Наборная охлаждаемая колосниковая решетка и система снабжения энергетической установки тепловой энергией - RU2126516C1

Чертежи

Показать все 14 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к системе снабжения тепловой энергией для генерирования электричества в электростанции или силовой установке и к высоконапорной, водоохлаждаемой колосниковой решетке из набора или пакета водоохлаждаемых труб, которая обеспечивает взвешенное состояние топлива в топочной камере.

В настоящее время наиболее ценной альтернативой эффективного генерирования энергии, удовлетворяющей нашим будущим потребностям в электрической энергии, является углесжигающая электростанция. Считается, что ядерная энергия не является ценной эффективной альтернативой в ближайшем будущем вследствие высокой стоимости конструкции. Кроме того, гидроэнергия также не может развиваться во многих регионах страны в достаточном количестве и стоимость нефти и газовых топлив для генерирования электроэнергии неизмеримо выше уровня типичного базового генерирования энергии. Поэтому углесжигающие электростанции стали главным элементом для генерирования электричества, несмотря на высокую стоимость снижения загрязнений.

Деревосжигающие электростанции являются выгодной технологией с точки зрения окружающей среда и стоимости. Выращивание деревьев для топлива является самой чистой и ясной формой улавливания и сохранения солнечной энергии. К тому же это отечественный внутренний источник и при этом 100% возобновляемый. Самым большим энергетическим объектом, использующим древесное топливо в Соединенных Штатах, является электростанция в Бэрлингтоне, Вермонт.

Однако современная деревосжигающая электростанция использует древесное топливо, переработанное до щепы, кусочков, гранул, пыли и других форм. Из-за стоимости переработанных деревьев в подходящие для электростанций формы современное деревосжигающее генерирование электричества не может конкурировать с другими альтернативными источниками для генерирования электроэнергии, например, углем, гидро и ядерными источниками. Кроме того, такая обработанная древесина горит быстро, часто во взвешенном состоянии, когда ее инжектируют в печь над колосниковыми решетками. Для того, чтобы сохранять постоянный и устойчивый источник тепла, подаваемого в бойлер электростанции, обработанная древесина должна подаваться в печь с точно регулируемой скоростью.

Известно устройство для подвешивания топлива в печи электростанции, содержащее опорное средство для поддержания топлива, средство подачи воды.

Известна система для обеспечения энергией электростанции, содержащая средство для ограничивания топочной камеры, внутри которой сжигают по существу целые деревья, конвейерное средство для подачи по существу целых деревьев в топочную камеру для сжигания, инжекционное средство для инжектирования по существу целых деревьев с конвейерного средства в топочную камеру, теплопоглощающее средство для поглощения теплоты сгорания по существу целых деревьев, при этом теплопоглощающее средство приспособлено для оперативного соединения со средством для преобразования поглощенного тепла в электрическую энергию, опорное средство для поддержания топлива, средство для подачи воды (см. патент США N 4706645, кл. F 24 H 3/02, 1987).

В этом патенте, по существу, целые деревья являются топливным источником. Несмотря на снижение стоимости, связанное с обработкой деревьев в подходящие для электростанций формы, в патенте возникает проблема поддержки, по существу, целых деревьев в топочной камере. Колосниковые решетки, которые поддерживают деревья в печи, должны быть охлаждаемыми для защиты их от повреждения вследствие высоких температур в печи. Водоохлаждаемые колосниковые решетки, для печей, используемые для подвешивания твердого топлива, обычно изготавливают посредством литья, должны непрерывно двигаться или перемещаться в печи. Эти колосниковые решетки обычно проектировались для того, чтобы поддерживать или нести твердое топливо размером около 15,24 см, они не обладают прочностью, не приспособлены к высоким давлениям и потокам, типичным для больших печей парогенераторов.

Задачей изобретения является создание охлаждаемой колосниковой решетки из водоохлаждаемых трубчатых панелей высокого давления для поддержания в подвешенном состоянии по существу, целых деревьев в генерирующей электрической установке, исключив необходимость перерабатывать древесину в небольшие кусочки или частицы, что снижает стоимость топлива по сравнению с электростанциями, сжигающими переработанную древесину. Изобретение позволяет повысить экономичность и снизить капитальные и эксплуатационные затраты.

Задача решается тем, что устройство для подвешивания топлива в печи электростанции содержит множество труб, образующих первый и второй трубные пучки, опорное средство расположено между указанными трубными пучками и снабжает их водой, причем опорное средство содержит множество водоохлаждаемых балок, при этом, по крайней мере, часть из упомянутых балок образована посредством штабелирования верхней трубы и, по крайней мере, одной нижней трубы, расположенной вертикально под верхней трубой, при этом верхняя труба является одной из труб первого трубного пучка, и нижняя труба - одной из труб второго трубного пучка, средство подачи воды в водоохлаждаемые балки, опорного средства и в первый и второй трубные пучки выполнено таким образом, что трубные пучки и водоохлаждаемые балки охлаждаются посредством циркуляции через них воды.

При этом трубы первого трубного пучка изогнуты для образования одного конца опорного средства, а трубы второго трубного пучка изогнуты для образования другого конца упомянутого опорного средства, первый трубный пучок расположен, по существу, в первой плоскости, а второй трубный пучок расположен, по существу, во второй плоскости, первый трубный пучок и второй трубный пучок параллельны друг другу, и опорное средство наклонено вниз в направлении второго трубного пучка, кроме того, трубные пучки, по существу, перпендикулярны опорному средству.

Между балками и опорным средством имеются просветы, каждая из балок опорного средства содержит штабель из по крайней мере трех вертикально выровненных труб.

Устройство дополнительно содержит изнашиваемый брус, приваренный к вершинам верхних труб балок опорного средства для упрочнения опорного средства и обеспечения изнашиваемой поверхности.

Средство для подачи воды содержит средство для введения воды из разделительного барабана в грязевик, причем грязевик расположен у пересечения водоохлаждаемых балок и второго трубного пучка, при этом грязевик направляет воду через водоохлаждаемые балки и в первый трубный пучок, и грязевик также направляет воду через второй трубный пучок.

Кроме того, множество труб, определяющих первый трубный пучок, расположено над одной стороной опорного средства;
множество труб, определяющих второй трубный пучок, расположено над другой стороной опорного средства;
при этом первый трубный пучок сообщен по жидкости с водоохлаждаемыми балками опорного средства, и второй трубный пучок сообщен по жидкости с водоохлаждаемыми балками опорного средства.

Система для обеспечения энергией электростанции содержит средство для подвешивания, по существу, целых деревьев в топочной камере во время сжигания, включающее множество труб, определяющих первый и второй трубные пучки, и опорное средство для поддержания топлива, расположенное между первым и вторым трубными пучками, при этом каждая из труб первого трубного пучка сообщена по жидкости с соответствующей трубой второго трубного пучка, а опорное средство соединяет сообщение по жидкости между соответствующими трубами первого и второго трубных пучков, причем опорное средство содержит множество водоохлаждаемых балок, по крайней мере, часть из которых образована путем штабелирования верхней трубы и, по крайней мере, одной нижней трубы вертикально под верхней трубой, при этом верхняя труба является одной из труб первого трубного пучка и нижняя труба является одной из труб второго трубного пучка, средство для подачи воды в первый и второй трубные пучки, и водоохлаждаемые балки опорного средства выполнено таким образом, что трубы трубных пучков и водоохлаждаемые балки охлаждаются за счет циркуляции в них воды.

На фиг. 1 изображен общий вид электростанции;
на фиг. 2 - поперечное сечение печи, бойлера и оборудования топливоподачи согласно первому предпочтительному варианту настоящего изобретения;
на фиг. 3 изображена топочная камера согласно второму предпочтительному варианту настоящего изобретения;
на фиг. 4 - вид сбоку в вертикальное разрезе трубчатой панели или экрана по линии 4-4 на фиг. 2 и 3;
на фиг. 5 изображен детальный вид трех труб в трубчатой панели на фиг. 4;
на фиг. 6 изображен вид в поперечном разрезе отдельного пучка труб водоохлаждаемой опорной балки сечения 6-6 на фиг. 2 и 3;
на фиг. 7 изображен вид в перспективе множества водоохлаждаемых опорных балок;
на фиг. 8 - вид сбоку в продольном разрезе трубчатой панели и инжекционного отверстия по линии 8-8 на фиг. 2 и 3;
на фиг. 9 - технологическая схема циркуляции воды в циркуляционном контуре воды для печи, бойлера и топливоподающего оборудования по фиг. 2 и фиг. 3;
на фиг. 10 - вид поперечного сечения печи, бойлера и топливоподающего оборудования электростанции согласно третьему предпочтительному варианту настоящего изобретения;
на фиг. 11 изображена технологическая водяная циркуляционная схема в циркуляционном контуре воды для печи, бойлера и топливоподающего оборудования по фиг. 10;
на фиг. 12 схематически изображена топочная камера согласно четвертому предпочтительному варианту настоящего изобретения;
на фиг. 13 изображен вид в поперечном разрезе, показывающий схематически печь, бойлер и топливоподающее оборудование и водный циркуляционный контур согласно пятому предпочтительному варианту настоящего изобретения;
на фиг. 14 - технологическая водная циркуляционная схема в циркуляционном контуре воды для печи, бойлера и топливоподающего оборудования по фиг. 13;
на фиг. 15 - технологическая схема, циркуляции воды через прямоточную сверхкритическую универсальную напорную систему для другого возможного варианта конструкции.

На фиг. 1 показан внешний вид одного из предпочтительных вариантов электростанции, использующей систему сжигания, по существу, целых деревьев согласно настоящему изобретению. Термины, "по существу, целые деревья", "целые деревья" или просто "деревья", когда он применяется в отношении горячего топлива, используемого электростанцией, используются в настоящем описании для того, чтобы отличить топливо от обычного древесного топлива, которое подверглось достаточно дорогой переработке в пыль, кусочки, щепу, гранулы, порошки и т.п., и означают, что древесина используется, по существу, в том виде, как деревья были срублены в лесу. Термины, конечно, включают древесину, которая была освобождена от сучьев и веток или слегка обтесана в целях транспортировки, была сломана в процессе транспортировки на станцию или во время подачи в печь, или подверглась небольшому разделению на части, например, наполовину или на трети.

Обычно деревья могут быть относительно большими, в среднем, порядка 762 см или больше и не более 12,192 м длиной. Деревья с относительно большим диаметром, например, 15,24 см и более являются предпочтительными. Такие большие деревья можно сжигать таким образом, чтобы обеспечить относительно устойчивую и медленную газификацию или улетучивание, например, газов, которые выделяются деревьями в процессе горения. Эти газы затем сжигаются в топочной камере в зоне над горящими деревьями, которую можно рассматривать как вторую ступень горения или дожигание. Газы горят при более высокой температуре, чем средняя температура штабеля деревьев.

Регулирование газификации или улетучивания и последующего горения газов является элементом регулирования сжигания деревьев согласно настоящему способу. Когда горит, по существу, целое дерево, на наружной поверхности дерева образуется темный угольный слой. Любой несгоревший участок внутри дерева называется "белой древесиной" (заболонью). Участки белой древесины (заболони) дерева до некоторой степени сохраняют влагу, и эта влага вместе с другими углеводородными веществами, в конечном счете газифицируется или улетучивается, когда сгорает большая часть дерева. Когда горение не регулируют и к горящему дереву может поступать неограниченное количество кислорода, дерево склонно гореть быстро, при этом любая влага и другие углеводородные вещества в белой древесине (заболони) быстро улетучиваются. Как только газы высвобождаются, происходит почти мгновенное сгорание этих газов у поверхности древесины, поскольку для такого горения поступает или доступен кислород. Следовательно, когда кислород легко доступен для горящего дерева, улетучившиеся газы быстро сгорают после выделения из дерева, при этом не может быть получено никакой выгоды от использования улетучившихся газов во второй ступени горения или ступени дожигания. Однако, в настоящем способе подача кислорода в топочную камеру регулируется таким образом, чтобы замедлить полное сгорание улетучившихся газов на первой ступени горения. Поэтому улетучившиеся газы, выходящие из штабеля и поступающие на вторую ступень горения или ступень дожигания, также сжигаются в регулируемом режиме. Разделение сжигания на две степени позволяет осуществить окончательно сжигание в газообразной форме без маскировки твердыми частицами, и, следовательно, обеспечивает эффективное сжигание газа при низком избытке воздуха, очень похожее на сжигание природного газа. Скорость улетучивания зависит от многих параметров, некоторыми из которых являются влагосодержание деревьев, температура горения деревьев и размер деревьев. Обычно более предпочтительны деревья большего размера, более 10,16 см в диаметре, поскольку сжигание может легко контролироваться вследствие большей пропорции сжигания белой древесины, то есть они не горят так быстро. Предполагается, что любой тип деревьев или смесей, множества различных деревьев пригодны для использования в настоящем способе. Могут быть использованы тертая древесина и лесные древесные отходы. Однако, зеленые хвойные деревья или вечнозеленые породы менее желательны вследствие наличия проблем манипулирования и погрузки-разгрузки, связанных с сухими, иглами.

Электростанцию можно спроектировать так, чтобы она имела почти любую мощность выработки, включая описанную здесь станцию в 400 Мега Ватт. Электростанция мощностью более 10 Мега Ватт экономически более предпочтительна для системы сжигания целых деревьев.

Здание электростанции 1, расположенное в центре, включает печь, бойлер и другое оборудование для подачи целых деревьев в печь, которая будет пояснена далее в настоящем описании. Здание электростанции также включает обычный электрогенератор, который преобразует тепловую энергию в электричество, то есть генерирует пар для приведения в действие турбины.

Сушильные здания или сооружения 2 и 3 расположены симметрично по обеим сторонам и примыкают к зданию электростанции 1. Целые деревья, привозимые на станцию, хранятся в сушильных сооружениях 2 и 3, по существу, в том виде, как они были срублены и привезены из леса, с целью снижения содержания влаги в целых деревьях, чтобы сделать их подходящими для сжигания.

Сушильные сооружения 2 и 3 оборудованы сушилками, которые подают сухой атмосферный воздух в сушильные сооружения 2 и 3. Сухой воздух может быть нагрет, и вводится в сушильные сооружения любым из множества путей. Воздух может быть нагрет посредством использования отбросного тепла из системы печь/бойлер и/или отходящих газов. Поскольку теплообменные системы в обычной электростанции не могут преобразовывать всю тепловую энергию, созданную системой печь/бойлер, в электричество, непреобразованная оставшаяся тепловая энергия может быть частично использована для сушки деревьев. При использования отбросного тепла из системы печь/бойлер сушилки питаются теплой водой, обычно при температуре 26,67- 60^oC, используя любое сбросное тепло из здания электростанции 1. Например, посредством системы трубопроводов, схематически показанной пунктирной линией 61 на фиг. 1. Сушилка имеют множество вентиляторов, один из которых показан позицией 63, вдоль одной стороны фундамента сушильных сооружений. Вентиляторы 63 втягивают наружный воздух в сооружения и пропускают воздух через теплообменники по трубопроводу 61, в результате чего воздух нагревается. Нагретый воздух проходит через все здания и через хранящиеся деревья, и выходит через отверстия 65, одно из которых показано в сооружении 2, вдоль противоположного основания сооружений 2 и 3. Другим способом нагрева сухого воздуха может стать использование отходящих газов. Поскольку большинство систем не используют отходящие газы с температурой ниже 148,9^oC из-за концентрации кислоты при сжигании ископаемых топлив, считается, что эти газы являются отбросным теплом и могут быть использованы для сушки. Реальное расположение любых теплообменников может изменяться в зависимости от планировки станции и от экономических соображений. Один из примеров пояснен выше со ссылкой на фиг. 1. Другой возможностью выбора может быть размещение большого теплообменника в генераторном здании и введение нагретого воздуха посредством продувки его в сушильные сооружения. Любой из вышеупомянутых способов подачи осушающего воздуха в сушильные сооружения может быть использован, либо только он, либо в сочетании с другими способами. Изобретение не ограничивается никаким специальным или особым способом нагрева воздуха или подающей системой.

Обычно в этом варианте целые деревья 4 хранятся в течение 30 дней в сушильных сооружениях 2 и 3. Нагретый воздух предпочтительнее проходит через штабель целых деревьев снизу вверх, собирая влагу из деревьев, когда он проходит вверх. Поскольку на относительную влажность самих сушильных сооружений оказывает влияние множество факторов, происходящая сушка лучше всего может быть описана путем сравнения относительной влажности, нагретого воздуха, поступающего в штабель хранящихся деревьев с относительной влажностью воздуха, выходящего из штабеля деревьев. Предпочтительнее, сухой нагретый воздух, подаваемый от подошвы штабеля, имеет относительную влажность менее 2% и температуру, предпочтительнее, около 54,44^oC. Нагретый воздух при перемещении вверх через штабель деревьев собирает влагу и охлаждается, так что выходящий у верха штабеля деревьев воздух имеет относительную влажность около 70% и температуру около 24,44^oC. Относительная влажность в середине штабеля сушащихся деревьев, предпочтительнее, составляет около 35%. В электростанции мощностью 400 Мега Ватт каждое сушильное сооружение может иметь длину 92,44 м и площадь хранения приблизительно 2,023 га.

Внутри сушильных сооружений установлен конвейер 5, который проходит в зону печи в здании электростанции 1. Конвейер 5 транспортирует целые деревья 4 снаружи в нужное место в сушильном сооружении для хранения и из сушильного сооружения в зону печи в здании электростанции для подачи деревьев в печь.

Целые деревья не перерабатываются в древесную щепу, кусочки, гранулы, пыли и порошки или другие формы, которые используются в современных обычных деревосжигающих электростанциях. Целые деревья, по существу в том виде, в каком они прибывают, подаются в печь в качестве топлива. В настоящем изобретении древесное топливо, по существу, содержит целые деревья, предпочтительнее, со средним индивидуальным весом более чем приблизительно 136,077 кг.

Согласно фиг. 2, на которой изображена система печь/бойлер согласно первому предпочтительному варианту изобретения, топочная камера 10, можно сказать, имеет три зоны горения или три ступени сжигания. Первая ступень сжигания - это обжиг и улетучивание древесины. Ступень или этап первоначального сжигания осуществляется в зоне сжигания 11, образованной стенной печи 12, выложенной обычным образом, и горизонтальной несущей древесину опорной конструкцией, предпочтительнее, набранной из трубчатых панелей, охлаждаемой колосниковой решеткой 100 (устройство для подвешивания топлива в печи). Согласно первому предпочтительному варианту, наборная охлаждаемая колосниковая решетка (устройство для подвешивания топлива в печи) 100 имеет множество горизонтальных водоохлаждаемых наборных опорных балок 106, только одна из которых показана на фиг. 2.

В процессе эксплуатации, по существу, целые деревья 4 подаются на колосниковую решетку 100, образуя слой горючего материала, обжигаемого в первоначальной зоне сжигания или ступени 11. При обжиге слоя деревьев улетучиваются газы, находящиеся в деревьях, которые затем сжигаются над слоем деревьев, где, как можно считать, находится вторая зона сжигания или ступень 11А, при более высокой температуре, чем средняя температура обжигаемых деревьев. Набранная из панелей охлаждаемая колосниковая решетка 100, конструкция которой более подробно будет рассмотрена ниже, имеет зазоры или просветы между смежными балками 106. Древесный уголь, образующийся при сжигании целых деревьев в ступени первоначального сжигания 11, падает через зазоры в колосниковой решетке в третью зону сжигания или ступень 15. Вторая ступень сжигания образована частью стенки печи и наклоненной вниз донной стенкой 16. Центральное отверстие 17 в центре донной стенки 16 соединено с золоудалением 18. Древесный уголь и зола, которые падают через зазоры между примыкающими или смежными балками 106, горят в третьей зоне сжигания 15, и несгоревшая зола собирается в центре донной стенки 16. Зола затем выводится наружу печи через центральное отверстие 17 и золоудаление 18 для утилизации.

Первая ступень сжигания 11 древесины заканчивается второй ступенью сжигания 11а, в которой сжигаются улетучившиеся из древесины газы и которая может называться ступенью сжигания летучих. Обжиг древесины также заканчивается в третьей ступени сжигания 15, в которой древесный уголь, получаемый при обжиге древесины, падает через зазоры в наборной охлаждаемой колосниковой решетке 100 для последующего обжига в виде третьей ступени сжигания. Вторую ступень сжигания также называют зоной "сжигания с верхней подачей топлива" и третью ступень сжигания также называют зоной "сжигания с нижней подачей топлива".

Нижняя подача топлива или основные воздушные входные патрубки 33 установлены в стенке печи 12 третьей ступени сжигания 15 под набранной из панелей охлаждаемой колосниковой решеткой 100 в первоначальной или исходной ступени сжигания 11. Воздух с температурой приблизительно 371^oC в процессе обычной эксплуатации подают в горизонтальном направлении через воздушные входные патрубки 33. Воздух, подаваемый через входные или впускные патрубки 33, регулирует температуру, при которой горит слой деревьев 4, поддерживаемый на колосниковой решетке 100. Путем увеличения или снижения скорости потока и/или дополнительно температуры воздуха можно увеличивать или снижать скорость сжигания слоя деревьев 4. Слой деревьев 4, по крайней мере, имеет высоту 90 см над основанием или подом решетки 100, предпочтительнее, высоту в, по крайней мере, 3,66 м, в зависимости от номинальной мощности электростанции. Два вспомогательных впускных воздушных патрубка 34 или патрубки верхней подачи топлива установлены также симметрично в стенке печи 12 над первичной ступенью сжигания 11. Воздух с температурой приблизительно 371^oC в процессе обычной эксплуатации подают в первичную ступень сжигания 11 в направлении с уклоном вниз, так что воздух эффективно смешивается с другими газами и подается в зону над слоем древесины для регулирования температуры, при которой горят выделившиеся газы, то есть температуры, при которой осуществляется вторая ступень сжигания. Скорость потока или расход воздуха и температура воздуха, подаваемого через впускные патрубки, 33 и 34, регулируются обычным способом. Предпочтительнее температура сжигания топлива в первичной ступени сжигания 11 составляет около 1204,44^oC, и температура сжигания газов во второй ступени сжигания 11A, предпочтительно, составляет 1482^oC.

Два отверстия загрузки деревьев или инжекционные отверстия 19 симметрично выполнены в стенке печи 12 в зоне первичной ступени сжигания 11 для подачи, по существу, целых деревьев в печь. Каждое отверстие для загрузки деревьев 19 имеет шибер или заслонку 20, которая открывает и закрывает отверстие для загрузки деревьев 19. Движение шибера 20 управляется подъемным механизмом 21 шибера, который включает, соответственно, кривошип 22 и тягу или шатун 23, которые, в конечном счете, соединены с приводным средством 24. При приведении в действие приводного средства подъемный механизм 21 двигает шибер вверх и вниз.

По существу, целые деревья переносятся скребковым конвейером 5 из сушильных сооружений 2 и 3 к печи вблизи каждого отверстия для загрузки деревьев 19. Конвейер 5 приносит целые деревья 4 к печи на более высоком уровне, чем отверстия для загрузки 19. Толкатель загрузочной камеры 25 снимает целые деревья со скребкового конвейера 5. Толкатель загрузочной камеры 25 имеет протяженный шток 26 и плиту 27, посредством которой целые деревья на конвейер 5 выталкиваются в горизонтальном направлении поперек направления движения конвейера 5, так, что целые деревья падают с конвейера в приямок загрузочной камеры 28, выполненный вблизи отверстия для загрузки деревьев 19. Приямки загрузочной камеры 28 расположены на каждой из двух противоположных сторон печи. Одна сторона приямка загрузочной камеры 28 ограничена шибером 20, а другая сторона ограничена оконечной плитой плунжерного питателя 29. Верхнее отверстие загрузочной камеры 28 является входным отверстием для подачи деревьев 30, которое имеет крышку или заслонку 31. Крышка 31 поддерживается с возможностью поворота проходящим горизонтально участком стенки печи 12, ограничивая отверстие для загрузки отверстия 19. Входное отверстие для подачи деревьев 30 открывается или закрывается управляемым приводным устройством, прикрепленным к крышке 31.

Когда целые деревья 4 подаются с конвейера 5 в приямок загрузочной камеры 28, отверстие для подачи деревьев 30 открыто, но шибер 20 закрыт и плунжерный питатель 29 находится в наиболее удаленном положении от отверстия для загрузки деревьев 19. После того как приямок загрузочной камеры 28 полностью заполнен по существу целыми деревьями, отверстие для подачи деревьев 30 закрывается, шибер 20 открывается и плунжерный питатель 29 выталкивает целые деревья из приямка 28 в первичную ступень сжигания 11 через отверстие для загрузки деревьев 19. Таким образом целые деревья порционно или периодически подаются из приямка 28 в печь.

Целые деревья 4 подаются в печь попеременно из отверстий для загрузки деревьев на каждой стороне печи, так что вся зона или поверхность первичной ступени сжигания равномерно используется для сжигания. Для инициирования горения, то есть зажигания деревьев может использоваться любой общеизвестный механизм. Когда сжигание уже запущено, уже горящие деревья действуют как механизм для инициирования горения деревьев, последовательно подаваемых в печь при последующих загрузках.

Котельные пучки 40 секций котла установлены над топочной камерой 10 так, что тепловая энергия, создаваемая за счет сжигания целых деревьев и частично за счет сжигания газов, образующихся в процессе улетучивания или газификации целых деревьев, эффективно производит пар. Полученный таким образом пар направляется в силовые генераторы, не показанные на фиг. 2. Силовые генераторы преобразуют тепловую энергию пара в электрическую энергию. Подробности секций котла и силовых генераторов известны из уровня техники и здесь не описываются. Также могут быть использованы и другие системы преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.

Хотя вариант, изображенный на фиг. 2, имеет три ступени сжигания, то есть ступень первичного обжига древесины 11, вторую ступень улетучивания 11А и третью ступень сжигания 15, можно также иметь многоступенчатое сжигание. Фиг. 3 иллюстрирует концептуальные взаимоотношения четырехступенчатого сжигания согласно второму предпочтительному варианту настоящего изобретения. Между первичной ступенью сжигания 11 и третьей ступенью сжигания 15 добавлена промежуточная или четвертая ступень сжигания 50. Промежуточная ступень сжигания окружена стенкой печи 12 и имеет наклоненную вниз решетку 51 с центральным отверстием 52. В стенке печи 12 также предусмотрен горизонтальный впускной воздушный патрубок 53 для подачи воздуха в промежуточную ступень сжигания 50.

В четырехступенчатой топочной камере зазоры между смежными балками 106 значительно больше того, чтобы дать возможность образующемуся при сжигании целых деревьев древесному углю падать в промежуточную ступень 50, при этом древесный уголь сгорает, в результате чего образуются более мелкие частицы древесного угля и золы, которые падают через решетку 51 и ее центральное отверстие 52 и ступень сжигания 15, где они полностью сгорают в золу.

Предпочтительными, температурами сжигания топлива в каждой ступени, являются приблизительно 1093-1315, 56^oC в первичной ступени сжигания 11; 815,56^oC в промежуточной ступени 50 и 343,3^oC - 482,2^oC в ступени сжигания 15. Горение газа в ступени сжигания 11A над первичной ступенью сжигания 11 происходит приблизительно при температурах 1315,56^oC-1537,78^oC.

При таких высоких температурах сжигания колосниковая решетка 100, которая поддерживает деревья в первичной ступени 11, должна быть охлаждаемой для защиты ее от повреждения вследствие высоких температур. Поскольку в настоящем изобретении циркулирует питательная вода из котла, который находится при температуре насыщения и полном давлении, набранная из панелей охлаждаемая колосниковая решетка должна выдерживать высокие давления. Питательная вода в охлаждаемой колосниковой решетке должна находиться при температуре около 360^oC и давлении 2520 psi. Эти параметры обеспечивают благоприятный температурный баланс между температурой сжигаемого воздуха, который имеет температуру 343,3^oC - 371,1^oC на охлаждаемой решетке, и температурой воды в решетке 360^oC.

Обратимся снова к набранной из панелей колосниковой решетке 100 на фиг. 2 и 3. Охлаждаемая колосниковая решетка 10 выполнена заодно целое с двумя проходящими вертикально водоохлаждаемыми экранами 102 и 104, расположенными на противоположных сторонах стенки, печи 12 в первичной ступени сжигания 11. Водоохлаждаемый экран 102 образован первым трубным пучком, расположенным в первой плоскости, тогда как второй водоохлаждаемый экран 104 образован вторым трубным пучком, расположенным во второй плоскости. Водоохлаждаемые экраны образованы множеством сваренных труб, только две из которых показаны на фиг. 2 и 3, в результате чего образуется мембранный экран 102, 104. Экраны 102 и 104 соединены с коллекторными трубами 105 и 107, соответственно, расположенными под каждым отверстием для загрузки деревьев 19. Загрузку топлива поддерживает, по существу, горизонтальная водоохлаждаемая наборная опорная балка 106. Опорная балка 106 образована путем изгиба труб экранов 102, 104 (например, на 90 градусов), как видно из фиг. 2 и 3. Следовательно, опорная балка 106 обеспечивает сообщение по жидкости между соответствующими трубами экранов 102 и 104. Верхняя часть внутренней полости печи также может быть облицована соответствующими экранами 102 и 104 над отверстиями для загрузки деревьев.

На фиг. 4 показана вертикальная проекция одного из водоохлаждаемых экранов 102 сечения 4-4 фигур 2 и 3. Понятно, что другой экран 104 имеет идентичную конструкцию, поэтому пояснения о нем исключены. Экран 102 включает множество вертикально проходящих заполненных водой труб 108. Трубы 108, предпочтительнее, сварены между собой, так что они образуют мембранный экран. То есть экран 102 включает или состоит из сплошного ряда заполненных водой труб 108, расположенных по существу в одной плоскости. Трубы 108 имеют в диаметре около 5,08 - 10,16 см, предпочтительно 7,62 см в диаметре.

Трубы 108 сварены друг с другом предпочтительно одним из двух способов. Первый, все трубы 108 могут быть непосредственно приварены одна к другой. Такая конструкция не оставляет просветов между примыкающими трубами. Альтернативно, каждая труба 108 может иметь разделительную пластину (не показано), или какой-нибудь другой дистанционирующий элемент, который приварен к каждой трубе 108. При такой конфигурации смежные разделительные пластины приварены друг к другу. Следовательно, каждая труба 108 пространственно отделена от примыкающих труб, в зависимости от размера разделительной пластины.

Трубы 108 предпочтительно проходят вертикально вниз от коллекторной трубы 105. Однако в границах предпочтительного варианта нужно, чтобы один или оба экрана были наклонены под углом внутрь в направлении первичной ступени сжигания 11. Более того, трубы 108, предпочтительнее, расположены параллельно в одной и той же плоскости; однако трубы 108 также могут быть расположены в шахматном порядке внутри одного трубного пучка. Для предпочтительных вариантов экраны 102 и 104, предпочтительнее, параллельны друг другу и перпендикулярны опорной балке 106.

На фиг. 5 в сочетании с фиг. 4 показан пучок из трех труб 110, 112, 114, составляющий часть мембранного экрана 102. Каждая из труб 110, 112, 114 выполнена с изгибами 116, 118, 120 в 90^o. Средняя труба 114 пучка имеет реальный изгиб в 90^o, тогда как трубы 110 и 112 дополнительно изогнуты вперед и вертикально под среднюю трубу 114. Каждая из труб 110, 112 и 114 имеет различную длину, вниз от коллекторной трубы 105. Например, на фиг. 5 труба 114 - самая короткая, поскольку она расположена наверху опорной балки 106. Труба 112 с другой стороны изогнута так, что лежит непосредственно под трубой 114. Соответственно, труба 112 длиннее, чем труба 114, когда она проходит вниз от коллекторной трубы 105. Труба 110 проходит под трубой 114 и, следовательно, имеет самый длинный вертикальный размер.

Для специалистов ясно видно, что порядок пакета труб 110, 112, 114, то есть тех труб, которые сохраняют верхнее, среднее и нижнее положение в опорной балке 106, может отличаться от показанного на фиг. 4 и 5. Например, труба 110 может быть расположена как верхняя труба в опорной балке 108, при этом трубы 114 и 112 остаются в среднем положении, соответственно. Кроме того, опорная балка 106 может быть изготовлена в пучке или связке из двух и более труб пока не будет получена достаточная прочность опорной балки 106. Пучок из трех труб 110, 112, 114, составляющий опорную балку, служит только в качестве иллюстративного примера.

На фиг. 6 изображено поперечное сечение пучка из трех труб 110, 112, 114 по сечению 6-6 фиг. 2 и 3. Изнашиваемый брус 122 защищает трубу 114 от повреждения, которое иначе может произойти при поддержании целых деревьев, и обеспечивает наибольшую жесткость пучку труб 110, 112, 114. Каждый трубный пучок 110, 112, 114 образует одну горизонтальную водоохлаждаемую наборную опорную балку 106. Множество опорных балок 106 образуют колосниковую решетку, которая подвешивает загрузку топлива внутри первичной ступени сжигания 11, в то же время замыкая сообщение по жидкости между соответствующими трубами 108 в первом трубном пучке 102 и втором трубном пучке 104.

На фиг. 7 представлен вид сверху в перспективе на множество опорных балок, образованных пучками вертикально выровненных параллельных труб 110, 112, 114. Просветы 124 образуются между каждым пучком труб 110, 112, 114. Зола и древесный уголь, образующиеся при сжигании деревьев, падают через просветы 124. Специалисты могут оценить тот факт, что опорная балка 106, включающая множество вертикально выровненных параллельных водоохлаждаемых труб, например, трех рядов труб, на фиг. 2-7, увеличивает прочность наборной охлаждаемой колосниковой решетки в сравнении с опорной балкой, имеющей только один ряд труб. Число труб, используемых для образования опорной балки будет зависеть от переменных величин, например, размера печи, размеров используемых труб, ожидаемой нагрузки на опорную балку и т.д.

Согласно предпочтительным вариантам, наружный диаметр всех труб, образующих мембранный экран 102, по существу, одинаковый, и трубы в мембранном экране приварены непосредственно друг к другу без просветов между ними. При такой конфигурации просветы 124 между смежными опорными балками должны быть равны, по крайней мере, удвоенному наружному диаметру труб 110, 112, 114. Понятно, что когда все трубы экрана имеют одинаковый наружный диаметр и не имеют между собой промежутков, просветы 124 между смежными балками 106 равны сумме наружных диаметров труб, расположенных под верхней трубой 114. Однако, просвет 124 может быть изменен различными способами, включая, но не ограничиваясь этим, снабжение каждой трубы мембранного экрана 102 разделительной пластиной, использование различных наружных диаметров для каждой отдельной трубы в пучке 110, 112, 114, расположение труб 108 в шахматном порядке вдоль коллекторной трубы 105 или сочетая все три способа.

На фиг. 8 показана взаимосвязь между коллекторной трубой 105 и экраном 102. Экран 102, который расположен под отверстием для загрузки 19, соединен с коллекторной трубой 105 вдоль верха, непосредственно под загрузочным отверстием 19 кольцевой коллекторной стяжкой 130. Стяжка 130 показана схематически на фиг. 8 и проходит наружу топочной камеры. Верхняя коллекторная труба 105' может быть соединена с верхним экраном 102', который проходит вверх по стенке печи. Таким образом нижний экран 102 и верхний экран 102' сообщены по жидкости. Понятно, что соединения между коллекторами и экранами, описанные здесь далее, достигаются аналогичными путями.

Фиг. 9 является упрощенной схемой циркуляции воды, используемой для охлаждения наборной охлаждаемой колосниковой решетки. Стрелками показано направление водного потока. Барабан 136 содержит воду и пар из бойлера и принимает питательную воду из экономайзера 141. Линиями, обозначенными позицией 145, указаны трубы, несущие питательную воду. Барабан 136 соединен с опускной трубой 137, через которую вода поступает в контур. Вода сначала поступает в коллектор 134, который также известен как грязевик. Грязевик 134 принимает воду из опускной трубы 137, и вода выходит из грязевика 134 через трубы опорной балки 106 решетки 100 и трубы экрана 102, в результате чего охлаждается наборная решетка. Также вода покидает грязевик 134 через трубы экрана 104 в направлении инжекционного коллектора 107. Таким образом, экраны 102 и 104 сообщаются по жидкости друг с другим. Затем вода направляется вверх через каждый экран 102 и 104, через инжекционные коллекторы 105 и 107 и через кольцевые коллекторные стяжки 130 и 132, соответственно. Вода проделывает этот путь через трубы верхнего экрана 102' и верхнего экрана 104' и возвращается в барабан 136. Циркуляционный водный контур на фиг. 9 показывает, что наборная охлаждаемая колосниковая решетка 100 является частью водного контура печь/бойлер. Водный контур для варианта, показанного на фиг. 3, аналогичен схеме, показанной на фиг. 9.

На фиг. 10 показан третий предпочтительный вариант системы сжигания целых деревьев. Элементы, подобные аналогичным элементам на фиг. 2 и 3, обозначены теми же номерами позиций, и обсуждение касается тех элементов, которые отличаются от предыдущих вариантов. Этот третий предпочтительный вариант отличается от предпочтительных вариантов, показанных на фиг. 2 и 3, тем что неразрезанные деревья подаются в первичную ступень сжигания 11 только с одной стороны (слева на фиг. 8). Для того, чтобы компенсировать одностороннюю загрузку деревьев наборная охлаждаемая колосниковая решетка 100 модифицирована и имеет небольшой направленный вниз наклон от отверстия загрузки топлива 19.

Наклонная охлаждаемая решетка 100 согласно этому варианту имеет дополнительное преимущество в создании постоянной глубины слоя деревьев. Постоянная глубина слоя деревьев желательна для генерирования улетучивающихся газов равномерно через штабель, пока предотвращается прорыв кислорода, который должен заставить газы сгореть слишком быстро и уменьшить образование улетучивающихся газов во второй ступени сжигания. Соответственно, может быть достигнуто более равномерно распределение тепла по слою топлива. Наклон колосниковой решетки согласно этому предпочтительному варианту составляет около 8 - 22 градусов, предпочтительнее, 15 градусов. Наклон решетки 100 будет зависеть от множества факторов, включая разновидность деревьев, их класс, возраст, распределение по размеру и т.п. Соответственно наклон решетки 100 является конструктивным параметром, изменяющимся в зависимости от места, на котором будет сооружаться электростанция.

Фиг. 11 является упрощенной схемой циркуляционного водяного контура, подобной схеме на фиг. 9. Основным отличием третьего предпочтительного варианта является отсутствие одного из инжекционных коллекторов, поскольку присутствует только одно загрузочное отверстие. Инжекционный коллектор 105 сохраняется у основания загрузочного отверстия 19. Вода выходит из грязевика 134 точно так же, как и на фиг. 9, но экран 104 является сплошным и не имеет верхней и нижней частей, поскольку на одной стороне печи нет загрузочного отверстия. Только экран 102 соединен с инжекционным коллектором 105, кольцевой коллекторной стяжкой 130, и верхний иижекционный коллектор 105' - с верхним экраном 102'.

На фиг. 12 показан четвертый предпочтительный вариант системы сжигания целых деревьев. Элементы, подобные аналогичным элементам на фиг. 2 - 11, обозначены теми же позициями. Этот предпочтительный вариант подобен варианту фиг.10, в котором, охлаждаемая колосниковая решетка 100 модифицирована таким образом, что имеет небольшой наклон вниз и в сторону от топливного загрузочного отверстия 19. Кроме того, система сжигания целых деревьев согласно фиг. 12 выполнена с четырехступенчатой топочной камерой. В частности, добавлена промежуточная ступень сжигания 50 между ступенью 11 и ступенью сжигания 15. Водяной контур варианта фиг. 12 должен быть подобен схеме, показанной на фиг. 11.

На фиг. 13 изображен пятый предпочтительный вариант настоящего изобретения. Элементы, подобные аналогичным элементам фиг. 2 - 12, обозначены одинаковыми номерами, позиций. Главным отличием между предыдущими вариантами и пятым вариантом является то, что охлаждаемая решетка 100 не объединена с экранами 102 и, 106. Стороны стенки печи под загрузочным, отверстием 19 облицованы или футерованы огнеупорными изолирующими стенками 152 и 153 вместо экранов, как в предыдущих вариантах. Вода для охлаждения охлаждаемой колосниковой решетки 100 подается в трубы опорной балки 106 через грязевик 134 с правой стороны решетки, и через инжекционный коллектор 105 у нижней левой стороны решетки. Грязевик 134 и инфекционный коллектор 105 питаются опускными трубами 138 и 137, соответственно, из барабана 136. Затем вода направляется через грязевик 134, через опорные балки 106 поперек ширины печи в коллектор 105 на левой стороне. Соединительная труба 150, которая не показана на фиг. 13, затем несет воду из инжекционного коллектора 105 в верхний инжекционный коллектор 1051. Коллектор 107' на правой стороне питается опускной трубой 138. Коллекторы 105' и 107' соединены с трубным пучком для образования верхних экранов 102' и 104', как указывалось ранее. Таким образом, наборная охлаждаемая колосниковая решетка 100 отделена от экранов 102' и 104' в физическом смысле, но трубы наборной охлаждаемой колосниковой решетки поддерживаются в сообщении по жидкости. Этот тип установки может быть выходным для переоснащаемых существующих электростанций. Превращение существующих электростанций в системы сжигания целых деревьев может быть достигнуто путем переоснащения электростанций данным способом. Точная конфигурация решетки, экранов и коллекторов будет зависеть от различных факторов, включая стоимость, планировку старой станции, возможности конструктивных изменений и т.п.

Фиг. 15 является упрощенной схемой контура прямоточной универсальной напорной системы. Система настоящего изобретения может быть оборудована таким типом контура вода-пар, который является возможным вариантом конструкции контура вода/пар.

Электростанция с системой сжигания целых деревьев значительно снижает стоимость топлива в сравнении с электростанциями, использующими переработанную древесину, поскольку настоящее изобретение исключает необходимость переработки древесины, которая необходима для обычных электростанций. Если электростанция настоящего изобретения расположена в местности, где нет необходимости в продолжительной транспортировке целых деревьев, стоимость топлива может быть снижена до менее половины стоимости топлива обычных электростанций, сжигающих обработанную древесину. Кроме того, по существу, целые деревья по настоящему изобретению не должны подаваться в печь с точно измеренной скоростью, как обработанная древесина. Скорее слой горящих целых деревьев обеспечивает устойчивую, непрерывную подачу газа, и эта подача газа может легко регулироваться посредством регулирования температуры слоя сжигаемых деревьев, так что деревья могут подаваться периодически порциями. Также, чем больше или выше слой деревьев, тем ниже температура, при которой слой может сгорать для обеспечения достаточного количества выделяемого газа.

Система сжигания целых деревьев согласно настоящему изобретению также более экономичная в сравнении с углесжигающими электростанциями. Поскольку деревосжигающая электростанция фактически исключает эмиссию двуокиси серы, типичную для генерирования энергии при использовании ископаемых топлив, она требует много меньших капитальных и эксплуатационных затрат. Типичное оборудование для промывки газа в скрубберах, обязательное для углесжигающих станций, не требуется для системы сжигания целых деревьев.

Благодаря экономии, в стоимости топлива в сочетании с меньшими капитальными и эксплуатационными затратами деревосгиающей электсротанции в сравнении с углесжигающей электростанцией, электростанция, использующая систему сжигания целых деревьев, должна быть наиболее ценной эффективной альтернативной.

Реферат

Изобретение предназначено для генерирования электричества на электростанции или силовой установке с использованием высоконапорного, водоохлаждаемого устройства для подвешивания топлива в печи электростанции. Опорное средство устройства для подвешивания топлива расположено между трубными пучками и содержит множество водоохлаждаемых балок, при этом часть из балок образована посредством штабелирования верхней трубы и по крайней мере одной нижней трубы вертикально под верхней трубой, при этом верхняя труба является одной из труб первого трубного пучка, а нижняя труба - одной из труб второго трубного пучка. Изобретение позволяет повысить экономичность, снизить капитальные и эксплуатационные затраты. 4 с. и 14 з. п. ф-лы, 15 ил.

Формула