Анализ возможностей оборудования вихревыми топками действующих котельных агрегатов малой и средней мощности Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (11), 2015

УДК 662.617:662.6/9

С.А. Казимиров, М.Н. Башкова, К. С. Слажнева

Сибирский государственный индустриальный университет

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ ВИХРЕВЫМИ ТОПКАМИ ДЕЙСТВУЮЩИХ КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ*

В соответствии с существующей классификацией котельные агрегаты малой и средней производительности разделяют по виду вырабатываемого теплоносителя (вода или пар). В свою очередь, паровые котлы малой и средней производительности и, соответственно, низкого давления различают по конструкции: вертикально-цилиндрические и вертикально-водотрубные. Последние имеют паропроизводительность от 4 до 25 т/ч и давление до 1,4 МПа. Водогрейные котлы классифицируют на чугунные и стальные агрегаты. Чугунные (в силу хрупкости) выдерживают давление до 0,4 МПа. Температура воды на выходе - до 115 °С, тепловая мощность - до 1,5 Гкал/ч. Среди стальных можно выделить водогрейные котлоагрегаты малой (сравнимые по характеристикам с чугунными) и большой (до 20 Гкал/ч, с температурой воды на выходе до 150 °С) теплопроизводительности.

При работе на твердом топливе вышеперечисленные агрегаты оснащены слоевыми топками со всеми присущими им достоинствами и недостатками, к которым (кроме упомянутых в работе [1] невозможности использования спекающихся углей и углей с легкоплавкой золой и высокой степени загрязнения окружающей среды) необходимо отнести:

- низкую надежность колосникового полотна и забрасывателей;

- обеспечение проектной эффективности сжигания только при работе на сортированном угле (фракции 6-24 мм);

- ограничения по нагрузке, обусловленные в том числе и условиями горения топлива;

- снижение экономичности и надежности слоевых котлов при ухудшении качества углей.

Для выявления показателей тепловой работы котлов со слоевыми топками был произведен расчет по нормам [2]. В табл. 1 приведены результаты теплового расчета паровых котлов производительностью 4-25 т/ч и давлением вырабатываемого пара 0,7 МПа при использо-

Работа проведена в рамках базовой части государственного задания Министерства образования и науки на выполнение СибГИУ научно-исследовательской работы №2555.

вани Кузнецкого угля марки СС, теплота сгорания которого 23,4 МДж/кг. Данные для расчетов приняты по работе [3]. В табл. 2 приведены результаты работы тех же котлов при использовании промпродукта Кузнецкого угля марки «Ж» (теплота сгорания 17,71 МДж/кг, зольность А1 = 39,5 %). Расчеты для водогрейных котлов приведены в табл. 3.

При использовании нормативного метода изменение зольности топлива (0,78 и 2,20 % соответственно) не оказывает существенного влияния на потери тепла от механического недожога q4, а следовательно, и КПД котла. Следствием этого является увеличение расхода топлива более, чем на 30 %, и сохранение расхода условного топлива (табл. 1,2). Проведенные измерения на реально действующих котлах показали, что КПД оказываются значительно ниже расчетных.

На рис. 1 [4] показаны потери тепла с механическим недожогом q4 (в шлаке и уносе) для слоевых топок: с ростом теплонапряжения топки (то есть нагрузки котла) значение q4 увеличивается. В случае сжигания бурых углей значение q4 составляет 10 % при номинальном теплонапряжении топочного объема 350 кВт/м3. При сжигании каменных углей величина q4 выше, чем при сжигании бурых, и достигает 20 - 40 %.

Известными способами повышения эффективности слоевого сжигания угля являются применение возврата уноса и острого дутья, с компоновкой сопел на задней стенке топки. Однако при этом решается только задача снижения потерь тепла с химическим недожогом и механическим недожогом в уносе [4].

Использование вихревых технологий обеспечивает стабильность процесса горения угля и существенное снижение недожога топлива [4-6].

В вихревых (циклонных) топках поток воздуха, несущий горящие частицы топлива, движется по кругу или по спирали (это достигается за счет конструкции топки или с помощью дополнительных потоков воздуха). При этом топливо сначала высушивается, потом газифицируется и сжигается. По основным показателям (стабильность горения, полнота выгорания

-44 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (11), 2015

Таблица 1

Результаты теплового расчета паровых котлов при использовании Кузнецкого угля марки СС

Паропроизводителыюсть, т/ч (кг/с) 2,5(0,69) 4,0(1,11) 6,5(1,81) 10,0(2,78) 25,0(6,94)

Тепло производительность, МВт 1,62 2,60 4,20 6,46 16,20

Потери, %:

с теплом шлака q6 0,35 0,28

от наружного охлаждения q5 3,6 2,8 2,3 1,7 1,2

с механическим недожогом q4 12,5 15,0

с химическим недожогом q3 1,0

с уходящими газами q2 6,05 6,50 6,97

Температура уходящих газов, °С 160 170 180

КПД, % 76,5 77,3 75,4 75,5 75,6

Расход натурального топлива, кг/ч 288,5 456,8 761,4 1169,0 2921,4

Расход условного топлива, кг у.т./ч 230,4 364,8 608,1 993,6 2333,2

топлива, выбросы вредных веществ) вихревые топки практически не уступают топкам кипящего слоя. В основном топки с низкотемпературным вихревым сжиганием (НТВС) используют для сжигания бурых и каменных углей, горючих сланцев, торфа, углесодержащих и древесных отходов (влажность до 60 %, размер частиц до 30 мм), отходов сельского хозяйства (подсолнечной, гречневой, рисовой лузги и др.).

Некоторые вихревые топки позволяют получить из углей или древесных отходов генераторный газ с достаточно высокой калорийностью, их используют для газификации топлива. С помощью таких топок котельную, работающую на природном газе, можно приспособить для работы на топливе низкого сорта или отходах. В большинстве случаев реконструкция котла для работы с НТВС не требует изменений в тепловой схеме и замены тягодутьевых устройств [6].

По данным работы [7] при реконструкции существующих котлов на технологию слоевого горения с вихревым дожиганием заменяется

слоевая решетка (рис. 2), выделяются в существующем топочном объеме котла собственно топка и камера дожигания за счет установки дополнительного топочного экрана. Реальный КПД реконструированных котлов составляет 85 - 93 %.

По данным работы [8] выполнена значительная работа по внедрению и опытной эксплуатации низкотемпературной вихревой технологии сжигания «Торнадо» для паровых котлов, которая реализует совместное слоевое и факельно-вихревое сжигание. Такая технология применима практически для любого вида твердых топлив и отходов. Крупные фракции топлива сжигаются в слое на механизированной колосниковой решетке, а мелкие, уносимые частицы аэродинамически удерживаются в топке и заполняют вихрь излучающим потоком горящих частиц. Таким образом в топке «Торнадо» сглаживаются неравномерности тепловыделения с подавлением температурного максимума ядра факела, появляется заметная доля конвективной составляющей тепло-

Таблица 2

Результаты теплового расчета паровых котлов при использовании промпродукта

Кузнецкого угля марки «Ж»

Паропроизводительность, т/ч (кг/с) 2,5(0,69) 4,0(1,11) 6,5(1,81) 10,0(2,78) 25,0(6,94)

Потери, %

с теплом шлака <у6 1,0 0,81

от наружного охлаждения q5 3,6 2,8 2,3 1,7 1,2

с механическим недожогом q4 12,5 15,0

с химическим недожогом <г/3 1,0 1,0

с уходящими газами q2 6,20 6,70 7,11

Температура уходящих газов, °С 160 170 180

КПД, % 75,7 76,5 77,8 74,2 74,9

Тепло производительность, МВт 1,62 2,60 4,20 6,46 16,20

Расход натурального топлива, кг/ч 385,2 609,9 1098,1 1559,7 3894,0

Расход условного топлива, кг у.т./ч 232,8 368,7 663,3 942,7 2353,7

-45 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (11), 2015

Таблица 3

Результаты теплового расчета водогрейных котлов при использовании Кузнецкого угля марки СС и промпродукта Кузнецкого угля марки «Ж»

Топливо Уголь СС Промпродукт

Тепло производительность, МВт 23,26 11,63 23,26 11,63

Потери, %:

с теплом шлака q6 0,28 0,81

от наружного охлаждения q5 1,2 1,5 1,2 1,5

с механическим недожогом q4 15,0 15,0

с химическим недожогом г/3 1,0 1,0

с уходящими газами q2 9,13 14,3

Температура уходящих газов, °С 230 230

КПД, % 73,4 73,1 67,7 67,4

Расход натурального топлива, кг/ч 4875 2451 6984 3507

Расход условного топлива, кг у.т./ч 3890 1956 4219 2118

обмена, повышается степень черноты и излучательная способность топочного объема. Тепловосприятие топочных экранов заметно увеличивается, но при этом максимум тепловосприятия понижается, тепловая нагрузка экранов повышена, но распределена равномерно, что увеличивает надежность их работы. Благодаря механизации и малой массе топлива в слое, топки не требуют особых затрат ручного труда и легко автоматизируются. Сравнение габаритов реконструированного котла с котлами польского производства, работающими на твердом топливе, показывает, что при меньшей мощности (2 МВт) польский котлоагрегат заметно более громоздок.

В результате проведенных научноисследовательских и опытно-конструкторских работ [5] предложена топка, использующая факельно-слоевую схему организации топочного процесса (рис. 3). В такой топке могут сжигаться растительные отходы («в факеле») и уголь («в слое») как по отдельности, так и совместно.

Высокая эффективность проведенных реконструкций позволила продолжить развитие и внедрение факельно-слоевой схемы сжигания и реконструировать паровой котел

ДКВр-20-13ГМ с заменой мазута дробленым углем (рис. 4) [9]. Котел работает с механической шуровкой и выгрузкой шлака топкой ТТТТГТМ. расположенной на опорной раме под вихревой топкой котла, и имеет ряд особенностей.

- Объединение слоевого и факельного сжигания обеспечивает взаимное поддержание горения и однородное заполнение топки факелом. При этом тепловосприятие топочных экранов становится равномерным, что повышает надежность и облегчает условия работы трубной системы котла. Дополнительная обмуровка также стабилизирует топочный процесс.

- Активная аэродинамика и форсирование топочного процесса минимизируют содержание горящего топлива и в совокупности с непрерывной регулируемой подачей топлива обеспечивают управляемость топки и, соответственно, возможность автоматизации.

- Шурующая планка механизирует шуровку слоя и выгрузку шлака, и благодаря механизации, котел легко автоматизируется и требует минимума затрат ручного труда.

Рис. 1. Потери тепла с механическим недожогом (в шлаке и уносе) для слоевых топок при работе на каменных (1)

и бурых (2) углях в различных котлах:

▲ - КВ ТС 10 КУ; ♦ - Шмидта Гартмана, БУ; 0 - КВ ТС-20 БУ; ■ - КЕ-25 КУ; □ - КЕ-25 БУ; • - ДКВР 20 КУ;

Д - ТС-35, БУ; о - ДКВР 4, БУ

-46 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (11), 2015

Рис. 2. Паровой котел с высокофорсированной топкой с вихревым дожиганием

Показатели работы реконструированных топок следующие:

- температура уходящих дымовых газов -134 °С;

- концентрация ангидрида сернистого S02 -0,036 г/м3;

- концентрация оксидов азота N0, - 0,011 г/м3;

- концентрация оксида углерода СО - 0,472 г/м3;

-концентрация взвешенных частиц - 0,0852 г/м3;

- основная (до 95 %) часть золы выгружается в виде шлака, что существенно разгружает дымоходы, золоуловители и устройства выгрузки золы;

- содержание горючих в шлаке составляет около 1,5 %, шлак белого цвета.

Аналогичная схема реконструкции может быть реализована для ряда котлов серии КЕ, ДКВР Бийского котельного завода и для других водогрейных котлов с заменой громоздких и металлоемких топочных устройств.

При использовании вихревых топок рекомендуется два варианта реконструкции: установка циклонного предтопка к слоевой топке или полная замена котельного агрегата на установку с циклонной топкой и специальным теплообменником [10].

Разрабатываемые в настоящее время вихревые топки имеют относительно небольшую (порядка 1 МВт) тепловую мощность, их применение возможно только взамен малых водо-

грейных котлов. Ниже приведены технические характеристики водогрейного котла [3] и экспериментальные данные для предлагаемой

установки на угле марки СС [10]: Котел Установка

Показатель _ «Братск» с вихревой топкой

Т епло производительность, 0,715 0,500

МВт Потери, %

с механическим недожогом q4 2,5 0

с химическим недожогом q3 6 0

с уходящими газами q2 11 17

Т емпература уходящих газов, °С 230 200

КПД, % 75 77

Расход натурального топ- 146,6 100,0

лива, кг/ч

Расход условного топлива, кг у.т./ч 117,0 79,7

Коэффициент полезного действия обоих аг-

регатов примерно одинаков, и, как следствие,

примерно одинаков расход топлива. При этом

коэффициент избытка воздуха в установке а = 3. Эта величина определяется условиями ведения процесса [10] и при дальнейшей разработке и испытаниях может быть снижена до нормативных значений (а = 1,5 ч- 1.6). что приведет к снижению потерь тепла с уходящими газами и росту КПД. Можно ожидать, что для высокозольных углей, промпродукта и отходов углеобогащения КПД котельных агрегатов, где весьма проблематично сжигать такие топлива, КПД резко упадет из-за механического недожога, в то время как КПД установки с циклонной топкой существенно не изменится.

Следует также отметить, что циклонный процесс легко поддается полной автоматизации, что позволит сократить количество обслуживающего персонала.

Выводы. В настоящее время существует возможность оборудования действующих котельных агрегатов малой тепловой мощности вихревыми топками, однако для целей сжигания улеродсодержащих отходов более эффективными являются установки с циклонной топкой и специальными теплообменниками.

-47 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (11), 2015

Рис. 3. Котел КЕ-4-14 с механизированной топкой типа «шурующая планка: 1 - вихревая зона горения лузги; 2 - колосники угольной топки

Котельный пучок

библиографический список

1. Башкова М.Н., Казимиров С.А., Темлянцев М.В., Багрянцев В.И., Рыбушкин А.А., Слажнева К.С. Практика и перспективы применения различных способов сжигания твердого топлива в теплоэнергетических установках // Вестник СибГИУ. 2014. № 2. С. 24 - 32.

2. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). Изд. 3-е, перераб. и доп. - СПб: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.

3. Справочник по котельным установкам малой производительности / Под ред. К.Ф. Роддатиса. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -488 с.

4. Низкотемпературная вихревая (НТВ) тех-

нология сжигания [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.promeng.spb

.ru/index.php?option=com_content&view=art icle&id=86&Itemid=73 (Дата обращения 01.12.2014).

5. Пу з ы р е в Е.М. и др. Разработка и внедрение вихревых топок для сжигания угля

-48 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (11), 2015

[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //www. rosteplo .ru/T ech_stat/stat_shablon .php?id=2496 (Дата обращения 20.11.2014).

6. Строганов Д.С. Топки для топлива низких сортов [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://aqua-therm.ru/articles /articles_202.html (Дата обращения 20.11. 2014).

7. Реконструкция слоевых топок по вихревой

технологии [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ecoenergo.su/

publikaczii/modemizacziya-kotlov-s-topkami-sloevogo-goreniya-tverdogo-topliva (Дата обращения 21.11.2014).

8. Голубев В А., П у з ы р е в Е.М., П у -зырев М.Е. Использование вихревых топок «Торнадо» в паровых котлах «Про-ЭнергоМаш-Проект», г. Барнаул [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http: //www .pem-energo. ru/ispolzovanie -vihrevyh-topok-tomado-v-parovyh-kotlah (Дата обращения 21.11.2014).

9. Опыт разработки вихревых топок на дроб-

леном угле [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //www .kotelprom .tehnodoc.

ru/opit.php (Дата обращения 20.11.2014).

10. Б а г p я н ц е в В.И., Бровченко С.А., Подольский А.П., Рыбушкин А.А., Темлянцев М.В., Казимиров С.А. Разработка агрегата и технологии для эффективного сжигания дисперсных отходов углеобогащения во вращающемся потоке воздуха // Вестник СибГИУ. 2013. №4 (6). С. 36-41.

© 2015 г. С.А. Казимиров, М.Н. Башкова,

КС. Слажнева Поступила 11 декабря 2014 г.

-49 -