Особенности расчета теплообмена в топке котельной установки при сжигании водоугольного топлива Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.612.324

Е. С. ФЛЕК

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ПРИ СЖИГАНИИ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Разработана методика теплового расчета топки при сжигании водоугольного топлива. Представлены результаты теплового расчета топки парового котла ТП-35. Оценены показатели р а боты п арового котла при р азличных н агрузках. Приведены тепловые режимы работы парового котла ТП-35 в расчетном диапазоне производительности. Ключевые слова: водоугольное топливо, п аровой котел, тепловой режим, тепловые характеристики топки, продукты сгорания.

В настоящее время в малой энергетике возрос интерес к использованию композитного угольного топлива, в частности, к угольным суспензиям. Связано это не только со снижением уровня добычи природного газа, необходимостью увеличения производства электроэнергии, но и с требованием уменьшения вредных выбросов от работы угольных котельных. В то же время наметилась тенденция к росту объемов производства угля, которая будет нарастать и далее [1].

Одним из направлений повышения эффективности использования угля — сжигание его в виде суспензии водоугольного топлива (ВУТ) [1]. ВУТ представляет собой дисперсную систему следующего состава: 40 — 70 % угля, 30 — 60 % воды, менее 1 % реагента-пластификатора.

ВУТ является жидким топливом, по свойствам схожим с мазутом, и может сжигаться как на угольных, так и на газомазутных котлоагрегатах [2].

Структура капли ВУТ образована из частиц угля, поры которых заполнены водой. Процесс горения начинается с прогрева капли ВУТ, вода испаряется с поверхности капли, затем фронт испарения продвигается внутрь капли, происходит подсушивание топлива и выход летучих веществ. Выделившиеся летучие вещества смешиваются с водяным паром и покидают каплю. Далее происходит выгорание коксового остатка.

В настоящее время разработаны несколько концепций сжигания водоугольного топлива в котлах различных мощностей [3]. К ним относятся: классическое факельное сжигание в камерной топке, сжигание в кипящем слое, совместное сжигание с другими видами топлива (газ, уголь).

Однако процессы теплообмена, протекающие в топках котельных агрегатов при сжигании ВУТ, являются недостаточно изученными. В работе [3] теория вопроса рассмотрена с использованием системы нестационарных дифференциальных уравнений, включающих уравнения энергии, химической кинетики и фильтрации для водяных паров и газообразных продуктов термического разложения.

Условия теплообмена в топке котельной установки при сжигании ВУТ отличаются от тех, которым соответствуют законы передачи энергии излучением Планка и Стефана — Больцмана. Действи-

тельные условия в топке сводятся в основном к тому, что среда в ней и поверхности топки не являются абсолютно черными телами, а температурное поле топки пространственное и несимметричное [4].

Рассмотрим процессы теплообмена, протекающие в топке, и проведем тепловой расчет парогенератора ТП-35 с исходными данными по [5] с применением основных положений Нормативного метода [6].

Тепловой расчет выполнен для парового котла ТП-35 [5] при сжигании ВУТ из угля марки ДГ с элементарным составом: Ш = 50,7 %, А = 12,3 %, 5 =1,2%, 5 =0,5 %, С =27,6 %, Н =1,9 %, N =0,6 %, О =5,2 %

0 г /и, р I /и, р I /и, р I /и, р I /и

и теплотой сгорания 13,8 МДж/кг.

Паровой котел ТП-35 предназначен для камерного сжигания твердого топлива.

Котел ТП-35 имеет П-образную компоновку поверхностей нагрева с расположением конвективных поверхностей в опускном газоходе «в рассечку». Топочная камера с факельным процессом горения объемом 206 м3 полностью экранирована трубами 0 60x3 мм на фронтовой, задней и боковых стенах. Перегреватель — вертикальный, змеевиковый, двухступенчатый. Расположение труб в обеих частях перегревателя коридорное. Экономайзер — двухступенчатый, вертикальный, трубчатый с шахматным расположением труб. Воздухоподогреватель — двухступенчатый, вертикальный, трубчатый, с шахматным расположением труб [5].

Тепловой расчет топки сводится к определению тепловых характеристик, температуры дымовых газов на выходе из топки и тепловосприятия поверхностей нагрева. К тепловым характеристикам топки относятся коэффициент тепловой эффективности топки у, степень черноты факела (топочной среды) аф, и топки ат, теоретическая температура горения , средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания (Ус) и параметр М, учитывающий относительное положение максимума температуры в топке [6 — 8].

Теоретический объем и энтальпия продуктов сгорания, полученных при полном сгорании ВУТ с теоретически необходимым количеством воздуха и его энтальпией, определяются по формулам Нормативного метода для элементарного состава ВУТ [6].

Значения тепловых потерь котлоагрегата и коэффициента тепловой эффективности поверхностей

"И

-(6)

50 6 0 70 8 0 90 100 110

Нагрузка котла, %

Рис. 1. Зависимость адиабатической температуры горения ВУТ от нагрузки котла: а — расчетные значения в соответствии с [5], б — расчетные значения по методике обводненного топлива

топки принимаем для угля, из которого приготовлено ВУТ. Эффективную степень черноты факела рассчитываем по формуле (или номограмме) для твердого топлива, предложенной в Нормативном методе [6].

Теоретическая температура горения выбирается в зависимости от величины тепловыделения в топке От, которая в адиабатных условиях горения может быть приравнена к величине энтальпии газов в топке [8].

Полезное тепловыделение в топке, кДж/кг, рассчитывается по формуле:

Qt = о; ■ ь

р ■ ь 100 - ?3 - - q6 + Q _ Q

100 - q4

(1)

где — располагаемое тепло рабочей массы топлива, кДж/кг;

q3 — потери тепла от химической неполноты сгорания топлива, %;

q4 — потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, %;

qб — потери тепла с физическим теплом шлаков, %; 0В — тепло, вносимое в топку воздухом, кДж/кг; 0ВВН — тепло, вносимое в топку воздухом, подогретым вне котлоагрегата, кДж/кг.

— критерий (коэффициент), учитывающий обводненность топлива, т.е. повышенное содержание влаги в ВУТ.

Причем

ь,..

1-

qw 100

2512■W„

qw =■

Q

(3)

Среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания рассчитываем в зависимости от полезного тепловыделения в топке, энтальпии продуктов сгорания, адиабатической температуры горения ВУТ и температуры газов на выходе из топки, которую принимаем предварительно [6].

Для вывода конечной формулы для расчета температуры газов на выходе из топки составим балансовые уравнения тепловосприятия поверхностей нагрева при теплообмене в топке и теплового баланса топки.

В общем виде тепловосприятие поверхностей нагрева определяется, как известно, из уравнения теплообмена в топке, которое, исходя из закона Стефана — Больцмана, может быть представлено в виде уравнения [4]:

Q = a с0у F (Т4 - Т4 )■ 10

^ л m 0т э ст\ ст }

(4)

(2) i'

где qw — относительная потеря тепла на испарение воды, содержащейся в топливе, %, которая определяется по выражению:

где ат — интегральный коэффициент теплового излучения топки;

с0 — коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67'10-8 Вт/(м2К4);

у — коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева;

Рст — площадь поверхности стенок, ограничивающих топку, м2;

Т — средняя температура продуктов сгорания в топке, К;

Тр — средняя температура поверхности нагрева, К.

Если учесть массу воды (влаги) в ВУТ в составе его расчетного расхода, то, с другой стороны, тепло-восприятие поверхностей нагрева может быть определено из теплового баланса топки:

Q = j Ь B (Q - И ),

^ л т w p v* m ст} '

(5)

где Шр — содержание влаги в рабочей массе топлива, %;

2512 — теплота парообразования воды топлива в температурных условиях калориметрической бомбы, кДж/м3;

0р — низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг.

При сжигании ВУТ значения адиабатической температуры в топке находится в пределах 1600 — 1750 °С (рис. 1).

где Ф — коэффициент сохранения теплоты топкой; Вр — расчетный расход топлива, кг/с; Н"т — энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, кДж/кг.

Значение разности 0т - Н"т , кДж/кг, при условии неизменности объема продуктов сгорания и их теплоемкости в топке может быть найдено из формулы:

Q - И" = (V ■ с) (Т - Т ),

^т ст \ г г/ср\ а т/<

(6)

3

71

1060 1040

I 1000

® 980

940

880

840

"(а) -{б) -(в)

50

60

70 80 90

Нагрузка котла, %

100

110

Рис. 2. Зависимость температуры газов на выходе из топки от нагрузки котла: а — расчетные значения в соответствии с [5], б — расчетные значения по методике обводненного топлива, в — расчетные значения по методике обводненного топлива и измененным параметром М

гАе Уг — объем продуктов сгорания, м3/кг;

сг — теплоемкость продуктов сгорания в топке,

кДж/(м3К);

Та — адиабатическая температура горения топлива, К;

Тш — средняя температура продуктов сгорания на выходе из топки, К.

Приравнивая значения Ол из уравнений теплового баланса (5) и теплообмена в топке (4), получим аналогично:

ФЬЛ(угсг)срга -|1 -Т^ | =

= атСоУЛШТ4 • 103

— \ 4

1 -| Тсш-Т

(7)

Параметр, учитывающий отраженное излучение от стенки в выражении (7), обозначим через

г = 1 - (ТсШ / Т)\

(8)

© = Т / Та; © = Тш/Та.

(9)

С учетом (8) и (9) выражение (7) примет вид: фЬ В (Ус) Т -(1 -0") = Г4а с0ш^ Г404г , (10)

т ж р \ г г )ср а \ ш / a ш 0т э сш a ' ^ ^

гаш04 = ФврУс4_ (1 -0Ш),

здесь

с0Уср РсшТа ФВР (Усг )ср =

с0Уср РсшТаз

комплекс (число) Больцмана. С учетом (12) получим:

Во

га ш04 = Во (1 -0ш).

(11)

(12)

(13)

Обычно при расчете топок используют эмпирические уравнения, в которых использованы опытные данные. В Нормативном методе расчета теплообмена применяют эмпирическую зависимость, предложенную А. М. Гурвичем [4],

Во0

Ма0'6 + Во0

(14)

где М — параметр, характеризующий температурное поле в топке, зависящий от относительного расположения зоны максимальных температур в топке.

Формула (14) принята в основу практических расчетов теплообмена при значении 0ш < 0,9 [4].

В развернутом виде уточненная формула для определения температуры газов на выходе из топки 9т , при сжигании ВУТ, принимает вид [4]:

& = -

т

/ з Л 0,6

( 5,67усрРСшашТ3 Л

■ - 273.

(15)

М

1011фВрЬш(Угсг с

+1

и введем понятие о безразмерных температурах средней в топке и на выходе из нее в виде:

Формула (15) в целом для паровых котлов небольшой мощности дает заниженные результаты, (рис 2.). Наилучшие результаты (по сходимости) расчета применительно к сжиганию ВУТ можно получить при использовании формулы с измененным параметром М 0,422 вместо 0,467 [4].

Введение критерия в расчетное уравнение для безразмерной температуры 0шт равнозначно изменению формулы для определения критерия Больц-мана, ибо величина входит и в числитель и в знаменатель формулы для 0шт как сомножитель произведения вместе с критерием Во, возводимым в степень 0,6.

Результаты теплового расчета топки представлены в табл. 1.

Омская область является регионом, не имеющим свою топливную базу [9].

В частности, уголь Экибастузского месторождения для Омской ТЭЦ-5 имеет большую неоднородность по зольности и теплоте сгорания, а его транспортировка в Омскую область существенно увеличивает себестоимость отпускаемой тепловой энергии [9].

Таким образом, вопрос о более эффективном сжигании каменного угля является актуальным для

0

III

или

72

Таблица 1

Результаты теплового расчета котла ТП-35 при сжигании ВУТ

Наименование измеряемых величин Размерность Величина

Нагрузка котла (паропроизводительность) % % 60 70 80 90 100

т/ч 21 24,5 28 31,5 35

Давление перегретого пара МПа 3,8

Температура перегретого пара °С 445

Температура питательной воды °С 100

Коэффициент избытка воздуха в топке 1,25

Располагаемая теплота топлива кДж/кг 13 959

Температура уходящих газов °С 170 175 180 185 190

Температура воздуха в котельной °С 25

КПД парогенератора % % 89,07 88,85 88,63 88,41 88,20

Расход ВУТ кг/c 1,33 1,55 1,78 2,01 2,24

Коэффициент, учитывающий обводненность топлива 0,91

Тепловое напряжение объема топки кВт/м3 92,9 108,6 124,4 140,3 156,3

Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности 0,358

Параметр, учитывающий характер распределения температуры в топке 0,467

Полезное тепловыделение в топке кДж/кг 13925 14050 14172 14274 14368

Адиабатическая температура горения °С 1671 1684 1697 1708 1718

Средняя теплоемкость продуктов сгорания кДж/(кгК) 9,0 9,04 9,07 9,09 9,12

Коэффициент ослабления лучей топочной средой 1/(мМПа) 2,27 2,21 2,16 2,10 2,04

Степень черноты факела 0,54 0,53 0,52 0,51 0,51

Степень черноты топки 0,766 0,759 0,752 0,744 0,744

Температура газов на выходе из топки °С 817 867 912 952 985

Тепловосприятие топки кДж/кг 9113 10239 11310 12312 13930

Омского региона и технология применения ВУТ может внести существенный вклад в решение этого вопроса. Потребителями ВУТ могут быть как малые, средние, так и крупные промышленные предприятия, а также предприятия жилищно-коммунального хозяйства. ВУТ может быть использовано как основное или резервное топливо для котлов, больших и малых электростанций. Особый интерес ВУТ представляет для жителей большого количества вновь строящихся микрорайонов и коттеджных поселков, отдаленных от газовых магистралей и вообще от энергоресурсов [ 10]. Предложенная методика расчета котлоагрегата позволяет значительно упростить проектирование ТЭС и котельных.

Библиографический список

1. Мурко В. И., Дурнин М. К. Водоугольное топливо — одно из перспективных направлений по утилизации шламов обогатительных фабрик // Эко-Бюллетень ИнЭкА. 2001. № 9 (68). URL: http://ineca.ru/?dr = bulletin/arhiv/0068/&pg = 006&lg = ru (дата обращения: 10.06.2016).

2. Архипкин О. О., Морозов А. Г. Современные подходы к использованию водоугольного топлива // Экологический вестник России. 2011. № 9. С. 20-25.

3. Сыродой С. В. Термическая подготовка и зажигание частиц водоугольного топлива применительно к топкам котельных агрегатов: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.14; 01.04.14. Томск, 2014. 130 с.

4. Ведрученко В. Р., Крайнов В. В., Кокшаров М. В. Особенности теплообмена в топке котельной установки при сжи-

гании обводненного жидкого топлива // Инновационное развитие железнодорожного транспорта России: материалы между-нар. конф., 14 ноября 2012 г. Омск: Изд-во ОмГУПС, 2012. С. 145-153.

5. Шарабура Т. А. Теплотехнические показатели работы парового котла ТП-35 при работе на водоугольном топливе // Техшчна теплофiзика та промислова теплоенергетика. 2013. Вып. 5. С. 161-170.

6. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). 3-е изд. перераб. и доп. СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. 295 с.

7. Частухин В. И. Тепловой расчет промышленных парогенераторов. Киев: Головное изд-во издательского объединения «Вища школа», 1980. 182 с.

8. Лебедев В. М., Приходько С. В. Тепловой расчет котельных агрегатов средней паропроизводительности: учеб. пособие. Омск: Издво ОмГУПС, 2009. 136 с.

9. Гаак В. К. Пути реконструкции оборудования промышленной ТЭЦ при переводе на сжигание других видов топлива: на примере Омской ТЭЦ-5: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.04. Омск, 1999. 160 с.

10. Мосин С. И., Делягин Г. Н. Российский опыт внедрения промышленной технологии производства водоугольного топлива // Новости теплоснабжения. 2008. № 9. С. 22-28.

ФЛЕК Екатерина Сергеевна, аспирантка кафедры теплоэнергетики.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 25.10.2016 г. © Е. С. Флек