Введение к работе
Актуальность работы. Канско-Ачинский угольный бассейн является наиболее перспективным в топливно-энергетическом балансе России за счет обширных запасов дешевого топлива. На сегодняшний день, наиболее востребован уголь Ирша-бородинского разреза, что объясняется рациональным сочетанием характеристик качества и цены. Это топливо поставляется на тепловые электростанции, расположенные не только в Красноярском крае, но и за его пределами (в г. Иркутск, Усть-Илимск, Новосибирск, Барнаул и др.), где установлены котельные установки различной мощности с твердым и жидким шлакоудалением.
Преимущества низкотемпературных способов факельной технологии, связанные с высокой маневренностью в условиях использования топлива переменного состава и меньшим количеством вредных выбросов в атмосферу, не в полной мере реализованы в действующих котлах с твердым шлакоудалением. Это связано с загрязнением и шлакованием поверхностей нагрева, что вызывает большое число остановов и работу котлоагре-гатов на пониженных паровых нагрузках. Кроме того, концентрации оксидов азота в дымовых газах при сжигании ирша-бородинского угля на тепловых электростанциях остаются достаточно высокими (500^600 мг/нм3) и значительно превышают предельно допустимые нормативы.
Для решения перечисленных проблем при эксплуатации котельного оборудования является актуальным совершенствование режимов сжигания ирша-бородинского угля в топочных камерах котлов с твердым шлакоудалением. Для поиска и обоснования, связанных с этим технических решений, наряду с проведением натурных экспериментов на действующем оборудовании, широко применяются методы математического моделирования.
Основанием для выполнения диссертационной работы послужили:
грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук Министерства образования РФ (Грант Т0201.2-320,2003-2004);
аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» (Мероприятие 2, раздел 2.1 подраздел 2.1.2. Код заявки (номер проекта): РНП.2.1.2.2272, 2006-2008);
грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 08-08-00969-а (2008-2010).
Цель работы: совершенствование режимов факельного сжигания ирша-бородинского угля за счет сокращения температурных неравномер-ностей в топочных камерах котлов с твердым шлакоудалением.
Задачи исследования, решаемые в настоящей работе:
анализ современного состояния эксплуатации котельного оборудования, применяемых способов низкотемпературного пылеугольного сжигания, влияния конструктивных элементов топочных устройств на условия тепловой работы котлоагрегатов;
проведение экспериментальных исследований с выявлением особенностей распределения падающих радиационных потоков и других характеристик топочных процессов в котлах с твердым шлакоудалением с фронтальным и тангенциальным расположением горелочных устройств, а также обобщение полученных результатов;
совершенствование зональной методики расчета теплообмена в части учета взаимосвязи показателей радиационного теплообмена с параметрами шлакования поверхностей нагрева, а также уточнения расчета генерации оксидов азота в дымовых газах;
проведение трехмерного зонального математического моделирования теплообмена в топочных камерах действующих котлов для обоснования и разработки технических предложений, направленных на устранение температурных неравномерностей за счет рационального сочетания конструктивных элементов и режимов эксплуатации;
получение на основе результатов математического моделирования и экспериментальных исследований зависимостей, согласно которым устанавливается распределение топлива по горелочным блокам, ориентация горелок, что обеспечивает повышение эффективности сжигания ирша-бородинского угля и снижение вредных выбросов в топочных камерах котлов действующих тепловых электростанций.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
На основе результатов экспериментальных исследований выявлены особенности распределения полей падающих радиационных потоков в горизонтальных и вертикальных сечениях объема топочных камер котлов (с тангенциальной и фронтальной компоновками горелок) в зависимости от режима сжигания, что позволило разработать рекомендации по совершенствованию условий эксплуатации действующих котлоагрегатов;
Усовершенствована методика зонального математического моделирования в части учета взаимосвязи показателей теплообмена и теплового сопротивления шлакозоловых отложений, что позволило сделать количественную оценку влияния шлакующих свойств сжигаемого топлива на тепловую работу топочной камеры;
Получены преобразованные нормативные расчетные зависимости для определения содержания NOx в дымовых газах применительно математической модели теплообмена, что позволило не только
учесть генерацию оксидов азота в проводимых зональных исследованиях, но и повысить точность их вычисления;
4. На основе проведенных исследований разработаны расчетные соотношения, согласно которым определяется распределение топлива по пылесистемам, а также ориентация горелок, что обеспечивает (за счет сокращения тепловых перекосов в топочных камерах) увеличение выработки пара, повышение КПД котла и снижение вредных выбросов.
Практическая значимость работы:
Полученные экспериментальные данные о распределении по экранным поверхностям нагрева плотности падающих радиационных потоков использованы для разработки режимов повышения паровой производительности котлов серии ПК-10Ш Красноярской ТЭЦ-1.
Установленные взаимосвязи между показателями тепловой работы и режимными параметрами энергоустановок, а также данные по концентрациям СО, С02 и NOx в дымовых газах в зависимости от условий
эксплуатации использованы при разработке режимов сжигания, обеспечивающих увеличение бесшлаковочной мощности и сокращение вредных выбросов паровых котлов БКЗ-500 Красноярской ТЭЦ-2.
Усовершенствована методика зонального математического моделирования теплообмена, позволяющая повысить качество расчетно-проектных работ при создании котельно-топочного оборудования, предназначенного для пылевидного факельного сжигания канско-ачинских углей в котельных установках паропроизводительностью от 75 до 2650 т/ч.
Разработаны, защищены патентом на изобретение и рекомендованы к внедрению на тепловых электростанциях ОАО «Енисейская территориальная генерирующая компания (ТГК-13)» технические решения для котлов с фронтальной и тангенциальной установкой горелок, позволяющие за счет распределения подачи топлива по пылесистемам, а также изменения ориентации горелок устранить температурные неравномерности в объеме топочных камер, а также повысить бесшлаковочную мощность и сократить объемы вредных выбросов при сжигании ирша-бородинского угля.
Положения, выносимые на защиту:
Данные проведенных натурных экспериментальных исследований по составу дымовых газов и распределению плотности падающих радиационных потоков на экраны топочных камер при изменении режимных условий сжигания ирша-бородинского угля в котлах с фронтальной и тангенциальной установкой горелочных устройств.
Усовершенствованную методику зонального математического моделирования теплообмена, позволяющую учесть взаимосвязь показателей радиационного теплообмена с параметрами процессов шлакования по-
верхностей нагрева, а также уточнить расчет генерации оксидов азота в дымовых газах.
3. Результаты трехмерного зонального математического моделирования теплообмена в топочных камерах действующих котлов с фронтальной и тангенциальной установкой горелок с разработкой и обоснованием технических предложений, направленных на устранение температурных нерав-номерностей за счет рационального сочетания конструктивных элементов и параметров режима эксплуатации.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием известного метода зонального математического моделирования теплообмена, сопоставлением результатов проведенных натурных экспериментов и математического моделирования и подтверждается удовлетворительной сходимостью полученных результатов с данными других авторов.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задачи исследований, проведении натурных экспериментов и расчетных исследований, обработке и интерпретации полученных результатов, формулировании основных выводов по результатам выполненных по теме диссертации работ.
Апробация результатов проводилась на XV и XVI заседаниях Всероссийской школы-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках» (г. Калуга, 2005, г. Санкт-Петербург, 2007); на международной научно-технической конференции (XII Бенардосовские чтения) «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново, 2005); на Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (г. Москва, 2006); на VI и VII Всероссийской конференции, ИТ СО РАН «Горение твердого топлива» (с участием иностранных ученых) (г. Новосибирск, 2006, 2009); на Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития энергетики» (г. Ташкент, 2006); на IV научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка поверхностей нагрева» (г. Челябинск, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из которых: 5 статей в изданиях по списку ВАК, 1 патент на изобретение, 1 положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Общая характеристика диссертации. Общий объём - 143 с. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 158 источников, включая работы автора, содержит 38 иллюстраций, 10 таблиц.
