Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы шлакования топочных экранов при сжигании канско-ачинских углей 7
1.1. Особенности минеральной части канско-ачинских углей и поведение ее в топочном процессе 7
1.2. Шлакование поверхностей нагрева, шлакующие и загрязняющие свойства канско-ачинских углей 11
1.3. Практика работы котлов при сжигании канско-ачинских углей... 17
1.4. Методы экспериментального и расчетного исследования топочных процессов 22
1.5. Постановка задач исследования 27
2. Экспериментальные исследования структуры пристенного газового слоя топочных камер с твердым шлакоудалением 29
2.1. Краткая характеристика объектов исследований 29
2.2. Методика и оборудование экспериментальных исследований 33
2.3. Результаты исследований в топке котла ПК 10Ш 37
2.4. Результаты исследований в топке котла Б-50-14-250 45
2.5. Результаты исследований в топке котлаБКЗ-210-140Ф'. 56
2.6. Результаты исследований в топке котла БКЗ-500-140-1 67
2.7. Результаты исследований в топке котла П-67 87
2.8. Выводы 96
3. Разработка математической модели, исследование теплообмена и движения твердой фазы в пристенном слое топочных камер 99
3.1. Разработка методики расчета и математической модели теплообмена 99
3.2. Разработка математической модели и расчетные исследования движения твердой фазы 106
3.3. Анализ теплообмена в рабочем объеме и пристенном слое топки... 109
3.4. Выводы 115
4. Разработка рекомендаций по организации топочного процесса при сжигании канско-ачинских углей и их практическая реализация 117
4.1. Номограмма бесшлаковочного режима работы топки 119
4.2. Разработка четырехвихревой топки для сжигания шлакующих углей 120
4.3. Система сопел тыльного воздушного дутья 121
4.4. Система защиты двухсветных экранов отшлакования 123
4.5. Разработка фонтанно-вихревой топки 124
4.6. Оптимизация топочного процесса котла БКЗ-420 125
4.7. Предложения по регулированию топочного процесса 126
4.8. Выводы 127
Заключение 128
Список использованных источников 132
- Шлакование поверхностей нагрева, шлакующие и загрязняющие свойства канско-ачинских углей
- Методика и оборудование экспериментальных исследований
- Разработка математической модели и расчетные исследования движения твердой фазы
- Разработка четырехвихревой топки для сжигания шлакующих углей
Введение к работе
Особое место в энергетике Сибири и России в целом занимают угли Кан-ско-Ачинского бассейна. Запасы бурого угля в нем оцениваются в 670 млрд. т, из которых 166,2 млрд. т пригодны для разработки открытым способом. Одним из наиболее крупных месторождений Канско-Ачинского бассейна является Бе-резовское (20 млрд. т), на базе которого сооружается Березовская ГРЭС-1 мощностью 6,4 млн. кВт. Два энергоблока мощностью 800 МВт каждый введены в эксплуатацию.
Энергетическая стратегия России на период до 2020 года отводит Канско-Ачинскому бассейну статус федерального значения в обеспечении энергетической безопасности и социально-экономического развития страны и ее регионов. Роль Канско-Ачинского бассейна определяется огромными запасами, удобным географическим расположением, благоприятным горно-геологическими условиями залегания и строения угольных пластов, кондиционными свойствами угля, высокими экологическими показателями,.относительно низкой стоимостью.
Сжигание канско-ачинских углей (КАУ) в топках котельных агрегатов сопровождается интенсивным шлакованием и загрязнением поверхностей нагрева, что обусловлено особенностями его минеральной части. В результате снижается паропроизводительность, длительность непрерывной кампании, нат дежность и экономичность котельных агрегатов.
Необходимость обеспечения надежной работы топочных экранов по условиям шлакования потребовало создания более совершенных топочных устройств. В связи с этим особую актуальность приобрели вопросы влияния организации топочного процесса и конструктивных особенностей топочно-горелочных устройств на шлакование экранов топок.
Актуальность темы диссертационной работы подтверждается тем, что основные ее результаты получены при проведении исследований в соответствии с координационным планом программы ГКНТ СССР по проблеме «Исследование и освоение сжигания- КАУ на электростанциях КАТЭКа», государственной научно-технической программой «Экологически чистая энергетика» по основному направлению «Экологически чистая тепловая электростанция».
Объектом исследования являются топочные камеры с твердым шлако-удалением (ТШУ) пылеугольных котлов.
Предмет исследования — процесс шлакования топочных экранов при сжигании КАУ.
Цель работы — повышение бесшлаковочной мощности и длительности непрерывной кампании котельных агрегатов с твердым шлакоудалением, сжигающих КАУ, на основе результатов экспериментального и расчетного исследования топочных процессов.
Для-достижения поставленной цели были определены следующие задачи: 1. Разработать методику экспериментального исследования топочных процессов в пристенной области экранов топки.
Выполнить промышленные исследования влияния режимных и конструктивных параметров топочного устройства на характеристики пристенного газового слоя у топочных экранов (температурные, скоростные и концентрационные поля) и их шлакование.
Провести анализ влияния характеристик пристенного газового слоя на характер и интенсивность образования золошлаковых отложений на экранных трубах.
Разработать методику расчета процессов тепло- и массообмена в пристенном слое топочных экранов.
На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований разработать рекомендации и технические решения по рациональным режимам работы и конструкциям топочно-горелочных устройств котлов с твердым шла-коудалением для-сжигания шлакующих КАУ.
Методы исследования. В работе применялись,экспериментальные методы исследования топочного процесса на действующих котельных агрегатах. Расчетные исследования теплообмена в топках проводились с использованием зонального метода на трехмерных математических моделях.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием в опытах современных поверенных приборов. Исследования элементного состава углей, а также химический и минералогический анализы, состава их минеральной части, проб летучей золы и, отложений с поверхностей нагрева выполнялись лабораторией СибВТИ; аттестованной Госстандартом. Промышленные исследования проводились с учетом требований к теплотехническим испытаниям котельных установок с применением современных методов сбора и обработки информации. Соответствие разработанной зональной математической модели теплообмена в пристенном слое подтверждается-удовлетворительным совпадением расчетного распределения температур у топочных экранов с результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна
Предложена методика экспериментального исследования влияния параметров пристенного слоя на характер и интенсивность образования золошлаковых отложений на топочных экранах с учетом зависимости этих параметров от режимных и конструктивных характеристик топок котлоагрегатов.
Определена зависимость структуры пристенного газового слоя у топочных экранов от конструктивных и режимных параметров топок котлов с ТШУ, позволяющая оценить характер первичных отложений и интенсивность их образования при сжигании КАУ.
Впервые установлено предельное значение температуры газов в пристенном слое у топочных экранов при сжигании березовского угля в топках с ТШУ, выше которого образуются прочные железистые отложений.
Предложена методика и разработана зональная математическая модель расчета теплообмена в пристенном слое топочных экранов.
Практическая значимость и использование результатов работы,
Разработана конструкция пылеотборного зонда с выносной водоподаю-щей трубой, которая рекомендуется при исследованиях пристенных зон топочных камер.
Разработана номограмма настройки бесшлаковочного режима работы тангенциальной топки с ТШУ.
Предложены технические решения по организации топочного процесса при сжигании шлакующих бурых углей: топочное устройство с четырехвихре-вой аэродинамической схемой (патент 2032853), фонтанно-вихревая топка (А.С. 827887), система сопел воздушного дутья (А.С. 1562595), система защиты от шлакования двухсветных экранов (А.С. 1580113), способ автоматического регулирования температурного уровня в топке путем изменения расхода газов рециркуляции и воздуха (А.С. 1180647 и 1179031 ), способ регулирования соотношения топливо-воздух в горелках (А.С. 1483184).
Разработанные технические решения и рекомендации по организации топочного процесса котлов, позволяющие снизить интенсивность шлакования топки при сжигании КАУ, использованы на Красноярской ТЭЦ-1, Красноярской ТЭЦ-2, Минусинской ТЭЦ.
Основные положения, выносимые наїзащиту*
Результаты экспериментальных исследований влияния конструкции и режимных параметров работы топочного устройства на структуру пристенного газового слоя.
Результаты экспериментальных исследований влияния характеристик пристенного газового слоя у топочных экранов на характер и интенсивность образования золошлаковых отложений на экранных трубах.
Зональная математическая модель и результаты расчетов теплообмена и сепарации твердой фазы в пристенном слое газов у топочных экранов.
Рекомендации по рациональным режимам работы и конструкциям топоч-но-горелочных устройств котлов с твердым шлакоудалением при сжигании КАУ.
Личный вклад автора состоит в разработке методики проведения экспериментальных исследований пристенного слоя; непосредственном выполнении экспериментальных исследований структуры пристенного слоя на действующих котлоагрегатах; обработке и анализе полученных результатов; в обосновании и формулировании основных положений и выводов, определяющих научную новизну и практическую значимость.
Разработка рекомендаций, технических решений по конструкциям и режимам работы топочных устройств, проведение режимно-наладочных испытаний котлоагрегатов, обработка и анализ результатов испытаний выполнялись при участии сотрудников СибВТИ. Вклад диссертанта в основные результаты по теме диссертации является определяющим. Апробацияработы,
Основные результаты исследований и положения, включенные в диссертационную работу, докладывались на III и IV Всесоюзных научно-технических конференциях "Влияние минеральной части энергетических топлив на условия
работы парогенераторов" (Таллин, 1980, 1986 г.г.); научно-практической конференции "Оборудование ГРЭС и передача электроэнергии КАТЭКа" (Красноярск, 1983 г.); V Всесоюзной конференции "Горение органического топлива" (Новосибирск, 1985 г.); IV краевом совещании "Проблемы сжигания канско-ачинских углей в котлах мощных энергоблоков" (Красноярск, 1985 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности и экологической безопасности сжигания углей на электростанциях Сибири" (Красноярск, 1995 г.); Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы использования канско-ачинских углей на электростанциях" (Красноярск, 2000 г.); IV Международной научно-технической конференции "Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, 2005 г.); I, IV научно-практических конференциях "Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов" (Челябинск, 1992, 2007 г.г.); Всероссийском семинаре кафедр ВУЗов по теплофизике и теплоэнергетике (Красноярск, 2009 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 печатные работы, из них 6 по списку ВАК, 8 изобретений.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н. профессору Скуратову А.П., а также коллегам из СибВТИ за поддержку и помощь при выполнении работы и критические замечания при ее обсуждении. Особая признательность и светлая память — д.т.н. Маршаку Ю.Л., инициатору постановки данной работы, оказавшему огромную научную и практическую помощь в ее реализации.
Шлакование поверхностей нагрева, шлакующие и загрязняющие свойства канско-ачинских углей
Опыт эксплуатации котлов и результаты исследований показали, что КАУ обладают высокой шлакующей способностью. Это проявляется в образовании золошлаковых отложений на радиационных, полурадиационных и конвективных поверхностях нагрева, что может приводить к снижению КПД брутто котлов, ограничению их тепловой нагрузки и аварийным остановам.
Процесс образования отложений на трубах начинается с появления медленно растущего первичного слоя, температура поверхности которого повышается по мере увеличения его толщины. При достижении некоторой толщины и при достаточно высокой температуре газов на нем начинают интенсивно осаждаться частицы, находящиеся в полурасплавленном состоянии, формируя так называемые вторичные отложения. Этот процесс и является собственно шлакованием [3]. Температура газов, выше которой наблюдается образование вторичных отложений, принято называть температурой начала шлакования — tmn. При этой температуре стекловидные частицы золы с вязкостью не более 10 Па-с склонны к налипанию на загрязненную трубную поверхность. Чем ниже tim, тем более шлакующим является топливо.
В зарубежной практике образование отложений подразделяют на шлакование (slagging) и загрязнение (fouling). Под шлакованием понимается образование отложений в топке, а под загрязнением - вне ее. Для оценки шлакующих и загрязняющих свойств топ лив используется методика фирмы "Бабкок-Вилькокс" [22].
В нашей стране к шлакованию относят процессы образования отложений при температурных условиях выше tUIJ], а к загрязнению - при более низких [23]. Отложения, отнесенные к загрязнению, подразделяются, в зависимости от определяющих компонентов и схемы образования, на железистые, сульфатно-кальцевые, на базе активных щелочей и мелкодисперсные (рыхлые).
Первичный слой образуется в результате селективного выделения отдельных компонентов на поверхность труб, либо в результате оседания на трубах тонкодисперсных фракций летучей золы с химическим составом близким среднему. В первом случае образуются прочные первичные отложения, обогащенные определенными компонентами и имеющими высокую степень сцепления с поверхностью труб, во втором — рыхлые, сыпучие, как правило, имеющие слабую связь с трубами. Прочные первичные отложения подразделяются, преимущественно, на три группы: 1. Отложения с высокой концентрацией оксидов железа (до 80 % в пересчете на БегОз). Причиной их образования является попадание на поверхность труб легкоплавкой эвтектики FeO-FeS, которая является продуктом неполного окисления пирита и имеет температуру плавления 920 С [24]. Кроме того, высокожелезистые отложения образуются и на базе сидерита (Fe2C03) [25, 26]. 2. Отложения с высокой концентрацией сульфата кальция (до 70 %). Типичным примером топлив, при сжигании которых образуются такие отложения на поверхностях нагрева на выходе из топки, являются КАУ и прибалтийские горючие сланцы. Первичное закрепление частиц и упрочнение связей может проходить по разным схемам: - в зоне высоких температур частицы закрепляются за счет липких свойств с последующей сульфатизацией различных кальцийсодержащих соединений. В зоне низких температур закрепляются легко сульфатизируемые соединения, образующие химические связи [27, 28]; - в зоне относительно высоких температур при выгорании органики кальций взаимодействует с серой в условиях воосстановительной среды горящей частицы, образуя сульфид кальция CaS. При его неполном окислении образуется эвтектика CaO-CaS с температурой плавления 850 С. Соударение горящих чатиц с трубами приводит к образованию прочных отложений, высокая степень связывания которых с трубами обусловлена взаимодействием сульфидов с оксидной пленкой [29]. 3. Отложения с высоким содержанием щелочных сульфатов (до 40 %). Образование этих отложений происходит в результате испарения в топке и последующей конденсацией на поверхностях нагрева легко- возгоняемых щелочных соединений. Прочность первичных отложений оказывает существенное влияние на шлакование поверхностей нагрева при температуре выше температуры начала шлакования, так как этот слой обусловливает сцепление вторичных отложений с трубами. Чем прочнее первичный слой, тем труднее саморасшлаковка под действием силы тяжести и ниже эффективность средств очистки поверхностей нагрева. В отечественной энергетике шлакующие свойства углей принято характеризовать температурой начала шлакования и склонностью к образованию прочных первичных отложений (метод ВТИ) [3, 30, 31]. Наиболее достоверные результаты по определению этих параметров получаются при проведении опытов на котлах и крупномасштабных стендах. Температура начала шлакования определяется с помощью неохлаждаемых зондов, имитирующих трубы поверхностей нагрева с уже развитыми первичными отложениями. Свойства первичных отложений и область их распространения определяются при осмотре котла после длительной его работы (не менее одного месяца) на испытуемом топливе. Метод ВТИ оценки шлакующих свойств топлив наиболее объективен, так как изучение процессов осуществляется в реальных условиях действующего котла. Полученные характеристики топлива (t11HI и и способность образовывать прочные первичные отложения) учитываются при наладке действующих и проектировании новых котлоагрегатов. Для новых месторождений, когда отсутствует возможность проведения опытных сжиганий даже в стендовых установках, оценку шлакующих свойств топлива можно выполнить в лабораторных условиях, а также расчетным путем, базируясь на знании теплотехнических характеристик топлива и химического состава золы. Метод определения шлакующих свойств топлива в лабораторных условиях, разработанный во ВТИ [32], исходит из двухстадийности процесса образования отложений (первичный медленно растущий слой, а затем быстро растущие вторичные отложения). Зависимость вязкости золы от температуры в пи-ропластическом состоянии определяется по методу ОРГРЭС [33], а вязкость расплава - по методу коаксиальных цилиндров. Промежуточные значения- вязкости находятся экстраполяцией. Температура, соответствующая вязкости 104 Па-с, принимается за температуру начала шлакования. Как уже упоминалось, образование прочных первичных отложений связано с селективным выделением на поверхность, нагрева отдельных компонентов. Такие отложения, могут быть сульфатно-связанными (с высоким содержанием сульфата кальция), железистыми (с высоким содержанием оксидов железа) и с повышенным содержанием Na20, характерным для «соленых» углей. Для оценки склонности к образованию прочных первичных отложений проба угольной пыли подвергается флотации в тяжелых жидкостях. Критериями склонности к образованию прочных первичных отложений является следующие показатели: - для сульфатно-связанных отложений — содержание СаО свыше 25 % в легкой фракции золы; - для железистых отложений - отношение доли тяжелой фракции к зольности исходного топлива, если это отношение более 4 %; - для отложений на основе натрия — содержание в сухом топливе Na20 0,4 %; - при отсутствии указанных признаков топливо не обладает склонностью к образованию прочных первичных отложений. Большое распространение за рубежом получил метод, как отмечалось, разработанный фирмой Бабкок-Вилькокс [22]. Он базируется на знании химического состава минеральной части угля (соотношение основных и кислых оксидов, содержание серы, оксида натрия), плавкостных характеристик золы и вязкости расплава. Все угли подразделяются на две категории - с битуминозным (Ре20з CaO+MgO) и лигнитным ((Ре203 CaO+MgO) типом золы. Для оценки шлакующих и загрязняющих свойств минеральной части используются следующие показатели, приведенные в таблице 1.2.
Методика и оборудование экспериментальных исследований
Выявление закономерностей шлакования топочных экранов вызвало необходимость подробного экспериментального изучения структуры пристенного газового слоя. Измерения осуществлялись посредством зондирования топки на глубину 0,05—1,00 м от лобовой образующей экранных труб через лючки, схема размещения которых приведена на рисунках 2.1 и 2.3.
Исследования на действующих котлах проводились с учетом требований к теплотехническим испытаниям котельных установок [57]. Определялись температура, скорость и состав газов, падающий тепловой поток, концентрация частиц в пристенном слое топки, содержание в них горючих, скорость роста- отложений на охлаждаемых и неохлаждаемых зондах. Для.исключения присосов холодного воздуха во время зондирования амбразуры лючков закрывались специальной заглушкой, неплотности герметизировались асбестовым раствором.
Температура газов измерялась термопарой с отсосом газов и одноэкран-ной защитой. В связи с тем, что минимальный шаг зондирования составил 50 мм, к экрану на стержнях приваривался отражатель, благодаря которому исключался подсос газов из более глубоких слоев. Скорость отсоса газов достигала 100 м/с. Как видно из рисунка 2.4, при такой скорости отсоса поправка к результатам измерений не превышает + 30 С.
Скорость газового потока и ее вектор определялись четырехканальным цилиндрическим охлаждаемым зондом, а также дисковым зондом. Вторичным прибором служил микроманометр типа ММН. Направление вектора скорости контролировалось по характеру отложений на неохлаждаемых зондах.
Значение скорости вычислялось по выражению: где кнт - коэффициент напорной трубки; Ah — динамический напор, кГ/м"; р — плотность топочных газов в рассматриваемом сечении, кг/м3. Падающий тепловой поток измерялся водоохлаждаемым торцевым термозондом ВТИ [86]. Летучая зола из факела отсасывалась изокинетически водоохлаждаемым пылеотборным зондом и улавливалась специально сконструированным тканевым фильтром. Во избежание конденсации водяных паров в газоотсосной трубке температура охлаждающей воды на выходе из зонда не должна быть ниже 70 С. По этой причине известная конструкция пылеотборного зонда [57] оказалась непригодной для. отборов вблизи топочных экранов. В связи с этим автором был разработан зонд с выносной водоподающей трубой, образующей петлю, непосредственно омываемую топочными газами, за счет тепла которых подогревалась вода (рис. 2.5а). Благодаря этому обеспечивался требуемый температурный режим зонда по условиям предотвращения конденсации водяных паров в газоотсосном тракте. Концентрация частиц в топочных газах, приведенная к зольности сухого состояния топлива, принятой 7 %, определялась по формуле: где m - масса отсосанной летучей золы, кг; Ах - время отбора пробы, с; V — расход газов через пылеотборный зонд, м3/с; Ad - зольность сухого состояния топлива в опытах, %. Зависимость расхода газов V через измерительный участок от перепада давлений на диафрагме (Апд) определялась в соответствии с [57] по выражению: где а - коэффициент расхода измерительной диафрагмы; є - поправочный множитель на расширение измеряемой среды; d - диаметр отверстия диафрагмы, мм; р - плотность измеряемой среды перед сужающим устройством при соответствующем давлении (Ру.„) и температуре (Туч); АЬД — перепад давления на диафрагме, кгс/м". Расход газов, отсасываемых пылеотборным зондом, определялся и из выражения: где Wr — скорость топочных газов в месте отбора, м/с; F — площадь сечения входного окна пылеотборного зонда, м2. Из формул (2.3) и (2.4), выводилось выражение для расчета перепада давлений на измерительной диафрагме: Отсос газов из топки для определения состава газов осуществлялся с помощью охлаждаемого газозаборного зонда [57]. Анализ газов на СЬ и R02 производился газоанализатором ГХП-100. Отбор частиц, сепарирующихся на топочные экраны, производился разработанным автором зондом-пробоотборником (рис. 2.56), который устанавливался в лючки заподлицо с экранными трубами. Частицы, двигаясь по инерции,, попадали через окно в водоохлаждаемую камеру, где быстро остывали. Время отбора пробы составляло 15-40 минут. Плотность сепарации (массовый поток) частиц определялась по формуле: где тс - масса частиц, кг; F - площадь входного окна зонда, м2; Ат - продолжительность отбора пробы, ч. Для выявления состава частиц золы, осаждающихся на чистую поверхность нагрева, и определения скорости роста отложений в лючки устанавливались охлаждаемые зонды, имитирующие экраны (рисунок 2.5в). Для контроля температуры стенки зонда в отверстие с его лобовой стороны устанавливалась хромель-алюмелевая термопара. Время выдержки зонда в топке составляло 0,5-200 часов. Скорость роста отложений на зондах, определялась по выражению: где т0 - масса отложений, г; F - площадь контрольной поверхности зонда, м"; Ат - время выдержки зонда в топке, ч. Скорость роста вторичных отложений, отбираемых неохлаждаемыми зондами по методике [87], определялась по формуле: где mUT - масса отложений на контрольном участке длиной L, кг; d - диаметр зонда, м; Ат - продолжительность опыта, ч.
Разработка математической модели и расчетные исследования движения твердой фазы
Шлакование топочных экранов связано с попаданием на них частиц невыгоревшей угольной пыли, а также летучей золы. Поэтому важно выяснить условия, при которых возможна сепарация частиц на стены топки. С этой целью были проведены расчетные и экспериментальные исследования движения частиц в тангенциальных топочных камерах котлов БКЗ-210-140Ф, БКЗ-500-140-1иП-67[113]. Движение одиночной частицы в газовом потоке может быть описано уравнением И.В. Мещерского [114]: сумма внешних сил, действующих на частицу; у - вектор скорости отбрасываемых от частиц масс; т - время. В первом приближении можно пренебречь изменением массы частицы. Тогда уравнение (3.9) запишется В число внешних сил входят: аэродинамического сопротивления, гравитационная, выталкивающая (Архимеда), сила давления потока, поперечная (Магнуса), термофореза, светового давления и электростатического притяжения, силы связанные с неравномерностью движения и турбулентными пульсациями. Анализ сил, действующих на движущуюся в топке частицу, показал, что определяющее влияние оказывают силы аэродинамического сопротивления и тяжести. Действием прочих сил, вследствие их малой величины при инерционном движении в топочной камере котла, можно пренебречь [114-118]. Сила аэродинамического сопротивления описывается формулой [114]. где р - плотность газа, кг/м ; д - диаметр частицы, м; С - коэффициент аэродинамического сопротивления частицы; V, W— вектор скорости частицы и газа, соответственно. Поскольку температура газа и частицы могут различаться, коэффициент аэродинамического сопротивления последней рассчитывался по формуле В.И. Бабия и И.П. Ивановой для неизотермических условий [119]: Здесь v - коэффициент кинематической вязкости газа, м7с, определяемый по температуре частицы. Рассмотрим движение частицы в трехмерном пространстве. Уравнение (3.10) с учетом (3.11) и (3.12) преобразуется к виду Начало координат принято на вертикальной оси симметрии топки на уровне нижнего яруса горелок. Начальные условия: х = 0, z = 0, у = 0,25ат; 0,1258 0,375аг, v = W, ТЧ=ТГ (для сгоревших частиц). Температура горящих частиц оценивалась по [120]. Плотность частиц принималась равной 1400 кг/м .
Профиль скорости газов в топке принимался по экспериментальным данным огневого стенда котла П-67 [97], по результатам натурных исследований топки котла БКЗ-210-140Ф [121] и топки котла БКЗ-500-140-1 (СибВТИ, ВТИ). Были подобраны аппроксимирующие выражения для тангенциальной и аксиальной скоростей газов. В качестве масштаба принята средневзвешенная скорость на выходе из горелок Wr. Температура газов в топке котла БКЗ-500-140-1 принималась по экспериментальным данным СибВТИ и ВТИ. Для котлов БКЗ-210-140Ф и П-67 использованы расчетные данные [104]. На рис. 3.5 приведены проекции траекторий частиц в топке котла БКЗ-500-140-1 на горизонтальную плоскость. Как уже указывалось в начальный момент времени (х = 0) векторы скорости частицы и газа совпадают. Для котла БКЗ-500-140-1 в соответствии с опытными данными Wr = 24 м/с, для котла БКЗ-210-140Ф - 30 м/с, для котла П-67 - 36 м/с. Из рисунка 3.5 видно, что частицы, диаметр которых меньше 350 мкм, не сепарируются на стены топки котла БКЗ-500 при разном положении начала счета. Для топок котлов БКЗ-210-140Ф и П-67 этот граничный размер частиц составил 320 мкм и 460 мкм, соответственно. В этих формулах WT — тангенциальная скорость газов, R - радиус кривиз-ны, Vp — радиальная скорость частицы, тр — 4-рг-5 /(З-Au.) — время релаксации; рч - плотность частицы, А = 52 - коэффициент в выражении (3;8); ц. - коэффициент динамической вязкости; 6 = тр-W/R; Ы0 = т/тр; Vp - Vp/WT. Из (3.15) видно, что параметры траектории частицы в горизонтальной плоскости обуславливаются главным образом критерием Стокса. Аналогичные выводы об определяющем влиянии критерия Стокса были получены в опытах по сепарации частиц в циклонах [122]. Для тангенциальной топки вместо WT используем Wr — скорость на выходе из горелки, вместо R - характерный размер горизонтального сечения топки аг (глубина топки). В соответствии с выполненными расчетами для топок котлов БКЗ-500-140-1, БКЗ-210-140Ф и П-67 минимальное число Стокса, при котором может наблюдаться сепарация частиц, равно 0,2. Результаты проведенных расчетов указывают на то, что по условиям сепарации частиц на топочные экраны, а значит и по условиям шлакования топки, котел П-67 обладает преимуществом по сравнению с котлами БКЗ-210-140Фи БКЗ-500-140-1. Вместе с тем видно, что инерционная сепарация частиц, обусловленная криволинейностыо движения их в тангенциальной топке, характерна для относительно крупных частиц. Однако результаты опытных данных свидетельствуют о попадании на экраны и более мелких частиц [113]. Для исследования был выбран котел БКЗ-210-140Ф, имеющий аналогичное котлу П-67 Березовской ГРЭС-1 и котлу БКЗ-500-140-1 Красноярской ТЭЦ-2 топочное устройство и систему пылеприготовления. Геометрия разработанной трехмерной 39-зонной модели топочной камеры представлена на рис. 3.2. По высоте топочная камера делилась на восемь расчетных ярусов. В первых трех ярусах, представляющих комод и холодную воронку, выделялось по одной объемной зоне, в остальных - периферийная кольцевая и центральная. Начиная с холодной воронки каждый ярус состоял из трех поверхностных зон: фронтального, бокового и заднего экранов. С учетом потолочных экранов, ширмового пароперегревателя, аэродинамического выступа и футеровки комода было выделено 13 объемных и 26 поверхностных зон. Выгорание топлива по длине факела принималось по экспериментальным данным, полученным В.Н. Верзаковым (СибВТИ) при опытном сжигании бере-зовского угля [123]. Для 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9-й расчетных зон доли сгоревшего топлива составили, соответственно, 3,3; 77,1; 6,9; 7,9; 2,3; 1,9; и 0,6. Аэродинамика топочной камеры принималась по данным исследований ЦКТИ [121]. Присосы холодного воздуха в топку - 0,12, а в систему пылеприготовления — 0,20.
При этом их распределение в периферийные зоны производилось в соответствии с измене нием разрежения по высоте топки и с учетом имеющихся неплотностей. Были приняты следующие оптические и теплофизические параметры: - матрица коэффициентов радиационного обмена размером 39x39 является исходной для решения системы нелинейных алгебраических уравнений тепло обмена и теплового баланса зон (3.1); - расчет радиационного обмена проводился в предположении серого излучения без учета рассеяния энергии частицами в объеме; - в уравнениях теплообмена и теплового баланса величина свободного члена для объемных зон О3 включала внутреннее тепловыделение за счет горения топлива, физическую теплоту топлива, воздуха, присосов, газов рециркуляции и газов, отбираемых на сушку. Для поверхностных зон Ол характеризовала теплопередачу через слой загрязнений, металлическую стенку труб и слой накипи к пароводяной смеси. На рис. 3.6 приведены результаты расчета теплообмена в топочной камере при номинальной паропроизводительности котла „ = 210 т/ч (основной вариант). Расчетный расход топлива Вп = 10,81 кг/с при теплоте сгорания, низшей 0\ = 15660 кДж/кг, коэффициент избытка воздуха на выходе из топки ат — 1,2, доля отбора топочных газов на сушку г., = 18 %, степень рециркуляции низкотемпературных газов гнг — 14 %, общее количество рециркулирующих в ядро горения газов грц = {г11г+г„) = 32 %, R3 - 5,31 (м2-К)/кВт, температура горячего воздуха - 310 С, температура рециркулирующих уходящих газов - 146 С. Расчеты свидетельствуют об одинаково ярко выраженном экстремальном характере распределения температур и тепловых потоков по высоте топки. Максимум температур и тепловых потоков наблюдается в районе четвертого-пятого ярусов, т.е. примерно на расстоянии двух метров от оси горелок. В этом районе максимальная температура центральных &х и периферийных tf зон газа, а также температуры поверхности загрязнений на боковых экранах t достигают соответственно значений 1290, 1200 и 890 С. Максимальные значения плотности падающих qmu) и результирующих qptl различных потоков соот ветственно 220 и 100 кВт/м . Средняя температура на выходе из топки &т для указанного варианта составила 1044 С, при средних значениях разверки температур по высоте и ширине выходного окна 113 и 58 С. Среднее по топке удельное тепловосприятие ?," „,, составило 76,7 кВт/м2, общее On"f, - 77,5 мВт. Усредненные по ярусам значения коэффициентов тепловой эффективности топочных экранов у/=qpL3i qmil , доли конвективной и продольной радиационной составляющих теплообмена Акот и Д , приведены в таблице 3.1.
Разработка четырехвихревой топки для сжигания шлакующих углей
Для топок прямоугольного горизонтального сечения разработана четы-рехвихревая схема сжигания, на которую был получен патент [128]. Отличительная особенность четырехвихревой топки - диагональное расположение прямоточных горелок на коротких (боковых) стенах топки в сочетании с соплами третичного дутья на фронтовой и задней стенах (рис. 4.2.). При взаимодействии горелочных струй и сопл третичного дутья в зоне активного горения формируются четыре вихря с вертикальной осью вращения. Горелоч-ные струи располагаются в центральных областях топки, что исключает непосредственное омывание топочных экранов их высокотемпературными факелами, уменьшается» вероятность наброса на топочные экраны горящих угольных частиц. За, счет этого в пристенных зонах экранов создаются температурные и аэродинамические условия, обеспечивающие снижение интенсивности шлакования.
При переводе котел БКЗЧ320 ст. № 18 Красноярской ТЭЦ-1 с жидкого шлакоудаления на твердое была реализована четырехвихревая схема сжигания. Для обеспечения эффективного воспламенения и выгорания угольной пыли по длине горелочной струи были разработаны прямоточные горелки с периферийной и рассредоточенной подачей аэросмеси (типа ГПР), аналогичные горелкам-котла БКЗ-500-140-1, которые положительно зарекомендовали себя в длительной эксплуатации.
До реконструкции котла БКЗ-320 его бесшлаковочная паропроизводи-тельность не превышала 250 т/ч. Регулярно возникали проблемы с выходом жидкого шлака.
После внедрения четырехвихревой схемы сжигания длительная бесшлаковочная паропроизводительность котла увеличилась на 40 т/ч [129].. Температура газов в ядре горения не превысила 1330 С, перед ширмами -1100 С, перед конвективным пароперегревателем - 900 С. КПД брутто котла повысился на 1 % и составил 91,5 %. Концентрация оксидов азота снизилась на 42 % и составила 320 мг/нм3 при доле воздуха 0,23-0,32, подаваемого через сопла третичного дутья. При нагрузках котла 220-270 т/ч концентрация диоксида серы составила 360-500 мг/нм3, что на 20 %, ниже, чем до реконструкции котла.
Для котлов с фронтальным расположением эжекционных горелок и горелок ОРГРЭС для снижения температуры в пристенном слое наиболее проблемных зон тыльного и боковых экранов в СибВТИ при участии автора разработана система сопел тыльного воздушного дутья, выполненного в виде завес (рис. 4.3) [131]. Два крайних вертикальных щелевых сопла (3) направлены параллельно боковым стенкам топки. Центральные щелевые сопла (4) ориентированы вдоль тыльного экрана в сторону ближайших боковых стен.
Угольная пыль и вторичный воздух подаются в топку через горелки (2). Выгорание топлива происходит в прямоточно-вихревом факеле. При фронтальном расположении горелок и настильной ориентации сопл третичного тыльного дутья происходит отток высокотемпературных топочных газов от центральной части тыльной стенки топки к боковым её стенкам, что способствует усилению вихревого движения с вертикальными осями вращения у боковых стен. Это повышает эффективность защиты задней и боковых стен топки от шлакования, улучшает воспламенение в крайних горелках, обеспечивает более равномерное рассредоточение топочных газов по ширине и глубине топки. Кроме того третичный воздух создает воздушную завесу, снижающую температуру газов в пристенном слое экранов.
Система тыльного воздушного дутья была реализована на котлах ПК-10Ш Красноярской ТЭЦ-1, а в сочетании с соплами третичного дутья - на котле БКЗ-75 Минусинской ТЭЦ. Опыт эксплуатации и проведенные испытания подтвердили правильность принятых решений. Температура газов вблизи тыльного экрана котла БКЗ-75 уменьшилась на 50 С, а у котлов ПК-10Ш - на 80-100 С, что позволило значительно снизить интенсивность шлакования, повысить длительную бесшлаковочную паропроизводительность [131, 132].
С учетом полученных экспериментальных данных по шлакованию экранов в зависимости от З пс был предложен и защищен авторским свидетельством способ предотвращения шлакования двухсветных экранов за счет обдува их нижней части низкотемпературными газами рециркуляции через U-образные сопла (рис.4.4) [97].
Вертикальная прямоугольная топка (1) с горелками (2) имеет двусветные экраны (3) из труб (4), размещенные встречно в параллельных плоскостях. Нижняя часть экранов (3) выполнена с горизонтальными участками, примыкающими к соответствующей стенке топки. Топка содержит сопла (5) для подачи рециркулирующих газов. Эти сопла выполнены в виде U-образных щелей, каждая из которых охватывает нижнюю часть горизонтального участка одного из двусветных экранов. В топку через горелочные устройства подается пылевидное твердое топливо и воздух. Образующиеся в процессе сгорания топлива газы отдают тепло топочным поверхностям нагрева, включая двусветные экраны. При омывании экранов (3) высокотемпературными газами, содержащими расплавленные или размягченные частицы шлака, возникает опасность их шлакования. Для уменьшения шлакования двусветных экранов в топку через сопла (5) подаются низкотемпературные газы рециркуляции. Благодаря этому у поверхности экранов (3) образуется сравнительно холодный пристенный слой - газовая завеса, в котором происходит охлаждение расплавленных или размягченных частиц шлака. Вследствие этого снижается вероятность налипания частиц шлака на поверхность экранов (3), и, следовательно, уменьшается шлакование этих поверхностей, повышается надежность работы топки.
