Способ дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования

Изобретение относится к способам дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования и может найти применение в промышленной теплоэнергетике. Техническим результатом заявляемого технического решения является создание способа дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования, который позволит при промышленном производстве тепла перейти с жидкого нефтяного топлива на твердое органическое топливо без замены котельного агрегата. При этом будет сохранен высокий к.п.д. существующих котлов, что позволит не уменьшать их тепловую производительность и оптимизировать расход твердого органического топлива (биомассы). Указанный технический результат достигается тем, что разработан способ дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования, включающий подачу топлива из бункера, в котором хранится сырье, которым может быть, в частности, твердое органическое топливо, в устройство сжигания биомассы, в котором организован тангенциальный ввод воздуха, при этом производят сжигание биомассы с поступлением образовавшегося горючего газа на конечном этапе производственного процесса в топку котельного агрегата. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к способам дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования и может найти применение в промышленной теплоэнергетике для модернизации существующих технологий, применяемых в паровых или водогрейных котлах, в классическом варианте работающих на природном газе, мазуте или угле, в предлагаемом варианте возможен перевод их на альтернативное, более дешевое топливо.

В настоящее время актуальна задача перевода промышленных и муниципальных котельных, использующих жидкое топливо, на использование биомассы. В качестве сжигаемой биомассы может использоваться самое разное сырье: отходы деревопереработки, некондиционная древесина, торф, сапропель, сухой навоз, солома, лузга, илы канализации, промышленно-бытовые отходы, энергетические травы и другие виды горючего органического топлива.

Основной технологической проблемой, возникающей при сжигании биомассы в котлах, изначально рассчитанных на жидкое топливо, является значительное снижение к.п.д. использования теплосодержания топлива. Этот эффект снижения к.п.д. объясняется разными температурами топочных газов, получаемых при сжигании жидкого нефтяного топлива и биомассы: высококалорийное жидкое нефтяное топливо, сгорая, развивает температуру более 1200°С, что обеспечивает к.п.д. котлов не менее 90%, а биомасса не является высококалорийным топливом и, как правило, содержит воду, что при сжигании не позволяет получить температуру топочных газов более 850°С. Поэтому в случае использования биомассы подача топочных газов с температурой 850°С в теплообменник мазутного котла, рассчитанного на 1200°С, приводит к снижению его к.п.д. с 90 до 60-65%. А снижение к.п.д. приводит к снижению производительности котельного оборудования и перерасходу топлива.

В уровне техники не обнаружено технических решений, способных при сжигании биомассы получить температуру топочных газов не ниже 1200°С и тем самым обеспечить паспортную производительность котельного оборудования при экономии сжигаемого топлива.

Известен способ сжигания топлива, представленный вертикальным циклонным предтопком, в котором организована схема двухступенчатого сжигания топлива, содержащим колосниковую решетку, расположенную в основании конической части внутреннего корпуса, и цилиндрическую циклонную камеру дожигания продуктов газификации и несгоревших частиц топлива. Подвод воздуха осуществляется тангенциально к конической части предтопка (патент Франции 2.142.281, МПК F23C 5/00, 1971). Недостатком данной конструкции циклонного предтопка является верхний торцевой выход дымовых газов, что создает дополнительные трудности при компоновке устройства с котельным агрегатом, а также не позволяет использовать весь рабочий объем топочной камеры котла.

Известен способ (прототип) сжигания биомассы (Э.Н.Сабуров, С.В.Карпов. Циклонные устройства в деревообрабатывающем и целлюлозно-бумажном производстве. М.: Экология, 1993 г., с.77-79), реализованный в циклонном предтопке, содержащем циклонную камеру, камеру дожигания, колосниковую решетку, расположенную в циклонной камере, и тангенциальные сопла. Технология сжигания биомассы в способе-прототипе предусматривает двустадийное сжигание древесных отходов в нижней и верхней камерах горения. Измельченное топливо из бункера гидравлическим плунжером подается по трубе большого диаметра на колосниковую решетку через специальное отверстие в ее центре. Образующаяся коническая куча древесных отходов воспламеняется газовой запальной горелкой, автоматически отключающейся после начала устойчивого горения топлива. В данном случае в прототипе реализуется классическая схема вертикальной конструкции предтопка, удобная в том отношении, что попадание в камеру дожигания осуществляется в силу действия силы гравитации на прогоревшие, уменьшившиеся в размере, куски топлива.

Однако в подобном вертикальном исполнении циклонной камеры и камеры дожигания есть недостатки, заключающиеся в том, что при сжигании биомассы в подобном устройстве невозможно получить температуру топочных газов более 850°С, а это в дальнейшем, при подаче топочных газов с температурой 850°С в теплообменник мазутного котла, рассчитанного на 1200°С, приводит к снижению к.п.д.

Общими признаками прототипа и заявляемого изобретения является подача топлива из бункера, тангенциальный ввод воздуха в устройство сжигания биомассы и, на конечном этапе, поступление горючего газа в топку котельного агрегата.

Отличия состоят в том, что способ-прототип реализован с помощью циклонной камеры и камеры дожигания, в то время как в заявляемом техническом решении процесс дожигания осуществляется в котле. В заявляемом техническом решении камера газогенератора и смесительная камера выполняют роль циклонной камеры прототипа.

Техническим результатом заявляемого технического решения является создание способа дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования, который позволит при промышленном производстве тепла перейти с жидкого нефтяного топлива на твердое органическое топливо без замены котельного агрегата. При этом будет сохранен высокий к.п.д. существующих котлов, что позволит не уменьшать их тепловую производительность и оптимизировать расход твердого органического топлива (биомассы).

Данный технический результат в способе дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования, включающем подачу топлива из бункера в устройство сжигания биомассы, в котором организован тангенциальный ввод воздуха, и сжигание биомассы с поступлением образовавшегося горючего газа в топку котельного агрегата, достигается тем, что подачу топлива осуществляют горизонтально посредством шнекового дозатора с возможностью регулирования посредством частотного регулятора скорости подачи сырья и, соответственно, мощности котла и температуры теплоносителя в горизонтально сориентированное устройство сжигания биомассы, состоящее из камеры газификатора и смесительной камеры, при этом топливо сначала подают в предварительно разогретый газификатор, куда одновременно с топливом через воздушный коллектор, снабженный дутьевой решеткой, обеспечивающей скорость истечения воздуха 40-50 м/с, подают воздух в количестве менее 60% от объема, необходимого для полного сжигания топлива, при этом внутри газификатора осуществляют циклонное вращение газов при неподвижном слое топлива, находящемся на дне газификатора, а далее получившийся горючий газ высокой калорийности из газификатора подают в смесительную камеру, в которой происходит смешение горючего газа, поступающего из газификатора, с дополнительным потоком воздуха, необходимым для дальнейшего полного сгорания топлива и поступающим сквозь ряд наддувных отверстий в стенке смесительной камеры, снабженных воздушными заслонками, посредством которых регулируют напор воздуха, при этом поток воздуха в смесительную камеру направляют через воздуховод, соединенный с воздушным коллектором, выполненным в виде внешнего кожуха смесительной камеры, в которой происходит процесс смешивания воздуха, проходящего через упомянутые наддувные отверстия, расположенные под углом 10-12° к радиусу смесительной камеры, с горючими газами, поступающими из газификатора, в соотношении частей поступающего в смесительную камеру воздуха и горючего газа, полученного из сжигаемой биомассы, необходимом для полного сгорания топлива, а затем полученный в результате смешивания высокотемпературный топочный газ в виде высокотемпературного факела из смесительной камеры подают в камеру сгорания котельного агрегата, в которой происходит окончательное дожигание газовой смеси и подача газового факела на теплообменники котла для нагрева теплоносителя.

В случае использования при сжигании мелкодисперсного топлива на дне газификатора формируют взвешенный слой горящего материала посредством организации поддува снизу, в результате чего топливо быстрее сгорает.

Камеры сгорания оборудованы бункерами подачи сырья. С помощью шнека сырье из бункера подается в камеру, куда также подается воздух. Топливо газифицируется, горючий газ поступает в топку котла, где сгорает и отдает свое тепло нагреваемой воде. Скорость подачи сырья регулируется с помощью частотного регулятора. Таким образом, регулируется мощность котла, а значит, и температура нагреваемой воды или расход пара.

Используя предлагаемые камеры сгорания (газификатор и смесительную камеру), можно перевести существующие котлы на альтернативное топливо без полной их замены. То есть нет необходимости полностью менять котлы и переоборудовать всю котельную. Таким образом можно избежать значительных финансовых затрат на переоборудование котельной и получить возможность использовать более дешевое и доступное местное топливо.

Установка камер сгорания осуществляется в короткие сроки. Автоматическая работа облегчает эксплуатацию оборудования.

Способ дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования осуществляют следующим образом.

Твердое органическое топливо шнековым дозатором подается в газогенератор, куда одновременно с топливом через воздушный коллектор подается воздух в количестве менее 60% от объема, необходимого для полного сжигания топлива. Воздух в газогенератор подается через дутьевую решетку из огнеупорного материала, при этом диаметр отверстий обеспечивает скорость истечения воздуха 40-50 м/с. Это позволяет избежать проваливания твердого топлива в воздушный коллектор и разрыхлить горящее топливо. Внутренняя поверхность газогенератора облицована огнеупорной футеровкой. Газогенератор имеет смотровое окно, дверь для чистки и предварительного розжига и место для стыковки со смесительной камерой. Смесительная камера служит для смешения горючего газа, поступающего из газогенератора, с дополнительным количеством воздуха, необходимым для дальнейшего полного сгорания топлива. Горючий газ из газогенератора поступает в смесительную камеру через входное отверстие. Смесительная камера облицована огнеупорной футеровкой, при этом в футеровке имеется ряд отверстий для наддува воздуха, пропускная способность которых регулируется воздушными заслонками. Воздух в смесительную камеру поступает через воздушный коллектор, выполненный в виде внешнего кожуха смесителя. В воздушный коллектор воздух поступает из воздуховода. Поток воздуха, проходя через наддувные отверстия, расположенные под углом 10-12° к радиусу камеры смешения, смешивается с горючими газами, поступающими из газогенератора, в соотношении, необходимом для полного сгорания топлива, и через выходное отверстие поступает в камеру сгорания котельного агрегата. Подача воздуха в смесительную камеру под углом 10-12° обеспечивает закручивание газового потока, что увеличивает время его пребывания в смесительной камере и улучшает перемешивание воздуха и горючего газа.

Заявляемый способ обеспечивает теплообменники котельного агрегата высокотемпературными топочными газами. При этом практически не снижается тепловая производительность котла и к.п.д. использования топлива.

Изобретение позволяет сформировать газовую смесь из воздуха и газообразного горючего, получаемого в заявляемом устройстве из сжигаемой биомассы, и окончательно дожечь эту газовую смесь непосредственно в камере сгорания котельного устройства. Это позволяет подать на теплообменники котла газовый факел с температурой 1200°С, что обеспечит высокий к.п.д. работы котла и экономное использование сжигаемой биомассы.

Пример конкретного выполнения способа

В качестве топлива могут использоваться опилки, солома, лузга подсолнечника и другие отходы растительного происхождения, а также торф и бурый уголь с размером фракции 0,1-10 мм. Влажность сжигаемого топлива не должна превышать 35%, а для торфа и бурого угля не выше 25%, при более высокой влажности топливо необходимо сушить. Зольность топлива должна быть не более 25%. Способ реализован с помощью устройств для дискретного сжигания топлива с техническими характеристиками, приведенными в таблице (данные приведены для древесных опилок с влажностью до 30% и зольностью до 3%)

Таблица
Технические характеристики способа дискретного сжигания
Параметры	Тип камеры сгорания
УДС-160	УДС-250	УДС-500	УДС-800	УДС-1000	УДС-1500	УДС-3000
Мощность, кВт	160	250	500	800	1000	1500	3000
Температура сгорания, °С	1100
Расход топлива, кг/ч1)	72	113	225	360	450	900	1350
Теплота сгорания, ккал/кг	2600
Расход воздуха, нм3/ч	360	570	1200	1900	2400	4500	7000
Установленная электрическая мощность, кВт	2	2,5	3,3	4,1	5,2	9,4	12,5
Примечание: 1)Количество топлива зависит от свойств сырья, калорийности, влажности, зольности.

При анализе уровня техники не обнаружено решений с подобным сочетанием экономичности и технической эффективности, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

1. Способ дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования путем подачи топлива из бункера в устройство сжигания биомассы, в котором организован тангенциальный ввод воздуха, сжигания биомассы с поступлением образовавшегося горючего газа в топку котельного агрегата, отличающийся тем, что подачу топлива осуществляют горизонтально посредством шнекового дозатора с возможностью регулирования посредством частотного регулятора скорости подачи сырья и соответственно мощности котла и температуры теплоносителя, в горизонтально сориентированное устройство сжигания биомассы, состоящее из камеры газификатора и смесительной камеры, при этом топливо сначала подают в предварительно разогретый газификатор, куда одновременно с топливом со скоростью истечения 40-50 м/с подают воздух в количестве менее 60% от объема, необходимого для полного сжигания топлива, при этом внутри газификатора осуществляют циклонное вращение газов при неподвижном слое топлива, находящемся на дне газификатора, а далее полученный горючий газ высокой калорийности из газификатора подают в смесительную камеру, в которой происходит смешение горючего газа, поступающего из газификатора, с дополнительным потоком воздуха, необходимым для дальнейшего полного сгорания топлива, поступающим сквозь ряд наддувных отверстий в стенке смесительной камеры, снабженных воздушными заслонками, посредством которых регулируют напор воздуха, при этом дополнительный поток воздуха в смесительную камеру направляют через воздуховод, соединенный с воздушным коллектором, выполненным в виде внешнего кожуха смесительной камеры, в которой происходит процесс смешивания воздуха, проходящего через упомянутые отверстия, расположенные под углом 10°-12° к радиусу смесительной камеры, с горючими газами, поступающими из газификатора, в соотношении частей поступающего в смесительную камеру воздуха и горючего газа, полученного из сжигаемой биомассы, необходимом для полного сгорания топлива, а затем полученный в результате смешивания высокотемпературный топочный газ в виде высокотемпературного факела из смесительной камеры подают в камеру сгорания котельного агрегата, в которой происходит окончательное дожигание газовой смеси и подача газового факела на теплообменники котла для нагрева теплоносителя.

2. Способ дискретного сжигания биомассы и получения топочного газа для котельного оборудования по п.1, отличающийся тем, что, в случае использования при сжигании мелкодисперсного топлива, на дне газификатора формируют взвешенный слой горящего материала посредством организации поддува снизу, в результате чего топливо быстрее сгорает.