węglowej, rozpylonej, w rozgrzanej komorze spalania, w doprowadzonym do niej powietrzu, według wynalazku polega na tym, że w pierwszym etapie, wewnętrzną powierzchnię komory spalania rozgrzewa się do temperatury 500 * 800°C palącym się gazem rozpałkowym. W drugim etapie, do komory spalania, na jej wejściu, wprowadza się w formie rozwierającego się strumienia, mieszankę wodno-węglową zawierającą 48 * 68% węgla o wielkości ziaren do 300 μm, 50 * 30% wody i 0 * 2% plastyfikatora, doprowadzoną wcześniej do postaci rozpylonej działaniem powietrza pod ciśnieniem. W komorze spalania, na taką rozpyloną mieszankę paliwową wodno-węglową kieruje się co najmniej jeden strumień powietrza pod kątem a = 0 * 30° do dna tej komory oraz co najmniej jeden strumień powietrza pod kątem β = 0 * 20° do jej ściany bocznej wywołując tym jej ruch wirowy, ukierunkowany dodatkowo półokrągłym sklepieniem. Rozproszona mieszanka wodno-węglowa zapala się od rozgrzanej, wewnętrznej powierzchni komory spalania. Spaliny powstałe w czasie spalania schładza się za komorą spalania do temperatury równej lub niższej od temperatury płynięcia popiołu ewentualnie powstałego w czasie spalania, która jest zależna od zapopielenia węgla w mieszance wodno-węglowej. Następnie spaliny kieruje się do odbiornika ciepła, a dalej do komina. Do mieszanki paliwowej wodno-węglowej można dodać do 5% tlenku wap

PL 232 107 B1 nia. Spalanie mieszanki paliwowej wodno-węglowej prowadzi się opcjonalnie przy współczynniku nadmiaru powietrza w komorze spalania wynoszącym λ = 1,1 : 1,5. Kąt rozwarcia strumienia mieszanki paliwowej wodno-węglowej wprowadzanej do komory spalania wynosi korzystnie 25° : 35°. Do komory spalania można wprowadzać rozpyloną palącą się mieszankę paliwową wodno-węglową zapalaną w dyszy łącznikowej doprowadzonym do niej palącym się gazem rozpałkowym.

Urządzenie do spalania mieszanki paliwowej wodno-węglowej posiadające komorę spalania z otworem wlotowym i otworem wylotowym oraz dyszami nadmuchowymi powietrza i instalację doprowadzającą mieszankę paliwową wodno-węglową do komory spalania połączoną z instalacją tłoczenia powietrza pod ciśnieniem, według wynalazku ma półokrągłe sklepienie komory spalania, a przy jej dnie, po przeciwległych jej stronach ma rozprowadzające rury z dyszami nadmuchowymi powietrza. Dysze te, z jednej strony komory spalania ukierunkowane są pod kątem a = 0 : 30° do dna tej komory, a z drugiej strony pod kątem β = 0 : 20° do jej ściany bocznej. Instalację doprowadzająca mieszankę wodno-węglową do komory spalania stanowi rozpylacz z króćcem powietrza połączonym z odrębną instalacją tłoczenia powietrza do tego rozpylacza oraz stanowi dysza łącznikowa połączona jednym końcem z rozpylaczem, a drugim końcem z otworem wlotowym komory spalania. Dysza łącznikowa ma króciec doprowadzenia do niej palącego się gazu rozpałkowego. Otwór wlotowy komory spalania ma w przekroju poprzecznym kształt trapezu rozwierający się w stronę komory spalania. Boki otworu wlotowego mogą tworzyć w przekroju poprzecznym kąty w zakresie 25°-35°. Komora spalania może mieć drugi, przeciwległy otwór wlotowy połączony z instalacją doprowadzającą do niej mieszankę wodno-węglową, którą stanowi rozpylacz z króćcem powietrza połączonym z odrębną instalacją tłoczenia powietrza do tego rozpylacza oraz stanowi dysza łącznikowa połączona jednym końcem z rozpylaczem, a drugim końcem z otworem wlotowym komory spalania. Komora spalania ma wariantowo w dnie przelotowy ruszt. Za otworem wylotowym może znajdować się schładzacz spalin, korzystnie na króćcu otworu wylotowego z komory spalania, a otwór wlotowy ma optymalnie regulator kąta wlotu.

Zastosowanie rozpylonej mieszaniny wodno-węglowej jako mieszanki paliwowej o podanym składzie umożliwia wykorzystanie takiego odpadu poprodukcyjnego, bez konieczności jego osuszania, co zdecydowanie będzie rzutować na obniżenie kosztów paliwa dla celów energetycznych, a w konsekwencji na niższy koszt uzyskania jednostki ciepła do celów grzewczych. Dodanie do tej mieszanki wodno-węglowej do 2% plastyfikatora powoduje, że mieszanka ta nie ulega rozwarstwieniu to znaczy, że nie tworzą się dwie oddzielne warstwy, lecz jedna jednorodna mieszanina. Dodanie natomiast do mieszanki wodno-węglowej tlenku wapnia powoduje w procesie spalania jego łączenie się z siarką zawartą w tej mieszance, co obniża emisję związków siarki do atmosfery. Wykorzystanie, do zapłonu mieszanki wodno-węglowej i podtrzymania jej spalania, powierzchni wewnętrznej komory spalania, rozgrzanej gazem rozpałkowym, znacząco upraszcza technologię spalania eliminując z niego inicjowanie spalania paliwa wodno-węglowego płomieniem spalanego gazu jak w wynalazku według patentu nr PL224446. Doprowadzenie zaś do komory spalania rozpylonej mieszanki wodno-węglowej w formie rozwierającego się strumienia na wlocie do komory spalania w połączeniu z nadanym jej ukierunkowaniem spowodowanym skierowaniem na tą mieszankę strumieni powietrza, pod podanymi kątami i półokrągłym sklepieniem tej komory spalania wywołuje wirowy ruch i równomierne jej rozprzestrzenienie się w tej komorze, rzutujące na pełne spalanie tej mieszanki. Zastosowanie natomiast wspomagania spalania poprzez zapalenie mieszanki wodno-węglowej przed komorą spalania i wprowadzenie jej w postaci palącej do tej komory pozwala na spalanie mieszanki wodno-węglowej o najniższych zawartościach w niej węgla w podanych granicach.

Urządzenie ma uproszczoną konstrukcję, bez specjalnego zapalnika mieszanki paliwowej wodno-węglowej lub konieczności zastosowania paleniska do podtrzymania palenia. Półokrągłe zaś sklepienie komory spalania oraz rozmieszczenie w niej rur rozprowadzających powietrze i ustawienie dysz nadmuchowych pod wskazanymi kątami, a także zastosowanie w niej otworu wlotowego o przekroju poprzecznym w kształcie trapezu tworzącego kąt rozwarcia 25° : 35° umożliwia uzyskanie optymalnego ruchu wirowego mieszanki paliwowej wodno-węglowej wypełniającej równomiernie komorę spalania, co rzutuje na pełne spalanie tej mieszanki i wysoką sprawność urządzenia. Istotne znaczenie ma tu również rozpylacz doprowadzający mieszankę wodno-węglową do postaci rozproszonej umożliwiającej jej zapłon i spalanie. Zastosowanie natomiast ochładzacza spalin za komorą spalania zapewnia utrzymanie temperatury wychodzących spalin w wysokości nie przekraczającej temperatury topnienia popiołu zawartego w tych spalinach. Schładzacz ten nie dopuszcza do powstania w spalinach popiołu w formie płynnej, który osadzając się na rurkach wymiennika ciepła obniżałby sprawność

PL 232 107 B1 urządzenia Przelotowy ruszt w dnie komory spalania zapewnia odprowadzenie popiołu w przypadku węgla w mieszance wodno-węglowej o bardzo dużym zapopieleniu. Zastosowanie natomiast w komorze spalania drugiego, przeciwległego otworu wlotowego umożliwia, w razie konieczności, spalanie większej ilości mieszanki paliwowej. Pomyślnie zakończone badania sposobu i urządzenia potwierdziły ich przydatność do przemysłowego wdrożenia.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie w przekroju pionowym z jednym otworem wlotowym, fig. 2 przedstawia urządzenie w przekroju A-A, a fig. 3 przedstawia urządzenie w przekroju pionowym z dwoma otworami wlotowymi.

P r z y k ł a d 1

Sposób polega na tym, że w pierwszym etapie doprowadza się do uzyskania temperatury wewnętrznej powierzchni komory spalania w granicach 750°C. Taką temperaturę uzyskuje się poprzez wprowadzenie do komory 1 spalania palącego się gazu rozpałkowego, wprawieniu go w niej w ruch wirowy powietrzem ukierunkowanym pod kątem a = 25° do dna 4 tej komory 1 oraz powietrzem ukierunkowanym pod kątem β = 10° do ściany bocznej tej komory 1 i półokrągłym jej sklepieniem. Spaliny powstałe w komorze 1 spalania odprowadza się otworem 7 wylotowym i kieruje się do komina, poprzez wymiennik ciepła. W drugim etapie, mieszankę wodno-węglową zawierającą 55% wagowych węgla o wielkości ziaren do 300 mikronów, 39,5% wagowych wody, 4% wagowych tlenku wapnia i 1,5% wagowych plastyfikatora kieruje się do komory 1 spalania, poprzez rozpylacz 10 i dyszę 9 łącznikową, w formie rozwierającego się, na wlocie do komory 1 spalania, strumienia o kącie rozwarcia 25°. W rozpylaczu 10, mieszankę tą doprowadza się do postaci rozpylonej poddając ją działaniu powietrza pod ciśnieniem. W komorze 1 spalania rozpyloną mieszankę paliwową wodno-węglową wprawia się w ruch wirowy powietrzem ukierunkowanym pod kątem a = 25° do dna 4 tej komory 1 oraz powietrzem ukierunkowanym pod kątem β = 10° do ściany bocznej tej komory 1 i półokrągłym jej sklepieniem. Współczynnik nadmiaru powietrza w komorze 1 spalania ustala się w wielkości λ = 1,1 * 3,5. Od wewnętrznej, rozgrzanej do temperatury 500 * 800°C, powierzchni komory 1 spalania, następuje zapłon i spalanie się rozpylanej mieszanki wodno-węglowej. Powstałe spaliny o temperaturze około 1000°C i wyższej schładza się i kieruje na wymienniki ciepła, a dalej do komina. W przypadku rozpylonej mieszanki wodno-węglowej o gorszych parametrach to jest o wartości opałowej około 10 MJ/kg i mniej, przed wprowadzeniem jej do komory 1 spalania zapala się ją palącym się gazem rozpałkowym poprawiającym jej spalanie w tej komorze 1.

P r z y k ł a d 2

Urządzenie do spalania mieszanki paliwowej wodno-węglowej posiada komorę 1 spalania i instalację doprowadzającą mieszankę wodno-węglową do tej komory 1. Komora 1 spalania znajduje się wewnątrz szkieletowej konstrukcji stalowej z zewnętrzną termoizolacją 2 osłoniętą blachą ocynkowaną i wewnętrzną wymurówką 3 szamotową. Przy dnie 4 komory 1 spalania, po przeciwległych jej stronach, znajdują się rozprowadzające rury 5 powietrzne z dyszami 6 nadmuchowymi. Dysze 6 nadmuchowe jednej rozprowadzającej rury 5 powietrznej są ukierunkowane pod kątem a = 25° do dna 4 komory 1 spalania, a drugiej rozprowadzającej rury 5 pod kątem β = 10° do ściany bocznej tej komory

1. Komora 1, przy stropie, ma otwór 7 wylotowy spalin, którego króciec jest wyposażony w schładzacz spalin, a poniżej, na wysokości wyższej od końca dysz 6 nadmuchowych, ma otwór 8 wlotowy, którego boki tworzą kąt rozwarcia a = 25°, połączony z instalacją doprowadzającą rozpyloną mieszankę paliwową wodno-węglową. Otwór 8 wlotowy ma w przekroju poprzecznym kształt trapezu i może mieć regulację kąta rozwarcia wlotu. Instalację doprowadzającą rozpyloną mieszankę paliwową, wodno-węglową, stanowi osadzona jednym końcem w otworze 8 wlotowym, dysza 9 łącznikowa połączona drugim końcem z rozpylaczem 10 mieszanki wodno-węglowej, posiadającym króciec 11 powietrza. Dysza 9 łącznikowa, pomiędzy rozpylaczem 10 i otworem 8 wlotowym komory 1 spalania, ma króciec 12 doprowadzający do niej palący się gaz rozpałkowy. Dno komory 1 spalania posiada ruszt. Komora 1 spalania może mieć dwa przeciwległe otwory wlotowe połączone z instalacjami doprowadzającymi do niej mieszankę paliwową to jest mieszankę wodno-węglową.

Claims (11)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób spalania mieszanki paliwowej wodno-węglowej, w komorze spalania, rozgrzanej przed spalaniem, w doprowadzonym do niej powietrzu, znamienny tym, że w pierwszym

   PL 232 107 B1 etapie wewnętrzną powierzchnię komory (1) spalania o półokrągłym sklepieniu rozgrzewa się do temperatury 500 * 800°C wprowadzanym do niej palącym się gazem rozpałkowym, po czym w drugim etapie do komory (1) spalania wprowadza się rozpylony, rozwierający się na jej wejściu, strumień mieszanki paliwowej wodno-węglowej zawierającej 48 68% węgla o wielkości ziaren do 300 μm, 50 * 30% wody i do 2% plastyfikatora, na którą kieruje się w komorze (1) spalania co najmniej jeden strumień powietrza pod kątem a = 0 * 30° do dna tej komory (1) oraz co najmniej drugi strumień powietrza pod kątem β = 0 * 20° do jej ściany bocznej wywołując jej ruch wirowy i zapalając tą mieszankę od rozgrzanej, wewnętrznej powierzchni komory (1) spalania, a spaliny odprowadzane z komory (1) spalania schładza się do temperatury równej lub niższej od temperatury płynięcia popiołu powstałego w czasie spalania, zależnej od zapopielenia węgla w mieszance wodno-węglowej, kierując je do odbiornika ciepła.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do mieszanki paliwowej wodno-węglowej dodaje się do 5% tlenku wapnia.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spalanie mieszanki wodno-węglowej prowadzi się przy współczynniku nadmiaru powietrza w komorze (1) spalania wynoszącym λ= 1,1 * 3,5.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt rozwarcia strumienia mieszanki wodnowęglowej wprowadzanej do komory (1) spalania wynosi 25° * 35°.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rozpyloną mieszankę wodno-węglową, przed komorą (1) spalania, zapala się w dyszy (9) łącznikowej doprowadzonym do niej palącym się gazem rozpałkowym i w postaci palącej wprowadza się do tej komory (1).
6. 6. Urządzenie do spalania mieszanki paliwowej wodno-węglowej posiadające komorę spalania z otworem wlotowym i otworem wylotowym oraz dyszami nadmuchowymi powietrza, instalację doprowadzającą mieszankę paliwową do komory spalania i instalację tłoczenia powietrza pod ciśnieniem, znamienne tym, że komora (1) spalania ma półokrągłe sklepienie, a przy dnie, po przeciwległych jego stronach ma rozprowadzające rury (5) z dyszami (6) nadmuchowymi, które z jednej strony komory (1) spalania ukierunkowane są pod kątem a = 0 * 30° do dna (4) tej komory (1) spalania, a z drugiej strony pod kątem β = 0 * 20° do jej ściany bocznej, natomiast instalacja doprowadzająca mieszankę paliwową do komory (1) spalania stanowi rozpylacz (10) z króćcem (11) powietrza połączonym z odrębną instalacją tłoczenia tego powietrza pod ciśnieniem i dyszę (9) łącznikową połączoną jednym końcem z rozpylaczem (10), a drugim końcem z otworem (8) wlotowym komory (1) spalania, który to otwór (8) ma w przekroju poprzecznym kształt trapezu i rozwiera się w stronę komory (1) spalania, przy czym dysza (9) łącznikowa ma króciec (12) doprowadzenia palącego się gazu rozpałkowego do komory (1) spalania.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że boki otworu (8) wlotowego tworzą w przekroju poprzecznym kąt rozwarcia 25° * 35°.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że komora (1) spalania ma w dnie przelotowy ruszt.
9. 9. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że ma schładzacz spalin za otworem (7) wylotowym, korzystnie na króćcu otworu (7) wylotowego z komory (1) spalania.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że komora (1) spalania ma drugi, przeciwległy otwór (8) wlotowy połączony z instalacją doprowadzającą do niej mieszankę paliwową wodno-węglową.
11. 11. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że otwór (8) wlotowy do komory (1) spalania ma regulator kąta wlotu.