Патент на изобретение №2155911

(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ТОПКИ СЖИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

(57) Реферат:

Для осуществления способа регулирования мощности топки сжигательной установки колосниковая решетка 1 оборудована несколькими зонами 7.1-7.5 нижнего дутья, причем для расчета регулирующего сигнала одна зона нижнего дутья (например, 7.2) оснащена в начале зоны главного горения соответствующими измерительными устройствами, а именно температурным датчиком 17 и датчиком 19 давления, а также соответствующий воздухоподающий трубопровод (например, 8.2) оснащен расходомером 18. В топочном пространстве 3 предусмотрен дополнительный датчик 20 давления для определения статической разности давлений между зоной нижнего дутья и топочным пространством. Измеренные этим измерительным устройством значения подают к центральному вычислительному блоку ZR, который при необходимости с учетом коэффициента потока выдает регулирующий сигнал R регулирующему устройству RE, связанному с различными исполнительными устройствами 21-24, для воздействия на скорость шуровки решетки, загружаемое количество топлива, выгружаемое количество шлака и при необходимости количество воздуха к отдельным зонам нижнего дутья. Изобретение позволяет привести в соответствие мощность топки с требованиями паропроизводительности и снизить токсичность отходящих газов. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу регулирования мощности топки сжигательных установок, в частности установок для сжигания отходов, при котором сжигаемый материал загружают в начале колосниковой решетки, подвергают на ней шуровочному и поступательному движению и выгружают на конце колосниковой решетки образующийся шлак.

При сжигании отходов наряду с небольшим выделением токсичных веществ в отходящих газах требуется равномерное выделение тепла из топлива. Поскольку поданное на колосниковую решетку количество тепла на единицу объема отходов или мусора подвержено сильным колебаниям, с одной стороны, количество загруженного мусора необходимо варьировать в зависимости от имеющейся теплоты сгорания, а, с другой стороны, необходимо варьировать шуровку или циркуляцию топлива, а также подачу дутьевого воздуха, с тем чтобы обеспечить, по возможности, равномерное выделение тепла.

В сжигательных установках со слоевыми топками, у которых не происходит автоматического регулирования скорости шуровки решетки в зависимости от установленной высоты слоя топлива, это приводит к теплотехническому недостатку, заключающемуся в меняющейся высоте слоя топлива. Меняющаяся высота слоя топлива обладает недостатком, заключающимся в неравномерной проницаемости слоя топлива для дутьевого воздуха. Такая неравномерная проницаемость слоя топлива для дутьевого воздуха приводит к переменному коэффициенту избытка воздуха и тем самым к изменениям процессов горения, следствием чего являются нестабильный процесс горения и тем самым нестабильные значения O₂ в отходящих газах, различные выбросы CO и NO_x, различные количества летучей пыли и различное выгорание шлака.

Из европейского патента N 0661500 B1 известны регистрация распределения сжигаемой массы на колосниковой решетке посредством радара и использование этого сигнала, например, для регулирования скорости шуровки. Этот способ действительно обладает достоинствами, однако требует использования дорогостоящих измерительных устройств. Кроме того, по установленной высоте слоя топлива невозможно сделать вывод о воздухопроницаемости слоя топлива.

Задачей изобретения является разработка простыми средствами способа, при котором мощность топки можно относительно просто привести в соответствие с требованиями паропроизводительности, причем должны быть удовлетворены существенные теплотехнические требования в отношении состава отходящих газов и здесь, в частности, с учетом CO, углеводородов, оксидов азота, а также других токсичных веществ.

Эта задача для способа поясненного выше рода согласно изобретению решается за счет того, что происходит по меньшей мере одно воздействие на шуровочное и поступательное движение сжигаемого материала в зависимости от проницаемости колосниковой решетки и слоя топлива для дутьевого воздуха. Это является минимальным требованием, которое должно быть удовлетворено, с тем чтобы можно было в значительной степени справиться с проблемами неравномерной высоты слоя топлива. За счет изменения шуровочного движения решетки можно установить распределение сжигаемой массы таким образом, что воздухопроницаемость колосниковой решетки и слоя топлива будет оставаться постоянной, за счет чего достигаются стабильный избыток воздуха и, тем самым, в значительной степени равномерное горение со стабильными значениями O₂ в отходящих газах. Далее за счет этого равномерные выбросы токсичных веществ поддерживаются на низком уровне. При равномерной проницаемости слоя топлива для дутьевого воздуха скорости газа через слой топлива остаются в значительной степени постоянными и тем самым достигается также постоянный по количеству низкий выход летучей пыли из топки. Поскольку благодаря мероприятию согласно изобретению процесс горения может поддерживаться на равномерно оптимальном уровне, хорошее выгорание шлака от этого происходит также во время сжигания тяжелых отходов с большими различиями теплоты сгорания.

С тем чтобы надежно обеспечить эти преимущества даже при сильно колеблющихся значениях теплоты сгорания загруженного топлива, предпочтительно, если в усовершенствование изобретения производят воздействие на загружаемое количество сжигаемого материала, а в дополнение к этому мероприятию – воздействие на выгружаемое количество шлака в зависимости от проницаемости колосниковой решетки и слоя топлива для дутьевого воздуха.

Воздействие на загружаемое количество сжигаемого материала в зависимости от проницаемости колосниковой решетки и слоя топлива для дутьевого воздуха происходит с наложением на обычного рода регулирование загрузки сжигаемого материала, например в зависимости от массового потока пара, и представляет собой, таким образом, корректировочное мероприятие, если окажется, что одно только регулирование скорости шуровки не приводит к оптимальным результатам.

Для исключения негативного воздействия на распределение сжигаемой массы за счет регулирования скорости шуровки предпочтительно, если воздействие на выгружаемое количество шлака происходит в зависимости от проницаемости колосниковой решетки и слоя топлива для дутьевого воздуха, поскольку здесь выгрузку шлака можно привести в соответствие с потоком сжигаемой массы на колосниковой решетке.

С помощью этих мероприятий согласно изобретению можно достичь стабильности мощности топки с колебаниями менее 5% также при сжигании мусора с кратковременными колебаниями теплоты сгорания более чем 50%.

Если смотреть по всей длине колосниковой решетки, то проницаемость для дутьевого воздуха изменяется по мере сгорания, поскольку свежезагруженное топливо обладает иной воздухопроницаемостью, чем уже находящееся в процессе горения или почти полностью сгоревшее топливо. Согласно настоящему изобретению рекомендуется определять проницаемость слоя топлива для дутьевого воздуха в области начинающегося горения на колосниковой решетке. Речь при этом идет о первом участке зоны главного горения. Этот участок должен преимущественно привлекаться для определения проницаемости для дутьевого воздуха, поскольку здесь влияние высоты слоя топлива на желаемое тепловыделение наиболее выражено. По этой причине данная область предпочтительным образом рекомендуется для определения регулируемой величины. Здесь должны осуществляться и наибольшие изменения для достижения равномерного тепловыделения, несмотря на изменяющуюся характеристику топлива. В принципе, предложенная техника регулирования может быть использована в любой области решетки для сжигания, где реакции горения протекают в сколько-нибудь заметном объеме.

Принципиальная идея изобретения, ведущая к определению регулируемой величины, заключается в первом приближении в том, что расчет регулирующего сигнала, соответствующего проницаемости для дутьевого воздуха, производят путем определения свободной поверхности для выхода воздуха всего состоящего из полотна решетки и слоя топлива тела сопротивления для дутьевого воздуха в рассматриваемой области решетки по формуле

причем R означает регулирующий сигнал, PLB означает проходящее через слой топлива количество первичного воздуха в эксплуатационных условиях, а V означает скорость истечения через состоящее из полотна решетки и слоя топлива тело сопротивления для дутьевого воздуха и вычисляется по формуле

где g означает ускорение свободного падения, _L означает удельный вес воздуха в эксплуатационных условиях, а p означает статическую разность давлений между зоной нижнего дутья и топочным пространством.

Этот вид расчета регулируемой величины, в принципе, достаточен для решения поставленной выше задачи. Однако могут возникнуть отклонения от фактических условий, причиной которых является то, что тело сопротивления для дутьевого воздуха, состоящее из полотна решетки и слоя топлива, в зависимости от скорости проходящего через него дутьевого воздуха оказывает ему более или менее сильное аэродинамическое сопротивление или сопротивление трения. Воздух проходит с одной стороны через очень узкие щели между отдельными колосниками решетки, а с другой стороны через состоящую из отходов или мусора засыпку, которая не обеспечивает определенные пути потока и воздухопроницаемость которой зависит не только от высоты слоя сжигаемой массы, но и от ее состава, т.е. от качества мусора. Здесь возникают условия истечения, которые невозможно более точно определить математическими формулами и которые приводят к тому, что основы расчета не всегда совпадают с фактическими условиями.

Исходя из этих трудностей согласно настоящему изобретению предложен вид расчета регулирующего сигнала, связанный, правда, с повышенными затратами, однако позволяющий более точно согласовать вычисленную регулируемую величину с фактическими условиями и заключающийся согласно изобретению в том, что расчет регулирующего сигнала, соответствующего проницаемости для дутьевого воздуха, производят путем определения свободной поверхности для выхода воздуха всего состоящего из полотна решетки и слоя топлива тела сопротивления для дутьевого воздуха, а также коэффициента потока, зависящего от скорости течения дутьевого воздуха и устанавливаемого экспериментальным путем, по формуле

где R_к означает корректированный регулирующий сигнал, F означает свободную поверхность для выхода воздуха, означает коэффициент потока,
и свободная поверхность для выхода воздуха вычисляется по формуле

причем V означает скорость истечения через состоящее из полотна решетки и слоя топлива тело сопротивления для дутьевого воздуха и вычисляется по формуле

где g означает ускорение свободного падения, _L означает удельный вес воздуха в эксплуатационных условиях, a p означает статистическую разность давлений между зоной нижнего дутья и топочным пространством.

Экспериментально устанавливаемый коэффициент потока является, следовательно, поправочной величиной, которая учитывает потери за счет трения и образования завихрений в потоке воздуха через полотно решетки, т.е. через выполненную из отдельных колосников колосниковую решетку, и слой топлива, состоящий из хаотичного скопления горючих и инертных отходов самых разных размеров.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью графического изображения примера выполнения сжигательной установки и с помощью результатов ее эксплуатации.

На чертежах показано:
фиг. 1 – продольный разрез схематично изображенной сжигательной установки;
фиг. 2 – схема регулирования сжигательной установки;
фиг. 3 – график зависимости скорости шуровки решетки от вычисленного регулирующего сигнала в течение определенного отрезка времени.

Изображенная на фиг. 1 сжигательная установка включает в себя колосниковую решетку 1, загрузочное устройство 2, топочное пространство 3 с примыкающим газоходом 4, к которому примыкают дополнительные газоходы и включенные за сжигательной установкой агрегаты, в частности парогенераторные установки и установки для очистки отходящих газов (не показаны на чертежах и не рассматриваются в описании).

Колосниковая решетка 1 включает в себя отдельные ступени 5, образованные, в свою очередь, отдельными, лежащими рядом колосниками. Каждая вторая ступень колосниковой решетки, выполненной в виде обратнопереталкивающей решетки, соединена с обозначенным, в целом, поз. 6 приводом, который позволяет регулировать скорость шуровки. Под колосниковой решеткой предусмотрены распределенные как в продольном, так и в поперечном направлении камеры 7.1-7.5 нижнего дутья, в которые первичный воздух подают раздельно по индивидуальным трубопроводам 8.1-8.5. На конце колосниковой решетки выгоревший шлак выгружают посредством шлаковыгружающего устройства, в изображенном примере выполнения посредством шлакового валика 9, в шлакоспускную шахту 10, откуда шлак падает в шлакоуловитель (не показан).

Загрузочное устройство 2 включает в себя загрузочный бункер 11, загрузочный желоб 12, загрузочный стол 13 и один или несколько лежащих рядом, при необходимости регулируемых отдельно друг от друга загрузочных поршней 14, которые переталкивают соскальзывающий по загрузочному желобу 12 мусор через загрузочную кромку 15 загрузочного стола 13 в топочное пространство 3 на колосниковую решетку 1.

Насыпанное на колосниковую решетку 1 топливо 16 предварительно высушивают воздухом, выходящим из зоны 7.1 нижнего дутья, а также нагревают посредством имеющегося в топочном пространстве 3 излучения и воспламеняют. В области зон 7.2 и 7.3 нижнего дутья создается зона главного горения, тогда как в области зон 7.4 и 7.5 нижнего дутья образующийся шлак выгорает и попадает в шлакоспускную шахту 10.

Для определения нужной регулируемой величины, соответствующей в первом приближении свободной поверхности для выхода воздуха через полотно решетки и слой топлива, в воздухоподающем трубопроводе 8.2 предусмотрены устройство 18 для измерения расхода воздуха, а в камере 7.2 нижнего дутья температурный датчик 17 и датчик 19 давления, тогда как в топочном пространстве 3 установлен дополнительный датчик 20 давления для измерения статистической разности давлений между зоной нижнего дутья и топочным пространством.

На фиг. 1 в схематичном виде изображены различные исполнительные устройства, служащие для регулирования различных влияющих величин или устройств, с тем чтобы можно было осуществить нужное регулирование мощности топки. При этом исполнительное устройство для воздействия на скорость шуровки обозначено поз. 21, исполнительное устройство для воздействия на число оборотов шлакового валика – поз. 22, исполнительное устройство для воздействия на частоту включения и выключения или на скорость загрузочных поршней – поз. 23, а исполнительное устройство для воздействия на расход первичного воздуха – поз. 24, способное подавать к каждой отдельной камере нижнего дутья требуемое количество первичного воздуха.

Ниже способ согласно изобретению поясняется с дополнительной ссылкой на фиг. 2 и 3.

Обычный до сих пор регулирующий блок RE, способный регулировать мощность топки сжигательной установки, например, в зависимости от массового потока пара, в отношении загрузки топлива и подачи первичного воздуха, приводимых лишь в качестве некоторых регулируемых параметров, устроен с возможностью передачи дальше к отдельным исполнительным устройствам заданных значений, необходимых для осуществления способа согласно изобретению и установленных действительных значений в виде регулируемых величин. Для этой цели предусмотрен центральный вычислительный блок ZR, который связан с температурным датчиком 17, устройством 18 для измерения расхода воздуха и обоими датчиками 19, 20 давления и который обрабатывает значения, измеренные этими датчиками и устройствами.

Для того чтобы регулируемый блок RE мог выдать отдельные регулируемые величины, необходимо исходя из измеренных значений вычислить с помощью центрального вычислительного блока ZR воздействующий на регулирующий блок регулирующий сигнал. Центральный вычислительный блок ZR определяет, следовательно, действительную величину свободной поверхности для выхода воздуха, которую затем сравнивают в регулирующем блоке RE с заданным значением свободной поверхности для выхода воздуха, в результате чего затем возникает сигнал для воздействия на отдельные исполнительные устройства 21-24.

Исходя из измеренной температуры первичного воздуха в камере 7.2 нижнего дутья и измеренного в ней давления известным образом вычисляют плотность первичного воздуха PL. Это значение используют в сочетании с измеренным обоими датчиками 19, 20 значением статической разности давлений между зоной нижнего дутья и топочным пространством, с тем чтобы с помощью формулы

вычислить скорость первичного воздуха при прохождении через тело сопротивления для дутьевого воздуха, состоящее из полотна решетки и слоя топлива. Это полученное таким образом значение служит в сочетании с установленным для устройства 18 измерения расхода воздуха значением расхода воздуха, пересчитываемого на имеющиеся эксплуатационные условия в отношении температуры и давления, для расчета определяемой по формуле

свободной поверхности для выхода воздуха. Это полученное таким образом значение является действительным значением свободной поверхности для выхода воздуха и поступает в вычислительный блок RE в качестве регулирующего сигнала соответственно F или R, где это значение сравнивают с заданным значением свободной поверхности F для выхода воздуха. В результате этого получаются управляющие величины для отдельных исполнительных устройств 21-24. При этом при регулировании скорости SG шуровки колосниковой решетки требуемое на основе регулирующего сигнала R значение сравнивают с диапазоном заданного значения скорости шуровки, с тем чтобы гарантировать поправки или этапы управления только в приемлемых и допустимых пределах.

При этом виде расчета и регулирования могут возникнуть еще определенные отклонения, являющиеся следствием того, что воздух должен проходить через “тело сопротивления для дутьевого воздуха”, которое состоит из полотна решетки и слоя топлива и имеет не только очень узкие, но и крайне неравномерные сечения для прохождения первичного воздуха. При этом возникают потери на трение, учитываемые для достижения более точного регулирования в виде коэффициента потока. Этот коэффициент потока должен определяться экспериментальным путем, поскольку условия истечения невозможно рассчитывать в таком слое топлива. Для определения этого коэффициента потока сначала измеряют истечение через незагруженную колосниковую решетку, а затем при загруженной сжигаемой массой колосниковой решетке и различных выходных давлениях в зоне нижнего дутья. Установленные при этом отличия в потерях давления или в соответствующей статической разности давлений между зоной нижнего дутья и топочным пространством являются показателем для образования коэффициента потока, который принимает значение 0, если прохождение воздуха через колосниковую решетку и сжигаемую массу больше невозможно, и становится тем больше (максимум до = 1), чем беспрепятственнее воздух может проходить через полотно решетки и сжигаемую массу. На практике коэффициенты потока получены порядка 0,6-0,95. Этот полученный экспериментальным путем коэффициент потока вводят в центральный вычислительный блок ZR, с тем чтобы можно было корректировать вычислительный описанным выше образом регулирующий сигнал F или R в соответствии с этим коэффициентом потока, так что центральный вычислительный блок выдает тогда регулирующему блоку корректированный регулирующий сигнал R_к. Эти процессы регулирования схематично изображены на фиг. 2, из которой видно, что центральный вычислительный блок ZR связан с различными измерительными датчиками 17-20 и устройством для ввода коэффициента потока, тогда как регулирующий блок RE может принимать вводимые заданные значения скорости SG шуровки и свободной поверхности F для выхода воздуха, с тем чтобы на основе этого подавать соответствующие регулирующие импульсы к исполнительным устройствам 21-24, связанным с регулирующим блоком.

На фиг. 3 изображен результат применения способа согласно изобретению. При этом на ординате нанесены значения свободной поверхности F для выхода воздуха в качестве регулирующего сигнала и, кроме того, число ходов в час, а на абсциссе нанесено измеренное время. F_soll обозначает постоянное заданное значение свободной поверхности для выхода воздуха. Кривая F обозначает соответствующие действительные значения регулирующего сигнала R_к, корректированного с помощью коэффициента потока. При этом видно, что имеются лишь относительно небольшие колебания заданного значения, что позволяет сделать вывод о почти равномерном протекании этого процесса горения. SG означает скорость шуровки решетки, выражаемую числом ходов привода 6 решетки в час. При этом видно, что при уменьшении свободной поверхности для выхода воздуха, например до точки F1, скорость шуровки соответственно возрастает до точки SG1. Уменьшенная свободная поверхность для выхода воздуха означает, что воздухопроницаемость слоя топлива уменьшена либо за счет увеличенной высоты слоя топлива, либо за счет большей компактности сжигаемой массы вследствие наличия влажных инертных компонентов. За счет повышения скорости шуровки это состояние можно устранить или воздействовать на него настолько, что свободная поверхность для выхода воздуха снова приблизится к заданному значению, что имеет место в точке F2. Здесь видно, что скорость шуровки на соответствующем отрезке SG2 остается постоянной. Когда затем в точке F3 свободная поверхность для выхода воздуха снова уменьшается, то скорость шуровки соответственно возрастает в области SG3, с тем чтобы оставаться затем в значительной степени постоянной в области SG4, поскольку в области F4 почти не фиксируется отклонений от заданного значения.

Техника регулирования согласно настоящему изобретению направлена не только на скорость шуровки решетки, хотя это является главной влияющей величиной. Для того чтобы посредством регулирования скорости шуровки процесс горения мог протекать в значительной степени равномерно, необходимо также воздействовать на загружаемое на колосниковую решетку количество сжигаемой массы и выгружаемое количество шлака в зависимости от описанного регулирующего сигнала R или R_к. Это происходит за счет того, что регулирующий блок RE воздействует не только через исполнительное устройство 21 на скорость шуровки, но и через исполнительное устройство 23 на загружаемое на колосниковую решетку 1 количество топлива, а через исполнительное устройство 22 – на количество шлака, выгружаемое посредством разгрузочного валика 9. С помощью исполнительного устройства 24 можно также оказать воздействие и на расход первичного воздуха, причем это воздействие исходит, в первую очередь, от обычного регулирования мощности топки.

Способ регулирования согласно изобретению может применяться в качестве самостоятельного способа регулирования, по меньшей мере в отношении скорости решетки, однако может служить и только как корректировка для регулирования скорости шуровки, если ее регулируют по другим параметрам с помощью обычного блока регулирования мощности топки.

Формула изобретения

1. Способ регулирования мощности топки сжигательных установок, в частности установок для сжигания отходов, при котором сжигаемый материал загружают в начале колосниковой решетки, подвергают на ней шуровочному и поступательному перемещению и выгружают на конце колосниковой решетки образующийся шлак, отличающийся тем, что производят, по меньшей мере, одно воздействие на шуровочное и поступательное движение сжигаемого материала в зависимости от проницаемости колосниковой решетки и слоя топлива для дутьевого воздуха.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие на загружаемое количество сжигаемого материала производят в зависимости от проницаемости колосниковой решетки и слоя топлива для дутьевого воздуха.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что воздействие на выгружаемое количество шлака производят в зависимости от проницаемости колосниковой решетки и слоя топлива для дутьевого воздуха.

4. Способ по одному из пп.1 – 3, отличающийся тем, что проницаемость слоя топлива для дутьевого воздуха определяют в области начинающегося горения на колосниковой решетке.

5. Способ по одному из пп.1 – 4, отличающийся тем, что расчет регулирующего сигнала, соответствующего проницаемости для дутьевого воздуха, производят путем определения свободной поверхности для выхода воздуха всего состоящего из полотна решетки и слоя топлива тела сопротивления для дутьевого воздуха по формуле

причем R означает регулирующий сигнал;
PLB означает проходящее через слой топлива количество первичного воздуха в эксплуатационных условиях;
V означает скорость истечения через состоящее из полотна решетки и слоя топлива тело сопротивления для дутьевого воздуха и вычисляется по формуле

где g означает ускорение свободного падения;
L означает удельный вес воздуха в эксплуатационных условиях;
p означает статическую разность давлений между зоной нижнего дутья и топочным пространством.

6. Способ по одному из пп.1 – 4, отличающийся тем, что расчет регулирующего сигнала, соответствующего проницаемости для дутьевого воздуха, производят путем определения свободной поверхности для выхода воздуха всего состоящего из полотна решетки и слоя топлива тела сопротивления для дутьевого воздуха, а также коэффициента потока, зависящего от скорости истечения дутьевого воздуха и устанавливаемого экспериментальным путем, по формуле
R_k= F:,
где R_k означает корректированный регулирующий сигнал;
F означает свободную поверхность для выхода воздуха;
означает коэффициент потока,
и свободная поверхность для выхода воздуха вычисляется по формуле

причем V означает скорость истечения через состоящее из полотна решетки и слоя топлива тело сопротивления для дутьевого воздуха и вычисляется по формуле

где g означает ускорение свободного падения;
L означает удельный вес воздуха в эксплуатационных условиях;
p означает статическую разность давлений между зоной нижнего дутья и топочным пространством.

РИСУНКИ