Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задачи 24
1.1 Проблемы и тенденции топливного баланса 24
1.2 Горючие отходы и местные топлива 27
1.2.1 Автогенное горение 27
1.2.2 Сухие растительные отходы 27
1.2.3 Древесные отходы 29
1.2.4 Местные топлива 32
1.2.5 Отходы углеобогащения и котельный шлак 34
1.2.6 Бытовые отходы и шламы очистных сооружений 35
1.2.7 Водоугольное топливо 35
1.2.8 Влияние влаги на свойства топлив 36
1.2.9 Унификация свойств топлив и их использование 37
1.3 Котельное оборудование и его модернизация 38
1.4 Низкотемпературные топочные процессы 40
1.4.1 Традиционные топочные процессы 41
1.4.2 Топочные процессы с использованием КС и ЦКС 41
1.4.3 Циклонные и вихревые топочные процессы 44
1.5 Преимущества низкотемпературного сжигания 46
1.6 Отечественный опыт применения КС и ЦКС 50
1.7 Принципы и обоснование концепции 52
1.7.1 Принципы модернизации котельно-топочнои техники 52
1.7.2 Универсализация топочных процессов 52
1.7.3 Усовершенствование низкотемпературных топок 55
1.7.4 Термоконтактные процессы 57
1.7.5 Комплексный подход к организации топочного процесса 58
1.8 Выводы к главе 1 61
2 Термоконтактная топливоподготовка 63
2.1 Общие положения 63
2.2 Схемы подготовки топлива 65
2.2.1 Схемы с термоконтактной сушкой 65
2.2.2 Гранулирование топлив 68
2.2.3 Схемы термоконтактной переработки топлив 69
2.3 Исследования термоконтактной обработки топлив 73
2.3.1 Исследования поточной схемы 73
2.3.2 Стендовые исследования 78
2.3.3 Исследования термоконтактной обработки топлив в НТКС 79
2.4 Теоретические основы термоконтактной сушки 83
2.4.1. Процессы и обобщающие соотношения для КС 83
2.4.2 Расчет процесса сушки в изотермическом КС 85
2.4.3 Расчет поточных термоконтактных сушилок 91
2.5 Выводы к главе 2 94
3 Разработка и обоснование вихревых топочных устройств (ВНТ) 95
3.1 Принципы организации низкотемпературного сжигания 95
3.1.1 Организация сжигания растительных отходов 95
3.1.2 Организация низкотемпературного топочного процесса в ВНТ 96
3.1.3 Применение ВНТ для стабилизации горения 98
3.2 Технологические схемы ВНТ 98
3.2.1 Схемы для сухих растительных отходов 98
3.2.2 Схемы ВНТ с колосниками для влажных топлив 105
3.2.3 ВНТ схемы для стабилизации факельного горения 106
3.2.4 ВНТ схемы для слоевых топок 107
3.3 Моделирование и обоснование применения ВНТ 111
3.3.1 Общие положения 111
3.3.2 Стендовые установки для моделирования ВНТ 113
3.3.3 Моделирование и обоснование конфигурации ВНТ методом визуализации течения 114
3.3.4 Исследование аэродинамических характеристик ВНТ 121
3.3.5 Исследование секционирования ВНТ 123
3.3.6 Моделирование колосниковых ВНТ с вертикальной осью 124
3.3.7 Сообщающиеся многокамерные ВНТ 128
3.3.8 Топки радиального типа 132
3.3.9 Прогноз эффективности ВНТ на основе моделирования 133
3.4 Численное моделирование вихревых топок 136
3.5 Методика и проведение инженерных расчетов 139
3.6 Выводы к главе 3 140
4 Промышленное исследование ВНТ 143
4.1 Анализ работы котлов сжигающих лузгу 143
4.2 Поведение золы лузги при её сжигании 148
4.3 Использование ВНТ для сжигания древесных отходов 157
4.4 Использование ВНТ для стабилизации горения 161
4.5 Использование ВНТ для сжигания ВУТ 163
4.6 Возможность применение ВНТ для других отходов 168
4.7 Выводы к главе 4 169
5 Моделирование процессов и разработка НТКС 171
5.1 Модель кипящего слоя 171
5.2 Модель коалесценции 177
5.3 Модель выгорания кокса в НТКС 179
5.4 Модель распределения параметров и выгорания в НТКС 184
5.5 Изучение выгорания углей в НТКС 188
5.6 Технологические схемы организации НТКС 200
5.7 Огневое моделирование схем организации НТКС 204
5.8 Выводы к главе 5 213
6 Разработка элементов НТКС 215
6.1 Исследование аэродинамической обстановки в НТКС 215
6.2 Численное моделирование схем НТКС 225
6.3 Подача вторичного дутья 228
6.4 Разработка и исследование уловителей частиц 230
6.4.1 Жалюзийные уловители частиц 230
6.4.2 Золоулавающие пучки 231
6.4.3 Уловители лабиринтного типа 237
6.4.4 Батарейные циклоны 238
6.4.5 Движение потоков частиц в отводящих элементах 241
6.5 Разработка и исследование систем возврата уноса 242
6.6 Организация работы и элементы топок НТКС 244
6.6.1 Общие положения 244
6.6.2 Исследование решеток направленного дутья 245
6.6.3 Разработка конструкции и профилирование колпачков 250
6.6.4 Выбор и обоснование схемы растопки 251
6.6.5 Воздухораспределительная решетка 252
6.6.6 Подача топлива и дутья 253
6.7 Разработка методики расчета 256
6.7.1 Методика инженерного расчета НТКС 256
6.7.2 Сравнение расчетных и экспериментальных данных 262
6.8 Выводы к главе 6 263
7 Исследование промышленного применения НТКС 265
7.1 Котлы малой и средней мощности 265
7.1.1 Котлы НТКС для сжигания бурых местных углей 265
7.1.2 Реконструкция котла КЕ-25-24 на НТКС 265
7.1.3 Реконструкция котлов Лесосибирского КЭЗ 266
7.1.4 Реконструкция котлов КЕ-10-14 и ДКВр-10-13 274
7.1.5 Реконструкция котла КВ-ТС-20-150 ПС 274
7.2 Сжигание древесных отходов в НТКС 279
7.3 Реконструкция котлов П-образного типа 283
7.4 Новые котлы НТКС 292
7.5 Выводы к главе 7 298
Заключение 300
Литература
- Горючие отходы и местные топлива
- Схемы с термоконтактной сушкой
- Организация сжигания растительных отходов
- Поведение золы лузги при её сжигании
Введение к работе
Актуальность темы. Повсеместно в России проблемы энергетики и экологии стали жизненно важными. Энергетический кризис стимулирует развитие промышленной и малой энергетики на основе дешевых местных то-плив и горючих отходов, горы которых быстро растут и представляют серьёзную угрозу нашего времени. Использование дешевых углей, торфа, утилизация отходов обогащения угля, переработки зерна, древесины и других отходов, зачастую имеющих «отрицательную» стоимость, позволит значительно снизить себестоимость энергии, решить экономические вопросы жилищно-коммунальных и промышленных предприятий.
Кроме того, огневое обезвреживание горючих отходов — это наиболее дешевый, простой и эффективный способ кардинального решения проблемы защиты окружающей среды от загрязнения.
Сжигание низкосортных топлив сдерживается из-за сложности организации устойчивого топочного процесса. Они, как правило, не горят на колосниковых решетках и в других типовых топках. Более того, в коммунальной энергетике с большим количеством низкоэффективных слоевых котлов накапливаются горы шлака, также являющегося фактически горючим отходом.
Переориентация топливного баланса на использование местных топлив и горючих отходов сегодня важна для многих предприятий России и требует разработки высокоэффективных технологий организации топочных процессов пригодных для создания нового и/или модернизации существующего ко-тельно-топочного оборудования.
Актуальной теме, разработке высокоэффективных топочных процессов и, прежде всего, низкотемпературных, традиционно уделялось и уделяется большое внимание как зарубежными, так и отечественными учеными и институтами. Её важность отражена принятием ряда программ РФ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники.
Цель данной работы заключается в разработке научных основ организации высокоэффективных технологий сжигания низкосортных топлив и отходов на базе исследования низкотемпературных топочных процессов, пригодных для создания нового и модернизации существующего котельно-топочного оборудования.
В связи с этим решались задачи:
- анализ и рассмотрение характеристик топлив, горючих отходов, топливного баланса предприятий, имеющейся котельно-топочной техники, тенденций её развития и перспективности разработки низкотемпературных топочных процессов, адаптированных к топливам ухудшенного качества и отходам и пригодных для создания нового и модернизации имеющегося ко-тельно-топочного оборудования;
- разработка схем термоконтактной сушки и переработки топлив с теоретическим и экспериментальным изучением процессов сушки и обоснованием методиками расчета термоконтактных сушилок;
- разработка технологических схем и оптимизация вихревых топочных устройств (ВНТ), пригодных для встраивания в топочный объём котлов, путем их аэродинамического и численного моделирования;
- внедрение, промышленное исследование и анализ проблем использования ВНТ в энергетике при сжигании лузги (в том числе, изучение формирования мощных отложений из возгонов золы лузги), древесных и других измельченных отходов при их огневом обезвреживании;
- разработка теоретических основ и опытное изучение процессов переноса массы, выгорания топлив, формирования механического недожога в низкотемпературном форсированном кипящем слое (НТКС), моделирование аэродинамической обстановки надслоевом объеме с разработкой на этой основе технологических схем и их обоснование путем огневого моделирования и методикой инженерного расчета котлов с топками НТКС;
- разработка конструкций элементов НТКС с их обоснованием: о встроенных уловителей циркулирующих частиц,
о аэромеханических клапанов питателей циркулирующих частиц,
о воздухораспределительных колпачков и решеток,
о технологии растопки котлов;
- внедрение, анализ проблем и обобщение практического опыта использования НТКС в энергетике с рассмотрением особенностей реконструкций имеющихся и создания новых котлов НТКС различных типов.
Научная новизна работы заключается в создании и обосновании концептуального, комплексного подхода к вовлечению местных топлив и горючих отходов в топливный баланс предприятийна базе низкотемпературных топочных процессов, основанных на вихревых ВНТ и кипящего слоя НТКС технологиях, в том числе с получением из них унифицированной массы.
Комплексный подход оптимально объединяет три технологии: термоконтактную сушку топлив, низкотемпературное сжигание в вихревых топках и низкотемпературный форсированный кипящий слой. При этом для всего разнообразия топлив и отходов получаем универсальную схему: влияние влаги исключается разомкнутой схемой термоконтактной сушки, а низкотемпературные технологии, особенно кипящий слой, не чувствительны к зольности. Влияние качества топлива нивелируется и топки, разработанные на его основе, становятся универсальными, могут применяться ко всем отходам и топливам: ...от высокореакционных сухих легких парусных частиц лузги ... до переувлажненных, липких, типа илов и... до низкореакционных углей. Для легких частиц предпочтительно вихревое сжигание, для углей и тяжелых отходов — кипящий слой.
Комплексный подход включает следующие обладающие новизной научные положения, защищаемые в диссертации:
Разомкнутые взрывобезопасные схемы термоконтактной сушки и переработки топлив повышенной эффективности, использующие теплоту конденсации паров влаги топлива и обеспечивающие подготовку унифицированной сжигаемой массы за счет теплоты потоков циркулирующих частиц.
? Методики расчета термоконтактных сушилок, разработанные на основе экспериментов, теоретических моделей и закономерностей этих процессов в КС (термическое дробление, режим термически тонкого тела и др.).
? Оптимизированные моделированием, включая численное, конструкции вихревых топок (с рекомендациями по проектированию для более чем 20 конкретных котлов), пригодные для встраивания в топочные объёмы котлов, обеспечивающие удержание легких частиц и увеличение в десятки раз критической загруженности частицами;
? Наличие существенных превращений золы в топочном процессе (из-за несоблюдения низкотемпературного режима) сопровождающихся формированием в топке и котельных пучках мощных отложений из возгонов золы, преимущественно соединений калия; разработанные режимные мероприятия и методы удаления золы, гарантирующие стабильную работу всех введенных котлов с топками ВНТ.
? Теоретические модели НТКС (гидродинамики, коалесценции, выгорания и уноса частиц топлива), методику расчета распределения концентраций угля, кислорода и других параметров для кипящего слоя, механизмы формирования механического недожога и технологические схемы организации то-/ почного процесса НТКС, обоснованные огневым моделированием.
? Выявленные путем численного и опытного моделирования особенности аэродинамической обстановки над НТКС и разработанную на этой основе схему организации аэродинамики в надслоевом объёме подачей вторичного дутья, усиливающей индуцированное частицами вихревое течение.
Практическая ценность. На основе комплексного, концептуального подхода, исследованы и научно обоснованы низкотемпературные технологии сжигания, адаптированные к местным топливам ухудшенного качества и горючим отходам и пригодные для модернизации котельно-топочной техники. Разработаны способы модернизации различных топок и котлов, включая энергетические, с переводом их на НТКС и ВНТ сжигание. Топочные про цессы были реализованы в различных вариантах исполнения, преимущественно при реконструкциях, на более чем 60 объектах.
По опыту промышленного применения ВНТ топки являютсяпримером высокоэффективной разработки. Только для сжигания лузги поставлено и реконструировано более 20 котлов и освоено производство новых котлов, которые обеспечивают глубокое выжигание горючих. ВНТ эффективны для сжигания сырых древесных отходов (на примере новых котлов КВ-1,86) и для утилизации сухих опилок и пыли шлифования (на примере модернизации котла ДКВр-10, годовой экономический эффект 2,32 мил.руб.). ВНТ применены для стабилизации пылеугольного сжигания (на примере реконструкции котлов ЭЧМ-60, годовой экономический эффект 52,3 мил. руб.), для использования водоугольного топлива (на примерах реконструкции котлов ДКВр-6,5-13, Е-1/9, ДКВр-10-13) и перспективны для сжигания бытовых отходов.
В настоящее время ВНТ топки применены для сжигания лузги, древесных отходов, угля и водоугольного топлива в 34 котлах различных типов мощностью до 25 т/ч, установленных в 24 действующих котельных. Их ис- пользование расширяется и считается одним из основных направлений деятельности ЗАО ПО «Бийсэнергомаш», ОАО БиКЗ, НИЦ ПО БЭМ и других. »
НТКС топки также являются примером эффективной разработкой. Они нашли применение и широко используются по проектам НИЦ ПО БЭМ для сжигания низкосортных углей, древесных отходов и шлака слоевых котлов. Годовой экономический эффект от использования шлака в котле КВТС-20, ПКТС МУП ОСП ЖКХ г. Лесосибирск, составил 3,025 мил.руб. Опыт промышленного применения топок НТКС, разработанных и обоснованных моделированием, включая численное, и освоенных в производстве, включает более 35 новых и реконструированных котлов, с мощностью до 42т/ч, в том числе энергетических. Котлы спроектированы по разработанной методике инженерного расчета НТКС.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: IV Международной конференции по тепломассобмену, Минск, 1974 г., V Международной конференции по тепломассобмену, Минск, 1976 г., Всесоюзном совещании секции ГКНТ на тему «Надежность поверхностей нагрева», г. Барнаул, 1983 г., V Всесоюзной конференции «Горение органического топлива», г. Новосибирск, 1984г, научно-технической конференции «Сжигание и газификация твердых топлив в кипящем слое», г.Свердловск, 1986 г, Всесоюзной конференции «Теплообмен в парогенераторах», г. Новосибирск, 1988 г., Всесоюзной научно-технической конференции «Техника псевдоожижения (кипящего слоя) и перспективы ее развития», г. Луга, 1988 г., на региональном семинаре «Очистка и обезвреживание дымовых газов из установок, сжигающих отходы и мусор», г. Новосибирск, 1997 г, на международной научно-практической конференции и школе-семинаре ЮНЕСКО «Химия угля на рубеже тысячелетий», г. Клязьма, - 2000, 4й Международной выставке-конгрессе «Энергосбережение-2001» — Томск, 2001, международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности». — Кемерово, 2000 г и 2001 г., международной научно-практической конферен-ции «Проблемы качества в XXI веке» — Барнаул, 2001 г., традиционной ежегодной научно-практической конференции «Теплоисточники в коммуналь-. ной энергетике: Проблемы эксплуатации и применение новых технологий при реконструкции». — Иркутск, 2002 и 2003 г., на международной конференции «Технологии эффективного и экологически чистого сжигания угля для модернизации российских электростанций» - Новосибирск, 2003 г., на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири» - Барнаул, 2003 г., на 3-м семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике — Барнаул, 2003 г.
Личный вклад автора заключается в разработке теоретических моделей и методик расчета топочных процессов, постановке научных задач, в разработке методик и проведении экспериментов, разработке технологических схем и эскизных проектов новых котлов и реконструкции котельных ус тановок, авторском надзоре и участии в пусконаладочных испытаниях установок, руководстве сотрудниками, выполнявшими работы по данной теме.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 48 статей и 41 изобретение.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы. Объём диссертационной работы: 214 страниц основного текста, 202 рисунка, 21 таблицы и список литературы из 151 наименований. Общий объём диссертации 315 страниц. Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель диссертационной работы, включая решаемые задачи, обладающие новизной научные положения и практические результаты, защищаемые в диссертации.
В первой главе приведен обзор состояния топливного баланса отечественных предприятий, с использованием треугольника Таннера проанализированы свойства различных отходов и местных топлив, рассмотрено состояние и характеристики котельно-топочного оборудования, показана эффективность и перспективность низкотемпературных технологий.
Для вовлечения топлив и отходов в топливный баланс предприятий предложено использовать комплексный, концептуальный подход, основанный на низкотемпературных вихревых (ВНТ) и кипящего слоя (НТКС) технологиях, которые используют для стабилизации горения загруженные частицами внутритопочные потоки.
Комплексный подход объединяет в себе самостоятельные технологии: низкотемпературную технологию сжигания в вихревых топках, низкотемпературный форсированный кипящий слой и при необходимости термоконтактную переработку (сушку) топлив. Например, для углей оптимален НТКС, для измельченных топлив оптимальны ВНТ топки, имеющие выраженный циклонный эффект.
Во второй главе предложены и обоснованы теоретически и экспериментально разомкнутые взрывобезопасные технологические схемы термоконтактной сушки и переработки топлив, использующие теплоту конденсации паров влаги топлива и обеспечивающие подготовку унифицированной сжигаемой массы за счет теплоты потоков циркулирующих частиц. Их применение устраняет балластирование дымовых газов парами влаги, позволяет с высокой эффективностью сжигать низкосортные топлива и отходы, использовать теплоту и эффективность сжигания сухого топлива.
Получены экспериментально и обобщены степенными зависимостями времена сушки, выхода летучих и воспламенения коксового остатка и изучены закономерности протекания этих процессов в кипящем слое (термическое дробление, режим термически тонкого тела).
На основе моделей, теоретического анализа и экспериментальных зависимостей разработаны методики расчета изотермических и проточных схем термоконтактных сушилок с кипящим слоем. Для полифракционного состава топлива динамика сушки описывается интегральным уравнением.
В третьей главе рассмотрены и оценены расчетами предложенные схемы реализации изложенной в главе 1 концепции ВНТ:
- для сухих растительных отходов и лузги - с газификацией, с рециркуляцией дымовых газов, радиальные (в том числе с рециркуляцией частиц), многокамерные и комбинированные;
- для влажных топлив с организацией слоевых топочных процессов на наклонном колоснике и организацией двухстороннего воспламенения;
- для стабилизации факельного и слоевого горения с тангенциальной подачей дутья и формированием вихря в топочном объёме или в зоне газовыпускного окна топки.
Моделированием показана возможность удержания легких парусных частиц не только в циклонах классической формы, но и в вихревых камерах, пригодных для встраивания в топочный объём котлов: многоугольных призматических, сообщающихся призматических, неправильноугольных радиальных, с вертикальными и горизонтальными осями вихрей, с наклонным дном и др., причем без сложного в изготовлении отбойного конуса.
Аэродинамика вихревых камер характеризуется сложной структурой течения, наряду с вращательным движением и радиальным потоком присутствует мощная осевая циркуляция, собирающая частицы во вращающийся двухфазный поток и потенциально обеспечивающая изотермичность топок, например; в вихревых камерах за счет дутья можно формировать и устанавливать вращающиеся структуры, заполненные частицами.
При критической загруженности частицами, меняется аэродинамика: поток неустойчив и расслаивается, вихрь исчезает, частицы не удерживаются в топке. В котельной практике это наиболее опасные режимы крупномасштабных пульсаций и хлопков с пожароопасным выбросом потоков пламени и искр, задымлением помещения и остановом котла по срабатыванию защит.
Моделирование подтвердило, что при выполнении выявленного принципа «выделения нижней точки и подачи в неё дутья» (путем секционирования, применением радиальных топок и др.), критическая загруженность может быть увеличена в десятки раз, по сравнению равномерным распределением дутья.
На моделях для конкретных объектов изучены поля скоростей, формирование потоков выноса частиц, оптимизированы: геометрии камер ВНТ, распределение дутья, форма и положение сопел, геометрия газовыпускного окна, коэффициенты сопротивления и др. характеристики топок.
Постановка задач и численные расчеты вихревых течений показали, что оптимизация топочного процесса (выбор геометрии топки, схемы подачи дутья и др.) с высокой эффективностью может проводиться так же путем численного моделирования. Выявлено, что данный круг задач не может быть корректно поставлен в плоской, двухмерной постановке, трехмерная постановка необходима из-за наличия в потоке выраженных струйных течений и более интенсивного радиального поперечного переноса в зоне их действия.
Полученные данные являлись основой по выбору профиля и геометрии топок и составления рекомендаций на проектирование вихревых топочных устройств котлов, более 20, конкретных объектов, включая выполнение эскизных проектов ВНТ и котельных установок.
В четвертой главе исследовано промышленное применение ВНТ. На сегодня ВНТ топки применены для сжигания лузги, древесных отходов, угля и водоугольного топлива в 34 котлах различных типов, мощностью до 25 т/ч, установленных в 24 действующих котельных. Их использование расширяется и считается одним из основных направлений деятельности ЗАО ПО «Бийс-энергомаш», ОАО БиКЗ, НИЦ ПО БЭМ и ряда других фирм.
Создание вихревых топочных устройств для сжигания лузги явилось примером новой удачной разработки. При реконструкции наиболее эффективны топки радиального типа. Они использованы в котлах: КЕ-25-14-250, КЕ-10-14, КЕ-6,5-14, ДКВр-10-13, ДКВр-4-13, ДКВр-2,5-13 и др. Предложенные топки по выжиганию горючих высокоэффективны. Благодаря тщательному моделированию, удержание и глубокое выгорание лузги обеспечено во всех предложенных ВНТ. Для сжигания лузги, пыли шлифования и опилок поставлено и реконструировано более 20 котлов различных типов, мощностью до 25 т/ч, освоено производство новых котлов Е-16-21-3 5 0 ГМДВ, КЕ-10-14 ОГВ и УСШ-1-1,4 ГМДВ. Выполняются и другие проекты.
Зольность растительных отходов мала, но из-за возможности формирования прочных отложений золы, её наличие является серьёзным препятствием при эксплуатации котлов. Выявлено, что состав и характеристики отложений золы по ходу дымовых газов закономерно и существенно изменяются, образование отложений имеет конденсационный механизм формирования в холодных зонах (на трубах) из возгонов, преимущественно соединений калия, выделяющихся в зонах локального перегрева золы.
Разработанные режимные мероприятия и методы очистки топок и трубных пучков (установка лючков, обдувка паром и сжатым воздухом, применение генератора ударных волн и др.) на сегодня обеспечили и гарантируют стабильную работу, на подсолнечной лузге всех введенных котлов.
На основе ВНТ с двухсторонним воспламенением слоя, в ЗАО ПО «Бийскэнергомаш» освоено производство котлов КВ-1,86ВД (поставлено 8 шт.), работающих на древесных отходах, разработаны проекты котлов Е-6,5-1,4 ОГВ и Е-10-1,4 ОГВ с механизированной слоевой топкой ТШП-2,0.
Реконструкция котла ДКВр-10, «Энергия РК», г. Бердск, показала, что для сжигания сухих опилок и пыли шлифования вихревые топки не имеют альтернативы. Годовой экономический эффект 2320 тыс. руб.
Реконструкция котлов ЭЧМ-60 с применением технология ВНТ в районной котельной г. Междуреченска с отопительного сезона 1998/99 г. обеспечивает работу котлов без применения мазута, существенно снизила себестоимость тепла и стабилизировала ситуацию с теплоснабжением города. Котлы имеют устойчивый, высокоэффективный топочный процесс и используют местный Ольжерасский СС уголь. Реальная мощность котельной возросла ориентировочно в 1,5-1,8 раз, годовая экономия мазута до 5-7 тыс.т., подтвержденный экономический эффект 52,3 мил. руб/год.
Применение ВНТ для реконструкции котлов ДКВр-6,5-13, Е-1/9, ДКВр-10-13 и др. позволяет эффективно использовать водоугольное топливо.
В пятой главе рассмотрены теоретические модели и технологические/ схемы организации НТКС, дано их обоснование огневым моделированием.
Разработана модель, которая описала причину формирования потоков частиц и форму пузырей в НТКС с характерной кильватерной зоной, дополнительный приток газа в пузырь и его рост. Модель так же позволяет рассчитывать коэффициенты эффективной теплопроводности и диффузии в КС. Кроме того построена модель парной коалесценции, позволяющая детально рассчитать этот механизм роста пузырей, объяснить увеличение в 1,5...1,8 раз газообмена пузырей и ряд других экспериментальных фактов. Эти теоретические модели дополняют и расширяют модели кипящего слоя.
Получены теоретические соотношения для расчета долей кокса, сгорающего и уносимого из НТКС. На основе обобщения решений уравнений теплопроводности и диффузии разработан метод расчета распределения кон центраций угля, кислорода, уноса, тепловыделения и др. в НТКС, с учетом фракционного состава и возраста частиц топлива, тепловых и др. эффектов.
Исследовано образование уноса при сгорании углей в НТКС, показавшее наличие двух механизмов формирования механического недожога: первоначально из угля, осколков термического дробления и выплавлений витре-на образуется крупная фракция; далее унос образуется за счет истирания горящей поверхности кокса, это неизбежный мелкофракционный унос с плотностью потока (0,4-400)10-4 кг/м2хс в зависимости от типа угля.
Разработаны и обоснованы огневыми испытаниями технологические схемы НТКС с использованием для организации циркуляции частиц инерционного, гравитационного и типа «Торнадо» уловителей. Все схемы работоспособны. Близкой к идеальной является схема «Торнадо» со встроенными циклонами. В сравнении другими она обеспечивает понижение механического недожога в 8-12 раз: для угля 1СС недожог снижается до 3-6%, а на буром угле достигнуты его значения 0,8-1,5% при объёмном теплонапряжении 1— 3 МВт/м , т.е. на порядок большем, чем в топках камерных котлов.
В шестой главе путем опытного и численного моделирования изучены особенности аэродинамической обстановки в надслоевом объёме и элементах? топок НТКС. Выявлены следующие важные особенности аэродинамики:
- увеличение заполнения топки циркулирующими частицами приводит к качественному отличию аэродинамической обстановки НТКС от аэродинамики пылеугольных и слоевых топок;
- частицы интенсивно взаимодействуют, мелкие, уносимые газом, передают кинетическую энергию крупным и увлекают их, циркулирующие частицы, индуцируют вихревые течения особенно над наклонными стенками;
- рециркуляция улучшает перемешивание в НТКС, значительно улучшает дожигание горючих из возврата уноса, снижает средний размер частиц в плотном слое и повышает диапазон устойчивого псевдоожижения слоя.
Разработана схема организации аэродинамики в надслоевом объёме подачей вторичного дутья из участков набегания через сопла, в сторону застойных зон, усиливающая индуцированное частицами вихревое течение.
Разработаны, обоснованные путем моделирования, включая численное и освоены в производстве конструкции:
- встроенных уловителей циркулирующих частиц,
- аэромеханических клапанов питателей циркулирующих частиц,
- воздухораспределительных колпачков и решеток,
- технология растопки котлов;
На основе нормативного метода разработана методика инженерного расчета котлов с топками НТКС.
В седьмой главе исследовано промышленное применение НТКС. Топки НТКС, включая технологические схемы и их элементы, являются наиболее эффективной разработкой НИЦ ПО БЭМ. Они установленные более чем в 35 новых и реконструированных котлах с мощностью до 42т/ч, спроектированных с использованием разработанной методики инженерного расчета.
При участии автора по проектам НИЦ ПО БЭМ, ОАО БиКЗ и ЗОА ПО «Биискэнергомаш» организовано промышленное производство нового ко-тельно-топочного оборудования на ОАО БиКЗ и ОАО «Сибэнергомаш».
На основе НТКС были успешно проведены реконструкции котлов на сжигание бурых местных углей:
- КЕ-25-24 ПС в котельной Хорского гидролизного завода;
- ДКВр-16-13-250 ПС и ДКВр-10-13 ПС (2 шт.) Лесосибирского КЭЗ;
- КЕ-10-14 ПС АО «Стройзаказчик», г. Чита и МЖКХ, пос. Чегдомын;
- ДКВр-10-13 ПС Благовещенского завода строительных материалов;
- КВ-ТС-20-150ПС МЖКХ, г. Лесосибирск с использованием схемы организации вихревого движения подачей вторичного дутья.
Неохлаждаемые топки НТКС применены в утилизационных котельных. В ООО «Ванино-Тайрику» установлено два новых водогрейных котла КЕВ-4-115 ПС. Новый котел Е-10-14 Ф установлен в котельной ОАО «Тернейлес», пос. Пластун, Приморского края и два водогрейных КЕВ-6,5-115 ПС спроектированы для завода клееной древесины г. Томска.
Реконструкции котла ДКВр-10-13 ПС в котельной г. Дальнегорска, Амурской области и котла КЕ-20-16-320 ОГВ в котельной Пермского фанерного завода особенно эффективны, древесными отходами замещается мазут.
С использованием концепции в НИЦ ПО БЭМ в 1990-95 г выполнены проекты перевода на НТКС для П-образных котлов:
— БКЗ-220-100, Райчихинская ГРЭС, Райчихинский Б2;
— БКЗ-160-100, Павлодарская ГРЭС-2, Экибастузсский СС;
- БКЗ-75-40-440, Братская ТЭЦ-7, Канско-Ачинский Б2;
- БКЗ-50-40-440, Экибастузсская ТЭЦ-1, Экибастузсский СС.
По выполненным проектам для Экибастузсской ТЭЦ-1 и Павлодарской ГРЭС-2 ПО «Сибэнергомаш» изготовил и отгрузил элементы реконструкции.
Сейчас работы по реконструкции П-образных котлов возобновлены. В котельной «Теплоозерского» цементного завода реконструированы на НТКС котлы ТП-35У-40-440, и ТП-30-40-440. Для П-образных котлов особенно эффективна схема с организацией вихревого движения подачей вторичного дутья. Реконструированные котлы ТС-42-40-440 ст.№7 и ст.№8 Читинской ТЭЦ-2 обеспечивают повышение мощности на 20% и высокие технико-экономические показатели. Планируется реконструкция остальных котлов Читинской ТЭЦ-2 и котлов Первомайской ГРЭС.
С применением НТКС освоено производство котлов KB-1,6-95 КС, КЕ-25-14 ПС и КЕ-10-14 ПС. На основе двухэтажной компоновки выполнены проекты котлов НТКС повышенной мощности, до 16,6 кг/с (60 т/ч).
В заключении кратко обобщены, приведенные выше основные результаты диссертационной работы.
За полезные обсуждения и возможность плодотворной совместной работы по исследованию и практическому внедрению разработок, за помощь и сотрудничество автор выражает глубокую благодарность:
- доктору технических наук, профессору Баскакову А.П.;
- младшему научному сотруднику, Щуренко В.П., научному сотруднику, Лейкаму А.Э., директору, Сидорову A.M., зам. директора по науке, Скрябину А.А., и всему коллективу НИЦ ПО «Бийскэнерго-маш»;
- доктору технических наук, профессору Сеначину П.К.;
- главному конструктору, Шарапову М.А. и коллективу ЗАО ПО БЭМ;
- директору, Мурко В.И,, главному инженеру Федяеву В.И. и коллективу ГУП НЛП «Экотехника».
Горючие отходы и местные топлива
Характеристики некоторых из интересующих нас естественных биото-плив и отходов по опыту работы НИЦ ПО БЭМ и из других источников приведены в таблицах 1.1-1.6. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонентов: влаги и золы. На основе практического опыта Таннером предложено для определения границ горения использовать треугольник, рис. 1.1, с предельными значениями: горючих — более 25%, влаги — менее 50%, золы — менее 60% по массе. На рис. 1.1 зона автогенного горения заштрихована и в поле треугольника внесены данные, полученные НИЦ ПО БЭМ для некоторых горючих отходов.
Сухие отходы: стебли, лузга, солома, отходы столярного производства имеют низкую зольность, занимают в треугольнике Таннера нижний правый угол. Это идеальное естественное биотопливо с калорийностью 19— 15 МДж/кг. Организованное сжигание таких отходов не сопровождается эмиссией метана, не создает в атмосфере парникового эффекта и поэтому предпочтительнее гниения. Выход летучих большой, - 70-95%, поэтому сухие растительные отходы легко сгорают, но они взрыво- и пожароопасны.
Нагрев позволяет на 75-85% перевести их в горючие газы, а при минимальной подачей дутья можно достичь полной газификации. Инициирование и поддержание горения, например, при перебоях в топливоподаче облегчены. Растительные отходы имеют сравнительно стабильные характеристики по сухой и горючей массе. Лузга и стебли (солома) различных типов злаков и трав близки к древесине по своим теплотехническим характеристикам. Отклонения последних зачастую наблюдаются не столько между различными растениями, а возможно внутри одного типа, в зависимости от места произрастания, условий уборки, хранения и переработки (перепревание, гниение).
По анализам НИЦ ПО БЭМ, например, табл. 1.1, характеристики лузги подсолнечника заметно меняются даже для одного завода (ОАО «Чишмин-ское») в течение суток. Ещё больший их разброс имеется для различных типов отходов, табл. 1.2 и 1.3. Нормативный метод [5] данных для подсолнечной лузги не содержат. В качестве расчетного состава топлива были приняты осредненные по большой выборке данные технических анализов, табл. 1.4.
Следует отметить, что при стандартном анализе и рассмотрении свойств лузги только как топлива не учитываются её специфические свойства. Например, на маслозаводах может контролироваться масляничность лузги. Она предопределяет выход смол и широко меняется (5-15% по массе).
Наибольшее количество растительных отходов сосредоточено в сельском хозяйстве (солома и стебли) и на предприятиях переработки зерна: овсяная и гречневая лузга на элеваторах, подсолнечная лузга на маслозаводах. Наряду с древесиной их можно рассматривать как биотоплива. В качестве топлива солома используется в Дании. Например, на ТЭЦ в Энстеде с 1998 г. сжигается в год около 120 тыс. т соломы и 30 тыс. т щепы.
При организации сжигания сухих растительных отходов возникают затруднения, они имеют интенсивный вынос из топки легких горящих частиц. Главная проблема в удержании мелких частиц (лузги) и по имеющемуся опыту здесь наиболее эффективны циклонные и вихревые топки. Кроме того, малый объёмный вес (например, насыпная плотность подсолнечной лузги 122 кг/м ) затрудняет накопление и транспортировку больших объёмных расходов топлива, не благоприятными могут быть и свойства золы. «
Древесные отходы на сегодня имеют наибольшую долю среди биотоп-лив. Они образуются при заготовке и первичной переработке древесины (около 60% общего объёма). Отходы лесозаготовки и рубок ухода могут перерабатываться в щепу непосредственно в лесосеках [4]. Сейчас Россия, с её огромными запасами лесов рассматривается западными экспертами как основной поставщик на рынке биотоплива.
Свежие древесные отходы отличаются от отходов переработки зерна (лузги, соломы и др.) повышенной влажностью и в некоторых модификациях они могут находиться вне пределов заштрихованной зоны треугольника Тан-нера, (рис. 1.1). Сюда относится и лигнин гидролизного производства, образующийся из щепы, он так же характеризуется крупнотоннажным выходом.
Влажность в свежих стволах хвойных деревьев составляет 50-55% и около 45% в лиственных. Влажность свежей щепы и корьевых отходов может даже превышать 55%. Низшая теплота сгорания сухого вещества древесины составляет 19,4 МДж/кг для березы, 19,0 МДж/кг для ели, 19,4 МДж/кг для сосны, 18,5 МДж/кг для ольхи и 18,4 МДж/кг для осины. Теплота сгорания щепы, из верхушек и ветвей деревьев может быть ниже 6 МДж/кг.
При расчете бункеров важно знать объёмный вес биотоплив. Для березовой щепы он равен 200-400 кг/м3, еловой 160-320 кг/м3кг, сосновой 175-350 кг/м . В среднем принимают объемный вес щепы 200-250 кг/м , влажность 30-45%), теплоту сгорания 12,8-10 МДж/кг и =85%.
Древесные брикеты и гранулы, как биотопливо с высокими экологическими и энергетическими характеристиками, сейчас рассматриваются в варианте замены жидкого топлива и даже газа. Они находят всё большее применение для индивидуального отопления в странах Европы [4].
Схемы с термоконтактной сушкой
Система регулируемой термоконтактной переработки топлива по изобретению [39] приведена на рис.2.1. В термоконтактной камере 5 уголь, дозирующийся питателем 19 из бункера 20, прогревается, сушится и при необходимости подвергается пиролизу за счет тепла частиц. Далее через разделительную стенку 1 по патрубку 2 с помощью эжектора 12 топливо и частицы подаются в зону плотного кипящего слоя камеры сгорания 3. Здесь топливо выгорает в потоке воздуха, который подается вентилятором 2/ по воздуховоду 13 через воздухораспределительную решетку 14, эжектор 12 и горелки 7 и 18. Скорость газов обеспечивает вынос частиц из слоя, которые сначала сепарируются в сборник 8 частиц из расширения 4 в надслоевой зоне и затем, проходя во второй уловитель 6, оседают в сборнике 9 уноса. Далее частицы в зависимости от положения переключателей 10 w 11 поступают либо в зону кипящего слоя камеры сгорания 3, либо в термоконтактную камеру 5.
Таким образом, переключателями можно менять температурный режим и глубину термоконтактной переработки топлив (сушка или пиролиз) для различных сортов топлив. Перемешивание горячих частиц и топлива в термоконтактных камерах 5 осуществляется в режиме псевдоожижения частиц парами влаги и газами пиролиза, которые выделяются из топлива.
При использовании влажных топлив в термоконтактной камере 5 производится сушка. Выделяющиеся пары влаги топлива поступают после очистки в пылеуловителях 15 в теплофикационный подогреватель 16. Здесь они конденсируются с полезным использованием теплоты. Сбросная горелка 18 по каналу 17 возвращает газообразные примеси в камеру сгорания 3. При использовании топлив с малой влажностью термоконтактная камера 5 используется для пиролиза топлива. Продукты пиролиза (пары влаги и горючие газы) после очистки в пылеуловителях 15 направляются потребителю или непосредственно из термоконтактной камеры 5 отсасываются пото 66 ком вторичного воздуха через сбросные горелки 7 и 18 и сжигаются в камере сгорания отдельно от кокса. На рис.2.2 изображена технологическая схема подготовки топлива по изобретению [40]. Система содержит бункер 7 сырого угля с питателем 2, подключенным к сушилке 3 кипящего слоя, топку 4 кипящего слоя и пароот-водящий тракт 5 с пылеуловителем 6, вентилятором 7 и подогревателем 8. Сушилка 3 встроена в топку 4 и отделена от нее стенками 77, имеющими окна 12 и 13, образующие между кипящими слоями 14 и 15 сушилки 3 и топки 4 внутренний циркуляционный контур инертного материала. Окна 12, соединяющие сушилку 3 с топкой 4, снабжены шнеками 16. Газораспределительные решетки 17 и 18 сушилки 3 и топки 4 размещены в одной плоскости. Газовый короб 19 сушилки 3 отделен от воздушного короба 20 топки 4 перегородкой 21. Короб 20 топки 4 снабжен патрубком 22 подвода воздуха. Пароотводящий тракт 5 до пылеуловителя б подключен к выходу сушилки 3, а после подогревателя 8 к газовому коробу 19 сушилки 3 с образованием контура рециркуляции и имеет штуцеры 23 и 24 с запорными органами 25 и 26 для отвода конденсата и неконденсирующихся газов. Решетка 75 топки 4 имеет вывод золы и шлака. Решетки 17 YL 18 могут быть выполнены с направленным дутьем по контуру движения инертного материала. В сушилку 3 кипящего слоя из бункера 7 сырого угля питателем 2 подается топливо, а из топки 4 поступает горячий инертный материал. Здесь они перемешиваются потоком циркулирующих паров воды, которые играют роль псевдоожижающего агента и подаются вентилятором 7. Влага топлива испаряется за счет физического тепла горячего инертного материала. Использование в качестве псевдоожижающего агента паров воды снижает взрывоопасность системы. Парциальное давление паров при этом близко к атмосферному и их можно легко сконденсировать в подогревателе 8 при температуре около 373 К и с полезным использованием тепла. Топливо после сушки совместно с инертным материалом подается шнеками 16 в топку 4. Циркуляция инертного материала слоя осуществляет 67 ся за счет направленного дутья на газораспределительных решетках 17 и 18 по контуру топка — сушилка — топка и регулируется шнеками 16. На рис.2.3 изображена одна из первых предложенных разомкнутых технологических схем по изобретению [41] для сушки топлива. Система содержит топку 1 НТКС, питатель частиц 2, линию 3 возврата смеси частиц и топлива, питатель 5 угля, сушилку 4, конденсатор паров 6 и тракт 7 удаления неконденсирующихся газов. Термоконтактная сушилка 4 выполнена с механическим перемешиванием материала, а конденсатор 6 паров влаги топлива в виде охлаждаемого скруббера. Процесс сушки идет благодаря контакту насадки и сырого топлива в сушилке 4. На рис.2.4 приведена обобщающая схема термоконтактной сушки по изобретению [42], пригодная для котельного агрегата с любым способом сжигания благодаря использованию промежуточного теплоносителя. Система работает следующим образом. Горячий твердый теплоноситель из секции подогревателя 8 и топливо из бункера 1 сырого угля ссыпаются в смесительную сушилку 2. Здесь топливо высушивается при прямом контакте и механическом перемешивании с твердым теплоносителем. Получаемые пары воды по трубопроводу 3 отводятся в конденсатор 11. Неконденсирующиеся газы и вынесенная из смесительной сушилки 2 пыль непрерывно отсасываются и сбрасываются в котел. Для вентиляции размольного устройства 4 и транспорта угольной пыли по пылепроводу 5 в горелки 6 и для снижения взрывоопасное используются дымовые газы, подаваемые по газоходам 22. Греющие дымовые газы подаются в подогреватель 8 из котла 7. Одновременно при контакте дымовых газов и смоченного в оросителе 13 раствором серопоглотителя твердого теплоносителя в подогревателе 8 происходит поглощение окислов серы. Кроме того, в секциях 15 и 16 подогревателя 8 может подогреваться воздух. Твердый теплоноситель непрерывно циркулирует и переносит тепло по контуру сушилка 2, устройство 12 разделения сухого угля и теплоносителя, транспортер 9 и подогреватель 8. Все эти схемы [39-42] имеют такие важные положительные свойства: - по парам влаги схемы разомкнуты, т.е. влага не снижает температуру горения и не балластирует дымоходы и не перегружает дымососы; - по не конденсирующимся газам схемы замкнуты, т.е. эти газы и пыль возвращаются в топку и не загрязняют окружающую среду; - концентрированные, пары позволяют эффективно использовать теплоту влаги топлива при высокой температуре (около 373-333 К вместо 313-303 К в конденсационных схемах на отходящих газах); - схемы повышают устойчивость топочного процесса, делают схемы сжигания универсальным по топливам и позволяют с высокой эффективностью сухой массы сжигать переувлажненные топлива и отходы.
Организация сжигания растительных отходов
Для сжигания древесных отходов ОАО БиКЗ кроме котлов ДКВр с топками Померанцева и Шершнева производит многотопливные котлы КЕ-МТ. Их топки требуют подсветки газом (мазутом), не пригодны для сжигания опилок, лузги и др. топлив с легкими парусными частицами. Котлы имеют высокую компоновку и повышенные затраты на строительство котельной.
Большой вынос недогоревших частиц и забивание котельных пучков золой не дало возможности сжигания подсолнечной лузги и в реконструированных слоевых котлах. Например, реконструированные на сжигание лузги подсолнечника котлы ДКВр20-13-250 быстро вышли из строя [52], т.к. котельный пучок и экономайзер забились прочными отложениями золы.
На Лабинском маслоэкстрактном заводе удовлетворительно работал котел фирмы Киллер паропроизводительностью 6,5 т/ч. Топка котла факель-но-слоевая, котельный пучок коридорного типа и сильно разрежен: продольный шаг 120 мм, поперечный — 130 мм, диаметр труб 63 мм. Экономайзера нет. Ежемесячная очистка от отложений золы вручную, облегчена за счет большого шага труб. Теплонапряжение топки и паропроизводительность в работающих на лузге подсолнечника котлах понижены в 2-3 раза. В целом, по результатам обследований [52, 34] работы котлов, сжигающих лузгу и растительные отходы, можно сделать следующие выводы: - на сегодня нет серийно изготавливаемых котлов и топок для эффективного сжигания лузги, растительных и др. измельченных отходов; - перерабатывающие заводы экономически заинтересованы в применении новых высокоэффективных котлов, так как имеют значительные затраты на приобретение топлива, на вывоз и штрафы за содержание отходов; - возможно образование мощных отложений, препятствующих работе котла, особенно на подсолнечной лузге, т.к. её зола имеет очень высокий показатель шлакуемости, определяемый по американской методике ASTM [52]; - подсолнечная лузга может удовлетворительно сжигаться в факельно-слоевых и шахтных топках при 1,5-3 кратном снижении мощности котлов, но большой вынос и накопление в дымоходах недогоревших зёрен и лузги повышает пожароопасность котельных установок; - чугунные экономайзеры при сжигании подсолнечной лузги быстрого забиваются золой, рекомендуется их замена на стальные, типа БВЭС. В главе 1 для сжигания мелких парусных частиц (лузги и др.) предложено использовать вихревые низкотемпературные топки (ВНТ), вписываемые в профиль топочного объема котла с использованием его элементов и топочного объёма для аэродинамического удержания частиц.
Предложенные топки пригодны для установки в котлах малой и средней мощности, благодаря тому, что за счет установки пережима на выходе имеют четко выраженный циклонный эффект. ВНТ позволяют: - удерживать частицы топлива и кокса в виде вращающегося слоя и обеспечивают устойчивое горение и экономичность топочного процесса; - за счет охлаждающих поверхностей топки, рециркуляции частиц через вынесенный теплообменник, двухступенчатой или избыточной подачи дутья и рециркуляции дымовых газов обеспечить низкотемпературное сжигание; - низкотемпературное сжигание в свою очередь обеспечивает низкую возгонку минеральной части золы, предупреждает образование её отложений, снижает выбросы оксидов серы и эмиссию оксидов азота.
Низкотемпературный топочный процесс можно реализовать различными способами. Поддержание низкого уровня температур &кс можно обеспе 97 чить охлаждением камеры сгорания топочными экранами и поверхностями нагрева котла. Наличие вихревого потока и заполнение камеры частицами интенсифицирует лучистый и конвективный теплообмен. Тепловые расчеты показали, что при выделении вихревой топки в одной половине топочного объёма котлов КЕ-4, ДКВр-4, КЕ-6,5, ДКВр-6,5 и КЕ-10, т.е. с использованием половины экранированной части топок этих котлов, низкотемпературный топочный процесс с температурой t9KC 1000—1300 К можно обеспечить при избытках воздуха яг/=1,5—1,8. При использовании полностью экранированной вихревой топки в котлах КЕ этот уровень температур можно иметь уже при оптимальных избытках воздуха «/=1,1-1,2.
Низкотемпературный топочный процесс можно обеспечить и в неох-лаждаемой вихревой камере сгорания с выносом избыточного тепла: - подачей избыточного воздуха, - рециркуляцией дымовых газов, - рециркуляции частиц через вынесенный теплообменник. - продуктами пиролиза и газификации лузги (с последующим дожиганием горючих газов в охлаждаемой камере), - комбинацией этих способов. Температура в камере сгорания &кс определяется уравнением теплового баланса. В неохлаждаемой камере сгорания она выражается через теоретические энтальпии воздуха Гв дымовых газов Гг, золы, коэффициенты избытка воздуха а, долю рециркуляции дымовых газов г и температуры потоков на входе в камеру сгорания.
По расчетам температура #,«=1173 К в ВНТ топке обеспечивается при подаче дутья с избытком воздуха «=2,74, что приводит примерно к двукратному увеличению потерь с уходящими газами. Экономичная схема с рециркуляцией дымовых газов (температура #р=673 К, избытки воздуха акс-\,2 и (%=1,4) обеспечивает температуру i9w=1173 К при доле рециркуляции дымовых газов г=1. Схема поддержания уровня температур #,«=1173 К рецирку 98 ляцией частиц требует потока с расходом 15 кг золы на 1 кг лузги. Принципиально эти схемы осуществимы, но из-за малой зольности потребуется подача частиц инертного заполнителя (мелкий известняк, песок).
Организация сжигания с глубокой газификацией лузги и охлаждением горящего кокса рециркуляцией дымовых газов в принципе так же осуществима. Например, в режиме полного выхода летучих ( - =78%) для сжигания остаточного кокса (углерода), (7 =22% на горючую или 7=17,84% на рабочую массу с избытками воздуха по коксу «„=1,25 нужно подать [5] VeK=aK 0,0889(7"= 1,98 нм3/кг, или около половины теоретического объёма воздуха, а 0,5. Температуру на уровне «9 =1173 К можно обеспечить, снимая избыточное тепло подачей пара или рециркуляцией дымовых газов. Оценочно доля рециркуляции г=0,8 (при &р=в1Ъ К, и #/=1,25) и не вызовет затруднений.
По закону Аррениуса скорость горения и выделяющаяся тепловая мощность резко падают со снижением температуры и низкотемпературное горение в принципе не стабильно. Возможность установления низкотемпературного топочного процесса технологически должно предполагать наличие надежного механизма стабилизации горения. Например, в НТВ схемах [23-25] горячие продукты горения направляют в корень факела и этим обеспечивают его надежное воспламенение при сравнительно низкой температуре.
Поведение золы лузги при её сжигании
Зольность растительных отходов минимальна, но её наличие является серьёзным препятствием при внедрении утилизирующих котлов. Это видно на фотографиях элементов котла КЕ-10-14 ОГВ и отложений, полученных при одновременном сжигании газа и подсолнечной лузги, рис.4.11-4.15. На рис.4.11 показаны наиболее мощные, прочные отложения, формирующиеся в первом котельном пучке. Толщина слоя этих жестких, хотя и хрупких отложений достигает 25-12 мм. Отложения на экранах и стенках топки так же значительны.4.12. Отложения в вихревой топке, рис.4.13, проплавлены и располагаются в зоне аэродинамической тени, вдали от эжектора подачи лузги. Типично проблемы отложений возникают из-за большого содержания в золах соединений щелочных металлов. Оставаясь в золе и находясь при высоких температурах или в зонах локального перегрева, соединения легких щелочных металлов подвергаются возгонке в первую очередь. Согласно [73] при 1273 К улетучивается (возгоняется) до 40% натрия и 20% калия.
По данным НПО ЦКТИ [52] и совместным анализам с НПО «Алтай» (г. Бийск) зола подсолнечной лузги содержат много соединений щелочных металлов, особенно калия, таблица 4.2. Т.к. зола лузги образуется из оболочек растительных клеток, она мягкая и очень хрупкая. Зола, таблица 4.3, на 96,8% мельче 20 мкм и теоретически не должна ни где осаждаться.
Практически же, зола лузги в ходе топочного процесса претерпевает существенные изменения и укрупняется. Это видно и при сравнении по таблицам 4.3 и 4.4 фракционного состава исходной золы и отложений в котле. Средний размер частиц золы в топке, R=50%, около 315 мкм, в пароперегревателе и котельных пучках (КП) 2000-1200 мкм и в циклоне около 57 мкм. Наблюдается интенсивное слипание и укрупнение частиц золы, причем существенные изменения касаются не только фракционного состава. В таблице 4.5 приведены результаты более глубокого анализа проб отобранных из котла КЕ-10-14 ОГВ, рис.4.11-4.15. На анализ были отобраны отложения золы по ходу дымовых газов: с пода топки — 1, с неэкранированной стенки топки — 2, с пода камеры дожигания — 3, с экранов топки — 4, из первого котельного пучка (КП-1) — 5, из третьего котельного пучка (КП-3) — 6 и из экономайзера — 7. Пробы отложений (кроме проб №1 и №2 сформированных при высоких температурах) при действии соляной кислоты бурно вскипали из-за наличия карбонатов. Для анализа растворимых соединений пробы были обработаны горячей водой 1:100 и отфильтрованы. Осадки после фильтрования были высушены и обработаны соляной кислотой. По-прежнему, наблюдалось вскипание, свидетельствующее о наличии нерастворимых в воде карбонатов. Все пробы имели щелочную реакцию. В фильтрате были определены ионы: Са2+, Mg2+, Na+, К+, Fe3+, ОН", СІ", НС03\ С032 , S042\
Из анализов видно, таблица 4.5, рис.4.16, что влияние высокотемпературной обработки золы наиболее ярко проявляется на миграцию и содержа-ние калия К и карбонатов С03 . В горячих зонах содержание калия и карбонатов в отложениях мало, а рядом на экранах топки, которые окружают зону горения, их содержание максимально. Образование отложений имеет конденсационный механизм формирования их из возгонов.
Таким образом, в топке осуществляется перенос калия, карбонатов и др. из раскаленных частиц золы в холодные зоны. Перенос возрастает при включении газовой горелки, когда температура в зоне горения увеличивается с 1073-1223 К до 1373-1573 К. Опыт эксплуатации котла КЕ-10-14 ОГВ при совместном с газом и отдельном сжигании лузги наглядно показывает существенное влияние локального перегрева золы в ядра факела газовой горелки.
В структуре отложений, непосредственно на трубах, есть тонкий рыхлый, непрочный слой первичных отложений. Этот тип отложений имеется на всех трубах. В зоне высоких температур, со стороны набегания потока, над ним формируется слой плотных отложений. Формирование плотных жестких отложений происходит только в высокотемпературных зонах (на первых рядах труб за топкой) при сепарации липких частиц из потока, рис.4.11. При повышении температуры, процесс обретает лавинообразный характер.
Обрушаясь, эти корообразные отложения заполняют газоходы. Именно они препятствуют внедрения утилизирующих котлов. Очистка отложений первого котельного пучка и экранов топки генератором ударных волн на работающем котле оказалась малоэффективной. Эти отложения содержат стекловидные расплавленные включения, при прохождении ударных волн они еще сильнее уплотняются. Здесь более эффективна очистка от прочных отложений сжатым воздухом, рис.4.14. В зоне низких температур в котле и экономайзере, отложения рыхлые, легко удаляемые. Эти отложения образуются с обеих сторон труб, рис.4.15, они стабилизируются по толщине и выносятся естественным образом. Отказ от совместного сжигания лузги с газом и поддержание низкотемпературного топочного процесса во всех зонах топки, а так же разработанные режимные мероприятия и методы очистки топок и трубных пучков (установка лючков золоудаления, паровая обдувка, обдувка сжатым воздухом, рис.4.14, применение генератора ударных волн и др.) на сегодня обеспечили стабильную работу всех котлов на подсолнечной лузге. Совместное сжигание лузги с углем в котлах КЕ-4-14 ОСВ, рис.4.6, не вызывает проблем.
