PL220577B1 - Układ z zespołem dysz WOFA do ujednorodnienia składu chemicznego i temperatury strumienia spalin w górnej części komory paleniskowej kotła energetycznego z palnikami niskoemisyjnymi NOx - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ z zespołem dysz WOFA (Whirl Over Fired Air) do ujednorodnienia składu chemicznego i temperatury strumienia spalin w górnej części komory paleniskowej kotła energetycznego z palnikami niskoemisyjnymi NOx, umożliwiający dokładne wymieszanie doprowadzonego powietrza z produktami spalania zawierającymi części palne w celu ujednorodnienia strumienia spalin pod względem składu chemicznego i temperatury w całym przekroju komory paleniskowej a następnie wypalenie pozostałych części palnych tj. węgla i tlenku węgla.

Znane są różne sposoby wprowadzenia powietrza dopalającego w górnych częściach komory paleniskowej oraz układy i konstrukcje dysz powietrza dopalającego w kotłach energetycznych, takie jak OFA (Over Fire Air), SOFA (Separated Over Fire Air) lub ROFA (Rotating Opposed Fire Air).

Z polskiego opisu patentowego nr PL 181530 znany jest sposób i urządzenie do ograniczania emisji tlenków azotu w kotłach energetycznych różnych typów, z wprowadzeniem do komory paleniskowej powietrza dodatkowego nad strugami mieszanki paliwowo-powietrznej ze ścian komory paleniskowej, gdzie gorące powietrze doprowadza się wspólnym kanałem, do co najmniej dwóch dysz, a następnie wprowadza się powietrze dodatkowe ze ścian komory paleniskowej dyszami w poziomych kolektorach powietrza z tej samej lub różnej wysokości kotła.

Z polskiego opisu patentowego nr PL 176578 znany jest sposób i palenisko do zmniejszania emisji tlenków azotu z procesów spalania w kotłach energetycznych na pył węgla brunatnego, gdzie dodatkowe powietrze górne wprowadza się na poziomie ujęć kanałów spalin z dwóch przeciwległych ścian komory paleniskowej, z dysz zabudowanych na przednich i tylnych ścianach kotła pojedynczymi parami strug, skierowanymi pod kątem w górę i równocześnie do komory paleniska parami równoległymi do siebie.

Znany jest również z polskiego opisu patentowego nr PL 210373 sposób wprowadzenia powietrza dopalającego w komorach kotłów energetycznych i układ powietrza dopalającego, zwłaszcza z palnikami narożnymi i z dwóch różnych górnych poziomów dysz, gdzie powietrze dopalające na niższym poziomie wprowadza się dwoma podwójnymi strugami z przedniej i tylnej ściany kotła tak, że w płaszczyźnie przechodzącej przez oś kotła, równoległej do ściany przedniej i ściany tylnej wprowadza się łącznie osiem strumieni powietrza dopalającego, powietrze dopalające na wyższym poziomie wprowadza się z naroży komory paleniskowej strugami skierowanymi przeciwnie do zawirowania produktów spalania w komorze paleniskowej.

Wadą przedstawionych powyżej rozwiązań jest słaba penetracja powietrza dopalającego w całym strumieniu spalin, wynikająca z niedostatecznego pokrycia powietrzem wewnętrznej powierzchni komory paleniskowej i niewystarczające ciśnienie powietrza przed dyszami, niezdolne do wytworzenia potrzebnej energii strumienia do wniknięcia w jądro strumienia spalin. Zgodnie z teorią wypływu powietrza przez otwór ostro krawędziowy do komory paleniskowej, prosty strumień powietrza ma tendencję do szybkiego odgięcia w górę, w kierunku przepływu spalin wywołanego podciśnieniem w komorze paleniskowej, lecz w pobliżu ściany. Przy zmniejszaniu obciążenia kotła, ciśnienie w kolektorze powietrza maleje, w związku z czym, maleje również energia strumienia powietrza dopalającego, wypływającego z dysz dopalających OFA lub SOFA.

Znany jest również z opisu międzynarodowego zgłoszenia wynalazku WO 2005/115592 i PL 381880 jak również z US 7335014 sposób zmniejszania ilości zanieczyszczeń gazów spalinowych w procesach spalania, w którym wykorzystuje się kombinację rotacyjnego powietrza wtórnego ROFA z bezpośrednim wprowadzeniem środków redukujących.

W znanym sposobie i urządzeniu do wyrównywania pól temperatur i stężeń składników spalin w komorach paleniskowych, zwłaszcza kotłów energetycznych wg opisu polskiego patentowego nr PL 210372, energia strug powietrza wprowadzonego dyszami OFA wytwarzana jest w dodatkowych zespołach strumienic poprzez wprowadzenie medium napędowego o wysokim ciśnieniu. Jako medium napędowe wprowadza się medium gazowe (sprężone powietrze) lub ciekłe albo w postaci pary wodnej albo w postaci reagenta chemicznego do odsiarczania bądź odazotowania spalin.

Powyższe opisy wynalazków dotyczą metod zmniejszania zanieczyszczeń gazów spalinowych z wykorzystaniem kombinacji sposobów opartych na metodach pierwotnych przy równoczesnym wprowadzeniu sorbentów chemicznych.

Układ z zespołem dysz WOFA do ujednorodniania składu chemicznego i temperatury strumienia spalin w górnej części komory paleniskowej kotła energetycznego z palnikami niskoemisyjnymi

NOx zawierający jeden lub dwa wentylatory wspomagające przetłaczające gorące powietrze oraz

PL 220 577 B1 zespół jedno oraz dwukanałowych, regulowanych dysz powietrza dopalającego z zawirowywaczami łopatkowymi, zabudowanych ponad niskoemisyjnymi palnikami pyłowymi na dwóch różnych poziomach i na przeciwległych ścianach lub narożach komory paleniskowej kotła energetycznego według wynalazku charakteryzuje się tym, że zabudowane w rzędzie na poziomie dolnym, dwukanałowe dysze dopalające powietrza WOFAd poziomu dolnego i zabudowane w rzędzie na poziomie górnym, jednokanałowe dysze dopalające WOFA_g poziomu górnego są rozstawione szeregowo w podziałce (t) wynoszącej korzystnie 4 do 5-cio krotnej średnicy wylotu ich dyszy poziomu dolnego 0D_d lub poziomu górnego 0D_g i są rozmieszczone w układzie przestawnym o ¹/? podziałki (t) na ścianie przeciwległej komory paleniskowej kotła energetycznego a ilość dysz dopalających WOFA w rzędzie jest większa niż cztery tak, że kierunki zawirowania strumienia powietrza sąsiednich dysz dopalających WOFA w rzędzie są przeciwne, a kąt zawirowania dyszy dolnej 3_d i kąt zawirowania dyszy górnej (%_g na wylocie z tych dysz zawiera się korzystnie w zakresie 20 do 45 stopni, przy czym ciśnienie statyczne powietrza na wlocie do dysz dopalających WOFA podwyższa o wielkość strat przepływu i opory tych dysz wentylator wspomagający, który przetłacza gorące powietrze z kolektora kotła energetycznego. Ilość nzd łopatek zawirowywacza poziomu dolnego zawiera się korzystnie w zakresie od 5 do 10, natomiast ilość nzg łopatek zawirowywacza poziomu górnego wynosi korzystnie od 3 do 6. Dwukanałowe dysze dopalające WOFAd poziomu dolnego i jednokanałowe dysze dopalające WOFAg poziomu górnego mają na wlocie ręczne klapy regulacyjne do wyregulowania strumienia powietrza dla wyrównania rozkładu składu chemicznego i temperatury strumienia spalin w całym przekroju komory paleniskowej.

Zaletą układu z zespołem dysz WOFA do ujednorodnienia składu chemicznego i temperatury strumienia spalin w górnej części komory paleniskowej kotła energetycznego z palnikami niskoemisyjnymi NOx według wynalazku jest jego prosta konstrukcja i brak elementów oczyszczania chemicznego spalin. W wyniku zastosowania układu z zespołem dysz WOFA uzyskuje się: wyrównanie temperatur po prawej i lewej stronie kotła, zmniejszenie zawartości części palnych w popiele lotnym, obniżenie emisji tlenków azotu NOx i tlenku węgla CO w spalinach wylotowych.

Wynalazek jest objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, gdzie: fig. 1 przedstawia schemat instalacji powietrza dopalającego z zainstalowanym dodatkowo wentylatorem wspomagającym oraz zespołem dysz dopalających WOFA, fig. 2 przedstawia przekrój pionowy przez komorę paleniskową kotła energetycznego z zabudowanymi palnikami niskoemisyjnymi i dyszami dopalającymi WOFA w dwóch rzędach, fig. 3 przedstawia przekrój poprzeczny przez komorę paleniskową kotła na poziomie dysz dopalających WOFA, fig. 4 przedstawia dwukanałową dyszę dopalającą WOFAd poziomu dolnego, fig. 5 przedstawia jednokanałową dyszę dopalającą WOFAg poziomu górnego, fig. 6 przedstawia geometrię zawirowywacza łopatkowego dyszy dopalającej WOFAd poziomu dolnego, natomiast fig. 7 przedstawia zawirowywacz skrzydełkowy dyszy dopalającej WOFAg poziomu górnego.

W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1 układ z zespołem dysz WOFA do ujednorodniania składu chemicznego i temperatury strumienia spalin w górnej części komory paleniskowej kotła energetycznego z palnikami niskoemisyjnymi NOx składa się z jednego lub dwóch (w zależności od wielkości kotła) wentylatorów wspomagających 2, zespołu dwukanałowych dysz dopalających WOFA_d poziomu dolnego 4 zabudowanych na przeciwległych ścianach komory paleniskowej 1 kotła energetycznego, na dolnym poziomie dysz powietrza dopalającego nad niskoemisyjnymi palnikami pyłowymi 3, zespołu jednokanałowych dysz dopalających WOFA_g poziomu górnego 5 na górnym poziomie dysz, układów pomiarowych ilości powietrza 6 oraz klap regulacyjnych z siłownikiem 7 i ręcznych klap regulacyjnych powietrza 8 dysz dopalających WOFA_d poziomu dolnego 4 i WOFA_g poziomu górnego 5.

Rozmieszczenie niskoemisyjnych palników pyłowych 3, palników rozpałkowych 9 oraz dwukanałowych dysz dopalających WOFA_d 4 poziomu dolnego i jednokanałowych dysz dopalających WOFA_g 5 poziomu górnego na ścianach komory paleniskowej 1 w przekroju podłużnym kotła jest podane na fig. 2. Ponadto są pokazane przykładowo niskoemisyjne palniki pyłowe 3, typu strumieniowego skierowane na wspólne koło wiru.

Rozmieszczenie dwukanałowych dysz dopalających WOFA_d poziomu dolnego 4 oraz jednokanałowych dysz dopalających WOFA_g poziomu górnego 5 w przekroju poprzecznym przez komorę paleniskową 1 na poziomie dolnym dysz WOFA_d 4 jak i górnych dysz WOFA_g 5 jest podane na fig. 3. Dysze są zabudowane na przeciwległych ścianach w układzie przestawnym tj. ich osie są przesunięte względem siebie o pół podziałki t. Podziałka t rozmieszczenia dysz dopalających WOFA_d poziomu dolnego 4 oraz dysz dopalających WOFA_g 5 poziomu górnego powinna być nie większa niż cztero4

PL 220 577 B1 krotność ich średnicy dyszy 0D_d lub 0D_g i wynosić korzystnie 2,5D do 4D, natomiast ilość dysz w rzędzie nie powinna być mniejsza niż cztery, dla małych kotłów tj. o mocy cieplnej do 40 MW.

Przedstawiona na fig. 4 dwukanałowa dysza dopalająca WOFA_d poziomu dolnego 4 charakteryzuje się tym, że kanał zewnętrzny posiada zawirowywacz łopatkowy 10 o geometrii pokazanej na fig. 6. Natomiast kanał wewnętrzny posiada ręczną klapę regulacyjną kanału wewnętrznego 11.

Przedstawiona na fig. 5 jednokanałowa dysza dopalająca WOFA_g poziomu górnego 5, charakteryzująca się tym, że posiada tylko jeden kanał wylotowy powietrza z zawirowywaczem skrzydełkowym 12 jak przedstawiono na fig. 7. Zawirowywacz łopatkowy 10 i zawirowacz skrzydełkowy 12 mają kąt wylotu p_d i 3_g korzystnie w zakresie od 20 do 45 stopni a ilość ich łopatek mieści się w zakresie n_zd od 5 do 10 dla dyszy poziomu dolnego oraz nzg od 3 do 6 dla dyszy poziomu górnego.

Przebieg działania układu z zespołem dysz WOFA do ujednorodniania składu chemicznego i temperatury strumienia spalin w górnej części komory paleniskowej kotła energetycznego według wynalazku jest następujący. Powietrze dopalające jest doprowadzane do strumienia spalin, za pomocą wirowych dwukanałowych dysz dopalających WOFA_d poziomu dolnego 4 oraz jednokanałowych dysz dopalających WOFA_g poziomu górnego 5 zabudowanych na dwóch poziomach przeciwległych ścian komory paleniskowej 1 w układzie przestawnym z silnym zawirowaniem i dużą prędkością merydionalną. Energia strumieni powietrza wypływającego z dysz dopalających WOFA pochodzi z je dnego lub dwóch wentylatorów wspomagających 2 włączonych do kolektora gorącego powietrza 16 kotła energetycznego. Regulacja ilości powietrza dopalającego odbywa się za pośrednictwem regulacji wentylatora wspomagającego 2 lub za pomocą osiowego aparatu kierowniczego wentylatora wspomagającego 13 zabudowanego na wlocie wentylatora wspomagającego 2 lub za pomocą bezstopniowej zmiany prędkości obrotowej silnika napędowego wentylatora wspomagającego 2. Opcjonalnie do regulacji ilości powietrza można zastosować klapę regulacyjną z siłownikiem 7.

Dwukanałowe dysze dopalające WOFA_d poziomu dolnego 4 zabudowane na dolnym poziomie mają dwie koncentryczne dysze wylotowe powietrza, zewnętrzną 14, i wewnętrzną 15. Koncentryczne dysze wylotowe zewnętrzne 14 są zaprojektowane dla stałej, maksymalnej prędkości wypływu powietrza, niezależnie od obciążenia kotła. Koncentryczne dysze wylotowe wewnętrzne 15 mają klapę regulacyjną 11, dostosowującą ilość powietrza dopalającego do zmieniającego się obciążenia kotła. Ilość powietrza dopływającego do poszczególnych zespołów dysz (poziom dolny, poziom górny, strona lewa, strona prawa, lub przód - tył kotła) jest mierzona za pomocą układu pomiarowego ilości powietrza 6. Wypływ powietrza z poszczególnych dysz dopalających WOFA jest korygowany w zależności od potrzeb za pomocą ręcznych klap regulacyjnych powietrza 8 na wlocie do każdej dyszy, dzięki temu uzyskuje się wyrównaną temperaturę pary na stronie prawej i lewej kotła poprzez wyrównanie składu chemicznego i temperatury spalin w całym przekroju na wylocie z komory paleniskowej 1 kotła energetycznego.

Dwukanałowe dysze dopalające WOFA_d poziomu dolnego 4 i jednokanałowe dysze dopalające WOFA_g poziomu górnego 5 są zabudowane na ścianach komory paleniskowej 1 kotła energetycznego na dwóch poziomach. Poziomy zabudowy dysz są wyznaczane drogą pomiarów wstępnych lub na podstawie wyników symulacji komputerowej, uwzględniając rozkład części palnych i temperatur spalin wylotowych w komorze paleniskowej 1. Na obydwu poziomach, dysze dopalające WOFA są ustawione poziomo na dwóch przeciwległych ścianach komory paleniskowej 1 w podziałce t korzystnie mniejszej niż około 5 do 4 średnic, odpowiednio 0D_d lub 0D_g wylotu dyszy i prostopadle do ściany w układzie przestawnym obydwu ścian. Dysze dopalające WOFA_d poziomu dolnego 4 zainstalowane w rzędzie dolnym dostarczają do kotła większy strumień powietrza i są wykonywane jako dwukanałowe. Kanał wewnętrzny posiada ręczną klapę regulującą 11 ilość powietrza, zmniejszającego się w miarę zmniejszania obciążenia kotła. Kanał zewnętrzny posiada zawirowywacz łopatkowy 10, wytwarzający stały strumień powietrza i zapewniający wypływ powietrza zawirowanego z dużą prędkością merydionalną, korzystnie powyżej 45 m/s, co zapewnia dotarcie strumienia powietrza dopalającego, co najmniej do osi komory paleniskowej 1 i wywołuje turbulencję strumienia spalin, a w konsekwencji dostarczenie powietrza do pozostałości części palnych w spalinach i całkowite ich wypalenie przed opuszczeniem strefy wysokich temperatur.

Jednokanałowe dysze dopalające WOFA_g poziomu górnego 5 według wynalazku charakteryzują się jednym wypływem powietrza zawirowanego i są zabudowane na przeciwległych ścianach kom ory paleniskowej 1 w podziałce t takiej samej jak dwukanałowe dysze dopalające WOFA_d poziomu dolnego 4. Regulacja strumienia powietrza za pomocą ręcznych klap regulacyjnych powietrza 8 służy do wyrównania temperatury w przekroju strumienia spalin i dopalenia pozostałości części palnych po

PL 220 577 B1 pierwszym etapie dopalania za pomocą dysz dopalających WOFA_d poziomu dolnego 4 zainstalowanych w rzędzie dolnym.

Energię strumienia powietrza wypływającego z dwukanałowych dysz dopalających WOFAd poziomu dolnego 4 i jednokanałowych dysz dopalających WOFA_g poziomu górnego 5 uzyskuje się poprzez zastosowanie dodatkowego wentylatora wspomagającego 2, czerpiącego gorące powietrze z kolektora 16 łączącego podgrzewacze powietrza 17 z dwoma podgrzewaczami, bądź bezpośrednio z kanału łączącego podgrzewacz powietrza ze skrzynką palnikową 18. Parametry przepływowe wentylatora wspomagającego 2 są dostosowane do wymaganej ilości powietrza dopalającego i oporów przepływu instalacji wraz ze stratą wylotową i zawirowaniem powietrza w dyszy dopalającej WOFA_d poziomu dolnego 4 i dyszy dopalającej WOFA_g poziomu górnego 5.

Układ z zespołem dysz WOFA według wynalazku jest przeznaczony do kotłów energetycznych parowych i wodnych z zainstalowanymi niskoemisyjnymi palnikami pyłowymi, zarówno typu strumieniowego jak i typu wirowego i zespołem dysz powietrza dopalającego WOFA (Whirl Over Fired Air), zabudowanymi na dwóch poziomach na ścianie frontowej bądź ścianach bocznych i skierowanymi prostopadle do ściany komory paleniskowej, na której są zabudowane.

Claims (3)

1. Układ z zespołem dysz WOFA do ujednorodniania składu chemicznego i temperatury strumienia spalin w górnej części komory paleniskowej kotła energetycznego z palnikami niskoemisyjnymi NOx zawierający jeden lub dwa wentylatory wspomagające przetłaczające gorące powietrze oraz zespół jedno i dwukanałowych, regulowanych dysz powietrza dopalającego z zawirowywaczami łopatkowymi, zabudowanych ponad niskoemisyjnymi palnikami pyłowymi na dwóch różnych poziomach i na przeciwległych ścianach lub narożach komory paleniskowej kotła energetycznego, znamienny tym, że zabudowane w rzędzie na poziomie dolnym, dwukanałowe dysze dopalające powietrza WOFA_d poziomu dolnego (4) i zabudowane w rzędzie na poziomie górnym, jednokanałowe dysze dopalające WOFA_g poziomu górnego (5) są rozstawione szeregowo w podziałce (t) wynoszącej korzystnie 4 do 5-cio krotnej średnicy wylotu ich dyszy poziomu dolnego 0D_d lub dyszy poziomu górnego 0D_g i są rozmieszczone w układzie przestawnym o ¹/? podziałki (t) na ścianie przeciwległej komory paleniskowej (1) kotła energetycznego a ilość dysz dopalających WOFA w rzędzie jest większa niż cztery tak, że kierunki zawirowania strumienia powietrza sąsiednich dysz dopalających WOFA w rzędzie są przeciwne, a kąt zawirowania dyszy dolnej 3_d i kąt zawirowania dyszy górnej (J na wylocie z tych dysz zawiera się korzystnie w zakresie 20 do 45 stopni, przy czym ciśnienie statyczne powietrza na wlocie do dysz dopalających WOFA podwyższa o wielkość strat przepływu i opory tych dysz wentylator wspomagający (2), który przetłacza gorące powietrze z kolektora (16) kotła energetycznego.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ilość n_zd łopatek (10) zawirowywacza poziomu dolnego (4) zawiera się korzystnie w zakresie od 5 do 10, natomiast ilość n_zg łopatek (12) zawirowywacza poziomu górnego (6) wynosi korzystnie od 3 do 6.

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że dwukanałowe dysze dopalające WOFA_d poziomu dolnego (4) i jednokanałowe dysze dopalające WOFA_g poziomu górnego (5) mają na wlocie ręczne klapy regulacyjne (8) do wyregulowania strumienia powietrza dla wyrównania rozkładu składu chemicznego i temperatury strumienia spalin w całym przekroju komory paleniskowej (1).