Číslo patentu: 288154

Dátum: 16.12.2013

Autor: Ptáček Milan

Stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Fluidný kotol s teplozmennými plochami susediacimi so stacionárnou oxidačnou fluidnou vrstvou (2) vo vznášaní, ktorá je tvorená vrstvou inertného materiálu s výškou do 1 m a granulami s veľkosťou do 3 mm, kde fluidný kotol je vybavený prívodom spaľovacieho vzduchu na jeho zafúkanie do fluidnej vrstvy (2) vo vznášaní pod tlakom 3000 až 10 500 Pa na dosiahnutie rýchlosti fluidácie 0,3 až 1,3 m/s, meranej pri normálnej teplote a tlaku, a prívodom sekundárneho vzduchu, má teplozmenné plochy vytvorené na odovzdanie 10 až 50 % tepelného výkonu kotla z fluidnej vrstvy (2) vo vznášaní susediacej s týmito teplozmennými plochami, pričom teplozmenné plochy sú tvorené aspoň časťou stien spaľovacej komory (1) kotla a prípadne prídavným výmenníkom (5) tepla, vnoreným aspoň čiastočne do fluidnej vrstvy (2) vo vznášaní.

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka fluidného kotla s teplozmennými plochami susediacimi so stacionámou oxidačnou fluidnou vrstvou vo vznášaní, ktoráje tvorená vrstvou inertného materiálu s výškou do l m a granulami s veľkosťou do 3 mm, kde fluidný kotol je vybavený prívodom spaľovacieho vzduchu na jeho zafúkanie do fluidnej vrstvy v vznášaní pod tlakom 3 000 až 10 500 Pa na dosiahnutie rýchlosti iluidácie 0,3 až 1,2 m/s, meranej pri normálnej teplote a tlaku, a prívodom sekundámeho vzduchu.V každom kotle existujú dva základné prenosy tepla, a to konvekcíou a sálaním. Konvekciou sa rozumie prenos tepla zo spalín prúdením okolo rúrok výmenníka, do výmenníka, v kotle obvykle v konvekčnej časti kotla, zatial čo sálaním sa rozumie vyžarovania tepelnej energie do stien kotla, obvykle spaľovacej komory.Vo fluídnom kotle pristupuje ďalšia možnosť prenosu tepla konvekcíou do stien kotla, a to vo fluidnej vrstve, kde do stien kotla prechádza teplo z fluidnej vrstvy. Fluidná vrstva sa vo vznášaní chová podobne ako voda a súčiniteľ prestupu tepla vo fluidnej vrstve je niekoľkonásobne vyšší než pri prestupe tepla zo spalín do kotla.V zásade vo tluidnom kotle sú podstatné tri druhy prenosu tepla. Prvým z nich je prenos tepla spalinami konvekcíou do výmenníka tepla, t. j. konvekcíou do konvekčnej časti kotla. Druhým z nich je prenos tepla fluidnou vrstvou, ktorý môže byť malý, stredný, veľk , a to podľa toho, aká veľká teplozmenná plocha sa ponorí do fluidnej vrstvy. Tretím z nich je potom prenos tepla sálaním, a to sálaním do spaľovacej komory kotla. Tento prenos je pri fluidnom kotle relatívne menší, a to vzhľadom na to, že sú tam teploty relatívne nízke, t. j. asi 830 °C, na rozdiel od roštového kotla, kde je teplota asi 1 200 až l 300 °C.Na prenos tepla konvekcíou je potrebné, aby vzduch prúdiaci cez fluidnú vrstvu, ktorá má vysoký odpor približne 8 pascalov, sa vo fluidnej vrstve ohrial prechodom fluidnou vrstvou a zahrial spaľovaním paliva vo fluidnej vrstve. Tento vzduch, ktorý sa premenil na spaliny, musí odovzdať teplo v konvekčnej časti kotla.Čím väčší má byt podiel tohto tepla, tým väčší musí byť výkon ventilátora, a to tak spaľovacieho, ako aj dymového. Výkon ventilátora nie je pritom vzhľadom na výkon kotla zanedbateľný. Pri 5 MW kotle, pokiaľ by prenos tepla bol iba konvekcíou, by príkon ventilátorov potrebný na prekonanie odporov bol asi 100 kW pre spaľovací ventilátor a 75 kW pre dymový ventilátor, celkom teda cca 175 kW.Na prenos tepla fluidnou vrstvou, ked sa fluidná vrstva chová prakticky ako voda, je treba iba minimálnu energiu. Ak sa teda prenáša najväčšia časť tepla konvekcíou, a tak tomu je vždy, potom stačí odhaliť teplozmennú plochu kotla, ktorá je omývaná fluidnou vrstvou a získa sa prenos tepla s minimálnou energetickou náročnosťou, prakticky bez nárastu energetických vstupov.Prenos tepla sálaním je vzhľadom na nízku teplotu najnižší a nie je ani žiaduce, aby zbytočne neochladzoval spaliny kvôli dohoreniu CO.Z energetického hľadiska by bolo najlepšie, aby prenos tepla konvekcíou bol čo najmenší, prenos tepla fluidnou vrstvou čo najväčší a prenos tepla sálanírn bol veľký.Energetické hľadisko však nie je jediným hľadiskom, ktoré je treba zohľadniť. Nie menej dôležitým hľadiskom je dosiahnutie optimálnych emisií a na správne spaľovanie sa tieto hodnoty musia dať do vzájomného súladu, aby bol primeraný dostatok vzduchu na horenie, ale aby to nebolo málo ani veľa. Ak by bol prenos tepla iba konvekcíou, bolo by potrebné na splnenie emisií a na dosiahnutie dobrej účinnosti kotla recirkulovať spaliny. Recirkulácia spalín všeobecne znižuje kyslík v kotle, tým sa znižujú emisie NO, ich koncentrácie v m 3 spalín. Zároveň nízke hodnoty kyslíka v spaľovacom vzduchu dávajú možnosť vzniku vyššej koncentrácie CO. Zníženie obsahu kyslíka v kotle sice znižuje obsah NOX, ale zvyšuje obsah CO pri zlepšení účinnosti. Výsledkom je i najvyššia energetická náročnosť ventilátorov.Ak sa pridá k prenosu tepla konvekcíou ešte teplo pridané fluidnou vrstvou, nie je treba dávať toľko vzduchu do kotla, čo má za následok nižšiu energetickú náročnosť ventílátorov a z hľadiska spaľovania sa znižuje obsah kyslíka v kotle. Výsledok je podobný, nie však úplne rovnaký, ako pri recirkulácii. Znižuje sa totiž tvorba NO, a zvyšuje sa tvorba CO, čím sa zvyšuje účinnosť kotla. Týmto spôsobom znižovanie N 0,nie je tak účinné ako recirkulácia.V zásade sa tak kotol s cirkulujúcou vrstvou, ako aj kotol so stacionárnou fluidnou vrstvou konštmujú tak, že nedochádza k prenosu tepla vo fluidnej vrstve, pretože fluidná vrstva pôsobí veľmi abrazívne na steny kotla.Pri kotloch so stacionámou fluidnou vrstvou sa objavili riešenia, pri ktorých je fluidné kúrenisko vymurované oteruvzdomou vymurovkou a prípadne má pod kotlom vloženú membránovú stenu.Vyskytli sa aj kotly so stacionámou fluidnou vrstvou s vnútomou cirkulácíou, kde sa prenos tepla vo fluidnej vrstve robí fluidnou vrstvou s vlastnou cirkulácíou do vloženého výmenníka, napríklad rúrkových výmenníkov, ponoreného alebo ponorených do fluidnej vrstvy. Prenos tepla bol týmto spôsobom veľmi inten 10zívny. Zároveň však do spaľovacieho priestoru viedli dva typy vzduchov, cirkulačný a spaľovací, ktoré mali každý inú funkciu, ale všetky sa zúčastnili horenia. Regulácia týchto vzduchov, aby bol odvod tepla do výmenníkov správny a tiež, aby bolo celkové množstvo vzduchu na spaľovanie optimálne z hľadiska prípustných emisií a uspokojívého výkonu kotla, je veľmi sťažená a vzhľadom na túto skutočnosť a z nej vyplývajúcej zložitosti regulácie, sa tento systém doteraz neuplatnil.Dá sa povedať, že ani jeden z opísaných spôsobov prenosu tepla nie je optimálny.Prvý z nich je energeticky náročnejší a musí sa pri ňom najviac dimenzovať konvekčná časť, čo znamená najviac železa, najväčší filter, najväčšie ventilátory a podobne. Je tam tiež zbytočne vložená membránová stena.Druhý z nich je sice energeticky menej náročný, vyžaduje menší kotol a tým menej železa, menší filter,ale pre zložitosť sa neuplatnil.Uvedené nedostatky doterajšieho stavu techniky do značnej miery eliminuje fluidný kotol s teplozmennými plochami susediacimi so stacionámou oxidačnou fluidnou vrstvou vo vznášani, ktoráje tvorená vrstvou inertného materiálu s výškou do l m a granulami s veľkosťou do 3 mm, kde tluidný kotol je vybavený prívodom spaľovacieho vzduchu na jeho zafúkanie do fluidnej vrstvy vo vznášani pod tlakom 3 000 až 10 500 Pa na dosiahnutie rýchlosti fluidácie 0,3 až 1,2 m/s, merané pri normálnej teplote a tlaku, a prívodom sekundárneho vzduchu, kde podstata vynálezu spočíva v tom, že teplozmenné steny sú vytvorené na odovzdanie 10 až 50 tepelného výkonu kotla z íluidnej vrstvy vo vznášani susediacej s týmito teplozmennými plochami, pričom teplozmenné plochy sú tvorené aspoň časťou stien spaľovacej komory kotla a prípadne prídavným výmenníkom tepla, vnoreným aspoň čiastočne do fluidnej vrstvy vo vznášani.Vo výhodnom vyhotovení kotla podľa vynálezu sú teplozmenné plochy vytvorené na odovzdanie 20 až 35 teplotného výkonu kotla z fluidnej vrstvy vo vmášaní susediacej s týmito teplozmennými plochami.V inom výhodnom vyhotovení kotla podľa vynálezu sú steny spaľovacej komory v oblasti fluidnej vrstvy vo vznášani vytvorené ako membránove steny, ktoré sú sčasti vybavené výmurovkou.V ďalšom výhodnom vyhotovení kotla podľa vynálezu sú membránové steny v miestach styku s fluidnou vrstvou vo vznášani vybavené protiabrazívnou vrstvou s dobrou tepelnou vodivosťou.V iných výhodných vyhotoveniach kotla podľa vynálezu je protiabrazívna vrstva vytvorená zosílnením rúrok membránovej steny alebo tvrdokovom.Rovnako výhodné je, ak je tlakový celok spaľovacej komory kotla vytvorený ako tlakový celok s prírodzenou cirkuláciou vody.Rovnakoje výhodné, ak sú výmenníky tepla tvorené ako membránové steny s núteným obehom vody ich rúrkami a sú v mieste styku s fluidnou vrstvou vo vznášani opatrené protiabrazívnou vrstvou s dobrou tepelnou vodivosťou.Vo výhodnom vyhotovení vynálezu je protiabrazívna vrstva výmenníkov tepla vytvorená zosilnením rúrok membránovej steny.Konečne v ďalšom výhodnom vyhotovení kotla podľa vynálezu je protiabrazívna vrstva výmenníkov tepla vytvorená tvrdokovom.Prehľad obrázkov na výkresochVynález bude ďalej podrobnejšie opísaný podľa priložených výkresov, kde na obr. 1 je schematicky znázomená časť fluidného kotla s výkonom do 10 MW so stacionárnou oxidačnou fluidnou vrstvou v spaľovacej komore a na obr. 2 je schematicky znázomená časť fluidného kotla s výkonom nad 20 MW so stacionámou oxidačnou fluidnou vrstvou v spaľovacej komore.Na obr. l je znázomený kotol s fluidným spaľovaním s výkonom do 10 MW, vytvorený uvedeným spôsobom, zatiaľ čo na obr. 2 je znázomený kotol s tluidným spaľovaním s výkonom nad 20 MW, vytvorený uvedeným spôsobom.Taký kotol má, ako je zrejme z obr. l a 2, steny spaľovacej komory l, ktoré sú v oblasti fluidnej vrstvy g vo vznášani vytvorené ako membránové steny ą a ktoré sú sčasti vybavené výmurovkou i. Tieto membránove steny à sú v mieste styku s fluidnou vrstvou z vo vznášani spravidla vybavené protiabrazívnou vrstvou.Táto protiabrazívna vrstva je vytvorená zosilnením rúrok membránovej steny alebo tvrdo kovom. Tlakový celok spaľovacej komory l kotla je pritom vytvorený ako tlakový celok s prirodzenou cirkuláciou vody.Kotol na obr. 2 sa konštrukčne líši od kotla na obr. 1 tým, že v spaľovacej komore L kotla sú prídavne usporiadané výmenníky g tepla s núteným obehom vody ponorené do fluidnej vrstvy g vo vznášaní.V činnosti obidvoch týchto kotlov sa časť tepla prenáša do tlakového celku spaľovacej komory konvekciou a sálaním a druhá časť prenosu z fluidnej vrstvy g vo znášaní do teplozmenných stien.Pri konštrukcii tluidného kotla sa stacionámou oxidačnou fluidnou vrstvou g v spaľovacej komore l, ktorej steny sú aspoň sčasti vytvorené ako teplozmenné plochy, na požadovaný tepelný výkon kotla a pri danej rýchlosti fluidácie určí veľkosť ohniska na dosiahnutie prenosu 50 až 90 tepla z požadovaného tepelného výkonu kotla konvekcíou a sálaním, načo sa určí veľkosť teplozmennej plochy omývanej fluidnou vrstvou g vo znášaní na dosiahnutie prenosu 50 až 10 tepla z požadovaného tepelného výkonu kotla z fluidnej vrstvy g na teplozmenné plochy a zvyšné plochy stien spaľovacej komory l sa vybavia výmurovkou 3.Rýchlosť fluidácie je obmedzená fyzikálne a nemôže prestúpiť hranicu, nad ktorou už čiastočky fluidnej vrstvy g uletujú do priestoru. Pretože sa prakticky využíva rýchlosť fluidácie len tesne pod touto kritickou hodnotou, je možné povedať, že hodnota tepelného výkonu kotla pri spočítavani iba toho tepla, ktoré sa odovzdáva konvekciou a sálaním, je priamo úmemá ploche kúreniska.Pokiaľ sa ako teplozmenné plochy použijú iba membránové steny g spaľovacej komory l, bude na dosiahnutie toho istého pomeru tepla odovzdávaného konvekcíou a sálaním k teplu odovzdávanému fluidnou g vrstvou do membránovej steny g so stúpajúcim celkovým výkonom kotla klesať podiel tej plochy membránovej steny g, ktorá je prekryté výmurovkou Q. To je dané tým, že pri danej výške fluidnej vrstvy g v znášaní sa plocha kúreniska zväčší viac ako obvod kúreniska. To je možno konkretizovať na príklade Kúrenisko pre výkon l MW má rozmer l x l m, plocha tohto kúreniska má teda l m 2. Obvod tohto kúreniska je 4 m. Kúrenisko pre výkon 5 MW má rozmer 2 x 2 m, plocha tohto kúreniska má teda 4 m 2. Obvod tohto kúreniska je len 8 m. Kotol s výkonom l MW sa teda od kotla s výkonom 5 MW líši tým, že plocha jeho kúreniskaje štyrikrát menšia, ale obvod jeho kúreniska je len dvakrát menší. Teda pri kotloch okolo 20 MW je na zachovanie požadovaného pomeru tepla odovzdávaného konvekcíou a sálaním k teplu odovzdávanému fluidnou vrstvou g do membránovej steny g potrebné mať obnažené všetky stany spaľovacej komory L v celej výške a pri kotloch nad 20 MWje potrebné zväčšiť teplozmenné plochy vkladanim ďalších výmenníkov g tepla s núteným obehom vody do fluidnej vrstvy g vo vznášaní. Pri veľkých kotloch nad 30 MWje prenos tepla fluidnou vrstvou g do bočných membránových stien spaľovacej komory L kotla už menej významný. Tu sú na zabezpečenie zvýšeného prenosu tepla fluidnou vrstvou g celkom nevyhnutne do fluidnej vrstvy g ponorené výmenníky tepla g s núteným obehom vody.Je však možné stanoviť užšie hranice a na požadovaný tepelný výkon kotla a pri danej rýchlosti fluidácie je možné stanoviť veľkosť kúreniska na dosiahnutie prenosu 65 až 80 tepla z požadovaného tepelného výkonu kotla konvekcíou a sálaním. Potom je možné určiť veľkosť teplozmennej plochy omývanej fluidnou vrstvou g vo vznášaní na dosiahnutie prenosu 35 až 20 tepla z požadovaného výkonu kotla z fluidnej vrstvy na teplozmenné plochy a zvyšné plochy stien spaľovacej komory L vybaviť vymurovkou i.Výkon kotla takisto závisí od rýchlosti vzduchu idúceho cez fluidnú vrstvu g. Zvýšenim rýchlostí vzduchu idúceho cez fluidnú vrstvu g sa zvyšuje aj výška fluidnej vrstvy vo vznášaní a tým aj teplozmenná plocha, cez ktorú sa teplo z fluidnej vrstvy dostáva do stien spaľovacej komory l. Dá sa teda povedať, že pomer tepla prenášaného konvekcíou a sálaním k teplu prenášanému z fluidnej vrstvy g do stien spaľovacej komory l je so zvyšujúcim sa výkonom kotla a teda so zvyšujúcim výkonom ventilátora iba málo premenný.Vynález je mobié výhodne využiť pri konštrukcii kotlov s fluidným spaľovaním alebo pri rekonštrukcii kotlov na kotle s íluidným spaľovaním.l. Fluidný kotol s teplozmennými plochami susediacimi so stacionámou oxidačnou fluidnou vrstvou (2) vo vznášaní, ktorá je tvorená vrstvou inertného materiálu s výškou do l m a granulami s veľkosťou do 3 mm,kde iluidný kotol je vybavený prívodom spaľovacíeho vzduchu na jeho zafúkanie do fluidnej vrstvy (2) vo vznášaní pod tlakom 3000 až 10 S 00 Pa na dosiałmutie rýchlosti fluidácie 0,3 až 1,2 m/s, meranej pri normálnej teplote a tlaku, a prívodom sekundámeho vzduchu, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že teplozmenné plochy sú vytvorené na odovzdanie 10 až 50 tepelného výkonu kotla z fluidnej vrstvy (2) vo vznášaní susediacej s týmito teplozmennými plochami, pričom teplozmenné plochy sú tvorené aspoň časťou stien spa 10ľovacej komory (l) kotla a prípadne prídavným výmenníkom (5) tepla, vnoreným aspoň čiastočne do fluidnej vrstvy (2) vo vznášaní.2. Fluidný kotol podľa nároku l, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že teplozmenné plochy sú vytvorené na odovzdanie 20 až 30 tepelného výkonu kotla z fluidnej vrstvy (2) vo vznášaní susediacej s týmito teplozmennými plochami.3. Fluidný kotol podľa nároku l, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že steny spaľovacej komory (l) sú v oblasti fluidnej vrstvy (2) v oblasti vznášania vytvorené ako membránové steny (3), ktoré sú sčasti opatrené výmurovkou (4).4. Fluidný kotol podľa nároku l, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že membránové steny (3) sú v miestach styku s fluidnou vrstvou (2) vo vmášaní vybavené protiabrazívnou vrstvou s dobrou tepelnou vodivosťou.5. Fluidný kotol podľa nároku 4, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že protiabrazívna vrstva je vytvorená zosilnením rúrok membránovej steny (3).6. Fluidný kotol podľa nároku 4, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že protiabrazívna vrstva je vytvorená tvrdokovom.7. Fluidný kotol podľa jedného z nárokov l až 2, v y z n a č u j ú c i s a tý m , že tlakový celok spaľovacej komory (l) kotla je vytvorený ako tlakový celok s prirodzenou cirkuláciou vody.8. Fluidný kotol podľa jedného z nárokov 1 až 7, v y z n a č u j ú c i s a ~ t ý m , že výmenníky (5) tepla sú vytvorené ako membránové steny (3) s núteným obehom vody ich rúrkami a sú v miestach styku s fluidnou vrstvou (2) vo vznášanĺ vybavené protiabrazívnou vrstvou s dobrou tepelnou vodivosťou.9. Fluidný kotol podľa nároku 8, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že protiabrazívna vrstva výmenníkov (5) tepla je vytvorená zosilnením rúrok membránovej steny (3).10. Fluidný kotol podľa nároku 4, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že protiabrazívna vrstva výmenníkov (S) tepla je vytvorená tvrdokovom.

MPK / Značky

MPK: F23C 10/18, F23C 10/00

Značky: kotol, fluidný

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/7-288154-fluidny-kotol.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Fluidný kotol</a>

Podobne patenty