Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих подходов к получению и использованию топливных гранул 10
1.1 . Общие сведения о топливных гранулах 10
1.2 . Обоснованный выбор компонент топливных гранул 14
1.2.1. Обоснование использования торфа в виде основного компонента топливных гранул 14
1.2.2. Обоснование использования резиновой крошки в виде составного компонента топливных гранул 17
1.3 . Общие сведения о гранулировании 20
1.4 . Анализ методов получения энергии из биотоплива 28
1.5 . Выводы. Постановка цели и задач исследования 35
2. Выбор и расчет основных технологических характеристик топливных гранул для сжигания в кипящем слое 38
2.1. Выбор основных характеристик топливных гранул 38
2.2 Выводы по главе 55
3. Выбор технологии приготовления топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки 57
3.1 Теоретические основы брикетирования торфа 57
3.2 Описание технологии приготовления топливных гранул на основе торфа 59
3.3. Пример получения топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки б/у автомобильных покрышек 63
3.4 Выводы по главе 76
4. Основные конструктивные и технологические решения для сжигания топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки 78
4.1. Подготовительные работы 79
4.2 Рециркуляция дымовых газов 80
4.3. Реконструкция узла донного дутья 83
4.4. Модернизация сопел вторичного дутья 84
4.5. Реконструкция нижней плоскости патрубков подачи топлива 87
4.6. Выводы по главе 90
5. Оценка технико-экономической и экологических показателей при сжигании топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки 92
5.1. Оценка эффективности сжигания топливных гранул на основе торфа и
резиновой крошки в котле Е-60-9,5-510 ДФТ 92
5.2. Оценка стоимости топливных гранул 98
5.3. Аналитическая оценка образования NOx и CO при сжигании топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки 99
5.4. Экологические аспекты использования резиновой крошки б/у автомобильных покрышек в качестве компонента топливных гранул 105
5.5. Выводы по главе 110
Основные результаты работы 113
Список использованной литературы 116
- Обоснованный выбор компонент топливных гранул
- Описание технологии приготовления топливных гранул на основе торфа
- Модернизация сопел вторичного дутья
- Аналитическая оценка образования NOx и CO при сжигании топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки
Обоснованный выбор компонент топливных гранул
Топливные гранулы - это один из видов биотоплива, получаемого из торфа, древесных отходов или других видов биомассы [5, 6]. Гранулы представляют собой геометрические элементы стандартного размера и являются экологически чистым топливом с небольшим содержанием золы. При сжигании гранул из биомассы в атмосферу выбрасывается ровно столько углекислого газа (СО2), сколько было поглощено растением во время роста.
Использование топливных гранул в качестве топлива — хорошая альтернатива прямому сжиганию неподготовленного топлива (фрезерного торфа, древесных отходов и т.п.) в топках котлов. Топливные гранулы концентрируют большее количество тепла, чем неподготовленное топливо для прямого сжигания в топках котлов, так как при их использовании происходит увеличение коэффициента полезного действия котельных, не требуются большие складские площади, при хранении они менее подвержены самовоспламенению, не содержат пыли и спор, вызывающих аллергическую реакцию у людей.
Гранулы отличаются от неподготовленного исходного сырья высокой сухостью (от 8 до 12 % влаги против 30—65 % в неподготовленном топливе) и большей — примерно в полтора раза плотностью. Эти качества обеспечивают высокую теплотворную способность по сравнению с неподготовленным сырьем [7].
Соответственно, основными характеристиками, которые относят топливные гранулы к горючим высокого качества являются: высокая калорийность - топливные гранулы имеют калорийность, сравнимую с калорийностью качественных углей, и в зависимости от технологии приготовления и компонентов находится в диапазоне от 2800 до 4500 ккал/кг; гомогенность - благодаря технологии производства топливные гранулы имеют постоянный фракционный состав и плотность, что делает их гомогенным топливом, удобство и возможность автоматизации использования которого сравнима с жидким и газообразным топливом; минимальные затраты на транспортирование и хранение - затраты на транспортирование и хранение топливных гранул существенно ниже чем для неподготовленного топлива; эффективность использования - технико-экономические показатели агрегатов для использования топливных гранул (котлы, газификаторы) выше, чем при использовании неподготовленного топлива; снижение вредных выбросов - при сжигании топливных гранул, основным компонентом которых чаще всего является биомасса, выбросы вредных веществ существенно ниже, чем при сжигании традиционных ископаемых видов топлива (напр. уголь).
Сырьём для производства гранул могут быть торф, древесные отходы (кора, опилки, щепа и другие отходы лесозаготовки), отходы сельского хозяйства (отходы кукурузы, солома, отходы крупяного производства, лузга подсолнечника), лигнин, угли и другие вещества.
Наиболее распространены следующие стандарты: . Германия - DIN 51731; . Австрия — ONORM M 7135;
Торфяные месторождения России имеют широкое распространение — от Калининграда на западе до Камчатки на востоке и от Кольского полуострова на севере до Северного Кавказа на юге. Всего насчитывается около 125 тыс. торфяных месторождений, причем наиболее богаты районы северо-запада и севера европейской части России (см. Рисунок 1.1), Западная Сибирь, Дальний Восток и Камчатка. В России ежегодно восстанавливается 250 млн. тонн торфа благодаря приросту торфяников на 0,5-1,5 мм в год, что более, чем в 150 раз превышает добычу в настоящее время.
На сегодняшний день в России выявлено и разведано почти 85 % общих запасов торфа. Остальная часть выявлена поисковыми или аэрофотокартографическими методами и отнесена к прогнозным запасам торфа. В целом торфяные ресурсы составляют почти 200 миллиардов тонн, из которых более 166 миллиардов тонн охвачено поисковыми, предварительными или детальными разведками. Выявленные и разведанные торфяные ресурсы (63 827 торфяных месторождений) имеют общую площадь в нулевой границе 69 896 тысяч гектаров, а в границе промышленной глубины торфяной залежи — 48 770,9 тысяч гектаров.
Использование торфа на объектах энергетики России было исторически распространено в регионах с наибольшей добычей торфа – Владимирская, Тверская области и др. История использования торфа в России насчитывает более 200 лет. Долгие годы фрезерный торф использовался как топливо на тепловых станциях. Потребление торфа на электростанциях России в 1965 г составляло 27,9 млн т в год. В 1990-е объем потребления торфяного топлива в энергетике России составлял 30 млн т в год, а число «торфяных» электростанций приближалось к 80. Однако, в 2000-м на электростанциях использовалось уже 1,7 млн т в года, а удельный вес этого вида топлива в общем потреблении снизился с 21% до 0,27%, что было вызвано существенной экономической выгодой при использовании природного газа [9].
В настоящее время по причине повышения стоимости традиционных видов топлив, а также затрат на их использование и транспортирование, таких как мазут и уголь, в регионах, которые вынужденных закупать ископаемое топливо, все чаще рассматривается применение торфа.
Применение торфа совместно с другими биоресурсами и промышленными отходами непосредственно в регионах расположения объектов выработки тепловой и электрической энергии позволяет существенно снизить затраты первичных энергоресурсов на выработку энергии, транспортные расходы на топливо и передачу энергии по сравнению с традиционным использованием энергетического сырья.
Описание технологии приготовления топливных гранул на основе торфа
Исходя из представленного выше, стоит отметить, что в настоящее время актуальной проблемой в России является увеличение использования возобновляемых видов топлив на основе местных энергетических ресурсов.
Не смотря на значительный опыт использования торфа в качестве энергетического топлива, накопленный в период его активного использования в 1920-1980гг. на сегодняшний день в России не имеют достаточного распространения энергетические объекты, использующие торф в качестве основного вида топлива. Использование топливных гранул на основе торфа обладает рядом преимуществ по сравнению с неподготовленным торфом.
Использование РК, полученной из б/у автомобильных покрышек, в качестве составной части топливных гранул оказывает положительный эффект на получаемые топливные гранулы – повышается их калорийность. При этом также повышается доля утилизации такого техногенного отхода как изношенные автомобильные покрышки.
Существующие методы гранулирования предназначены для получения гранул из различных видов сырья. Эффективность процесса гранулирования напрямую зависит от механизма гранулообразования, который определяется способом гранулирования и его аппаратурным оформлением и зависит от требуемых характеристик топливных гранул.
Для целей сжигания топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки б/у автомобильных покрышек принят способ сжигания топлив в стационарном кипящем слое - как наиболее распространенный и изученный в мировой практике и обладающий рядом преимуществ.
В результате обоснованного выбора компонент топливных гранул и способа их использования сформулирована цель работы –обеспечение сжигания топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки в кипящем слое энергетических котлов за счет определения оптимальных характеристик топливных гранул и усовершенствования отдельных узлов таких котлов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - определить основные технологические характеристики топливных гранул, выполненных на основе торфа, пригодных для сжигания их в кипящем слое; - выполнить анализ технологического процесса производства топливных гранул на основе торфа и определить оптимальный метод гранулирования; - произвести оценку влияния добавления резиновой крошки на потребительские свойства гранул на основе торфа; - разработать основные технологические и конструктивные решения, обеспечивающие сжигание получаемых топливных гранул в энергетических котлах; - выполнить расчетную и аналитическую оценку технико-экономических и экологических показателей работы котла, сжигающего топливные гранулы на основе торфа и резиновой крошки в кипящем слое.
Основными методами для получения топливных гранул на основе биомассы являются прессование и экструзия. Стоить отметить, что современное оборудование для производства топливных гранул основано на комбинировании данных методов. Такое оборудование называется пресс-экструдерами и планируется к применению для получения топливных гранул на основе торфа и РК. Выбор данного метода приготовления топливных гранул выполнен исходя из требований к топливным гранулам, определенным
Для обеспечения двух из четырех представленных выше условий, а именно б) и в) необходимо, чтобы топливо, подаваемое в кипящий слой, имело определенные характеристики. Очевидно, что в отношении процесса кипения для топливных гранул такими характеристиками являются плотность и фракционный состав.
Данные характеристики имеют непосредственное влияние на скорость начала псевдоожижения полидисперсных систем, которой является кипящий слой инертного наполнителя с топливом [19]. Расчетная формула данной скорости имеет вид: где, - показатель полидисперсности; - кинематическая вязкость ожижающего газа; – плотность ожижающего газа; – численные коэффициенты, зависящие от показателя полидисперсности; =9,8 м/с2; – плотность материала кипящего слоя; – эквивалентный диаметр частиц.
В зависимости от типа торфа по глубине залегания (низинный, переходный, верховой) плавкостные характеристики золы могут существенно отличаться [20]. Так, температура деформации конуса tд для разных типов торфа составляет:
При обеспечении стабильного кипения слоя инертного наполнителя и топлива при средней температуры в слое 800С и сжигании топливных гранул с легкоплавкой золой обеспечивается надежная работа слоя (без образования агломератов). Однако, при попадании в зону факела вторичного дутья существует вероятность размягчения золы и шлакования экранов холодной воронки.
Таким образом, сделан вывод, что основными характеристиками топливных гранул, которые непосредственно зависят от процесса приготовления топливных гранул и определяют возможность их сжигания в энергетических котлах, оснащенных кипящим слоем, являются:
Для расчета основных характеристик топливных гранул, приготовленных на основе торфа, анализируется опыт работы котла Е-60-9,5-510 ДФТ ст.№11 Жодинской ТЭЦ (р. Беларусь). В котле Е-60-9,5-510 ДФТ реализуется технология «ИНЭКО» двухстадийного сжигания твердого топлива с предварительной его газификацией в предтопке «кипящего слоя» и дожиганием продуктов газификации в топке котла. Технический проект котла разработан коллективом ООО «ИНЭКО» (г. Москва) с участием автора настоящей диссертации
Модернизация сопел вторичного дутья
На основании данных, приведенных в [23], принят следующий состав летучих веществ, выделяемых из торфобрикета в кипящем слое предтопка: СH4=40%; Н2=43%; СО=17%. При таком составе удельная плотность летучих веществ будет равна: (2.5)
На основании приведенных выше данных составлена таблица 2.4 с результатами расчетов скоростей в кипящем слое испаряемой влаги и летучих веществ, выделяемых из ДТБ при температуре 800С и площади решетки КС 10,3 м2, а также эквивалентных диаметров сырых, сухих, после выхода летучих (кокса) частиц ДТБ, находящихся в начальной стадии псевдоожижения при фактической скорости среды в кипящем слое предтопка. Эквивалентные диаметры частиц торфяных брикетов определялись по рекомендациям [19].
Из представленных в таблице 2.4 результатов расчета видно, что: а) фактическая скорость среды (скорость дутьевого воздуха после смешения с продуктами газификации топлива) в КС выше скорости дутьевого воздуха и достигает 3,18 м/сек при паропроизводительности котла 60 т/ч. График зависимости скоростей в кипящем слое от паропроизводительности котла приведен в Приложении 1; б) эквивалентный диаметр частиц сухих ДТБ, находящихся в начальной стадии псевдоожижения, при паропроизводительности котла 30 т/ч составляет около 11 мм и при паровой нагрузке котла 60 т/ч возрастает до 15 мм - см.
Приложение 2; в) эквивалентный диаметр частиц кокса торфяных брикетов, находящихся в начальной стадии псевдоожижения, при паропроизводительности котла 30 т/ч составляет около 21 мм, при 45 т/ч – 25 мм, при 60 т/ч – около 31 мм (см. Приложение 2). Анализируя представленные данные, сделан вывод, что при сжигании дробленых торфяных брикетов с низкими плавкостными характеристиками (t2=990±30С), в котле Е-60-9,5-510 ДФТ могут сжигаться ДТБ с максимальным размером частицы 1315мм. Поскольку в поставляемых дробленых торфяных брикетах фракции размером менее 1315мм только 60%, то 40% топлива сепарируется на под предтопка и создает в зоне заброса малоподвижный/неподвижный (в зависимости от фракций торфобрикета) слой сухого торфобрикета и слой кокса торфобрикета (фракция крупнее 25мм; около 9%). При сжигании высококалорийного топлива с низкими плавкостными характеристиками золы этот процесс приводит к нарушению гидродинамики слоя, агломерации и, без дополнительных мер по интенсификации кипения слоя топлива, к спеканию слоя песка.
Если плавкостные характеристики золы имели более высокие характеристики (t2=1280С) то в котле Е-60-9,5-510 ДФТ могли сжигаться дробленые торфяные брикеты с максимальным размером частицы 25 мм.
Для исключения влияния плавкостных характеристик золы торфяных брикетов, обусловленную изменением компонент топливных гранул (низинный, верховой торф), рекомендуется обеспечить размер топливных гранул на основе торфа менее 1315мм при плотности каж=1300 кг/м3.
Определение причин шлакования При сжигании ДТБ и смеси ДТБ с древесным топливом периодически на скате заднего экрана топки появлялись достаточно рыхлые, слабоспекающиеся отложения золы. Эти отложения удалялись в холодную воронку механическими воздействиями. Их также можно было удалить при переводе котла на сжигание природного газа: при работе горелок топки выгорал остаточный углерод в коксе и происходил процесс саморазрушения этих отложений.
Для определения причин шлакования заднего экрана топки котла при сжигании ДТБ, выдвинуто предположение об одновременном действии двух факторов, а именно: наличие высоких температур в зоне факела вторичного дутья (при паровой нагрузке 60 т/ч не менее 1200 С); низких плавкостных характеристик золы ДТБ.
Для оценки температур дымовых газов в зоне факела вторичного дутья была выполнена расчетная модель котла. В расчетной модели котла топочная часть была разделена на 3 зоны (предтопок, 2 зоны в топке котла). В качестве граничных условий была задана температура дымовых газов на выходе из предтопка, определенная по расчетной модели кипящего слоя ООО «ИНЭКО» при ДТБ и фрезерного торфа.
Аналитическая оценка образования NOx и CO при сжигании топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки
Из полученных данных можно сделать вывод о том, что при снижении концентрации кислорода в газах из топки происходит также уменьшение температуры в зоне действия факела вторичного воздушного дутья (происходит снижение выбросов окислов азота). Это связано со снижением интенсивности дожигания топлива в топке в струях вторичного дутья, и, как следствие, распространением зоны догорания в верхнюю часть топки. В зоне действия сопел вторичного дутья при концентрации кислорода на уровне 3,5% температуры будут ниже, чем при концентрации кислорода на уровне 5%.
Для снижения температур в наиболее опасной зоне холодных воронок котла, где начинается зашлаковка заднего экрана топки, рекомендуется поддерживать концентрацию кислорода на уровне 34%. При этом очень важно обеспечить равномерную подачу топлива по левой и правой течкам.
Окончательное решение о конструкции сопел вторичного дутья необходимо скорректировать по результатам режимной наладки котла при сжигании торфяных брикетов с организацией рециркуляции дымовых газов.
Подача в топку дымовых газов приведет к увеличению скорости газовой среды в топке, снижению интенсивности дожигания топлива в струях вторичного воздушного дутья (за счет снижения концентрации кислорода и температуры газовой среды при подаче дымовых газов).
Если в этих условиях произойдет увеличение выбросов СО до неприемлемого уровня, то будет рекомендовано на части сопел (№2, №4, №5, №7) установленные дополнительные элементы демонтировать. Это приведет к увеличению концентрации кислорода в нижней зоне действия сопел вторичного дутья, интенсификации процессов дожигания топлива и, соответственно, к росту температур в этой зоне. 4.5. Реконструкция нижней плоскости патрубков подачи топлива
В период пуско-наладочных работ была выполнена оценка зоны заброса дробленых торфяных брикетов.
Исследования были проведены при отключенном и включенном узле подачи воздуха для пневмозаброса топлива. Температура в кипящем слое предтопка при этом находилась на уровне 600С.
При кратковременной подаче топлива с отключенными узлами пневмозаброса дробленые торфяные брикеты располагались на зеркале кипящего слоя по оси подачи практически в середине первой половины (со стороны фронта котла предтопка). Топливо сходило из течки плотным потоком и достаточно кучно располагалось в зоне заброса.
При кратковременной подаче топлива с включенными узлами заброса топлива зона заброса торфяных брикетов сместилась по оси подачи к центру предтопка. Топливо по-прежнему сходило из течки плотным потоком и также кучно располагалось в зоне заброса.
Это связано с высокой плотностью торфяных брикетов (1,3 т/м3) и, как следствие, низкой парусностью их частиц. Первичное воздушное дутье из слоя песка практически не оказывает какого-либо воздействия на увеличение площади заброса топлива.
Имея достаточно высокую плотность (фактически плотность каменного угля), дробленые торфяные брикеты создают на поду предтопка малоподвижные зоны (предположительно фракции 10 40 мм). Другие фракции брикетов достаточно равномерно распределяются в кипящем слое предтопка. Пылевидные и мелкодисперсные фракции торфяных брикетов начинают гореть уже в воздушных струях устройства пневмозаброса топлива. Торфяные брикеты, находящиеся в кипящем слое, интенсивно выделяют летучие, которые начинают гореть. Через несколько секунд после начала подачи торфяных брикетов на поверхности кипящего слоя появляются крупнофракционные куски кокса торфяных брикетов, которые интенсивно горя, перемещаются по зеркалу кипящего слоя.
О том, что при подаче торфяных брикетов в зонах заброса происходит образование малоподвижных слоев топлива, свидетельствуют показания дополнительных термопар. Дополнительные термопары, установленные в зонах заброса топлива, при нагрузках котла 62 65 т/ч имели следующие показания:
Снижение показания левой термопары свидетельствует о том, что она находится в малоподвижном слое топлива. При сниженных нагрузках на котле эти термопары показали, что уровень температур в этих зонах может доходить до 1020 1050С. Не смотря на достаточно высокие температуры в зонах заброса торфяных брикетов и создания в этих зонах малоподвижных слоев крупно дробленых торфяных брикетов спекание слоя песка не происходит.
Тем не менее, расширение площади зон заброса торфяных брикетов является важным фактором в выравнивании показаний других термопар, установленных в кипящем слое песка. А это выравнивание будет свидетельствовать о достижении по площади предтопка более равномерного соотношения топливо-воздух - одного из важных условий устойчивой и длительной работы кипящего слоя.
Учитывая вышеизложенное, предлагается провести модернизацию нижней плоскости патрубка заброса топлива, которая предполагает организацию подачи топлива через три зоны, имеющие разные углы наклона к горизонтальной плоскости (43 град., 33 град., 28 град.). Оценка изменения оси подачи топлива для каждой зоне представлена на рис. 4.3. Разработанное техническое решение представлено в Приложении 7.
