CC BY
32
УЛК 662.936:622.331
© И.В. Цветков, М.А. Большаков, 2014
И.В. Цветков, М.А. Большаков
СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ГОРЯЩЕМ СЛОЕ КУСКОВОГО ТОРФА В ТОПОЧНЫХ УСТРОЙСТВАХ ХОЛОДНОГО И ГОРЯЧЕГО ТИПОВ
Кратко описаны процессы сжигания торфа в топочных устройствах холодного и горячего типов. Рассмотрены методы решения проблемы шлакообразования, путем регулирования температуры в слое горящего кокса. Снижение температуры осуществляется путем увеличения эндотермических реакций в слое топлива. Ключевые слова: торф, топка, сжигание, шлакообразование.
Энергетическая независимость региона является одним из основных факторов его стабильного развития. Причем, добыча и использование местных видов топлива не только освобождает область от зависимости от главных источников энергии, нефти и газа, но и позволяет решать ряд задач социального характера. К местным видам топлива относится неделовая древесина и отходы деревопереработки, твердые бытовые отходы, сельскохозяйственные органические отходы и, конечно, фрезерный и кусковой торф, а также различные виды композиционного формованного твердого топлива
О
Госиояя мссса, У,
Рис. 1. Треугольник твердых топлив
(АВСОЕ - область горения без дополнительного топлива)
на его основе. Различные виды торфяного топлива, используемые в энергетике и коммунально-бытовом секторе, должны соответствовать требуемым качественным характеристикам [1]. На рис. 1 изображен треугольный график Таннера (треугольник твердых топлив). В соответствии с ним, условием для сжигания органического вещества без включения дополнительных, способствующих горению примесей, является выполнение следующих условий:
' W < 50%; < А < 60%; С > 25%.
где ж - влажность, А - зольность, С -горючая масса, при этом содержание углерода в органическом веществе должно превышать 25%.
Качественные параметры кускового торфа регламентируется ГОСТ 51062-97, соблюдение которого обеспечивает попадание его характеристик в зону ЕРвИ (рис. 1):
Г ж < 45%; { А < 23%.
Параллельным процессом, сопутствующим горению торфа, является шлакообразование при его сжигании. Шлак, по мере накопления на колосниковой решетке изменяет нормальные условия протекания процесса го-
ттттттт
Колосниювая решета
Рис. 2. Диаграммы распределения температур и изменения коэффициента избытка воздуха в слое топлива
рения, что приводит к вынужденной остановке топочного устройства на техническое обслуживание и ремонт. Такие же проблемы возникают и при эксплуатации газогенераторных установок, особенно когда происходит замешение низкозольного биотоплива кусковым торфом [2, 3].
В процессе горения кускового топлива в слоевой топке, выделившиеся при низкой температуре летучие компоненты (температура начала выделения летучих для торфа 97 °С [4]) образуют зону надслойного пламени, которое поджигает частицы топлива (рис. 2). Известно [5], что температурная граница воспламенения сухого торфа составляет, примерно, Т = 220 °С. Выход летучих соеди-
Рис. 3. Топка котла холодного типа (Те-план-50 м)
нений сопровождается образованием кокса, в состав которого входят углерод и зола (негорючие минеральные включения). Горение углерода в коксе прекрашается при температуре Т = 800...900 °С [5], после чего зола и шлак из зоны горения удаляются через отверстия в колосниковой решетке в зольник, откуда направляются на утилизацию.
Температура в зоне горяшего кокса может достигать Т = 1800 °С. Торфяная зола переходит в жидко-плавкое состояние при Т = 1200 °С [6]. Расплавленная зола через слой топлива стекает вниз и попадает на колосниковую решетку, то есть в зону более низких температур. Здесь начинает происходить твердение расплава, в результате которого закупориваются отверстия для поступления первичного воздуха, необходимого для стабильного протекания окислительных процессов.
Решением данной проблемы может являться разработка методов сдерживания роста температуры в зоне горя-шего кокса. Самый простой конструктивный способ был реализован в топочных устройствах холодного типа.
Камеры подобного типа свойственны водогрейным котлам малой и средней мошности до 400 кВт (рис. 3). Горение происходит в топочной камере, выполненной в виде цилиндрической обечайки. Стенки камеры являются теплообменной поверхностью. Со всех сторон камера окружена рубаш-
кой с водяным охлаждением, которая не дает ей разогреться до высоких температур. Температура в таких топочных устройствах, не достигает температуры плавления золы. Таким образом, условий для шлакообразования не возникает и колосниковая решетка не теряет пропускную способность.
Котлы с подобными топочными камерами приспособлены для работы на кусковом или брикетированном торфе. При внесении в конструкцию изменений, связанных с механизированной топливоподачей, появляется возможность перевода котла на гранулированное топливо. Основным преимушеством данных устройств является их низкая стоимость, а также минимальная потребность в дополнительном оборудовании. Котел достаточно эффективно работает под естественной тягой, что позволяет обойтись без дополнительной установки дымососа. Кроме того, при определенных условиях возможна его реализация при естественной циркуляции теплоносителя. В тоже время недостатком таких котлов является высокая зависимость от качества регламентных работ.
В топках горячего типа (рис. 4), температура в слое горяшего кокса
стабильно преодолевает порог плавкости золы. В связи с этим, сдерживание роста температуры должно происходить дополнительным подводом дутья и регулированием толшины активного слоя.
Рассмотрим условия протекания процесса горения в таких устройствах. Пусть Тк - температура в зоне горяшего кокса, °С; Тп - температура плавления золы, °С. Тогда: ДТ = Т - Т .
кп
В правой части диаграммы показано изменение коэффициента избытка воздуха а в неподвижном слое кускового топлива при продувании его через колосниковую решетку (рис. 2). Обозначим через в толшину слоя топлива и представим ДТ как функцию от толшины слоя и коэффициента избытка воздуха: ДТ = { (в, а).
В процессе работы в уменьшается при прогорании слоя топлива и резко увеличивается при его очередной загрузке. При работе топочных устройств с ручной загрузкой рекомендуется загружать топливо малыми порциями с небольшими (5-7 мин.) интервалами. При открывании загрузочной дверцы резко увеличивается приток воздуха в зону горения. В связи с охлаждением топки часть
Рис. 4. Топка котла горячего типа (Еу-01к)
летучих компонентов и смол осаждается на теплообменной поверхности, что приводит к уменьшению сечения жаровых труб для котлов холодного типа серии «Теплан» и, как следствие, уменьшению тяги. Для котлов горячего типа серии Еу-к это приводит к сравнительно быстрой коррозии и выходу из строя водотрубного теплообменника. Изменение избытка воздуха между загрузками топлива проиллюстрировано диаграммой Кирша [7].
Регулирование параметров в и а весьма затруднительно в условиях ручного обслуживания топки. Поэтому наиболее оптимальным представляется поддержка толщины слоя на одном уровне. По направлению продвижения газо-воздушной смеси в слое топлива выделяют две зоны: кислородную и газификационную (восстановительную) (рис. 2) [8]. В кислородной зоне основной экзотермической реакцией является горение углерода [9]:
С + О2 = СО2 + 405,8 кДж.
Образовавшийся здесь углекислый газ, продвигаясь вверх по слою топлива, попадает в газификационную зону. Где при недостатке кислорода может вступить в реакцию с горящим коксом и отдать часть кислорода [10]:
СО2 + С = 2СО - 160,7 кДж.
Поскольку данная реакция протекает с поглощением теплоты, то это приводит к некоторому охлаждению слоя. Кроме того, к реакциям способным охладить слой топлива относится также взаимодействие водяного пара с горящим коксом [9]:
Н2О + С = СО + Н2 - 126,7 кДж.
Но в этом случае, выделяющиеся при таких реакциях оксид углерода и водород сгорают уже не в слое топлива, а в топочном пространстве, отдавая тепло при взаимодействии с кислородом из вторичного дутья [9, 10]:
Н2 +102 = Н20 + 241 кДж,
3С0 +1-102 = 3С02 + 849,8 кДж.
Таким образом, охлаждение слоя топлива до температуры ниже точки плавления золы, может быть выполнено путем увеличения количества эндотермических реакций. Это достигается путем изменения параметров в и а, численные значения которых должны определяться экспериментально в зависимости от конструкции топочного устройства.
1. Мисников О.С., Беляков В.А., Шам-бер О.В. Технология и комплексная механизация открытых горных работ: добыча кускового торфа и сапропеля. - Тверь: ТГТУ, 2008. - 160 с.
2. Мисников О.С., Тимофеев А.Е. О рациональном использовании энергетических и минеральных ресурсов торфяных месс рождений // Горный журнал. - 2008. - № 11. -С. 59-63.
3. Яблонев А.Л., Пухова О.В. Особенности транспорта торфа к конечному потребителю в г. Твери // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 1. - С. 34-35.
4. Соколов Б.А. Котельные установки, работающие на твердом топливе: учеб. по-
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
собие. - М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 64 с.
5. Овсянко А.Д., Печников С.А. Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы. Справочник. -С-Пб.: Биотопливный портал Wood-pellets. com, 2008. - 360 с.
6. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / под ред. Н.В. Кузнецова. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.
7. Щеголев М.М. Топливо, топки и котельные установки. - М.: Государственное издательство по строительству и архитектуре, 1953. - 546 с.
8. Теория топочных процессов / под ред. Г.Ф. Кнорре, И.И. Палеева. - М.: Издательство «Энергия», 1966. - 491 с.
9. Теплотехническое оборудование керамических заводов. Топливо и расчет его горения: Учебное пособие к лекционным и
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
практическим занятиям. Часть 1 / под ред. В.П. Михайловского. - Омск: Изд. СибАЛИ, 2002. - 37 с.
10. Справочник потребителя биотоплива / под ред. В. Вареса. - Таллин: Таллинский технический университет, 2005. - 183 с. шш
Цветков Иван Викторович - аспирант, e-mail: ivan.tsvetkov@memori.ru, Большаков Михаил Алексеевич - учебный мастер, e-mail: misolg@mail.ru, Тверской государственный технический университет.
UDC 662.936:622.331
THE METHODS FOR CONTROL THE TEMPERATURE IN THE BURNING LAYER OF PEAT LUMPS IN COMBUSTION DEVICES OF COLD AND HOT TYPES
Cvetkov ¡.V., Graduate Student, e-mail: ivan.tsvetkov@memori.ru, Bol'shakov M.A., Training Master, e-mail: misolg@mail.ru, Tver State Technical University.
The processes of the burning of peat in combustion devices of cold and hot types are described in the article.The methods of solving the problem ofslagging by adjusting the temperature in the layer of burning coke are considered.The reduction of the temperature is carried out by the increasing of the endothermic reactions in the fuel bed.
Key words: peat, combustor, combustion, slagging.
REFERENCES
1. Misnikov O.S., Beljakov V.A., Shamber O.V. Tehnologija i kompleksnaja mehanizacija otkrytyh gornyh rabot: dobycha kuskovogo torfa i sapropelja (Technology and comprehensive mechanization of opencast mining: lump peat and decay ooze production), Tver,TGTU, 2008, 160 p.
2. Misnikov O.S., Timofeev A.E. Gornyj zhurnal, 2008, no 11, pp. 59-63.
3. Jablonev A.L., Puhova O.V. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2010, no 1, pp. 34-35.
4. Sokolov B.A. Kotel'nye ustanovki, rabotajushhie na tverdom toplive: ucheb. posobie (Solid fuel-powered boiler-plants: Educational aid), Moscow, Izdatel'skij centr «Akademija», 2012, 64 p.
5. Ovsjanko A.D., Pechnikov S.A. Kotel'nye i jelektrostancii na biotoplive. Sovremennye tehnologii po-luchenija teplovoj i jelektricheskoj jenergii s ispol'zovaniem razlichnyh vidov biomassy. Spravochnik (Biofuel-powered boiler-plants and electric stations. Advanced technologies of heat and electric power generation using various biomass species. Reference guide), Saint-Petersburg, Biotoplivnyj portal Wood-pellets.com, 2008, 360 p.
6. Teplovoj raschet kotel'nyh agregatov (normativnyj metod), pod red. N.V. Kuznecova (Kuznetsov N.V. (Ed.), Thermal design of boiler units (standard method)), Moscow, Jenergija, 1973, 296 p.
7. Shhegolev M.M. Toplivo, topki i kotel'nye ustanovki (Fuel, combustors and boiler units), Moscow, Go-sudarstvennoe izdatel'stvo po stroitel'stvu i arhitekture, 1953, 546 p.
8. Teorija topochnyh processov, pod red. G.F. Knorre, I.I. Paleeva (Knorre G.F, Paleev I.I. (Eds.), Theory of burning processes), Moscow, Jenergija, 1966, 491 p.
9. Teplotehnicheskoe oborudovanie keramicheskih zavodov. Toplivo i raschet ego gorenija: Uchebnoe posobie k lekcionnym i prakticheskim zanjatijam. Chast' 1, pod red. V.P. Mihajlovskogo (Mikhailovsky V.P. (Ed.), Heating equipment at potteries. Fuel and its burning calculation. Education aid for lectures and practical courses. Part I ), Omsk, Izd. SibADI, 2002, 37 p.
10. Spravochnik potrebitelja biotopliva, pod red. V. Varesa (Vares V. (Ed.), Biofuel consumer's reference guide), Tallinn, Tallinskij tehnicheskij universitet, 2005. 183 p.
