Введение к работе
з
Актуальность темы. Развитие топливно-энергетического комплекса
предусматривает значительное увеличение доли выработки электрической энергии за счет сжигания на тепловых электростанциях (ТЭС) твердого топлива, что неизбежно приведет к образованию и накоплению еще более значительных масс отходов золы и шлака (ЗШО).
Только на наиболее крупных электростанциях России ежегодно улавливается и транспортируется в отвал более 3 млн. т. зольных уносов после сжигания высокометаморфизованных углей Кузбасса и антрацитов Донбаса.
От сжигания же всех видов твердого топлива на ТЭС ежегодно образуется свыше 100 млн. т золошлаковых отходов, которые накапливаются в отвалах. Общая площадь земли, занятой под отвалы, составляет около 35 тыс. га (отчужденных от сельскохозяйственного оборота).
На отвалах ТЭС к настоящему времени складируется свыше 1,5 млрд. т. золошлаковых отходов.
В 50-60 годы, в период наращивания мощностей теплоэнергетики, большинство ТЭС оснащались системой совместного гидрозолошлакоуда-ления с оборудованием завышенного запаса мощности. Это предопределило высокую стоимость затрат на удаление очаговых остатков в золоотвалы и ныне существующие негативные экологические последствия.
Внедренные впоследствии на целом ряде ТЭС способы сухого (пневматического) золоудаления характеризуются значительными энерго- и ма-териалоемкостями, относительно низким ресурсом работы отдельных узлов, высокой стоимостью внедрения, незначительной востребованностью золы-уноса потенциальным потребителем.
Уровень утилизации (переработки и использования) в чашей стране с 1990 г. составляет всего лишь 3-11% от годового выхода золоотходов, что обусловлено малой товарной кондиционностью самой золы, нестабильностью ее характеристик, в то время как за рубежом от достигал уже к началу 1980 г. 55,75 и 78% (соответственно в Бельгии, ФРГ и Франции).
Масштабы ежегодных выходов ЗШО (более 100 тыс. тонн золы на крупной ТЭС) требуют разработки более экономичных способов их транспортировки, а экологическая обстановка в зоне ТЭС - минимизации их гидротранспортного сброса в золошлакоотвалы.
Направленность представленной прикладной научно- исследовательской, инженерно-технологической и конструкторской работы на решение подобного рода задач обусловливает ее значимость и актуальность.
Цель работы. Целями настоящей работы являлись:
Анализ комплекса энерготехнологических факторов, определяющего физико-механические свойства золы-уноса;
Разработка, испытание и внедрение эффективной системы пневма-
непосредственно в топливно-технологическую систему парогенератора ТЭС), обеспечивающей снижение энерго- и материальных затрат, повышенный ресурс работы входящего в нее оборудования, и способствующей повышению утилизационных показателей (товарной ценности) золы-уноса.
Основные задачи исследования. В соответствии с поставленными
целями решались следующие задачи:
-
Анализ совокупного влияния систем организации поставок энергетического угля на ТЭС, подготовки и подачи пылевидного угля к горелоч-ным устройствам, режимов сжигания в топке котлоагрегата, золоулавливания и сброса в бункер (горизонтального электрофильтра) на диапазон изменений физико-механических свойств золы-уноса.
-
Анализ физико-механических и технологических свойств золы-уноса ТЭС (сжигающих малореакционные угли АШ, Т, СС), влияющих на ее "пневмотранспортабельность", сепарационные и утилизационные возможности.
-
Анализ современного состояния работ по технологии высоконапорного низкоскоростного пневмотранспорта с высокой концентрацией дисперсной фазы, включая поршневую и волновую ее модификации.
-
Обоснование выбора эффективной (по энерго- и материалозатратам) технологической схемы пневмотранспорта золы-уноса из бункеров электрофильтра промышленного котлоагрегата ТЭС (для магистралей различной протяженности, производительности и периодичности работы).
-
Разработка и испытание комбинированной модели пневмотранспорта в плотном слое, позволяющей осуществлять передачу золы-уноса на короткое расстояние в сочетании с ее аэродинамической сепарацией (вариант "аэрогорок").
-
Модернизация и испытание магнитосепарационного устройства по выделению магнитной фракции из золы-уноса. Оценка эффективности устройства по глубине извлечения, производительности и энергозатратам.
-
Разработка и испытание одного из основных узлов системы пневмотранспорта, - малогабаритного питателя-дозатора.
Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:
-
Проведен комплексный анализ физико-механических свойств золы-уноса и их обобщенных характеристик, влияющих на режимы и показатели ее пневмотранспорта.
-
Определен возможный диапазон изменения физико-механических свойств золы-уноса, влияющих на ее "пневмотранспортабельность", обусловленный комплексом факторов, относящихся к звеньям обобщенной
5 технологической системы "Поставщик энергетического угля - генератор золы-уноса - бункер электрофильтра".
-
Проведено обобщение результатов расчетных и экспериментальных работ по всему комплексу вопросов, связанных с характеристиками высоконапорного, низкоскоростного пневмотранспорта при высокой массовой концентрации дисперсной фазы и, соответственно, низкими расходами воздуха.
-
Проведено обоснование выбора рабочих вариантов технологических схем пневмотранспорта, отвечающих производственным условиям их эксплуатации в ограниченной зоне действующего оборудования электрофильтра котлоагрегата ТЭС и отличающихся протяженностью материало-проводов.
-
Проведено исследование возможности вывода из золы-уноса отдельных ее компонентов, отличающихся повышенным утилизационным потенциалом, в режимах аэродинамической и магнитной сепарации.
Разработана модель пневмотранспорта, а также методика расчета конструктивных и динамических параметров секций аэрогорок, которая позволила осуществлять инженерный расчет конструкции системы для установленных режимов эксплуатации электрофильтров парогенераторов ТЭС.
Получены экспериментальные данные по эффективности аэродинамической сепарации частиц по длине секции аэрогорок. На их основании выбраны оптимальные размеры каналов сепарации.
Проведены исследования по магнитной сепарации магнитных фракций золы-уноса.
Показана возможность выделения из потока сухой золы магнетитовой ее фракции (5-10%) с содержанием железа (в оксидном выражении через Fe203) более 60%.
При таком уровне железосодержания эта фракция золы становится конкурентоспособным сырьем для металлургической промышленности, повышая экономические и экологические показатели ТЭС.
6. Разработаны модели дозаторов (питателей) установки для
импульсного транспортирования золы-уноса, характеризующиеся:
оригинальной схемой подвода в напорную камеру несущего воздуха, обусловившей возможность резкого снижения габаритов питателя по сравнению с известными образцами;
надежным режимом запуска установки, предотвращающим вредный разгон первого и последующего поршней в материалопроводе.
-
Разработана методика инженерного расчета модели питателя.
-
Проведены испытания модели дозатора (питателя) на материало-проводах относительно короткой протяженности ^1=18 м; L2=50 м и диаметром Дт=68 мм) с золой-уносом непосредственно из бункера работаю-
щего электрофильтра котлоагрегата при различном соотношении масс золы-уноса и воздуха.
Научная новизна работы защищена следующими патентами на изобретения: №2209171 "Устройство для пневмотранспорта порошкообразной среды из бункеров золоуловителей"; №2209415 "Способ определения по-розности кипящей порошкообразной среды"; №2215939 "Устройство для автоматического регулирования подачи горючей смеси в горелки котлоагрегата"; №2198737 "Устройство для автоматического управления работой электрофильтра"; №2198738 'Устройство для регулирования работы N-секционного электрофильтра".
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждаются хорошей сходимостью результатов натурных экспериментальных исследований с расчетными результатами и успешным опытом эксплуатации систем, внедренных на ОАО "Черепетская ГРЭС".
Практическое значение выполненной диссертационной работы.
-
Сформирована информационная инженерно-техническая база, способствующая квалифицированной эксплуатации и последующей модернизации установок эффективного пневмотранспорта сыпучих материалов, используемых в топливной системе ТЭС.
-
Конкретизировано влияние отдельных факторов технологической системы "Поставщик топлива - генератор золы-уноса - бункер электрофильтра", способствующее целенаправленному совершенствованию звеньев этой системы и повышению стабильности физико-механических свойств золы-уноса.
-
Разработана методика инженерного расчета системы пневмотранспорта "аэрогорки", которая позволила осуществлять выбор и расчет конструктивных и динамических параметров этой системы.
-
Для повышения текучести золы-уноса при ее удалении из бункера разработан и внедрен на Черепетской ГРЭС узел электровибрационного псевдоожижения массива золы-уноса в зоне течки.
5. Разработана методика инженерных расчетов малогабаритного
дозатора.
6. Изготовлена и испытана конструкция малогабаритного дозатора,
использованного в системе импульсного пневмотранспорта золы-уноса из
бункеров электрофильтров котлоагрегатов Черепетской ГРЭС,
характеризующаяся малыми энерго- и материалоемкостями, включая
низкий расход воздуха. Внедрение этой системы обеспечило снижение
энергозатрат за 1 месяц сравнительно с системой гидрозолоудаления на
65-105 кВт'Ч. и со схемой, состоящей из эжекторов и камерных насосов на
7. Модернизирована и исследована конструкция сепаратора сухой золы, позволяющая осуществлять выделение магнитных компонентов золы-
7 уноса с содержанием железа (в БегОз - эквиваленте) выше граничного уровня, после которого возможно их использование в металлургической промышленности. В составе сухой золы содержание только магнетитовой пыли может превышать 10%, что определяет соответствующий уровень утилизации сухой золы.
8. Получена возможность повышения уровня утилизации сухой золы за счет низкой стоимости внедрения и эксплуатации разработанной системы пневматического сбора и транспортирования золы-уноса.
Личный вклад автора выразился:
в проведении аналитических исследований и формировании информационной инженерно-технической базы по закономерностям высоконапорного, низкоскоростного пневмотранспорта;
в непосредственном руководстве и участии в конструкторских разработках оригинальных узлов системы сухого золоудаления, постановке и проведении основных испытаний.
Автором даны основные конструкторские решения, разработаны режимные параметры испытаний, получены обобщающие эмпирические зависимости, представленные в диссертации. Им сформулированы основные положения, заложенные в инженерно-конструкторские решения малогабаритного дозатора и материалопровода, схемы сбора золы-уноса по одноименным полям электрофильтров, повышающей ее утилизационные качества, в модернизацию технологической схемы магнитного сепаратора, обеспечивающую повышение выделения магнитных компонентов из золы-уноса.
Автор защищает:
1. Модель пневмотранспорта и методику расчета конструктивных и
динамических параметров секции аэрогорок.
-
Эмпирические зависимости по эффективности сепарации частиц на длине секций аэрогорок.
-
Вариант инженерного способа расчета ориентировочных параметров малогабаритного дозатора.
-
Модернизированный вариант модели высоконапорного низкоскоростного, высококонцентрационного импульсного пневмотранспорта сыпучего материала (в частности, золы-уноса).
-
Результаты испытаний действующей модели промышленного масштаба, полученные при транспортировке золы-уноса, принятой непосредственно из бункера электрофильтра, подтверждающие эффективность разработанной модификации импульсного пневмотранспорта.
Публикации по работе. По результатам выполненных работ, рассматриваемых в диссертации, автором опубликовано 6 статей и получено 5
патентов на изобретения. Основные положения диссертации изложены в работах, список которых приведен в конце автореферата.
Апробация работы. Положения, изложенные в настоящей диссертации, представлялись и обсуждались на технических заседаниях ОАО "Че-репетская ГРЭС", совещании "Энергосбережение в регионах России 2003 г.", ноябрь 2003 г., ВВЦ; на секции Ученого совета ОАО "ЭНИН им. Г.М.Кржижановского" (апрель 2004 г.).
