Sposób oraz urządzenie do optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych

Przedmiotem wynalazku jest sposób oraz urządzenie do optymalizacji procesu spalania paliw stałych w rusztowych kotłach energetycznych, przeznaczonych m.in. do spalania paliw odpadowych, w tym mułów węglowych lub paliwa tradycyjnego węglowego, zwłaszcza o wysokiej wilgotności, lub ich mieszanek. Sposób, charakteryzuje się tym, że czynnik gazowy zawierający utleniacz do procesu spalania, w postaci powietrza podmuchowego i/lub recyrkulowanych spalin, wprowadza się do komory spalania kotła poprzez skrzynię podrusztową podzieloną na podmuchową strefę centralną oraz podmuchową strefę dodatkową. Urządzenie, ma postać skrzyni podrusztowej, podzielonej na podmuchową strefę centralną oraz podmuchową strefę dodatkową, oddzielonych szczelnie od siebie przegrodą/przegrodami. Do strefy centralnej doprowadzony jest kanał/kanały powietrza pierwotnego, do dodatkowej kanał/kanały powietrza pierwotnego lub pow. wtórnego lub mieszaniny pow. z recyrkulowanymi spalinami lub samych recyrkulowanych spalin.

Energetyka zawodowa, przemysłowa, ciepłownictwo, jednostki posiadające kotły rusztowe, np. Węglokoks Energia Sp. z o.o., Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej - GLIWICE Spółka z o. o., PGE Energia Ciepła S.A., PGNiG Termika, TAURON

- poprawa jakości
- wprowadzenie nowego produktu/usługi

optymalizacja spalania, kocioł rusztowy, skrzynia podrusztowa, recyrkulacja

Rozwiązanie według wynalazku:
• zapewnia eliminację niekontrolowanych i niepożądanych przedmuchów (strat) powietrza (tzw. powietrza nadmiarowego) nie biorącego udziału w procesie efektywnego spalania w części centralnej rusztu;
• umożliwia zwiększenie zakresu paliwowego, a tym samym elastyczności pracy kotła, innymi słowy zastosowanie skrzyni podrusztowej według wynalazku pozwoli efektywnie spalać gorsze (wilgotniejsze) a tym samym tańsze paliwa. Zamiast paliwa o maksymalnej wilgotności 40% (jakie stosuje się zwykle w kotłach rusztowych) będzie można spalać paliwa o wilgotności nawet do 60%, na przykład w postaci mułów i szlamów i/lub ich mieszanek;
• pozwala zwiększyć skuteczność suszenia paliwa na ruszcie, ogrzewa je i ułatwia zapłon (szczególnie wilgotnych paliw),
• przyczynia się do zmniejszenia straty wylotowej, a tym samym zwiększa sprawność cieplną procesu spalania
• przyczynia się również do ograniczenia emisji tlenków azotu (NOx), co wynika z faktu, że proces spalania na ruszcie przeprowadzany jest z wykorzystaniem powietrza i recyrkulowanych spalin doprowadzonych w uporządkowany sposób, który jest optymalny dla termodynamicznych etapów procesu spalania. Obniżenie zawartości tlenu w spalinach za kotłem wpływa na obniżenie straty wylotowej, obniżenie współczynnika nadmiaru powietrza do spalania i to w dalszej kolejności powoduje obniżenie emisji NOx.

W wyniku doprowadzenia gorących recyrkulowanych spalin do strefy dodatkowej pod częścią początkową rusztu osiąga się następujące korzyści:
• większą efektywność procesu suszenia paliwa w części początkowej rusztu, a następnie jego zapłonu,
• możliwość skierowania powietrza podmuchowego wyłącznie do części środkowej (centralnej) rusztu, gdzie jest największe zapotrzebowanie na powietrze do spalania, a co za tym idzie zmniejszenie strat powietrza do spalania,
• efektywne stechiometryczne wykorzystanie utleniacza w procesie spalania paliwa zgodnie z profilem powierzchniowego zapotrzebowania powietrza do spalania, przez co poprawia się sprawność spalania i ogranicza stratę wylotową,
• zastąpienie powietrza spalinami w strefie dodatkowej (czyli ograniczenie przepływu powietrza w tej strefie), w której występują największe nieszczelności.

Do zalet wynalazku w strefie dodatkowej usytuowanej pod częścią początkową rusztu należą:
• suszenie wilgotnego paliwa z ograniczeniem straty wylotowej związanej z nadmiarem powietrza do spalania w kotłach rusztowych.
• spaliny za kotłem rusztowym mają zwykle temperaturę w granicach 130-200 °C, natomiast powietrze podmuchowe zazwyczaj ma temperaturę otoczenia. Oczywistym jest, że termodynamicznie proces suszenia czynnikiem gorętszym (spalinami) jest efektywniejszy niż czynnikiem chłodniejszym (powietrzem).
• tworzenie korzystniejszej atmosfery spalinowej w obrębie sklepienia zapłonowego, które stanowi obmurówka nad pierwszą strefą rusztu a jednocześnie początkową strefą skrzyni powietrznej. Sklepienie zapłonowe nagrzewa się od promieniujących gazów spalinowych z komory paleniskowej i ułatwia zapłon warstwy paliwa na ruszcie. W wariancie, w którym w tą strefę podaje się zamiast gorących spalin istotnie chłodniejsze powietrze podmuchowe, wpływa się na chłodzenie sklepienia i pogorszenie warunków jego funkcjonowania, niekorzystnie wpływając na zapłon paliwa.
• mniejsze koszty zakupu obmurówki kotła (odchudzenie konstrukcji, mniejszy ciężar, podparcie). W wyniku zastąpienia powietrza gorącymi spalinami następuje mniejsze chłodzenie sklepienia i polepszenie warunków jego pracy, dzięki czemu istnieje możliwość zastosowania mniejszej ilości wymurówki na sklepienie, zmniejszając tym samym ciężar całego kotła oraz jego koszt.
• szybsza wymiana ciepła (zwiększenie dynamiki pracy kotła) poprzez regulację ilością recyrkulowanych spalin / powietrza podmuchowego. Mniejsza masa wymurówki zwiększa dynamikę pracy kotła. Wymurówka w kotle zwiększa inercję układu paleniskowego kotła przez zwiększenie jego pojemności cieplnej. Dla dynamiki kotła jest to efekt niekorzystny, który powoduje, że kocioł z większą masą wymurówki wolniej reaguje na wymuszenia zmiany jego obciążenia cieplnego. Kocioł z mniejszą masą wymurówki jest bardziej dynamiczny, co oznacza, że szybciej reaguje na zmiany jego obciążenia cieplnego. Skraca się również czas jego rozruchu jak i odstawienia.
• do zalet wynalazku w strefie dodatkowej usytuowanej pod częścią centralną rusztu, w jej skrajnych obszarach zewnętrznych sięgających do 15% szerokości rusztu licząc od ekranów bocznych komory paleniskowej w kierunku do osi wzdłużnej rusztu, należą:
• uszczelnienie rusztu wzdłuż krawędzi bocznych rusztu, tym samym niwelowanie straty wylotowej związanej z nadmiarem powietrza do spalania. W strefach bocznych rusztu i strefie końcowej – gdzie w klasycznych rozwiązaniach skrzyń powietrznych występują największe i niepożądane przedmuchy – w proponowanym rozwiązaniu strefy zasilane są najkorzystniej recyrkulowanymi spalinami lub mieszaniną recyrkulowanych spalin z powietrzem podmuchowym, oszczędzając w ten sposób powietrze do procesu spalania.
• poprawienie warunków spalania w strefach przyściennych. Strefa przyścienna w kotle charakteryzuje się najmniej korzystnymi warunkami spalania ze względu na bliski kontakt warstwy spalin z zimnymi ekranami komory paleniskowej, co powoduje nagłe wychłodzenie spalin i spadek kinetyki reakcji procesów spalania. Zastąpienie powietrza podmuchowego gorącymi spalinami w warstwie przyściennej podnosi temperaturę spalin, a tym samym kinetykę reakcji.

Do zalet wynalazku w strefie dodatkowej usytuowanej pod częścią końcową rusztu należą:
• schładzanie rusztu z ograniczeniem straty wylotowej związanej z nadmiarem powietrza do spalania. W strefach bocznych rusztu i strefie końcowej – gdzie w klasycznych rozwiązaniach skrzyń powietrznych występują największe i niepożądane przedmuchy – w proponowanym rozwiązaniu strefy zasilane są najkorzystniej recyrkulowanymi spalinami lub mieszaniną recyrkulowanych spalin z powietrzem podmuchowym, oszczędzając w ten sposób powietrze do procesu spalania.
• efektywniejsze wykorzystanie powietrza do spalania.

- Środowisko - Ochrona środowiska

- badania na etapie laboratoryjnym

- Twórca jest zainteresowany nawiązaniem współpracy w celu dalszych badań nad wynalazkiem
- Twórca jest zainteresowany wdrożeniem wynalazku
- Twórca wyraża zgodę na udział w Spotkaniu Brokerskim
- Twórca jest zainteresowany zbyciem praw majątkowych do wynalazku

- instytut naukowo - badawczy, uniwersytet
- ośrodek transferu technologii
- przemysł
- usługi