Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методика комплексных исследований технологий производства тепловой энергии
Глава 2 Термодинамический анализ процессов горения 42
2.1 Применение термодинамических моделей при изучении процессов сжигания топлив
2.2 Расчетный анализ процессов горения 58
2.2.1 Сопоставительный анализ процессов образования загрязнителей на основе МЭПС (без ограничений на механизм процесса) и других известных методик
2.2.2 Применение МЭПС при расчете гетерогенных систем для 90 определения температуры точки росы
2.2.3 Применение МЭПС (с дополнительными балансными огра- 99 ничениями на механизм процесса) для анализа экологических характеристик процессов сжигания природного газа
Глава 3 Повышение эффективности традиционных технологий сжигания твердого топлива
3.1 Регулирование мощности котлоагрегатов и пылесистем с мельницами-вентиляторами
3.2 Регулирование вентиляционной производительности мельницвентиляторов
3.3 Топочные устройства для сжигания древесных отходов 133
Глава 4 Очистка дымовых газов в циклонных аппаратах 139
4.1 Опыт совершенствования батарейных циклонов типа ЦБР-150У в промышленных условиях
4.2 Влияние электростатических явлений на эффективность батарейных циклонов типа ЦБР-150У
Глава 5 Энергосбережение на ТЭЦ и в котельных 158
5.1 Энергосбережение в традиционных технологиях производства энергии на теплоисточниках
5.2 Технологии утилизации теплоты уходящих газов с использованием водяного теплоносителя
5.3 Технологии энергосбережения в воздухоподогревателях котлов 185
Глава 6 Технико-экономическое сопоставление новых технологий производства тепловой энергии
6.1 Выбор альтернативных установок и технологий производства тепловой энергии
6.2 Термодинамический анализ процессов вторичного загрязнения окружающей среды
6.3 Выбор альтернативных систем производства тепловой энергии применительно к промышленным центрам Восточной Сибири
Заключение 245
Библиографический список
- Расчетный анализ процессов горения
- Применение МЭПС при расчете гетерогенных систем для 90 определения температуры точки росы
- Регулирование вентиляционной производительности мельницвентиляторов
- Технологии утилизации теплоты уходящих газов с использованием водяного теплоносителя
Введение к работе
Актуальность исследований
В диссертации рассматривается комплексный подход к повышению энергетической, экологической и экономической эффективности источников энергии в системах централизованного теплоснабжения. Исследуются новые и существующие технологии сжигания органических топлив, методы оценки образования вредных выбросов и способы их сокращения, вопросы энергосбережения и выбора структуры энергоисточников.
Для обоснования выбора направлений развития котельной техники, ее экологического и энергетического совершенствования необходим предварительный физико-химический анализ используемых технологий. Для оценки вида концентрации и всей гаммы загрязнителей, образующихся при сжигании топлив, рядом исследователей применялись термодинамические модели конечных равновесий. В то же время многие вредные вещества образуются не в состоянии конечного равновесия, а на пути к нему - в промежуточных точках.
Представляемые исследования технологий сжигания различных топлив на теплоисточниках проводятся с помощью развиваемых в настоящее время термодинамических моделей экстремальных промежуточных состояний (МЭПС), созданных в ИСЭМ СО РАН (СЭИ) Б.М. Кагановичем с сотрудниками. Практически важно теоретические исследования дополнить промышленными экспериментами.
Целями исследований диссертационной работы являются.
1) Анализ эффективности действующих источников систем централизованного теплоснабжения.
2) Развитие методики комплексных исследований источников теплоснабжения, включающей выбор структуры системы и технологий производства тепловой энергии в результате проведения теоретических и экспериментальных работ.
3) Выбор перспективных новых и способов модернизации существующих технологий производства тепловой энергии на теплоисточниках.
На основе проведенного анализа теоретических положений горения топлив и технологий производства тепловой энергии сформулированы задачи исследований.
1. Построение моделей процессов генерации вредных примесей при горении и конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла.
2. Определение условий связывания диоксида серы (SO2) в конденсированный сульфат кальция (CaSO4) при сжигании КАУ путем совместного использования термодинамических моделей и натурных экспериментов.
3. Получение (с помощью составленных моделей) зависимостей концентраций образующегося бенз(а)пирена (Б[а]П) от вида топлива и условий его сжигания. Выявление технологических мероприятий по одновременному снижению выбросов Б[а]П и оксидов азота (NOх).
4. Оценка влияния минеральной части КАУ на генерацию NOх и расчетное сопоставление выбросов СО и NOх при сжигании КАУ и природного газа с получением качественных зависимостей концентраций образующихся загрязнителей от режимных параметров горения.
5. Определение с помощью термодинамических расчетов концентраций и вида фторсодержащих соединений (при усредненном содержании фтора в топливе) образующихся при сжигании КАУ, и оценка с помощью уравнений химической кинетики скорости протекающих реакций в газоходах котла с целью уточнения вида и концентраций выбрасываемых соединений.
6. Выявление температуры точки росы уходящих газов при различных условиях сжигания КАУ и сопоставление ее с реальными температурами уходящих газов с целью определения возможностей уменьшения тепловых потерь – q2.
7. Проверка полученных результатов в промышленных условиях и разработка на их основе технических решений по совершенствованию технологий сжигания и золоулавливания.
8. Разработка энергосберегающих мероприятий включаемых в действующие и новые технологии производства тепловой энергии на энергоисточниках.
9. Проведение комплексных технико-экономических и экологических исследований системы теплоснабжения промышленного центра Восточной Сибири и обоснование предложений по изменению структуры теплоисточников.
Методы исследований. В диссертационной работе применяется и уточняется системный подход, развиваемый в ИСЭМ СО РАН и предусматривающий поэтапное математическое моделирование энергетических процессов, установок и систем. Комплексность исследований обусловлена, также, сочетанием, при необходимости, математического моделирования и промышленных экспериментов.
Предметом исследования являются процессы генерации загрязнителей при сжигании топлив и технологии производства тепловой энергии.
Научную новизну работы составляют и выносятся на защиту следующие положения.
1. Методика исследований технологий производства энергии в источниках теплоснабжения, основанная на комплексном анализе энергетических, экологических и надежностных характеристик, включающая термодинамическое моделирование.
2. Термодинамические модели процессов образования вредных примесей (оксидов азота и серы, бенз(а)пирена, фтористых соединений) и конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла.
3. Результаты термодинамического анализа экологических характеристик процессов сжигания КАУ, природного газа и условий образования раствора серной кислоты в газоходах котла.
4. Технические решения по организации факельного сжигания в топках с мельницами-вентиляторами, слоевому сжиганию древесных отходов, полученные на основе экспериментальных и теоретических исследований.
5. Энергосберегающие технологии в производстве тепловой энергии (схем утилизации тепла конденсации водяных паров в конденсаторах турбин; установок для использования тепла дымовых газов в воздухоподогревателях котлов).
6. Технические решения по повышению эффективности золоулавливания в новых и существующих теплоисточниках, найденные на основе аналитических и экспериментальных исследований.
7. Предложения по изменению структуры теплоисточников с учетом экологических, энергетических и экономических ограничений (на примере г.Братска).
Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным характером научных исследований: сопоставлением результатов термодинамического анализа энергетических процессов и промышленных экспериментов; выполнением теплотехнических расчетов установок с использованием различных методик; сходимостью полученных результатов и данных других исследований.
Научная значимость работы состоит: в развитии методики исследования энергетических технологий на ТЭЦ и в котельных путем предварительного термодинамического анализа процессов генерации различных загрязнителей и их последующим комплексным рассмотрением с учетом энергетических и надежностных показателей; в совершенствовании теплоисточников и как элементов структуры систем теплоснабжения и за счет модернизации установок (систем) внутри теплоисточников; в разработке модели генерации Б[а]П на основе МЭПС при сжигании природного газа с учетом балансных ограничений на механизм процесса.
Практическая значимость полученных результатов. В работе выявлены наиболее перспективные технологии сжигания КАУ, древесных отходов и природного газа. Представлены разработки по модернизации существующих технологий производства тепловой энергии и золоулавливания. Показана возможность повышения экологической чистоты низкотемпературного факельного сжигания КАУ. Выявлена экономическая целесообразность освоения отечественными турбинными заводами теплофикационных турбин небольшой мощности (2,5-6 МВт) типа Т на начальные параметры пара ро = 1,3 МПа и tо = 225 оС с последующим оснащением ими многочисленных теплоисточников страны.
Результаты работы использовались при разработке природоохранных мероприятий, совершенствовании процессов сжигания, золоулавливания и производства тепловой энергии, улучшении структуры систем теплоснабжения: территориальным комитетом по охране природы г. Братска; Сибирским отделением ВНИПИЭНЕРГОПРОМ; районной Галачинской котельной г. Братска;ТЭЦ-6 (Иркутскэнерго); лесопромышленным комплексом г. Братска (группа "Илим").
Также, результаты работы используются: при обучении студентов по направлению "Теплоэнергетика" в Братском государственном университете (БрГУ) в учебных курсах "Источники теплоснабжения", "Эксплуатация теплоэнергетических систем и установок"; при проведении под руководством автора научно-исследовательской работы "Теоретические и экспериментальные исследования по созданию экологически чистых технологий сжигания низкокачественных топлив" (грант Минобразования 1 Гр-98).
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались на Международных (3 публикации), Всероссийских (9 публ.) и межрегиональных конференциях (11 публ.), отраженных в списке публикаций, а также на региональных научно- технических конференциях, проводимых Иркутским и Братским государственными техническими университетами.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 77 научных трудов, из них 9 в периодических изданиях рекомендованных ВАК, 4 патента и 2 авторских свидетельства, 1 свидетельство программы для ЭВМ, 2 учебных пособия с грифами УМО. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 34 до 50% результатов. Положения, составляющие научную новизну, получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка из 272 наименований. Общий объем работы составляет 286 страниц и включает 36 рисунков и 27 таблиц.
Расчетный анализ процессов горения
В настоящее время большинством специалистов развитых стран разделяется мнение, что наиболее перспективной технологией, позволяющей сжигать низкосортные (многозольные) угли при минимальном количестве образующихся вредных веществ, является способ горения в КС. Применительно к сжиганию КАУ в промышленных центрах Восточной Сибири наиболее важен второй аспект - экологический. Если очищать дымовые газы от традиционных котлов с помощью десульфуризационных и денитрификационных установок до концентраций SO2 и NOx равных с образующимися в КС, то вся система производства тепловой энергии и очистки газов оказывается более сложной и дорогой [132, 191] (на больших энергоблоках более экономичной пока считается очистка дымовых газов [194]). Степень связывания сернистых соединений в котлах КС в некоторых случаях может достигать 95%, а выбросы окислов азота являются низкими; например, при сжигании КАУ NOx в пересчете на N02 составили 340-450мг/м3[151].
Классический стационарный кипящий слой достаточно широко применяется за рубежом, обычно на промышленных и отопительных котлах мощностью от 1 до 20 МВт [135].
Опыт эксплуатации показал, что наряду с достоинствами - сравнительной простотой, низким расходом электроэнергии на собственные нужды, коротким временем пуска, этот тип котлов имеет и ряд недостатков - высокую коррозию погруженных поверхностей нагрева, низкую регулируемость нагрузки, усложнение схемы топливоподачи при увеличении мощности котла, большой механический недожог и др.
В связи с отмеченными недостатками (первоначально финской фирмой «Alstrom») были разработаны котлы КС нового типа - с циркулирующим слоем. В 1979 году началось серийное производство таких котлов под названием «Pyroflow». Циркулирующий КС применяется на котлах мощностью от 20 до 500 МВт. Применительно к возможному сжиганию КАУ представляют интерес фа кельно-слоевые топки с КС (ФКС), разработанные независимо друг от друга в Финляндии фирмой Тампелла и в институте ВНИИАМ для сланцев прибалтийского месторождения [259]. В названии способа отражен принцип комбинирования двух соответствующих технологий сжигания.
Эксперименты [259] показали, что концентрация NOx в уходящих газах после топок ФКС вдвое ниже, чем из пылеугольных котлов такой же мощности и составила 70-100 мг/м .В 1981 году на ТЭЦ Ахтма был сдан в эксплуатацию котел БКЗ-75-39 с ФКС, после чего было устранено как шлакование экранов и фестона, так и отложения золы на конвективных поверхностях нагрева, что позволило поднять паропроизводительность до 100 т/ч. Степень связывания оксидов серы достигала 70-75%.
Значительный опыт по внедрению котлов с КС накоплен на предприятиях угольной промышленности Украины [21]. На котлах типа ДКВР (общим числом более 50) устанавливались топки со стационарным низкотемпературным КС и передвижным (с помощью - цепной решетки) высокотемпературным КС (без погруженных поверхностей нагрева).
Заметим, что за исключением вышеприведенных примеров, а также нескольких проектов, использование КС в нашей стране не нашло распространения.
Мацневым В.В., Штейнером И.Н. и Гореликом Б.Н. [151] при сжигании ирша-бородинского и экибастузского углей (по отдельности) было получено, что эффективность горения экибастузского каменного угля значительно ниже, чем ирша-бородинского. Однако при этом не было соблюдено условие сопоставимости дисперсных составов топлив.
Делягин Г.И., Колодин И.А., Имбрицкий ВМ. [46] из результатов сжигания четырех различных видов топлив сделали вывод, что применение КС для углей, богатых летучими, приводит к повышенной химической неполноте сгорания. Авторы объясняют это плохим перемешиванием летучих с окислителем в объеме КС и низкими температурами над КС. Аналогичные выводы относительно сжигания газового топлива в КС приводятся в монографии зарубежных исследователей [191]. При сжигании КАУ [46] авторами был зафиксирован наибольший механический недожог, что объясняется пластинчатой формой частиц угля, способствующей их выносу из слоя.
В работе [187] показана возможность безмазутной растопки котла со стационарным КС при использовании КАУ. Это возможно из-за высокой реакционной способности КАУ при предварительном разогреве инертного материала слоя до 250 С и выше.
Таким образом, можно предположить меньшую эффективность сжигания КАУ в стационарном КС сравнительно с углями, имеющими низкий выход летучих.
При испытаниях на пилотной установке [31] выбросы NOx составили ме-нее 350 мг/м , a SO2 снизились примерно на 90%. Авторы не объясняют за счет чего достигнута такая высокая степень связывания серы. Так, при двухступенчатом сжигании угля по методу "Дуклафлуид" [135] достигалось только 50% связывание окислов серы, что считалось хорошим результатом. Вообще доля связывания зависит от условий сжигания, вида топлива и ее значение требует надежного обоснования.
Полезные исследования в этом направлении проведены эстонскими учеными [240,149] применительно к сжиганию прибалтийских сланцев по двухступенчатой технологии, которую авторы считают наиболее перспективной для этого топлива.
Применение МЭПС при расчете гетерогенных систем для 90 определения температуры точки росы
Отличия газа сепарации от пластового связано с тем, что предполагается переработка добываемого природного газа с извлечением гелиевого концентрата и получением моторных топлив.
На практике концентрации С20Н12 могут колебаться в очень широких пределах. В [30, 15] приведены следующие концентрации: - при работе паровых котлов средней мощности на мазуте 0,05-0,9 (мкг/м ); - при работе паровых котлов малой мощности на мазуте 0,8-1,8 (мкг/м ); - при работе котлов на природном газе 0,01-0,03 (мкг/м ); - при сжигании каменного угля без учета улавливания в золоуловителе 2,5 (мкг/м ).
Таким образом приведенная методика позволяет примерно оценить выбросы Б(а)П от существующих котлов при сжигании различных топлив. Однако она может оказаться неверной при расчете выбросов от более совершенных котлов с использованием новых технологий сжигания.
Поэтому мной были выполнены расчеты с использованием модели (2.1)-(2.7) для сжигания братского газа (который предполагается направлять на сжигание в правобережную часть г. Братска) и мазута, используемого в настоящее время на многих мелких котельных.
При предварительных расчетах конечных равновесий выявлено, что в равновесном состоянии Б(а)П практически не образуется. Такой же результат получили и некоторые исследователи, изучавшие этот вопрос [13,42]. Поэтому можно сделать вывод, что Б(а)П образуется на пути системы к равновесию (в промежуточных процессах) и не успевает затем сгореть.
При последующих расчетах с использованием модели (2.1)-(2.7) в качестве максимизируемой функции выбирался Б(а)П. Было получено, что термодинамика не накладывает ограничений на образование Б(а)П. Термодинамически возможно движение системы к равновесию через точку, в которой концентрация Б(а)П равна максимальной величине, определенной по материальному балансу (рис. 2.1). Понятно, что такой режим сжигания в реальных котлах не осуществляется, поскольку тогда весь углерод топлива перешел бы в Б(а)П. На рис. 2.1 показан многогранник материального баланса применительно к рассматриваемому случаю. Использование таких принципиальных графических схем для изображения термодинамических процессов позволяет лучше понять их физический смысл. Анализ таких схем для различных термодинамических ситуаций изложен в работах [37, 115]. Вершины многогранника соответствуют состояниям, в которых содержание одного из компонентов является максимально возможным по условиям материального баланса х1.
Для нахождения состояний в большей степени соответствующих реальному горению были проведены расчетные эксперименты, в которых менялся вид целевой функции (2.1).
На последней стадии расчетов максимизировалась сумма E(C2oHi2+NO). Использование этого показателя позволило выявить важные закономерности образования Б(а)П при сжигании газа, представленные на рис. 2.2.
Из него видно, что концентрация образующегося газообразного канцерогена сильно зависит от температуры и избытка воздуха. При температурах горения газа более 1850 К и коэффициенте избытка воздуха а 1 концентрация Б(а)П становится несущественной (0,02 мкг/м3). При а = 0,54 концентрации образующегося многоядерного арена с ростом температуры меняются в значительно меньшей степени и остаются высоким и во всем расчетном диапазоне (1500-1900 К). Такой характер кривой 3 подтверждает результаты экспериментальных исследований [146], выявивших начало интенсивного образования Б(а)П для сжигания горючих газов при а 0,6.
Следует отметить, что найденные состояния лишь частично соответствуют реальному горению, поскольку концентрация оксидов азота (х"о), входящих в (2.1), снизилась сравнительно с х только незначительно и многократно превышает реальные значения выбросов NO. Предполагаются дальнейшие исследования процессов образования Б(а)П с помощью новых модификаций МЭПС. Х БаП У G(l)=const
Возможное расположение точки экстремума Хх(ш+Бап) целевой функции на многограннике материального баланса. У,хеч - точки, соответствующие максимальной и минимальной энергии Гиббса системы G(x) Из изложенного можно сделать следующие выводы: 1. Показана возможность и плодотворность применения моделей (2.1)-(2.7) при исследовании образования и трансформации ПАУ. 2. Выявлены зависимости образования Б(а)П от температуры и избытка воздуха на примере сжигания братского природного газа. 3. Предложен подход выбора целевой функции при исследовании веществ, экстремальные концентрации которых не зависят от термодинамики. Подтверждено, что концентрация образующегося Б(а)П зависит от вида топлива (является максимальной при горении твердого топлива, когда отношение С/Н максимально) и стремится к нулю при движении системы к равновесию. 4. Необходимы дальнейшие исследования по термодинамическому моделированию процессов образования Б(а)П при горении топлив.
Регулирование вентиляционной производительности мельницвентиляторов
К настоящему времени большинство специалистов-теплоэнергетиков считают, что шлакующиеся бурые угли, типа канско-ачинских (КАУ), надо сжигать при низких температурах (менее 1280 С). Такой подход реализуется, в частности в совместном проекте Сибирского отделения ВТИ и АО "Сибэнерго-маш" опытно-промышленного котла со ступенчатым сжиганием КАУ для Минусинской ТЭЦ [186, 105]. Низкотемпературное горение в котельных агрегатах сравнительно просто может быть обеспечено при использовании пылесистем прямого вдувания, оборудованных мельницами-вентиляторами (MB) с газовой сушкой топлива.
Известно, что пылесистемы с MB удобны и эффективны в эксплуатации, но имеют проблему регулирования вентиляционной производительности (ВП). Проблема обусловлена обратной зависимостью расхода газов через MB от загрузки топливом, то есть, чем меньше загрузка, тем больше расход газов. Под термином "загрузка" здесь и далее понимается расход топлива в MB.
Увеличение расхода вентиляционных газов выше оптимального значения ведет к негативным последствиям: росту температуры аэросмеси до взрывоопасных пределов; ухудшению работы котла из-за повышения тепловых потерь q2-q4 и затрат электроэнергии на собственные нужды. Оптимальное значение должно определятся при наименьшей сумме вышеуказанных тепловых потерь и затрат электроэнергии и, обычно, соответствует минимальному расходу топочных газов, необходимому для сушки топлива. Поскольку MB при проектировании выбираются с запасом размольной производительности, то, при условии работы всех пылесистем, приходится существенно ограничивать их ВП уже при номинальной нагрузке котла.
Для регулирования ВП в настоящее время применяются или известны следующие способы: дросселирование напорного и всасывающего газоходов поворотными шиберами [32]; изменение частоты вращения ротора MB с помощью гидромуфт или электропривода [141,142,184]; дросселирование напорной части корпуса MB лопатками сепаратора и рециркуляция газов из напорного газохода во всасывающий [234]; дросселирование верхней части сечения входа газов в MB с помощью телескопического полуцилиндра [143].
Наиболее существенный недостаток всех указанных способов - это недостаточная глубина регулирования вентиляционной производительности, которая ограничена минимальной скоростью аэросмеси в пылепроводах (не менее 14 м/с). Кроме того, внедрение способа изменения частоты вращения ротора MB требует существенных дополнительных капитальных вложений, а дросселирование, как известно, связано с необратимыми потерями энергии. Поэтому, на практике применяют несколько мероприятий: какой-либо из способов дросселирования тракта пылесистем дополняют присадкой "холодных" дымовых газов во всасывающий газоход MB. При условии сохранения минимальной скорости аэросмеси такая присадка позволяет заменить «горячие» газы, забираемые из топки, на "холодные" - с "хвоста" котла, что обеспечивает снижение температуры аэросмеси до безопасных значений (не более 220 С).
Из-за указанных недостатков число работающих пылесистем часто снижают даже при нагрузках котла, близких к номинальной. Это позволяет увеличить загрузку работающих пылесистем и, соответственно, уменьшить потребность в регулировании ВП.
Однако регулирование нагрузки котла путем отключения части пыле-систм при использовании существующих технологий имеет существенные недостатки. Вместе с MB отключаются и соединенные с ними горелки, а это приводит к нарушению аэродинамики горения и, соответственно, дополнительному образованию токсичных загрязнителей, шлакованию поверхностей нагрева котла и другим нежелательным явлениям.
Таким образом, применение существующих способов регулирования связано с потерями энергии в пылесистемах, а ВП остается завышенной, что приводит к дополнительным потерям тепла и энергии по котлу в целом.
Для повышения эффективности работы котла и пылесистем с MB на кафедре промышленной теплоэнергетики (ПТЭ) Братского государственного университета (БрГУ) разработано несколько технологий. 1.Способ регулирования мощности котельного агрегата.
Заключается в изменении (отключении) числа мельниц при уменьшении нагрузки котла с подачей аэросмеси от работающих MB на все горелки котла. Для реализации способа каждая MB соединяется пылепроводами со всеми горелками котла (см. рис. 3.1). В этом случае обеспечивается надежная работа котла со всеми включенными горелками при любых нагрузках, а загрузка MB топливом может быть максимальной. Следовательно, возможна высокая эффективность сжигания топлива при минимальном расходе электроэнергии на собственные нужды. Данное технологическое решение защищено авторским свидетельством [5].
Полная схема, реализующая способ, в техническом исполнении может оказаться достаточно сложной. Однако на практике возможен упрощенный вариант, схема которого представлена на рис. 3.2.
В этом варианте предлагаемого изобретения, каждая MB 4 соединена пы-лепроводами 3 не менее чем с двумя горелками 2, а каждая горелка - не менее чем с двумя MB. Для сохранения устойчивого горения при отключении (включении) любой из MB пылепроводы от каждой MB разведены на диагональные горелки.
При работе всех горелок возможна организация сжигания в наиболее совершенной аэродинамической форме — вихревой. Известно, что сжигание топлива в вихре происходит более интенсивно и устойчиво, чем в плоском фронте пламени (неустойчивость которого была показана Ландау Л.Д. [139]) В этом случае представляется возможным достичь устойчивого горения при более низ 118 ком температурном уровне в камере сгорания, время нахождения продуктов сгорания в топке увеличивается и при отсутствии шлакования поверхностей нагрева снижаются выбросы основных загрязнителей: NOx, углеводородов, а иногда и диоксида серы.
Для организации вихревого сжигания необходимо от двух пылепроводов одной горелки направлять аэросмесь тангенциально к воображаемой окружности 5 в горизонтальном сечении топки 1.
Регулирование нагрузки котла можно осуществлять следующим образом. Пусть на котле установлены четыре MB с возможностью обеспечения 40% номинальной нагрузки котла от каждой. Тогда, в диапазоне 80-100% нагрузки работают три MB, а при нагрузке ниже 80%- две MB. Оптимальное распределение топлива и аэросмеси по горелкам может быть выявлено при режимно-наладочных испытаниях, но, вероятно, надо будет стремиться к равенству импульсов потоков аэросмеси от каждой горелки.
Таким образом, внедрение предлагаемого способа позволит наиболее полно решить проблемы регулирования нагрузки котлов с MB. Наибольший эффект, по мнению автора, может быть достигнут при применении предлагаемого способа на котлах паропроизводительность до 420 т/ч, имеющих небольшое число MB (до 4-х). При использовании предлагаемого способа, регулирование ВП будет необходимо лишь в узком диапазоне нагрузок, когда число MB постоянно; при этом могут применяться любые известные способы, упомянутые выше.
Технологии утилизации теплоты уходящих газов с использованием водяного теплоносителя
Из расчетов следует, что рассмотренное мероприятие является очень выгодным и может быть внедрено в тех случаях, когда потери тепла в конденсаторе не возрастут.
Таким образом, все рассмотренные технологические направления утилизации тепла уходящих газов при температурах выше tr.p экономически целесообразны и могут быть использованы при сжигании различных топлив, прежде всего КАУ, а также природного газа. Распространение описанных технологий и предлагаемых методик на природный газ возможно, поскольку Ц составляют примерно 100 - 130 С и выше, а .«50 С.
В заключение данного раздела рассмотрим проблемы утилизация теплоты дымовых газов с конденсацией водяных паров. Технологии утилизации теплоты дымовых газов с конденсацией водяных паров предполагают использование теплообменников контактного либо поверхностных типов, в которых температура дымовых газов может снижаться до 30 - 40 С и менее. В работе [56] отмечены следующие технические проблемы, препятствующие развитию технологии.
1. Опасность ухудшения санитарно-гигиенического и технологического качеств нагреваемой воды в контактных теплообменниках либо приобретение сильных коррозионных свойств конденсатом, выделившимся из газов в поверхностных теплообменниках.
2. Сложность и не всегда высокая надежность схем подсушки дымовых газов после теплоутилизатора.
3. Различие и сложность методик расчета теплоутилизаторов дымовых газов с конденсацией водяных паров.
Чтобы «обойти» 1 проблему в [162] предложено в контактном подогревателе - охладителе газов нагревать циркуляционную воду, которую затем использовать в другом контактном подогревателе для нагрева холодного дутьевого воздуха. В этом случае схема движения циркуляционной воды является замкнутой, что исключает загрязнение подпиточной воды, направляемой на горячие водоснабжение.
Решение 1-ой проблемы возможно и при использовании поверхностных теплообменников, например, биметаллических калориферов, которые стали, в последние годы, производиться Костромским калориферным заводом . Наружный слой теплообменник элементов (оребрение) этих калориферов выполнен из коррозионно-стойкого материала, каким является алюминий.
Подсушка дымовых газов (решение 2-ой проблемы) наиболее рационально может быть осуществлена путем их разбавление после утилизатора более сухим, теплым воздухом. Так по результатам расчетов [56], добавка к дымовым газам с температурой 30 С 10 % горячего воздуха с температурой 150 С повышает температуру образующейся смеси газов до 40 С и снижает ее относительную влажность до 60 %. Горячий воздух с указанной температурой может быть взят от котлов с воздухоподогревателями. При отсутствии таких котлов может быть использован теплый воздух из помещения котельной, величина добавки (его к газам) существенно возрастет. Реализация технологии требует предварительного уточнения условий работы дымовой трубы. В большинстве случаев, для исключения в ней статических давлений в летнее время требуется подогрев дымовых газов сравнительно с температурами атмосферного воздуха.
По методике расчетов (3 проблема). При определении высоты насадочно-го слоя контактного теплоутилизатора, выполненного по двум методикам [11, 136], были получены существенно различающиеся результаты. Уточнение методик представляется возможным после накопления дополнительных материалов экспериментальных исследований. Для экономических оценок в [56] были использованы конструктивные и технологические параметры теплоутилизато-ров, рассчитанные согласно [11], поскольку они в большей степени корректируют с другими литературными источниками.
Внедрение рассматриваемой технологии с контактными теплоутилизато-рами на котле паропроизводительностью 60 т/час окупается за срок менее 0,5 185 лет при экономическом эффекте более 1 млн. руб. в год (в ценах 2001 года).
Близкие расчетные значения экономических показателей получены и для технологии с поверхностными теплоутилизаторами.
1. На основе результатов термодинамических расчетов приведенных в разделе 2.2.2 и анализа литературных данных автором разработана методика определения температуры точки росы дымовых газов в условиях эксплуатации, получено ее значение для ирша-бородинского бурого угля (КАУ); показано, что она зависит от условий сжигания топлива.
2. Сделан выводы о возможности и эффективности утилизации тепла дымовых газов при сжигании КАУ, предложены методики расчета экономического эффекта от утилизации, обоснованы и описаны технологии использования тепла дымовых газов при температурах как выше, так и ниже значения tr.p..
Результаты вышеприведенных исследований опубликованы в работах [54, 59, 69, 96].
На основе вышеприведенных исследований и анализа литературных источников можно предложить три технологических направления дополнительной утилизации тепла уходящих газов в воздухоподогревателях (ВЗП) котлов. Первое. Это уточнение и поддержание оптимальных значений температур воздуха на входе в ВЗП (tB ). Второе. Создание перекоса входных температур (tB ) воздуха по высоте первого хода с увеличением их сверху вниз. Третье. Внедрение новых способов и схем подогрева воздуха в ВЗП и перед ним. Рассмотрим эти направления.
В нормативном методе расчета котлов [230] указывается, что при сжигании малосернистых топлив, типа углей Березовского месторождения, темпера 186 тура точки росы (Ц), определенная экспериментально, может составлять 60
С. Номограммы по оценке Ц из [230] для малосернистых топлив оказываются неприемлемыми. В [197] расчетное определение Ц по известным методикам (номограммам) предлагается выполнять лишь для топлив с приведенной серни-стостью (Spnp) 0,05% на МДж/кг. В разделе 2.2.2 для КАУ Ирша-Бородинского месторождения было получено, что Ц меняется от 75 С при условии полного перехода серы топлива в диоксид серы (S02) при горении до 50 С при 50% связывании серы в сульфат кальция (CaS04). Указанные температуры Ц соответствует концентрациям SO2 (при избытках воздуха аух= 1,4) 600 и 300 мг/нм3.
На котлах теплоисточников г.Братска многие годы ( до 2005 г.) замеря-лись значения SO2 на уровне 130-К200 мг/нм , при которых значение tr.p. можно принять близким к 75 С и менее. В последние годы на теплоисточниках стали в значительных количествах сжигать канско-ачинские угли различных месторождений с Sp до 1%, при этом фиксируются значения SC 2 от 130 до 700 мг/нм3. В разделе 5.2 была предложена формула для определения tr.p. в зависимости от показателей топлива (Spnp и Арпр) и концентрации S02 в дымовых газах, учитывающая переход при сжигании части серы топлива в сульфат кальция (CaSC ). Расчетами по указанной формуле получено, что при SO2 = 600 мг/м3, Sp = 0,465 % (Абанское месторождение) tr.p. составляет « 93 С.
Нормативные документы требует повышения минимальной температуры стенки (tCT) воздухоподогревателя до значений превышающих Ц на 5-10 С. Величину tCT можно определить по упрощенной формуле из [221] в зависимости от температур воздуха на входе в воздухоподогреватель (t B), уходящих газов (Vy ), значений коэффициентов теплоотдачи от воздуха к стенке (ав) и от стенки к газам (ссг)
