Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологий и устройств для сжигания мелкозернистого угля во взвешенном и псевдоожиженном слоях 11
1.1 Сжигание мелкозернистого топлива в аэрофонтанных топках 11
1.2 Сжигание мелкозернистых углей в топках с псевдоожиженным (кипящим) слоем 19
1.2.1 Сжигание в низкотемпературном псевдоожиженном слое 19
1.2.2 Сжигание мелкозернистого угля в высокотемпературном псевдоожиженном слое 40
1.3 О влиянии входного (дутьевого) воздухораспределения на движение частиц и горение мелкозернистого угля в псевдоожиженном (кипящем) слое 64
1.4 Выводы и постановка задачи исследования 75
2. Теоретическое исследование процессов псевдоожижения полидисперсных слоев низкосортного твердого топлива с применением неравномерного входного воздухораспределения 77
2.1 Обоснование выбора конструкции экспериментальной установки 77
2.2 Вывод критериального уравнения для определения минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя антрацитового штыба 81
2.3 Методика расчета узла ввода дутьевого воздуха с кипящим слоем 86
2.4 Экспериментальные исследования процесса псевдоожижения полидисперсных слоев антрацитового штыба 91
2.4.1 Методика экспериментальных исследований 91
2.4.2 Обработка результатов испытаний 96
3. Исследование процесса горения низкосортных углей в топке, оборудованной разработанным узлом ввода дутьевого воздуха 100
3.1 Результаты исследования фракционного состава сжигаемых углей, а также их некоторых физико-химических характеристик 100
3.2 Результаты исследования горения углей АР и Д в кипящем слое при неравномерном входном воздухораспределении 102
3.2.1 Результаты исследования потерь теплоты при сжигании углей АР и Д в кипящем слое при неравномерном входном воздухораспределении 107
3.3 Экологические аспекты сжигания мелкозернистого топлива в высокотемпературном кипящем слое при неравномерном входном воздухораспределении 118
4. Апробация результатов исследований и предложенной конструкции узла воздухоподачи на промышленном водогрейном котле 124
5. Основные выводы 132
6. Список используемой литературы 133
- Сжигание мелкозернистых углей в топках с псевдоожиженным (кипящим) слоем
- О влиянии входного (дутьевого) воздухораспределения на движение частиц и горение мелкозернистого угля в псевдоожиженном (кипящем) слое
- Вывод критериального уравнения для определения минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя антрацитового штыба
- Результаты исследования горения углей АР и Д в кипящем слое при неравномерном входном воздухораспределении
Введение к работе
Рост цен на природный газ и мазут делает актуальным поиск путей эффективного использования таких видов относительно дешевого топлива, как низкосортные рядовые угли и штыбы. Приватизация и дробление предприятий, занимающихся термической переработкой и утилизацией отходов химической промышленности, также обуславливает интерес к разработке высокоэффективных конструкций топок нагревательных устройств малотоннажных химических производств. В этих топках должна быть предусмотрена возможность сжигания низкосортных рядовых каменных, бурых углей, рядовых антрацитов, а также штыбов и других углесодержащих отходов (например, отходов производства сульфоугля). Так, ГУП НПО «Гидротрубопровод» разработано топочное устройство мощностью 2 МВт для сжигания отходов сульфоугля в низкотемпературном кипящем слое и производства горячих газов в установке для сушки фосфогипсовых плит на предприятии «Эривелт» (г. Воскресенск, Московская область), использующего в качестве сырья отходы местного химкомбината. Интерес к сжиганию низкосортных углей, штыбов, углесодержащих отходов проявляется также в современной промышленной и коммунальной энергетике, на котельные которых по данным Института народного хозяйства Российской академии наук приходится более 70 % вырабатываемой в стране тепловой энергии. Большинство этих котельных полностью выработало свои ресурс или в 1,5-2 раза превысило его и находятся в критическом состоянии.
Если не принимать экстренных мер, то в связи с ростом числа аварий в системах отопления, электроснабжения, водопровода и канализации, их критическое состояние перерастет в катастрофическое в ближайшие 3-М- года.
Поэтому актуальной задачей является модернизация и обновление основных фондов промышленной и коммунальной энергетики, в т.ч. установка нового котельного оборудования с топочными устройствами, позволяющими эффективно сжигать угли, особенно более дешевые рядовые угли и штыбы, так как действующее в коммунальной энергетике топочное оборудование не удовлетворяет потребителей ни по экономическим, ни по экологическим показателям.
Известно, что использование техники псевдоожижения является одним из путей интенсификации процесса сжигания мелкозернистых углей. Причем применительно к сжиганию процесс псевдоожижения мелкозернистого угля нельзя рассматривать как чисто гидродинамический. С одной стороны, интенсивность и эффективность процесса горения такого вида топлива определяется параметрами, характеризующими псевдоожиженный слой (порозность, число псевдоожижения и т.п.), а также аппаратурным оформлением процесса окисления углерода топлива кислородом дутьевого воздуха, в том числе с учетом экологической безопасности. С другой стороны, процесс горения достаточно существенно влияет на характеристики псевдоожиженного слоя, так как изменяется гранулометрический состав топлива, распределение частиц топлива по зонам слоя и т.п. Таким образом, рассматриваемая проблема должна изучаться на стыке двух дисциплин: ((Процессы и аппараты химических технологий» и «Промышленная теплоэнергетика», что и предпринято в настоящем исследовании.
Целью работы явилось снижение стоимости вырабатываемого тепла за счет повышения эффективности использования рядовых углей и штыбов при сжигании их в топках печей и котлов малой мощности, применяемых в химической и смежных отраслях промышленности.
Анализ литературных данных показал, что существующие технологии сжигания мелкозернистого твердого топлива (рядовых углей, штыбов) применительно к отопительным котельным мощностью 1 2 МВт не отвечают поставленной цели из-за сложности котельного оборудования, его громоздкости, высокой стоимости, низкой надежности. При этом, реализация наиболее подходящей технологии - сжигания в высокотемпературном кипящем слое - сопровождается большими потерями топлива с уносом и с выгружаемым из топки шлаком, что резко снижает КПД печей, котлов и других термических установок, в которых данная технология сжигания применяется. В то же время, в литературе имеются сведения о том, что подобные негативные явления могут быть связаны с перераспределением газовых потоков в кипящем слое, образованием в слое зон локальной циркуляции, в которых и происходит вынос несгоревшего топлива в надслоевое пространство и в шлаковый бункер топки. В литературе также имеются сведения о том, что ликвидировать зоны локальной циркуляции, снизить потери топлива с уносом и с проскоком в шлаковый бункер возможно за счет применения неравномерного входного воздухораспределения, когда псевдоожижающий воздух с большей скоростью подается, например, в центральную, а с меньшей скоростью в периферийную часть слоя.
Однако в литературе отсутствуют фактические данные о вышеуказанном положительном влиянии неравномерного входного воздухораспределения на эффективность сжигания мелкозернистого твердого топлива, нет данных о результатах испытаний топок, оборудованных таким воздухораспределением, в том числе, и об экологических характеристиках работы таких топок. В литературе также отсутствуют зависимости для определения минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя антрацитового штыба, необходимые для расчета топочных устройств для сжигания штыбов и рядовых углей, имеющих высокое содержание мелкой фракции (от 0 до б мм).
На защиту выносятся:
- полученное автором критериальное уравнение для определения минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя антрацитового штыба;
- конструкция узла воздухоподачи, формирующего неравномерное воздухораспределение на входе в слой топлива;
полученные автором экспериментальные данные о влиянии неравномерного входного воздухораспределения на сжигание двух представительных углей - низкореакционного рядового антрацита и высокореакционного длиннопламенного угля класса «отсев»; - результаты апробации результатов исследования на промышленном водогрейном котле теплопроизводительностью до 1 МВт.
Результаты исследования использованы при разработке водогрейных котлов теплопроизводительностью до 1 МВт, мелкосерийное производство которых организовано на ЗАО «Тамбов — Союзпроммонтаж» (г. Тамбов), ЗАО СМНУ «Воскресенское» (г. Воскресенск, Московской области), ООО «Завод КОНОРД», (г. Ростов-на-Дону). Применение таких котлов создает экономический эффект за счет повышения КПД при сжигании рядовых углей и штыбов, а также за счет замены дорогостоящих видов топлива (сортовые угли, жидкое топливо). Так, по данным Муниципального унитарного предприятия «Управление коммунальных котельных и тепловых сетей» г.Гуково (Ростовская область), экономический эффект от применения котлов, в которых использовано неравномерное входное распределение дутьевого воздуха, и замены антрацита класса «семечко» на антрацитовый штыб, составляет 173 тыс. руб./год (в ценах 2003г.) на один котел.
Работа над диссертацией проводилась в Тамбовском государственном техническом университете.
Настоящая работа по исследованию влияния неравномерного входного воздухораспределения на эффективность горения низкосортного твердого топлива в топках печей и котлов с псевдоожиженным слоем является законченной самостоятельной составной частью комплекса исследований, проводимых под руководством к.т.н., доцента С.Н. Кузьмина и при участии к.т.н. Р.Л. Исьемина. Всем им, а также профессору Н.Б Кондукову, профессору А.П. Акользину, инженерам В.В. Коняхину и А.В. Михалеву, профессору Н.П. Жукову и коллективу кафедры «Гидравлика и теплотехника» ТГТУ автор выражает благодарность за помощь в работе.
Сжигание мелкозернистых углей в топках с псевдоожиженным (кипящим) слоем
Технология сжигания мелкозернистого угля в низкотемпературном кипящем слое (800- 900С) является одним из перспективных направлений использования топлива в энергетике и смежных отраслях промышленности. Помимо улучшения эксплуатационных характеристик печей и котлов, повышения КПД горения низкосортных топлив и снижения вредных выбросов в атмосферу оксидов серы и азота, сжигание в низкотемпературном кипящем слое можно рассматривать, как универсальный способ использования различных видов твердого топлива, включая горючие отходы промышленных производств. Вопросам сжигания низкосортного твердого топлива в низкотемпературном кипящем слое посвящена обширная библиография, как отечественная, так и зарубежная, например, [4, 5, 6]. Остановим свое внимание на проблеме применения техники сжигания в низкотемпературном кипящем слое низкосортного твердого топлива в котлах отечественного производства.
Технология сжигания мелкозернистых углей в низкотемпературном кипящем слое применяется, как при создании нового, так и при реконструкции ранее действующего печного и котельного оборудования.
Например, эстонскими специалистами были реконструированы котлы типа «Универсал-6» с тепловой мощностью 0,3 МВт и Е-1,0-9Р-2 с тепловой мощностью 0,6 МВт [2]. Водогрейный чугунный секционный котел «Универсал-6» предназначен для сжигания антрацита и бурого угля. Котел паровой Е-1,0-9Р-2 принадлежит к типу вертикально-водотрубных двухбарабанных котлов с естественной циркуляцией и рассчитан для работы на твердом топливе (уголь марок AM и АС).
Основные новые узлы при реконструкции топок следующие: система подачи топлива 2, 4; колпачковая решетка с коробкой воздуха 5; элемент теплообмена, окружающий кипящий слой 3; система пневмозолоудаления 6; система рециркуляции летучего кокса 7 и золоуловитель, который помещается в тракте уходящих топочных газов перед дымовой трубой. Для подачи воздуха в кипящий слой используются высоконапорные вентиляторы. Инертным наполнителем кипящего слоя является песок.
На реконструированном котле «Универсал-6» была проведена серия опытов по сжиганию различных углей в кипящем слое. Основные результаты опытов представлены в табл. 1.2. Видно, что КПД котла 77 -80 % (без рециркуляции мелкого кокса), кажущаяся тепловая нагрузка решетки 0,8-4,3 МВт/м ; расчетная скорость газов в кипящем слое 1,37-5-1,50 м/с; температура в кипящем слое 815-Н)10С; температура уходящих газов 130-И40С и коэффициент расхода воздуха 1,45- 1,80.
Надо отметить, что опыты по сжиганию низкосортного угля (много мелких фракций в топливе) в топке котла «Универсал-6» перед реконструкцией показали, что в лучшем случае КПД котла достигал 55 %. Увеличению КПД котла (на 22 -25 %) способствовали стабилизация процесса сжигания за счет равномерной подачи топлива, уменьшение механического недожога и понижение температуры уходящих газов.
На котле Е-1,0-9Р-2 также были получены положительные результаты, причем использование системы рециркуляции уноса позволило дополнительно увеличить КПД котла на 3- 6 %.
Однако обращает на себя внимание значительное усложнение системы топливоподачи на котлах (ранее уголь подавался вручную), увеличение габаритов котельной установки и необходимость предварительного помола топлива перед сжиганием, чтобы его можно было подавать в топку пневмотранспортом.
УкрНИИинжпроектом Минжилкомхоза Украины были проведены работы по переводу котлов типа НИИСТУ-5 на сжигание твердого топлива в топках кипящего слоя [7, 8, 9]. На рис. 1.6 представлена реконструированная топка с кипящим слоем котла НИИСТУ-5. Топочная камера, футерованная огнеупорным кирпичом, имеет прямоугольное сечение 0,55x1,24 м в плане. В состав топки входят: воздухораспределительная решетка 1, изготовленная из труб диаметром 108мм, на которых установлены колпачки с шагом 110 мм; в колпачках просверлены 8 отверстий диаметром 7 мм; теплообменник 2, предназначенный для отбора теплоты из слоя; шнековый питатель с мотором-редуктором 3, обеспечивающий подачу топлива в топку котла; устройство для накопления и удаления золы 4; винтовой конвейер 5; горелка растопочная 6.
В топке кипящего слоя сжигался антрацитовый штыб Донецкого бассейна центральных обогатительных фабрик «Киселевская», «Снежнянская», «Торезе кая» класса О-Ї-6 ММ, зольностью 32-И4 %. Розжиг топки кипящего слоя производился соляровым маслом. В качестве первоначальной инертной засыпки использовался речной песок фракции 0,5-т-Імм. При достижении температуры в слое 380+400С вручную забрасывался газовый уголь фракции 1ч-13 мм. При достижении температуры слоя 750-п780С включалось устройство подачи твердого топлива, отключался насос подачи жидкого топлива и регулированием подачи твердого топлива процесс горения выводился на расчетный режим.
Высота слоя составляла не более 200 мм - при нагрузке котла менее 50 % от нагрузки номинальной. Увеличение теплопроизводительности котла осуществлялось путем повышения расхода топлива с одновременным увеличением высоты слоя. При номинальном режиме горения высота слоя в кипящем состоянии должна быть 400 мм. Высота слоя может быть увеличена путем добавки золы. При повышении уровня слоя выше 400 мм при номинальном режиме работы топки производился слив золы.
Расход антрацитового штыба в топке кипящего слоя составлял 85 -94 кг/ч, количество воздуха, подаваемого вентилятором АВД в топку, 850-J-920 м /ч. Температура кипящего слоя поддерживалась в интервале 850-т-920С. Горение в автоматическом и дистанционном режимах регулирования было надежным и устойчивым.
О влиянии входного (дутьевого) воздухораспределения на движение частиц и горение мелкозернистого угля в псевдоожиженном (кипящем) слое
В лабораторных установках с распределителем воздуха в виде пористой пластины при режиме работы без поршнеобразования газ обычно распределяется равномерно, и поэтому наблюдается хорошее перемешивание частиц. На установках же промышленного масштаба газ может подаваться в слой через регулярно расположенные, но дискретные входные устройства (сопла, фурмы, и т.п.). В этом случае всегда существует возможность подъема пузырей вдоль определенных предпочтительных линий. При этом будет устанавливаться регулярная картина циркуляции частиц, не способствующая полному перемешиванию.
Экспериментальное подтверждение указанного эффекта приведено в работах [20, с.71 - 73]. Эксперименты проводились на слоях прямоугольного поперечного сечения 0,061x1,22 м с разным количеством входных газовых фурм. Одна из серий опытов проводилась на большем из слоев с системой из 36 фурм, расположенных в вершинах квадратов с расстоянием 0,2м между центрами. Материалом засыпки служил силикатный песок (vmf= 25-10" м/с). Варьировалась статическая высота слоя и скорость псевдоожижающего газа. Через различные времена после введения частиц трассера производилось осаждение слоя. Затем осажденный слой секционировался для выявления распределения трассера.
Установлено, что скорость нисходящего движения частиц в центральной части потока составляет величину порядка 0,21 м/с для слоя высотой 1,47м при скорости газа порядка 6 vmf . Было найдено, что скорость поперечного перемешивания частиц зависит от высоты слоя. Частицы трассера, подаваемые в слой высотой 1,47м, хорошо рассеивались в течение 15 с после их введения.
Причиной организации ячеек циркуляции твердой фазы в кипящем слое является, очевидно, перераспределение потоков образующихся газовых пузырей. Оказалось [5, с. 154 — 155, 35], что газовые пузыри распределены в горизонтальной плоскости слоя неравномерно (рис. 1.25), при этом в центральной зоне слоя, где пузырей много, совместное действие их следа и дрейфа будет вызывать движение массы частиц вверх, а в периферийных зонах - вниз таким образом, что суммарный поток через любую горизонтальную плоскость в слое будет постоянным.
Это положение было подтверждено [5, с. 155] экспериментом, в котором на поверхность слоя в начальный момент всыпали порцию нагретых частиц и регистрировали изменение температуры в нескольких точках слоя. Некоторые результаты этих опытов показаны на рис. 1.26. Ясно, что если в некоторой точке амплитуда импульса, регистрируемого температурным датчиком, максимальна, а время запаздывания импульса минимально, то частица попадает в эту точку раньше, чем в другие. Из рис. 1,26 можно сделать вывод, что частицы опускаются вниз у стенки вплоть до высоты 0,25м (25см) над распределительной решеткой. На этой высоте поток частиц, поступающих в слой, разделяется на восходящий и нисходящий. У самого дна слоя восходящий поток частиц проходит вдоль боковых стенок.
Стремясь, очевидно, ликвидировать ячейки локальной циркуляции твердых частиц в кипящем слое некоторые исследователи предлагают использовать неравномерное входное воздухораспределение в слое, подавая воздух с большей массовой скоростью под центр слоя или под его периферийные участки. Так, Мерри и Дэвидсон [20, с. 73-75] получили мощное циркуляционное движение частиц (имеется ввиду циркуляция в масштабах всего слоя), как в двумерном, так и трехмерном слоях, подавая больший газовый поток через периферийные области распределителя, а не через его центральную часть (рис. 1.29). Таким образом, в периферийных областях наблюдался избыток частиц, движущихся вверх в следе пузырей, в то время как в центральной части слоя вследствие недостаточного количества пузырей в этой области частицы движутся преимущественно вниз. Такой тип движения наблюдается преимущественно в относительно низких слоях.
Мерри и Дэвидсон [20, с.74] нашли оптимальное соотношение между высотой слоя h и его шириной b применительно к исследованным ими по существу двумерным слоям: hlb = 0,41. В экспериментальной работе, где в слое квадратного поперечного сечения со стороной 0,61м избыточный газовый поток вновь подводился к периферийным областям распределителя, было установлено, что циркуляционные ячейки данного типа могут возникать при изменении высоты слоя в некотором диапазоне. При высоте слоя 0,15м (h/b=0,25) наблюдалась лишь незначительная циркуляция, и нисходящая скорость частиц в центре слоя была, по существу, равна нулю.
Применимость этих уравнений к крупномасштабным установкам в настоящее время не доказана. Однако нет сомнений в принципиальной важности упомянутого механизма перемешивания твердых частиц для больших промышленных аппаратов, в которых производится подпитывание псевдоожиженного слоя в дискретных точках и вновь подводимые частицы необходимо по возможности быстро и эффективно перемешивать с основным материалом слоя. Примером системы, где требования перемешивания выдвигаются как главные, является топка кипящего слоя для сжигания угля или другого твердого топлива с высоким содержанием летучих компонентов. В этом случае без упорядоченной циркуляции указанного типа сжигаемые частицы будут стремиться флотировать к поверхности слоя и сгорать там нерегулируемым образом. Механизм упорядоченной циркуляции данного типа дает прямое и простое решение этой проблемы при условии, что размеры циркуляционных ячеек могут быть предварительно рассчитаны.
Практически это достигается тем, что подаваемый воздух разделяется на четыре части, три из которых подаются в секционированную нагнетательную камеру, а одна - в наделоевое пространство. Горючие отходы, состоящие из кислых смол и нефтяных отходов, подавались в слой через трубку в стенке топки в месте максимального направленного вниз потока циркулирующих частиц слоя. При этом летучие компоненты контролируемым образом сгорали внутри слоя. Предприятие, оснащенное топкой такого типа, в течение ряда лет работает в Авонмауте (Англия), причем ликвидируются не только трудно сжигаемые отходы, но и получают 3200 кг/ч пара. Неравномерное входное воздухораспределение применено также в некоторых котлах и печах с кипящим слоем, предложенных японскими специалистами.
В зоне горения печи расположены распределительные плиты 8 для формирования кипящего слоя с симметричным относительно центральной оси выпуклым участком и бахромой, опущенной ниже по сравнению с центральной частью. Плита выполнена таким образом, что массовая скорость псевдоожижающего газа через периферийные участки больше скорости газа, проходящего через центральную часть плиты. В нижней части выполнены центральное и боковые отверстия 42 для вывода несгоревших остатков. Боковыми зонами плит 8 выполнены наклонные стенки, отражающие поток псевдоожижающего газа по направлению к центру печи. Над центральным отверстием 42 в потолочном перекрытии печи выполнено отверстие 16 для подачи в кипящий слой исходного материала.
Вывод критериального уравнения для определения минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя антрацитового штыба
Одним из этапов расчета любого аппарата с псевдоожиженным слоем, в том числе и топки, является определение минимальной скорости газа, достаточной для перевода слоя зернистых частиц в псевдоожиженное состояние. Эту скорость газа, отнесенную к поперечному сечению аппарата в плоскости газораспределительной решетки, называют минимальной скоростью псевдоожижения. Зная минимальную скорость псевдожижения и задаваясь числом псевдоожижения (отношение рабочей скорости газа к минимальной скорости псевдоожижения), можно определить рабочую скорость газа, расход газа через аппарат, производительность газодутьевого устройства.
Как видно из рис. 2.5, для смесей частиц эквивалентным диаметром 0,308-5-0,97 мм кривые пседоожижения не имеют пика в области перехода слоя в псевдоожиженное состояние, что характерно для псевдоожижения полидисперсных смесей [37, 38], когда с ростом скорости ожижающей среды в псевдоожиженное состояние переходят все более крупные частицы. Кривые псевдоожижения смесей частиц эквивалентным диаметром 0,167-Ю,239мм имеют пик в области перехода слоя в псевдоожиженное состояние, что характерно для псевдоожижения монодисперсных слоев. Однако, смеси частиц эквивалентным диаметром из диапазона 0,167-Ю,239мм характеризуются, как правило, более высокими значениями коэффициента полидисперсности -2,5 3,53, чем смеси частиц эквивалентным диаметром 0,308-Ч),97мм, имеющие коэффициента полидисперсности - 1,18- 3,29. Поэтому пик давления на кривых псевдоожижения смесей более мелких частиц, но с большей степенью полидисперсности, связан, очевидно, с более сложным характером псевдоожижения таких систем, например, наличием значительных сил адгезии.
Для обобщения приведенных в работе [37] экспериментальных данных предложено, по аналогии с работой [38], использовать два критерия: Re и . Здесь % - коэффициент сопротивления в известном уравнении потери напора:
На рис. 2.6 представлена зависимость lg от lg Re, причем для каждого опыта нанесены на график все значения lg І; и lg Re от начала продувки слоя воздухом до полного псевдоожижения — выход на постоянный перепад давления (для кривых а, Ь, с, d и е на рисунке 2.5) или до преодоления пика перепада давления (для кривых/ g-І и /i-l на рисунке 2.5).
Сопоставление значений ReKp рассчитанных по уравнению (2.5) (табл. 2.2) и по формуле Тодеса О.М. (2.1) со значениями ReKp, полученных по экспериментальным данным (последняя, предпоследняя и третья справа колонка таблицы 2.2) показывает, что формула Тодеса занижает значения ReKp в среднем в 4 раза, а рассчитанные по предложенной в данной работе формуле и измеренные значения ReKp отличаются не более, чем в 1,48,
Поскольку в ходе исследований необходимо оценить теплотехнические показатели работы топки, оборудованной водоохлаждаемым узлом воздухоподачи, формирующим «выпуклый» входной профиль скорости воздуха, а также теплотехнические показатели котлов, оборудованных такими топками; в основу методики экспериментов включены основные положения «Рабочей методики определения теплотехнических показателей отопительных котлов теплопроизводительностью от 0,1 до 3,15 МВт» [48], «Методических указаний по проведению эксплуатационных испытаний котельных установок для оценки качества ремонта РД 153-34.1-26.303-98» [49], инструкции на газоанализатор «Testo-ЗЗ» и газоанализатор «Газотест», а также ОСТ 10.31.4.-86 «Испытания сельскохозяйственной техники. Паровые котлы. Программа и методы испытаний» [50] и общие положения по испытаниям котельным техники, изложенным в [51].
Исследования проводятся на котлах КВ-300 МТ и Д-721А, оборудованных экспериментальным узлом воздухоподачи (а котел Д-721А и специальной выносной топкой), установленных в действующей котельной. Определяемые показатели. При исследованиях непосредственными измерениями определяют: расход воды через котел, давление пара в котле, температуру уходящих дымовых газов, время растопки котла, расход топлива, коэффициент расхода воздуха за котлом, содержание двуокиси углерода, окиси углерода, двуокиси азота, двуокиси серы в уходящих дымовых газах, температуру наружной поверхности котла (в нескольких контрольных точках).
Также определяется фракционный состав сжигаемого топлива, содержание серы и азота в каждой фракции топлива. Определяется фракционный состав очаговых остатков (шлака и золы), выгружаемых из котла, содержание серы и азота во фракциях очаговых остатков. Определяется вес и фракционный состав уноса.
Результаты исследования горения углей АР и Д в кипящем слое при неравномерном входном воздухораспределении
Эксперименты по сжиганию проводились с периодической загрузкой угля и периодическим удалением очаговых остатков. После каждого удаления очагового остатка из топки котла и загрузки свежего топлива температура в топке падала, так как происходил прогрев свежей порции топлива, его сушка, выделение из него летучих веществ. Только после этого начиналось горение вновь загруженной порции топлива и температура в топке повышалась, достигала некоторого максимального уровня, держалась некоторое время на этом уровне и затем начинала снижаться по мере прогорания очередной порции топлива.
Представляется важным для определения эффективности работы на разных углях топки, оборудованной предложенным узлом ввода дутьевого воздуха, а также для сравнения работы этой топки и топки, в которой дутьевой воздух распределяется равномерно, оценить время выхода топки на стационарный режим после удаления очаговых остатков и загрузки свежего топлива. Это время выхода топки на стационарный режим можно было оценить по динамике изменения температуры уходящих газов за котлом и достижения этой температуры некоторого постоянного значения.
Время выхода на стационарный режим работы при сжигании угля АР оказалась в среднем в 1,4 раза меньше времени выхода на стационарный режим при сжигании угля Д. Этот факт объясняется тем, что длиннопламенный уголь Д является более реакционно-способным, чем уголь АР: время горения кусочка угля АР размером 0,5 мм при температуре 1100С и содержании кислорода 21% в три раза больше времени горения такого же кусочка длиннопламенного угля, содержащего 40- -45 % летучих веществ, при тех же условиях [52, с. 146]. Тот факт, что скорость полного воспламенения порции угля АР оказалась только в 1,4, а не в 3 раза меньше скорости полного воспламенения угля Д можно объяснить тем, что в кипящем слое при постоянной температуре происходит активация угольных частиц с последующим спонтанным выходом на самовоспламенение, что снижает температуру устойчивого воспламенения АР с 1100С (в пылевом облаке) до 70 Н-800С (в кипящем слое) и приближает ее к температуре устойчивого воспламенения длиннопламенного угля Д (600-700С) [53].
Приближение времени выхода топки на стационарный режим при сжигании угля АР к аналогичному показателю при сжигании угля Д при применении воздухораспределительной решетки, формирующей выпуклый входной профиль скорости воздуха, также свидетельствует о том, что при таком воздухораспределении слой частиц топлива интенсивно перемешивается и все частицы подвергаются интенсивной тепловой обработке при подготовке их к сжиганию.
Роль неравномерного входного воздухораспределения в интенсификации процессов подготовки топлива к сжиганию и горению топлива наглядно проявляется в сравнительном эксперименте, выполненном нами на котле НИИСТу-5, который был оборудован воздухораспределительной решеткой, формирующей равномерное входное воздухораспределение, но имеющей такую же долю «живого» сечения, что и наша решетка [54]. Решетка котла НИИСТу-5 была разработана и изготовлена «Предприятием технических услуг» (г. Ольштын, Польша) и смонтирована на соответствующем котле, установленном в котельной агрофирмы «Дружба народов» (Красногвардейский район, АР Крым, Украина). В котле НИИСТу-5 сжигался уголь Д.
Как следует из рис. 3.4 время выхода топки на стационарный режим при сжигании угля на решетке с неравномерным входным воздухораспределением в 2 раза меньше, чем на решетке, формирующей равномерное входное воздухораспределение. При этом надо также отметить, что в конструкции воздухораспределительной решетки, предложенной польскими специалистами, воздушные струи подаются вертикально, и между зонами циркуляции твердых частиц, обычно возникающими возле вертикально ориентированной воздушной струи [47], возникают, очевидно, шлаковые агломераты, препятствующие горизонтальному распространению фронта горения.
Как указывалось ранее, потери теплоты при сжигании твердого топлива складываются из потерь от химической неполноты сгорания, потерь от механической неполноты сгорания, потерь, связанных с уносом мелких частиц топлива из слоя, а также потерь теплоты с уходящими газами и потерь, связанными с несовершенством тепловой изоляции котла (потери в окружающую среду). Последний вид потерь напрямую связан с особенностями конструкции котлов, в которых размещалась экспериментальная воздухораспределительная решетка, и не зависит от способа сжигания топлива. Потери теплоты с уходящими газами зависят от способа сжигания косвенным образом: например, большой унос мелких частиц топлива и золы из слоя топлива может привести к образованию значительного слоя золовых отложений на конвективных поверхностях нагрева котла, а наличие аморфной тонкодисперсной сажи может привести к образованию плотных труд ноу даляемых отложений [55]), что снизит интенсивность охлаждения дымовых газов и повысит потери теплоты с ними. Способ сжигания влияет также на потери теплоты с уходящими газами, так как обеспечивает (или не обеспечивает) завершение процесса горения в объеме топки. Поступление дымовых газов в конвективный пучок котла с повышенной (против расчетной) температурой также станет причиной увеличения потерь тепла с уходящими газами, так как конвективной поверхности котла может просто не хватить для достаточно полного охлаждения газов или высокая температура газов приведет к спеканию золовых отложений и ухудшению теплообмена в конвективном пучке.
Потери теплоты с уходящими газами (при коэффициенте расхода воздуха за котлом 1,5-Н,6) составили 8,3- -10,8 % при сжигании угля Д в топке котла Д-721 А и 28,5 % при сжигании в топке котла КВ-300 МТ (рис. 3.5); при сжигании угля АР в топке котла Д-721 А эти потери составили 8,5-И 3 % и 8,19+12,7 % при сжигании угля АР в топке котла КВ-300 МТ. Резкое увеличение потерь теплоты при сжигании угля Д в топке котла КВ-300 МТ можно объяснить высоким содержанием летучих веществ в угле Д, которые, очевидно, не успевают сгорать в топке котла и процесс их горения «затягивается» в короткую конвективную часть, где дымовые газы не успевают в достаточной степени охладиться. При сжигании угля АР, содержащего малое количество летучих веществ, процесс горения успевает завершиться в объеме топки как котла Д-721 А, так и котла КВ-300 МТ, поэтому потери теплоты с уходящими газами оказываются практически одинаковыми.
