CC BY
17
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.18-66
ЭКОНОМИЯ ЗАТРАТ НА ТОПЛИВО И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СЖИГАНИЯ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ В ТОПКАХ ОТОПИТЕЛЬНЫХ
КОТЛОВ С ПОЛУКИПЯЩИМ СЛОЕМ
© 2011 г. Е.В. Кариб, Д.В. Селезнёв, О.Ю. Милованов, Р.Л. Исьёмин, С.Н. Кузьмин
Тамбовский государственный технический Tambov State Technical
университет University
Рассматривается процесс сжигания антрацитового штыба в топках котлов с полукипящим слоем. Для повышения эффективности работы котлов предложено осуществлять сжигание в вогнутой топке, расположенной в нижней части горизонтальной жаровой трубы, воздухораспределительная решетка которой состоит из двух швеллеров, приваренных по образующим к жаровой трубе, сверху каждый из этих швеллеров прикрыт вторым водоохлаждаемым швеллером меньшего размера. Воздух вводится в виде двух встречных рядов струй, наклоненных к центру топки под острым углом. Получено наименьшее количество выбросов, что благоприятно сказывается на экологической составляющей.
Ключевые слова: полукипящий слой; воздухораспределительная решетка; выбросы; топка; антрацитовый штыб; дорогостоящие угли.
In article considers burning process anthracite culm in fire chambers of coppers with a semiboiling layer. At burning anthracite culm in fire chambers of coppers working on technology «IgniFluid» there were many difficulties: it was impossible to pick up optimum speed of giving and a pressure blasting air: chippings or it was carried away from a fire chamber, or liquation chippings stopped, and burning chippings in a dense bed was ineffective. For prevention of the given lacks us it was offered to carry out burning in the concave fire chamber located in the bottom part horizontal flue tube. An airdistributing lattice which consists of two channels welded on forming to flue tube, from above each of these channels is covered by the second water cooled channel of the smaller size. Air is entered in the form of two counter numbers of the streams inclined to the center of a fire chamber at an acute angle.
Keywords: semiboiling layer; airdistributing lattice; coals.
Отходы углеобогатительных фабрик (штыб, шлам и другие) загрязняют окружающую среду и не используются в качестве топлива для коммунальных котельных. Так, антрацитовый штыб (АШ) по теплотворной способности (20,9 МДж/кг) сопоставим с антрацитом класса «семечко» (АС), а стоимость АШ в два раза ниже, чем АС, который является основным топливом для коммунальных котельных шахтерских городов и поселков Рос-
discharge; fire chamber; anthracite culm; expensive
товской области. Замена АС на АШ позволила бы снизить примерно на 20 % стоимость единицы вырабатываемого тепла и уменьшить загрязнение окружающей среды. Однако АШ трудно сжигать в топках котлов, оборудованных стандартными чугунными колосниковыми решетками с большой долей «живого» сечения, которые при сжигании антрацитов к тому же быстро выходят из строя.
Для котлов теплопроизводительностью до 1 МВт нельзя рекомендовать технологию сжигания АШ в высокотемпературном кипящем слое в топках типа ТНУ конструкции ЦКТИ. Установить топки типа ТНУ в большинстве коммунальных котельных невозможно, а сжигание АШ в топках ТНУ осуществляется неэффективно. Топки типа ТНУ воспроизводят технологию сжигания IGNIFLUID [1]. При ее реализации потери теплоты от механической неполноты сгорания не должны превышать 5 %, а при сжигании АШ эти потери превышают 20 %. В топках ТНУ высок проскок несгоревшего топлива в шлаковый бункер, содержимое которого имеет зольность не выше 60 %.
Технология IGNIFLUID предназначалась для сжигания углей с низшей теплотворной способностью — не выше 18 МДж/кг и зольностью до 20 % [2], а зольность АШ выше 30 %. При горении на поверхности частиц таких углей возникает оплавленная зольная воздухонепроницаемая оболочка, которая препятствует продолжению процесса горения. Причиной значительных потерь топлива со шлаком и с уносом могут быть образующиеся в кипящем слое зоны локального фонтанирования, нарушающие однородность структуры кипящего слоя. Из-за этих зон время пребывания и полнота окисления разных частиц топлива в кипящем слое становятся существенно неодинаковыми.
Проведенные нами исследования движения частиц в кипящем слое показали [3], что если подавать воздух с большей массовой скоростью под центр слоя топлива, а под периферийные области слоя — с меньшей скоростью, то ликвидировать зоны локального фонтанирования можно, увеличивая скорость воздуха и уменьшая начальную высоту слоя, что особо выгодно для котлов малой теплопроизводительности, которые должны иметь небольшие габариты. При этом доля «живого» сечения воздухораспределительной решетки должна быть минимально возможной, так как в этом случае зольная оболочка, образующаяся на поверхности частицы АШ при ее горении, получается воздухопроницаемой [4].
Для реализации этого предложено сжигать АШ в горизонтальном жаротрубно-дымогарном котле, воздухораспределительная решетка которого выполнена из двух блоков.
Каждый блок состоит из нижнего перфорированного швеллера, к которому приварен второй швеллер, более узкий, чем первый. Под нижний швеллер подается дутьевой воздух, а под верхний — охлаждающая вода. Угол наклона нижних швеллеров к горизонту таков, что забивание отверстий для прохода воздуха в них частицами золы и топлива практически исключено. Само
сжигание АШ осуществляется в полукипящем слое: мелкие частицы «кипят» в промежутках между образующимися при горении топлива шлаковыми агломератами.
Для проверки предложенной конструкции решетки проводились исследования в модельной топке. Было проведено несколько балансовых опытов по стандартным методикам [5], при этом в качестве топлива использовался рядовой антрацит, фракционный состав которого был следующим: фракция частиц размером до 1 мм составляла 8,3 % (зольность фракции 30 %, влажность 3,8 %, содержание серы 0,4 %, азота 1,1 %), фракция от 1 до 2 мм — 14,5 % (характеристики соответственно: 25 %, 3,5, 0,5 %, азота — 1,1 %), фракция размером от 2 до 3 мм — 29 % (соответственно: 22 %, 2,5, 0,4, 1,15 %), фракция размером от 3 до 7 мм — 8,9 % (соответственно: 25 %, 2,5, 0,4, 1 %), фракция от 7 до 13 мм - 24,4 % (соответственно: 21 %, 2,5, 0,4, 1 %), фракция от 13 до 25 мм - 12,4 % (10 %, 2,6, 0,35, 0,9 %) и фракция от 25 до 50 мм - 2,5 % (зольность -1,6 %, влажность - 2,6 %, сера - 0,35 %, азот -1,2 %). Средний выход летучих веществ составил 8,8 %, а средняя теплотворная способность — 25,2 МДж/кг. В результате опытов было установлено, что потери теплоты от механической неполноты сгорания составили 10,5—11,4 %, от химической неполноты сгорания — 0,05—0,06 %, т.е. КПД составил 88,54—89,45 % при коэффициенте избытка воздуха за котлом 0,98—1,48 и содержании соединений серы в дымовых газах в количестве 1200— 1600 мг/м3 и азота 550—680 мг/м3. Указанные концентрации соединений серы и азота приведены к нормальным физическим условиям и коэффициенту а = 1.
В ходе опытов содержание окислов серы, азота, окиси углерода, двуокиси углерода и содержание кислорода определялись за котлом с помощью газоанализатора «Газотест». Потери топлива с уносом составили всего 2,2—2,7 %. Унос состоял на 65 % из частиц размером менее 0,5 мм (зольность 47 %), на 10 % из частиц размером от 0,5 до 1 мм (зольность 22 %), на 28 % из частиц размером от 1 до 2 мм (зольность 20 %) и более крупных частиц размером до 5 мм (зольность 20—25 %).
Состав золы от сжигания рядового антрацита (на безсульфатную массу) был следующим: SiO2 — 52 %, А1203 — 22 %, Fe2O3 — 15 %, СаО— 4 %, MgO — 2 %, К203 — 3,5 %, Ш205 — 1,5 %. Степень связывания серы карбонатной частью золы составила 57—73,3 %. При этом в самой золе и шлаковых агломератах содержалось 0,06—0,36 % серы. Максимальная концентрация серосодержащих веществ наблюдалась в тех мельчайших частицах, которые образовывали зольные отложения на верхней части жаровой трубы. Здесь концент-
рация серосодержащих веществ доходила до 174,93—228,44 г/кг. Причиной такого распределения серы, уловленной золой и шлаком, являются температурные режимы, в которых происходит взаимодействие образующейся при окислении серы SO2 с карбонатной частью золы в разных частях котла. В полукипящем слое под воздействием высокой температуры (~ 1860 °С) карбонаты, содержащиеся в золе, разлагаются с образованием окиси кальция (реакция 1), далее образуется сульфит кальция — CaSO3 (реакция 2) с последующим его окислением в сульфат кальция— CaSO4 (реакция 3). Однако при высокой температуре возможно и разложение образующегося сульфата кальция, что обусловливает низкое содержание сульфатов в золе и шлаке, удаленном из полукипящего слоя. Выше полукипящего слоя температура постепенно понижается от 1000—1100 °С непосредственно над слоем до 900 °С в верхней части жаровой трубы. Такая температура оптимальна для протекания реакций (2) и (3) [6, с. 126], что определяет высокую концентрацию серосодержащих веществ в зольных отложениях в верхней части жаровой трубы. В этой же зоне некоторое время находятся мелкие кусочки золы и шлака, которые выбрасываются в надслоевое пространство, а затем удаляются из топки. Это объясняет повышенную концентрацию серы в мелких частицах золы и шлака, удаляемых из топки. Интересно, что на поверхности труб конвективного пучка зольные отложения содержали только 18,93 г/кг сульфатов. Эти отложения находились в зоне температур 200—600 °С, где реакции (2) и (3) протекают медленно [6, с. 123]. Причем содержание карбонатов в зольных от-
ложениях на верхней части жаровой трубы и на трубах конвективного пучка было практически одинаково (18 и 18,9 г/кг соответственно), что говорит о том, что реакции (1) и (2) в зоне труб конвективного пучка почти не идут, а сульфаты, содержащиеся в этих отложениях, попадали сюда вместе с частицами золы, уносимыми из жаровой трубы.
Сжигаемый рядовой антрацит имел довольно высокое содержание азота. Известно [6], что 1 % азота в топливе при 100 % превращении в окись азота соответствует ее концентрации в дымовых газах около 1500 мг/м3. Относительно низкие концентрации окислов азота при сжигании рядового антрацита в полукипящем слое могут быть объяснены частичным восстановлением окислов азота углеродом коксового остатка в слое и углесодер-жащих частиц в надслоевом пространстве [6, с. 134].
Для сжигания АШ в коммунальных котельных предложен жаротрубно-дымогарный котел, типа КВр (таблица).
Котел может развивать теплопроизводитель-ность до 1 МВт и отапливать помещение площадью до 6250 м2 (из расчета 0,16 кВт на 1 м2). Котел состоит (рисунок) из корпуса 1 с жаровой трубой 2 и пучком дымогарных труб 10 и 13. В жаровой трубе 2 расположены нижние (с отверстиями для прохода воздуха 3) и верхние швеллера воздухораспределителей. Воздух от дутьевого вентилятора подается по трубам 10, топливо загружается через дверцу 7 (через которую удаляется зола и шлак), вода в котел подается по штуцеру 15, а отводится — по штуцеру 9, дымовые газы удаляются из котла в дымоход котельной по дымоходу 12.
Технические характеристики котлов КВр
Номинальная
теплопроизводительность 200 300 500 800
котла, кВт
Температура воды на
выходе из котла
(максимальная) при 95 95 95 95
давлении воды в котле
до 0,35 МПа, °С
Максимальное рабочее
избыточное давление 0,4 0,4 0,4 0,4
воды в котле, МПа
Площадь поверхности
нагрева котла, м , 21,77 33,0 45,0 60,0
в т.ч. радиационная, м , 2 конвективная, м 6,27 15,5 7,4 25,6 7,9 37,1 9,15 50,85
КПД котла, %, не ниже 75,0 75,0 75,0 75,0
Класс котла второй второй второй второй
Габариты котла, мм 2000 х 2584 х 2584 х 3700 х
х1800х х1800х х1900х х 2000 х
х 2200 х 2200 х 2500 х 2500
-9-
10
11
\2Z
5 4 3 2 1 Условные обозначения:
.12
15
- воздух -> - дымовые газы -> - вода
Схема водогрейного котла с топкой полукипящего слоя: 1 — корпус котла; 2 — жаровая труба; 3 — воздухораспределитель; 4 — дренаж; 5 — воздуховод; 6 — водоподъемные трубы; 7 — дверца; 8, 11 — поворотные камеры; 9 — выход воды; 10 — дымогарные трубы второго хода; 12 — дымоход; 13 — дымогарные трубы первого хода; 14 — механические связи; 15 — вход воды
При испытаниях котла сжигался АШ следующего гранулометрического состава: фракция размером от 0 до 1 мм составила 24,7 %, от 1 до 3 мм — 38,9 %, от 3 до 6 мм — 21,1 % и остаток на сите — 15,3 %. Эти фракции имели зольность 30 %, 26,2, 26,3 и 31,1 % и содержали серу в количестве 1,26 %, 1,21, 1,22 и 1,38 % соответственно. Среднефракционная влажность была 9 %, выход летучих веществ — 6 %, низшая теплотворная способность — 20,6 МДж/кг. Химический состав золы был следующим: SiO2— 50,5 %, А1203— 22,64, ТЮ2— 0,06, Р205— 0,19, SO3— 4,56, Fe2O3— 10, СаО— 4,14, MgO — 1,74, Ш20 — 0,86, Мп305— 0,12, К20 — 3,36 %, т.е. был близким к химическому составу рядового антрацита, опыты по сжиганию которого были описаны выше.
В ходе балансовых испытаний котла было установлено, что он развивает номинальную теплопро-изводительность, а его КПД равен 83,03—84,93 %, причем потери теплоты составили: с уходящими газами 6,77—7,65 %, от химической неполноты сгорания — 0,16—0,36 %, от механической неполноты сгорания — 1,93—2,04 %, с физическим теплом шлака — 0,87—0,93 %, из-за уноса топлива — 4—4,84 %, в окружающую среду — 1,15—1,32 %. Содержание окислов серы в дымовых газах было 83,3—97,5 мг/м3, а окислов азота 436,9—635,4 мг/м3.
Такой состав дымовых газов говорит об 90 % улавливании окислов серы за счет карбонатной части золы.
Наши котлы работают в котельных Гуково, Донецка, Новошахтинска, п. Тарасовский Ростовской области, где сжигается не только АШ, но и угольный шлам. В заключение заметим, что кроме АШ в наших котлах можно сжигать штыбы каменных длиннопламенных углей, а также шлам от обогащения этих углей.
Литература
1. Сыромятников Н. И. , Волков В. Ф. Процессы в кипящем слое. Свердловск, 1959. С. 214—215.
2. Кубин М. Сжигание твердого топлива в кипящем слое. М., 1987. С. 61—62.
3. Исъемин Р. Л. Влияние на циркуляцию частиц в псевдоожиженном слое погруженного тела и неравномерного газораспределения : автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1993. 16 с.
4. Шретер В. Н. Паровые котлы. М.; Л., 1938. 76 с.
5. Трембовля В. И., Фингер Е. Д., Авдеева А. А. Теплотехнические испытания котельных установок. М., 1991. 416 с.
6. Бородуля В. А., Виноградов Л. М. Сжигание твердого топлива в псевдоожиженном слое. Минск, 1980. 192 с.
Поступила в редакцию
16 ноября 2010 г.
Кариб Екатерина Викторовна — канд. техн. наук, ассистент, Тамбовский государственный технический университет. Тел. 8(961)0376493.
Селезнёв Денис Владимирович — магистрант, Тамбовский государственный технический университет. Тел. (0752) 72-97-59. E-mail: admin@ido.tstu.ru
Милованов Олег Юрьевич — магистрант, Тамбовский государственный технический университет. Тел. (0752) 72-97-59. E-mail: admin@ido.tstu.ru
Исьемин Рафаил Львович — канд. техн. наук, директор, Тамбовский филиал ассоциации КАРТЭК. Тел. (0752) 35-01-43.
Кузьмин Сергей Николаевич — канд. техн. наук, доцент, Тамбовский государственный технический университет. Тел. (0752) 72-97-59. E-mail: admin@ido.tstu.ru
Carib Ekaterina Viktorovna — Candidate of Technical Sciences, assistant, Tambov State Technical University. Tel. 8(961)0376493.
Seleznev Denis Vladimirovich — student, Tambov State Technical University. Tel. (0752) 72-97-59. E-mail: admin@ido.tstu.ru
Milovanov Oleg Jurevich — student, Tambov State Technical University. Tel. (0752) 72-97-59. E-mail: admin@ido.tstu.ru
Isyomin Rafail Lvovich — Candidate of Technical Sciences, director, Tambov branch of association KARTEK. Tel. (0752) 35-01-43.
Kuzmin Sergey Nikolaevich — Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Tambov State Technical University. Tel. (0752) 72-97-59. E-mail: admin@ido.tstu.ru
