Содержание к диссертации
Введение
2. ОПЫТ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ 9
2.1. Основные проблемы, возникающие при сжигании твердых топлив 9
2.2. Вихревое сжигание интинского и кузнецкого углей в топке котла Е-220-І00Ф ст.№ II ТЭЦ-1 АЦБК 20
2.3. Внутритопочные исследования. 45
2.4. Сжигание дробленого топлива в топке вихревого котла ПК-24 ст.№ 9 ИТЭЦ-Ю 65
3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 80
3.1. Анализ методов исследования выгорания топлива 80
3.1.1. Стадийность процесса горения частиц твердого топлива 80
3.1.2. Выход и горение летучих, формирование структуры коксового остатка. 84
3.1.3. Исследование выгорания коксового остатка. 97
3.2. Постановка задачи исследования 103
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И КИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 107
4.1. Экспериментальная установка для исследования тепло-и массообмена при прогреве и горении частиц твердого топлива. 107
4.2. Характер поведения крупных частиц натурального твердого топлива при разных условиях теплообмена 115
4.3, Исследование теплофизических характеристик твердых топлив 127
4.4. Экспериментальное определение кинетических характеристик выхода летучих на дериватографе 138
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ 148
5.1. Экспериментальное и расчетное исследование прогрева частиц твердого топлива 148
5.2. Исследование процесса сушки частиц натурального твердого топлива 162
5.3. Терморазрушение топливных частиц 177
5.4. Оценка результатов экспериментального исследования процесса горения угольных частиц 192
5.5. Расчет процесса термического разложения топливных частиц 208
6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СЖИГАНИЮ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ В ВИХРЕВЫХ ТОПКАХ ЛПИ 220
6.1. Повышение производительности и экономичности работы котлов Е-220-І00Ф ст.№ 10,11 ТЭЦ-1 АЦБК 220
6.2. Мероприятия по повышению бесшлаковочной мощности котлоагрегата ПК-10 ст.№ 4 ТЭЦ Архэнерго 225
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 228
ВЫВОДЫ 233
ЛИТЕРАТУРА 234
МАТЕРИАЛЫ О ВНЕДРЕНИИ 247
- Основные проблемы, возникающие при сжигании твердых топлив
- Стадийность процесса горения частиц твердого топлива
- Экспериментальная установка для исследования тепло-и массообмена при прогреве и горении частиц твердого топлива.
- Экспериментальное и расчетное исследование прогрева частиц твердого топлива
- Повышение производительности и экономичности работы котлов Е-220-І00Ф ст.№ 10,11 ТЭЦ-1 АЦБК
Основные проблемы, возникающие при сжигании твердых топлив
Реализация обширной программы дальнейшего развития энергетики, намеченной ХХУІ съездом партии, требует создания сверхмощных тепловых электростанций, работающих на дешевом твердом топливе [I].
В настоящее время накоплен большой опыт энергетического использования твердого топлива, постоянно ведутся теоретические и экспериментальные работы в области совершенствования существующего и создания нового, более надежногоfэкономичного энергетического оборудования, разрабатываются новые технологические схемы сжигания. Однако в большинстве существующих и вновь создаваемых парогенераторах используется метод сжигания топлива в прямоточном факеле. При данном способе топливо ежи-гается после предварительного размола с подсушкой в сильно измельченном виде; фракционный состав при сжигании каменных и бурых углей характеризуется остатком на сите gQ=25 40% [б] . Горение угольной пыли происходит во взвешенном состоянии в газовоздушных потоках при их движении в топочной камере и ограничивается временем пребывания частиц в топке, которое составляет обычно 1 5,Ос.
Экспериментальные исследования динамики выгорания угольной пыли в прямоточном факеле[7,8]показали, что 85+90% топлива выгорает на относительной длине факела 0,2+0,3, а остальные 10+15%, в основном крупные фракции угольной пыли, догорают на восходящем участке факела, который наряду с необходимостью охлаждения продуктов сгорания до безопасной температуры с точки зрения шлакования и определяет высоту топочной камеры [б,10J. При этом величина механического недожога топлива определяется степенью выгорания и количеством крупных фрак-ций топлива размером (1-2) 10 , догорание которых происходит на восходящем участке факела в условиях пониженных концентраций кислорода и температур газов [9,10], Так при сжигании березовского бурого угля для получения 4=0,5 1,0% длина факела должна быть равной 55 75 м при тонине помола 90= (рис.2.1) [б],а высота однокорпусного парогенератора мощностью 800 МВТ для сжигания этого угля составляет по проекту около 100 м, при температуре газов на выходе из топки 1220 1270К [II,12].
Как показывает длительный опыт промышленной эксплуатации, метод прямоточного факела позволяет проводить экономичное сжигание твердых топлив в камерных топках с сухим и жидким шла-коудалением. При этом последние предъявляют более строгие требования к качеству исходного топлива (V 5%,АП=І І0#,Т 1620 К), к фракционному составу пыли ( gQ=8 I8%), к диапазону изменения нагрузок. Ввиду этого, сжигание в топках с жидким шлакоудалением углей крупнейших месторождений страны,например, Экибастузского (Т37І770 К) и Канско-Ачинского (Vn= =8+15%) или не представляется возможным, или вызывает значительные трудности.
Стадийность процесса горения частиц твердого топлива
Стадийность процесса горения частиц твердого топлива Процесс горения частицы натурального твердого топлива представляет собой сложный комплекс физико-химических явлений К ним относятся: теплообмен частицы с окружающей её газовой средой и стенками камеры горения, в результате чего происходит прогрев частицы, испарение содержащейся в ней влаги, выход и разложение сложных летучих органических соединений угля, горение потока летучих, физико-химические превращения минеральной части угля, присутствующей в виде отдельных частиц, или обнажающейся в процессе сгорания угольных частиц; наконец, протекающее одновременно с этими явлениями или после завершения некоторых из них горение скоксовавшейся частицы (диффузия к ней кислорода, химическая его реакция с углеродом частицы, вторичные реакции продуктов сгорания на раскаленной поверхности и в объеме вблизи нее). Все перечисленные явления могут протекать как последовательно во времени, так и одновременно. Естественно, что одновременный анализ этих явлений оказывается практически невозможным, к тому же некоторые из них, например, реакция разложения летучих органических соединений угля в процессе их выхода или цепные химические реакции при горении углерода, до настоящего времени достаточно полно не изучены. В связи с этим при расчете процесса горения возникает необходимость некоторой его схематизации, с исключением отдельных звеньев,не оказывающих существенного влияния на ход процесса в целом.
Во всех современных схемах процесса горения отдельной частицы натурального твердого топлива, базирующихся на диффузионно-кинетической теории горения углерода, последовательно рассматриваготся следующие основные вопросы:
1) временная связь выхода и горения летучих с горением коксового остатка топливной частицы;
2) влияние зольности на горение коксового остатка;
3) форма и размеры горящей коксовой частицы;
4) макрохимизм горения коксовой частицы и роль вторичных реакций;
5) роль внутреннего реагирования в реальных условиях горения коксовой частицы;
6) влияние относительной скорости омывания частицы средой на её горение;
7) температура горящей коксовой частицы и её влияние на режим горения.
В отношении временной связи выхода и горения летучих с горением коксового остатка каждой отдельной топливной частицы в настоящее время бесспорно установлено, что в зависимости от размера, относительной скорости частиц в газовой среде и температуры последней, выход, горение летучих и горение коксового остатка могут протекать параллельно или последовательно с некоторым наложением этих процессов друг на друга. В условиях обычных пылеугольных топок эти две стадии горения мелких частиц натурального твердого топлива, как принимается рядом исследователей [40-46], протекают последовательно.
Экспериментальная установка для исследования тепло-и массообмена при прогреве и горении частиц твердого топлива
Экспериментальная установка для исследования тепло-и массообмена при прогреве и горении частиц твердого топлива Для исследования процессов, происходящих при прогреве,воспламенении и горении крупных частиц натурального твердого топлива, с использованием методики[98],была разработана и смонтирована совместно с сотрудниками лаборатории № 086 ЦКТИ им. И.И.Ползунова специальная экспериментальная установка (рис.4, і).
Данная установка состоит из семи основных блоков[99].Электрическая печь (I) имеет тройной кожух. Рабочая среда - воздух или другой газ, поступает через патрубок во внешний кожух печи, омывает его стенки и затем поступает по внутренний кожух, образованный внутренней стенкой печи и алундовой трубкой d l(ія =54/64 10"3м, длиной 0,3 м, на которой намотана спираль электрического нагревателя, затем подогретый газ поступает в реакционную камеру. Таким образом, конструкция печи позволяет обеспечить подогрев рабочей среды до высокой температуры. С заднего торца печи установлена гляделка с жаропрочным смотровым стеклом. Печь вдоль станины (2) перемещается по рельсам (3) между двумя упорами. Регулировка температурного уровня в печи осуществляется с помощью регулятора напряжения (4) в широком диапазоне температур 3004-1573 К.
Температура в рабочем сечении печи до начала опыта контролируется термоэлектрическим термометром ТХА (5), а температура стенки реакционной камеры измеряется с помощью термоэлектрического термометра ТПП (6), вмонтированного в стенку печи и визуального пирометра "Проминь" (7). Важным вопросом методического характера является знание точного значения температуры в зоне размещения исследуемого образца. Для определения температурной поправки было замерено поле температур в рабочем сечении печи с помощью 13 дистанционных термопар, установленных в специальную крестовину, при различных скоростях рабочей среды и показаниях основной термопары, рабочий спай которой находится в центре рабочего сечения реакционной камеры. На основании этих измерений подсчитывалась средняя температурная поправка на расположение образца в объеме печи, которая изменялась в диапазоне от 0 до 20. В дальнейшем температура опыта будет даваться с учетом этой поправки.
Экспериментальное и расчетное исследование прогрева частиц твердого топлива
Анализ процесса воспламенения твердого природного топли ва следует начинать с анализа нагрева частиц, так как условия прогрева оказывают решающее влияние на динамику выхода летучих и зачастую определяют временные связи между отдельными стади ями процесса горения. Ввиду того, что угли по тепловым свойст вам приближаются к теплоизоляторам, даже для мелких фракций топлива минимально возможное значение числа Био (лучистую со ставляющую теплообмена не учитываем) при//#=2 составляет &. _ d.tt.io _ j.j/3. в силу этого, при прогреве угольных частиц случай когда бі&І невозможен (имеется в виду начальный период прогрева). При сжигании немолотого угля в вихревой топке ЛПИ возможный диапазон изменения Ьі для топливных частиц составля ет 0,33-35 Ыч. =8#Ю" 2м). Наличие значительной разницы темпе ратур поверхности и центра для угольных частиц, эксперименталь ное подтверждение которой было получено в [99,106], вызывает дополнительные трудности при анализе процессов, происходящих при их прогреве и горении. Для расчета прогрева топлива с уче том распределения температуры по глубине частицы было исполь зовано дифференциальное уравнение теплопроводности шара (4.7) с граничными (4.8) и начальными (4.9) условиями. Решение диф ференциального уравнения (4.7) методом разделения переменных с использованием начальных и граничных условий было получено в [114] и имеет вид.
Повышение производительности и экономичности работы котлов Е-220-І00Ф ст.№ 10,11 ТЭЦ-1 АЦБК
Длительный опыт промышленной эксплуатации вихревого котла БКЗ-220-І00Ф ст.№ II ТЭЦ-I АЦБК показал, что наряду с положительными в целом итогами работы (разд.2.2) данный парогенератор имеет повышенный уровень потерь тепла с механической неполнотой сгорания топлива. Анализ работы вихревых котлов [Ю], в топках которых сжигается широкая гамма топлив, внутритопоч-ные исследования (разд.2.3) и расчеты выгорания топлива [3] показали, что для снижения потерь тепла с механической неполнотой сгорания необходимо дальнейшее угрубление фракционного состава топлива. Однако, вопреки ожиданиям, эта тенденция сохранилась и при переходе на безмельничное сжигание углей,впервые осуществленное в топке котла ПК-24 ИТЭЦ-10 (разд.2.4),кроме этого появился интенсивный износ труб фронтового экрана. Эти обстоятельства определили необходимость изучения процессов, происходящих при горении крупных частиц натурального топлива, для проведения которого была изготовлена специальная экспериментальная установка (разд.4.1). Экспериментальное и расчетное исследование показало, что прогрев крупных частиц топлива в высокотемпературной газовой среде идет со значительным градиентом температуры между поверхностью и центром, что вызывает появление значительных температурных напряжений, которые могут играть решающую роль в процессе разрушения топливных частиц (разд.5.3). Это подтверждается опытными данными, полученными на установке (разд.4.2) и косвенно, имеющимся экспериментальным материалом по работе котла ПК-24. Учитывая также наличие механического ослабления и разрушения топливных частиц при взаимодействии их как друг с другом, так и с поверхностями нагрева в топке вихревого котла, следует считать целесообразным отказ от размола топлива и переход на сжигание дробленого топлива. При этом необходимо осуществлять двойную сепарацию из топлива инородных включений и сильно забалластированных топливных кусков (размеры и прочностные характеристики которых при выгорании уменьшаются незначительно (разд.4.2)) как в СТП (пневмотранспорт), так и самой топочной камере. Этот же вывод вытекает и из опыта работы котла ПК-24 (разд.2.4). Экспериментальное исследование показало, что выход летучих и выгорание крупных частиц твердого топлива требуют значительный период времени (разд.5.4),к тому же, для крупных угольных частиц возможно наложение, стадии выхода и горения летучих с горением углерода (этим объясняется наличие значительного количества углерода и даже летучих в крупных частицах отобранных за котлом ИТЭЦ-10 [4]). Вследствие этого аэродинамика топки должна обеспечивать необходимое по условиям выгорания время пребывания крупных фракций топлива в топке и исключать возможность их выноса из ВЗ в прямоточную часть факела (козырьки, "ловушка" и т.д.).
