Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 .Обзор литературных данных и постановка задачи 10
1.1. Основные аспекты и проблемы сжигания мазута на ТЭС 10
1.2. Эмульгирование мазута. Основные процессы и механизмы сжигания водомазутной эмульсии на котлах 15
1.3. Методы комплексного подхода применения ВМЭ совместно с режимно-технологическими мероприятиями для подавления выбросов вредных веществ 25
1.4. Влияние характеристик водомазутной эмульсии на образование сажи и бенз(а)пирена
1.5. Выводы по главе 1. Постановка задач исследований 49
Глава 2. Описание новой конструкции гидродинамического кавитатора системы МЭИ-ТЭЦ-23 и схемы установки на ТЭЦ 51
2.1. Обзор существующих типов эмульгирующих устройств, их достоинства и недостатки 51
2.2. Описание конструкции и принципа действия нового гидродинамического кавитатора системы МЭИ-ТЭЦ-23 58
2.3. Численное моделирование процесса кавитации и создание физической модели. Методика расчета конструкционных характеристик 65
2.4. Результаты численного моделирования процесса кавитации 73
2.5. Разработка схемы установки гидродинамического кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23
на участках мазутного хозяйства ТЭЦ 75
2.6. Выводы по главе 2 80
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 81
3.1. Описание объекта проведения экспериментальных исследований 81
3.2. Подготовка, условия и объемы проведенных экспериментальных работ 82
3.3. Методика проведения испытаний кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23 83
3.4. Описание приготовления препарата для микрокопирования 85
3.5. Описание тепловых испытаний котлов ТГМП - 314 и ТГМ-96 при сжигании мазута и ВМЭ 86
3.6. Погрешности измеряемых параметров 89
3.7. Выводы по Главе 3 90
Глава 4. Исследование влияния процессов сжигания водомазутнои эмульсии различной дисперсности на экологическую чистоту, надежность и экономичность энергетических котлов 91
4.1. Исследования характеристик водомазутной эмульсии, получаемой с использованием кавитатора новой конструкции системы МЭИ-ТЭЦ-23 91
4.2. Результаты тепловых испытаний котлов ТГМП-314 (ст.№8) и ТГМ-96 (ст.№4) ТЭЦ-23 при сжигании мазута и ВМЭ с различной дисперсностью 101
4.3. Анализ результатов измерений концентраций вредных веществ в дымовых газах котлов 102
4.4. Исследование влияния сжигания водомазутной эмульсии на параметры надежности работы котельного оборудования 109
4.5. Исследование влияния сжигания водомазутной эмульсии на экономичность работы котельного оборудования 112
4.6.Расчет снижения валовых выбросов оксидов азота при сжигании ВМЭ 117
4.7. Выводы и рекомендации по главе 4 118
Список литературы 121
Приложение 133
- Эмульгирование мазута. Основные процессы и механизмы сжигания водомазутной эмульсии на котлах
- Описание конструкции и принципа действия нового гидродинамического кавитатора системы МЭИ-ТЭЦ-23
- Подготовка, условия и объемы проведенных экспериментальных работ
- Результаты тепловых испытаний котлов ТГМП-314 (ст.№8) и ТГМ-96 (ст.№4) ТЭЦ-23 при сжигании мазута и ВМЭ с различной дисперсностью
Введение к работе
В топливном балансе энергетики России растет внимание к альтернативным природному газу видам топлива. Прежде всего, это связано со стратегическими подходами в развитии экономики страны. Использование мазута в виде резервного топлива является традиционным решением, но в последние время доля его сжигания возрастает.
В этих условиях оптимизация методов сжигания мазута в части экономичности, надежности и экологичности работы энергетических котлов является актуальной.
Сжигание мазута со значительным содержанием влаги вызывает трудности в поддержании стабильных режимов работы котлов, усложняет эксплуатацию и приводит к нарушениям процессов горения. Возрастает опасность срыва факела, в результате образования водяных пробок в мазутных форсунках. Нарушение оптимального соотношения между подачей топлива и воздуха приводит к затягиванию факела и неравномерности температурного обогрева топочных экранов котла.
Надежность работы оборудования системы топливоподачи (мазутных насосов, мазутоподогревателей, фильтров) во многом зависит от качества рециркулируемого мазута. Процессы старения и обводнения мазута, увеличивают его вязкость и приводят к образованию отложений в насосах, фильтрах и мазутопроводах, вызывая дополнительные затраты на его перекачку.
В процессе слива и длительного хранения в мазуте всегда присутствует вода в виде грубодисперсной фазы. В результате неравномерного распределения в баках, она начинает постепенно осаждаться на дне емкостей. Утилизация таких подтоварных вод вызывает значительные затраты на предприятиях, попутно обостряя проблему загрязнения земли и сточных вод нефтепродуктами.
Для устранения отрицательных моментов при сжигании мазута необходимо решить комплекс проблем: обеспечить надежность сжигания мазута с повышенной влажностью, снизить образование токсичных веществ (NOx, СО,
бенз(а)пирена, сажи, SO2, H2S, и др.), предотвратить снижение надежности работы поверхностей нагрева котлов, обеспечить высокую экономичность использования топлива. Существующими режимно-технологическими мероприятиями на ТЭС не всегда удается снизить выбросы загрязняющих веществ до нормативных значений, поэтому возникает необходимость поиска новых, эффективных и малозатратных методов производства тепло- и электроэнергии. Это сложная и актуальная задача. Одним из путей ее решения является подготовка мазута перед сжиганием, в виде водомазутной эмульсии (ВМЭ). Большую актуальность имеют работы, посвященные изучению влияния дисперсионных характеристик ВМЭ на основные параметры работы котлоагрегатов.
Применительно к котлам средней и большой мощности большинства ТЭС, эта актуальность заключена в следующих вопросах:
- подбор характеристик ВМЭ (дисперсность, влажность) для конкретного типа горелочного устройства котлоагрегата;
сочетание применяемых на котлах режимно-технологических экологических мероприятий со сжиганием ВМЭ различного фазового состава, при сохранении высокой надежности и экономичности работы оборудования.
Из-за большой сложности процессов сжигания мазута решающая роль в разработке таких технологий принадлежит экспериментальным исследованиям.
Целью данной научной работы явилось: создание гидродинамического кавитационного аппарата системы МЭИ-ТЭЦ-23, получение в нем высококачественной водомазутной эмульсии с изменяемыми физическими характеристиками (дисперсность, вязкость) в процессе эксплуатации основного и вспомогательного оборудования ТЭС. Разработка различных вариантов схем установки кавитатора на участках мазутного хозяйства ТЭС. Проведение испытаний с определением характеристик получаемой ВМЭ и полномасштабных промышленных испытаний в комплексе с режимно-технологическими мероприятиями, такими как: рециркуляция дымовых газов, ступенчатое сжигание топлива, применение малотоксичных горелочных устройств, для изучения влияния ВМЭ различной дисперсности, (постоянной влажности) на основные
показатели надежности, экономичности и экологической безопасности энергетических котлов различной мощности.
Сделанный автором обзор литературных данных в области сжигания водомазутной эмульсии свидетельствует о том, что практически полностью отсутствуют данные о влиянии дисперсионных характеристик ВМЭ на параметры надежности, экономичности и экологической безопасности котельного оборудования. Нет однозначных результатов влияния влажности ВМЭ на выбросы оксидов азота и бенз(а)пирена. Обзор научных работ приведен в главе 1.
Во второй главе дано подробное описание новой конструкции гидродинамического кавитационного аппарата системы МЭИ-ТЭЦ-23 с регулируемым проходным сечением, сравнение его с ранее разработанными эмульгирующими устройствами. Приведен алгоритм выполнения расчетов, расчетные варианты режимов работы и технические характеристики прибора. Создана трехмерная модель кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23 в программе SolidWorks, на основании которой, в программе CosmosFloWorks построена физическая модель процесса кавитации, оптимизированы параметры работы кавитатора и выбраны основные конструкционные характеристики. Даны возможные варианты схемы установки устройства на участке мазутного хозяйства ТЭС.
В третьей главе изложена методика проведения экспериментальных исследований кавитатора с расширенным объемом измерений и использованием современной приборной базы. Рассмотрены технологии отбора и анализа проб мазута и ВМЭ на дисперсность, вязкость, калорийность, влажность и серосодержание. Дано описание методики проведения тепловых испытаний котлов.
В четвертой главе представлены результаты лабораторных исследований мазута и ВМЭ в различных режимах работы кавитатора на участке мазутного хозяйства ТЭС, выполнен анализ влияния скоростей потока и расхода мазута на дисперсность и вязкость получаемой эмульсии. Проведен анализ экспериментальных исследований при сжигании ВМЭ различной дисперсности,
постоянной влажности на параметры надежности и экологической безопасности котлов ТГМП-314 и ТГМ-96.
Проведена оценка эффективности влияния сжигания водомазутной эмульсии на экономичность работы котельного оборудования.
В заключении диссертационной работы приведен список литературных источников и список приложений. Научная новизна
Создана математическая модель для получения тонкодисперсной водомазутной эмульсии, на основе которой был построен процесс протекания кавитации в устройстве струно-соплового типа разработки МЭИ-ТЭЦ-23.
Проведена расчетная оптимизация конструктивных и режимных параметров гидродинамического активатора системы МЭИ-ТЭЦ-23.
Получены экспериментальные данные влияния скорости процесса кавитации на дисперсный состав получаемой ВМЭ, на базе которых построена линейная зависимость для данного процесса.
Найдены оптимальные характеристики качества получаемой ВМЭ в зависимости от расхода мазута и исследованы процессы влияния фазового состава приготавливаемой ВМЭ на технологию эффективного сжигания топлива.
Определены динамика и характер распределения концентраций основных загрязняющих веществ в дымовых газах котлов, в зависимости от дисперсности ВМЭ и скорости процесса кавитации.
Практическая ценность работы заключается
В разработке и внедрении в производство кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23 (заявка на патентование изобретения №2008109717), позволяющего получать высококачественную ВМЭ с изменяемыми характеристиками, при изменении величины проходного сечения в процессе эксплуатации основного и вспомогательного оборудования ТЭС при расходах мазута и ВМЭ до 450 т/ч.
Впервые проведены комплексные испытания на котлах типа ТГМ-96 и ТГМП-314 сочетающие наиболее эффективные режимно-технологические мероприятия со сжиганием мазута в виде ВМЭ с изменяемыми характеристиками
дисперсности. Найдены и рекомендованы к длительной практической эксплуатации режимы сжигания топлива, обеспечивающие экологическую чистоту, надежность и экономичность работы мощных котлов СКД.
В результате исследований заложены основы комплексного подхода к решению проблем выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании ВМЭ одновременно с сохранением высокой надежности и экономичности работы котлов.
Личный вклад автора заключается в выполнении всех этапов данной работы, в разработке и осуществлении расчетов нового кавитирующего устройства, начертании сборочных и монтажных чертежей конструкции, в сопровождении его изготовления и внедрения на участке мазутного хозяйства ТЭЦ-23.
В формировании программ комплексных экспериментальных исследований, постановке конкретных задач и методик их проведения, непосредственном участии в проведении опытов, обобщении и анализе полученных результатов с выдачей рекомендаций по совершенствованию режимов работы оборудования ТЭЦ при работе на мазуте.
На защиту выносятся следующие результаты выполненной работы:
1. Расчет математической модели кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23, с определением
основных конструкционных характеристик и технических параметров его работы. Разработка схемы установки прибора на участке мазутного хозяйства ТЭЦ.
2. Основные положения методики проведения экспериментальных работ
для решения сопряженных задач по обеспечению надежности, экономичности и
экологической безопасности энергетических котлов.
Результаты экспериментальных исследований по оптимизации кавитационных режимов работы прибора, с определением эффективных характеристик фазового состава получаемой ВМЭ.
Анализ результатов промышленных испытаний котлов ТГМП-314 и ТГМ-96 по оптимизации топочных режимов сжигания ВМЭ различной дисперсностью в комплексе с режимно-технологическими мероприятиями.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Котельные установки и экология энергетики» Московского энергетического института (Технического университета). Научный руководитель д.т.н., проф. МЭИ (ТУ), директор ТЭЦ-23-филиал ОАО «Мосэнерго» - Н.А. Зройчиков.
Эмульгирование мазута. Основные процессы и механизмы сжигания водомазутной эмульсии на котлах
Нефть добывается из подземных пластов вместе с водой и несмотря на то, что нефтеперерабатывающая промышленность должна по ГОСТ 10585-75 поставлять мазут с влажностью от 0,3 до 1,5%, на самом деле его влажность в результате сливо-наливных операций и хранения в резервуарах достигает 3-5 %, а в отдельных случаях до 15-20%.
Вода в мазуте частично отстаивается, распределяясь в виде линз и прослоек, либо присутствует в виде глобул с размерами от единиц до сотен микрометров. Для обеспечения надежного и экологичного использования обводненного мазута необходима разработка оптимальной технологии хранения и подготовки его к сжиганию. В основу разработки такой технологии легло исследование процессов, происходящих в обводненном мазуте при его хранении. Наиболее значимыми являются осаждение и коалесценция водной фазы. При этом с точки зрения технологии подготовки топлива важно осаждение крупных капель воды и стабилизация мелких капель в объеме топлива в виде эмульсии. Из баланса сил действующих на частицу воды, применяется формула Стокса, в которой определяется скорость осаждения капли радиусом R, м, в сплошной среде /80/: где рд и рс — плотности дисперсной фазы и сплошной среды, кг/м3; vc — кинематическая вязкость сплошной среды, м7с; g - ускорение свободного падения, м/с . По мнению Батуева СП. /80/ на процесс осаждения (как и на процесс стабилизации водной фазы в топливе) влияют три основных фактора: разность плотностей воды и топлива; вязкость топлива; размер капель воды в топливе.
Воздействовать на процессы осаждения и коалесценции водной фазы, присутствующей в мазуте, можно в основном путем изменения размеров капель воды, определяемых степенью ее диспергирования в топливе.
Из-за того, что плотности мазута и воды мало отличаются, вода не оседает на дне емкости, а располагается неравномерно слоями в массе топлива. Впоследствии в процессе его сжигания, это приводит к срыву факела и затуханию форсунок, а иногда вообще не удается зажечь форсунку. Попытки вторичного пуска котлоагрегатов сопровождаются сильными хлопками и разрушением топок вследствие накопления в них горючих газов. Мероприятия по осушению мазута испарением воды энергоемки и ведут к потере летучих компонентов топлива. Обезвоживание выполняется в основном путем отстаивания. Разделение фаз мазут - вода в накопителях-отстойниках требует достаточно большого времени и малоэффективно. В результате отстаивания вод, загрязненных нефтепродуктами, возникает вопрос об их дальнейшей утилизацией с предприятия и о предварительной очистке перед сбросом в городские системы приема сточных вод. Для очистки замасленных и замазученных вод требуется создание сложных схем очистки с применением баков-отстойников, нефтеловушек, установок флотации.
Кроме того, в процессе глубокой переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах в состав высоковязких тяжелых топочных мазутов попадают твердые минеральные примеси, вместе с которыми в мазут переходят соли щелочных металлов, продукты коррозии трубопроводов, резервуаров и оборудования. Снижение вязкости мазута только способствует увеличению скорости осаждения грубодисперсных частиц, которые не способны поддерживать во взвешенном состоянии даже тепловое движение молекул дисперсионной среды. Недостаточно эффективная стабилизация дисперсных частиц поверхностно-активными веществами приводит к коагуляции и образованию агломератов, выпадающих в осадок. Карбены. и карбоиды, являющиеся основой грубодисперсной части асфальтосмолистых веществ, увеличивают нестабильность мазутов вследствие их склонности к коагуляции и осаждению при отстаивании.
Кроме отмеченного выше отрицательного влияния осадка на оборудование мазутных емкостей, полимеризация асфальтеносмолистых включений приводит к росту коксования и появлению отложений на поверхностях нагрева котлов и подогревателей мазута. В результате появления отложений ухудшается эффективность работы поверхностей нагрева, увеличиваются потери тепла с уходящими газами, вследствие ухудшения коэффициента теплопередачи и появления дополнительного расхода топлива /50/.
Образующийся нефтяной осадок обладает низкой текучестью, что затрудняет его всасывание и перекачку топливными насосами. Неоднородность состава, переменная вязкость и плотность перекачиваемой среды приводят к появлению нерасчетных, предельно-допустимых нагрузок в топливных насосах, которые приводят к неустойчивым, пульсирующим режимам работы. Используемые для перекачки мазута насосы чувствительны к изменениям характеристик перекачиваемой среды, переменному давлению на всасывающей линии и присутствию механических примесей. Это приводит к снижению напорных характеристик с большими перепадами давления в топливоподающем трубопроводе и, как следствие, к снижению надежности работы всей топливоподающей системы мазутного хозяйства. Вследствие изменения характеристик мазута, т.е. увеличения вязкости и влагосодержания, подъемному насосу требуется больше напора для перекачки, в результате чего, увеличивается нагрузка на электропривод и расход электроэнергии на собственные нужды.
Поэтому особенно важно уделять большое внимание способу обработки мазута перед подачей его на сжигание. Практика показала, что лучшим таким способом является эмульгирование мазута.
Помимо этого, неоднородность состава мазута является причиной нарушения не только гидродинамических, но и тепловых процессов, происходящих в теплообменных аппаратах мазутного хозяйства, к повышенной коксуемости мазута, к снижению качества его распыливания.
Наиболее серьезным нарушением режима эксплуатации котлов, связанным с топочными горелочными устройствами, является срыв и погасание факела из-за поступления в мазутные форсунки свободной воды /51,52/, что непосредственно ведет к снижению качества процесса горения топлива в топках котлов, возникает неравномерность обогрева поверхностей нагрева топки. Это, в конечном итоге, приводит к снижению экономичности, надежности и уменьшению межремонтного цикла котельного агрегата в целом. Приготовление и использование ВМЭ высокого качества полностью устраняет вероятность забивания мазутных форсунок, повышая тем самым надежность работы котлов.
Описание конструкции и принципа действия нового гидродинамического кавитатора системы МЭИ-ТЭЦ-23
Автором работы, совместно со специалистами МЭИ (ТУ), кафедры КУиЭЭ был сконструирован, изготовлен и внедрен на ТЭЦ-23 - филиал ОАО «Мосэнерго» гидродинамический активатор (именуемый в дальнейшем кавитатор МЭИ-ТЭЦ-23) - устройство для приготовления высококачественной ВМЭ оригинальной конструкции рис.2.9, относящийся к аппаратам струйно-соплового типа.
Кавитатор разработан на базе прототипа - кавитатора МЭИ /70,71/. Однако, основной отличительной особенностью кавитатора служит возможность изменения величины проходного сечения проточной части в процессе эксплуатации основного и вспомогательного оборудования ТЭС.
За счет изменения скоростей движения мазута, прибор позволяет при определенном расходе мазута (ВМЭ) через него изменять дисперсный состав получаемой ВМЭ. Кавитатор рассчитан и изготовлен специально под параметры мазутного хозяйства ТЭЦ-23. Эта конструкция может быть применена под параметры любой схемы топливно-транспортного цеха (ТТЦ) ТЭС максимальным расходом мазута до 400-450т/ч и рабочим давлением не более 10 кг/см2.
Указанная особенность конструкции (изменение проходного сечения в процессе работы) дает уникальную возможность в ходе экспериментов выявить те характеристики ВМЭ, которые подходят для конкретного котла, при определенном режиме сжигания топлива. Это позволяет решать задачи обеспечения экологической чистоты, надежности и экономичности работы котлов. Кавитатор функционирует в бесперебойном режиме работы оборудования. Он, также, позволяет регулировать и поддерживать оптимальные характеристики ВМЭ при изменении расхода мазута.
Само устройство имеет простую конструкцию и представляет собой аппарат проточного типа. Проточная часть кавитатора состоит из девяти плоских параллельных профилированных каналов, образованных плоскими пластинами (сверху и снизу) и профилирующими вставками (по бокам) Высота канала -10 мм, ширина в узком месте - 130 мм. В каждом канале установлены два ряда турбулизирующих цилиндрических вставок - цилиндров рис.2.10. Турбулизирующие цилиндры выполнены гладкими и с насечкой на боковой поверхности для усиления эффекта кавитации.
Кавитатор работает на известном принципе возникновения зон кавитации (каверн) за цилиндрическими вставками из-за местного резкого падения давления в движущейся жидкости и последующего "схлопывания" каверн в зоне восстановления давления по ходу рабочего канала, что приводит к интенсивному перемешиванию мазута с водой и получения высококачественно эмульсии типа "вода- масло" рис.2.8.
Необходимым условием возникновения кавитации является наличие такого режима движения жидкости, при котором давление в определенной области будет ниже давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. При этом в объеме жидкости наблюдается образование, и рост кавитационных пузырьков. За местным гидравлическим сопротивлением в зоне повышенного давления происходит схлопывание пузырьков с образованием турбулентных течений, которые приводят к интенсивному массообмену в движущейся жидкости. Во время режима кавитации помимо разрушения и измельчения капель воды, входящей в состав мазута, уменьшается количество механических примесей, качественно улучшается состав топлива и его вязкость.
При конструировании кавитатора, прежде всего, задаются производительностью смесителя по максимальной производительности насоса и физическими характеристиками эмульгируемого топлива (марка топлива, вязкость и т.д.).
Снижение вязкости и облегчение условий эмульгирования водотопливной смеси достаточно просто достигается ее подогревом. Повышение температуры одновременно со снижением вязкости уменьшает межфазное (поверхностное) натяжение, что оказывает положительное воздействие на эмульгирование и качество образующихся эмульсий. При рассмотрении подогрева водотопливной эмульсии как пути повышения эффективности (сокращения затрат энергии, мощности и времени) ее приготовления, предполагалось, что вода в топливе уже присутствует, например, случай эмульгирования высокообводненного топлива. 1 -канал проточной части кавитатора; 2 -пластина; 3-турбулизирующие цилиндры (первого ряда); 4-турбулизирующие цилиндры с насечкой (второго ряда); 5 -регулирующие стержни; 6 -переход; 7 -штуцер для ввода добавочной влаги; 8- штуцер для продувки и очистки кавитатора, 9 - корпус, 10-крышка; 11- вход мазута; 12-выход ВМЭ; 13-крепежные детали, 14- профилирующие вставки Основными условиями эмульгирования высоковязких мазутов и воды является нагрев мазута до 100-120 С.
В кавитаторе МЭИ-ТЭЦ-23 понижение давления в потоке за турбулизирующими стержнями ниже давления насыщенных паров происходит за счет разгона потока в узком сечении до скоростей 15-28 м/с.
В 3-х рабочих каналах предусмотрена установка регулирующих стержней рис.2.12, позволяющих частично или полностью перекрывать сечение канала и тем самым изменять величину общего проходного сечения кавитатора. Регулирующие стержни вводятся в проточную часть через специальные сальниковые уплотнения, установленные на корпусе кавитатора.
В целях соблюдения техники безопасности для регулирующих стержней предусмотрено мерное устройство - ограничитель, во избежание выскальзывания стержня из рабочего канала. Все детали проточной части кавитатора крепятся в прямоугольном корпусе рис.2.8, поз.9, имеющем сверху и снизу крышки поз. 10. На входе и выходе кавитатора предусмотрены переходы с прямоугольного сечения корпуса на круглое сечение мазутопровода поз.1. Переходы крепятся к мазутопроводу путем фланцевого соединения. В кавитаторе предусмотрен специальный входной штуцер, через который в поток исходного мазута может быть подана добавочная влага (чистая вода или сточные воды, загрязненные нефтепродуктами) поз.7. На втором переходе предусмотрен дополнительный выходной штуцер, на случай вывода в ремонт прибора и проведения его очистки паром или горячей водой поз.8. Вес кавитатора составляет 80 кг, что не требует установки под ним опорных конструкций. Одной из положительных конструктивных особенностей кавитатора является компактность (длина устройства составляет 640 мм), не требующая для монтажа больших прямых участков мазутопровода.
Подготовка, условия и объемы проведенных экспериментальных работ
Экспериментальные исследования проводились на котлах ТГМП-314 ст.№8 и ТГМ-96 ст.№4 ТЭЦ-23- филиала ОАО «Мосэнерго». Экспериментальная часть диссертационной работы была разбита на два этапа: исследование технических характеристик и качества получаемой ВМЭ, с подробным анализом основных физических свойств, в разных режимах работы кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23, при изменении проходного сечения проточной части; испытания котлов ТГМ-96 и ТГМП-314, при сжигании ВМЭ с разными дисперсными характеристиками, с целью определения основных показателей надежности, экономичности и экологической безопасности энергетического оборудования с применением кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23. Испытания проводились по 2 категории сложности, на разных паровых нагрузках котлоагрегатов, с изменением коэффициентов избытков воздуха в разных режимах кавитационной обработки мазута.
Подобная периодичность опытов была выбрана с учетом сложности анализа физических свойств получаемой ВМЭ. Анализ проб проводился в химической лаборатории ТЭЦ-23.
Основной задачей работы на 1-ом этапе стало определение наиболее эффективного и менее эффективного режимов работы кавитатора с целью их последующего сравнения, подбор оптимальных дисперсных характеристик ВМЭ, для проведения тепловых испытаний на котельном оборудовании.
Перед началом испытаний все имеющиеся мазутные резервуары заполняются мазутом. Опыты проводятся при постоянной влажности 10-11%. Пробы мазута и ВМЭ отбираются на входе и выходе из кавитатора (с последующим определением дисперсности, калорийности, влажности, зольности и серосодержания), при этом осуществлялся непрерывных контроль за показаниями манометров, расходомеров и датчиков температур.
Кавитатор установлен в схеме мазутного хозяйства ТЭЦ-23 после MH-I ст.№4. Мазут (ВМЭ) с расходом до 450 т/ч непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, образуемому линиями рециркуляции.
Для проверки на прочность и герметичность кавитатор ставится под рабочее давление мазута после MH-I ст.№4 путем открытия задвижки на входе в кавитатор и пропускания всего потока мазута через байпасную линию. Продолжительность испытаний 4 часа.
После определения прочности и герметичности конструкции прибора, выполняется переход к основному режиму испытаний, байпасная линия закрыта, мазут (ВМЭ) пропускается через кавитатор. В основном режиме, испытания проводятся при рабочем давлении мазута (ВМЭ) после MH-I ст.№4 и при номинальном расходе 250- 450 т/ч.
Программой испытаний предусмотрено исследование характеристик получаемой ВМЭ при нескольких значениях скорости потока на входе в проточную часть кавитатора. Для изменения величины проходного сечения кавитатор отключается задвижками на входе и выходе, байпасная линия открывается. После изменения положения регулирующих стержней, задвижки на входе и выходе открываются, байпасная линия закрывается. Время стабилизации каждого режима составляет 30 мин.
В каждом режиме снимаются следующие показания: - давление мазута (ВМЭ) до и после кавитатора; - расход мазута после MH-I ст.№4 (не менее 1го измерения в каждой серии опытов); - положение управляющих стержней; - температура мазута (ВМЭ) до и после кавитатора ( или хотя бы перед кавитатором); - отбор проб мазута (ВМЭ) до и после кавитатора; Затем, пробы мазута (ВМЭ) подвергаются лабораторным анализам и исследованиям на влажность, вязкость, калорийность и фракционный состав. Исследование характеристик ВМЭ проводится после отбора проб и после выдержки в течение нескольких суток.
Проведение испытаний кавитатора в полном объеме позволяет выявить зависимости характеристик ВМЭ от определяющих параметров и использовать полученные результаты в экспериментах по сжиганию ВМЭ на котлах.
Отбор и подготовка проб во время испытаний осуществляются в соответствии с ГОСТ 2517-85 /ПО/. Метод количественного определения содержания воды в топливе определяется по ГОСТ 24777-65 /111/. Содержание серы в мазуте и ВМЭ, низшей теплоты сгорания проводятся в соответствии с ГОСТ 3877-81 /112/ и ГОСТ 21261-91 /113/, анализы проб на вязкость определяются по ГОСТ 1929-87 /114/. В соответствии с РД34.44.215-96 /126/ выполняется дисперсный анализ проб, с изготовлением нескольких фотографий этих образцов. Периодичность и точки отбора проб определяются инструкцией по применению ВМЭ.
Средний размер капель водной фазы эмульсий измеряют под микроскопом, в окуляр которого вставлена микрометрическая сетка (окулярный микрометр, обеспечивающий 600-кратное увеличение). Каждое деление сетки соответствует определенной длине объекта, видимого под микроскопом. Пользуясь микрометрической сеткой, подсчитывают число капель воды одного размера в поле зрения. Каплями одинакового размера принято считать капли, соответствующие одному и тому же числу целых делений сетки.
Пробу водомазутной эмульсии объемом 100 см , отобранной из контрольной пробы после тщательного перемешивания, выливают в стакан, который затем помещают в сушильный шкаф, нагретый до 50 ± 0,5 С, где выдерживают в течение 15 мин. После этого содержимое стакана тщательно перемешивают стеклянной палочкой и отбирают пробу эмульсии для микрокопирования. Из пробы отбирают не менее 10 капель. Каплю ВМЭ наносят на предметное стекло и осторожно накрывают покрывным стеклом. Оба стекла предварительно промывают бензином марки Б70, хромовой смесью, дистиллированной водой для получения нейтральной реакции на универсальной индикаторной бумаге.
Результаты тепловых испытаний котлов ТГМП-314 (ст.№8) и ТГМ-96 (ст.№4) ТЭЦ-23 при сжигании мазута и ВМЭ с различной дисперсностью
На паровом котле ТГМП-314 ст.№8 при работе на мазуте (ВМЭ) были проведены комплексные испытания при паровой нагрузке близкой к номинальной (800 т/ч), которая характеризуется наибольшими величинами выбросов вредных веществ в атмосферу. Кроме этого, повышенные нагрузки наиболее опасны из-за возможности образования сероводорода в пристенных зонах топки и высокотемпературной коррозии металла труб экранов НРЧ.
Комплексность испытаний заключалась в том, что на котле применялась комбинация режимных и конструктивных мероприятий, направленных в первую очередь на соблюдение жестких экологических нормативов: применение малотоксичных горелок ТКЗ-ВТИ в сочетании со ступенчатым сжиганием топлива, рециркуляцией дымовых газов в зону горения и сжиганием мазута в виде ВМЭ различной дисперсности. Для получения ВМЭ различной дисперсности использовалось два основных режима кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23: режим 1 с одним вставленным регулирующим стержнем, режим 2 с тремя вставленными стержнями (в предыдущем параграфе это режим 3). Кроме этого применялся режим 0 с выключенным кавитатором (исходный режим). В исходном режиме мазут подавался по байпасной линии. Все остальные условия испытаний поддерживались постоянными.
Сложность поставленной задачи определяется тем, что топочный режим сжигания мазута и ВМЭ трудно организовать, обеспечив одновременно экологическую чистоту по нескольким компонентам, при сохранении высокой надежности и экономичности работы мощного энергетического котла.
Доля воздуха на сопла верхнего дутья при заданном 15 % открытии шиберов перед ними составляет 10 % (режим сжигания был ступенчатым).
Основные результаты тепловых испытаний котла ТГМП-314 (ст.№8) ТЭЦ-23 представлены в приложении, таблицы 2 и 3. Для мощных котлов СКД в России установлен достаточно жесткий норматив по концентрациям оксидов азота в дымовых газах при работе на мазуте - 250 мг/нм3. Результаты предыдущих испытаний котла ТГМП-314 (ст.№7 и 8) ТЭЦ-23 показали, что для достижения этого норматива или приближения к нему недостаточно только применения малотоксичных горелок /48/. Для этого необходимо сочетание работы на малотоксичных горелках с режимно-технологическими мероприятиями: ступенчатым сжиганием и рециркуляцией дымовых газов в зону горения. В малотоксичной горелке типа ТКЗ-ВТИ реализуется эффект стадийности и экранного ввода газов рециркуляции. Анализ экспериментальных материалов /48/ и их сопоставление с данными по аналогичным котлам (ТГМП-344А ст. № 6, 7 ТЭЦ-26 и др.) показывает, что при сжигании мазута в горелках ТКЗ-ВТИ, установленные на реконструированных котлах типа ТГМП-314 ст.№ 7, 8 ТЭЦ-23, в исходном состоянии без применения технологических методов подавления вредных выбросов обеспечивают наименьший выход оксидов азота (на номинальной нагрузке соответственно 470-580 мг/нм против обычных 900-1000 мг/нм ) и, поэтому, являются менее токсичными. По данным /48/ для котла ТГМП 314 (ст. №8) применение указанного выше сочетания режимно-технологических методов (при использовании ограниченного ступенчатого сжигания, необходимого для охлаждения сопл вторичного дутья - 10%, и рециркуляции дымовых газов до 15%), позволяет достичь концентраций оксидов азота в 297 мг/нм . Но это только приближение к указанному выше нормативу.
В настоящем исследовании, для решения задачи по достижению норматива 250 мг/нм предложено сочетать указанные выше режимные мероприятия со сжиганием мазута в виде высококачественной ВМЭ с изменяемыми характеристиками (дисперсность, влажность). В результате получены следующие данные по концентрациям оксидов азота в дымовых газах (в пересчете на номинальную нагрузку котла): -в исходном режиме (при выключенном кавитаторе), доле рециркуляции дымовых газов около 10%, доле воздуха на сопла вторичного дутья 15% и оптимальном коэффициенте избытка воздуха авэ =1,09 концентрация оксидов азота составила 265-300 мг/нм (рис.4.7).
Таким образом, в данном исследовании успешно решена поставленная задача по оксидам азота. Отметим, что в отличие от котлов СКД 300 МВт, с другими горелками, требуемая величина степени рециркуляции значительно меньше (10% против -20%). Посмотрим за счет чего достигается такой положительный эффект по концентрациям оксидов азота?
Первый важный фактор - это возможность, при сжигании мазута в виде высококачественной ВМЭ, перейти на режим сжигания топлива с пониженными (практически с предельно низкими избытками воздуха). Влияние режима работы кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23 на величину оптимальных коэффициентов избытка воздуха авэ показано на рис.4.8. В нашем исследовании такой переход не приводил к сколько-нибудь заметному ухудшению эффективности сжигания, так как концентрации основного продукта недожога СО в режимах с пониженными а не превышали 10 ррт, что значительно меньше нормы (допустимо до 100 ррт),
Ранее (в главе 1) было сказано, что величина дисперсности неоднозначно влияет на концентрации оксидов азота. Уменьшение размеров фракций водной фазы ниже 4-6 мкм может приводить к увеличению температуры в зоне горения за счет интенсификации процесса сжигания. Но полученные в исследовании результаты свидетельствуют о явном преобладании перечисленных выше трех факторов, что и привело к снижению концентраций оксидов азота при сжигании ВМЭ в сочетании с конструктивными и режимно-технологическими мероприятиями.
Снижение концентраций оксидов азота при сжигании ВМЭ, полученной в кавитаторе МЭИ-ТЭЦ-23 достигнуто в настоящем исследовании и на котле ТГМ-96 (ст.№4). Эксперимент проводился на смеси топлив (50% - газ, 50% - мазут) в наилучшем режиме кавитации (с тремя погруженными стержнями) при постоянной влажности мазута (ВМЭ) 10,5%), при трех паровых нагрузках котла.
В ходе этих испытаний были сняты два режима с применением кавитатора МЭИ и без него. В обоих случаях избыток воздуха в режимном сечении составлял а=1,08, в работе находился один ДРГ со 100%) нагрузкой рис.4.11. По результатам представленных на рис.4.9 следует, что сжигание мазута в виде ВМЭ привело к снижение концентрации NOx на 18-22 мг/нм в диапазоне нагрузок Dn=340-380 т/ч, что составило приблизительно 12%) от первоначальных значений концентраций.
