Научная статья на тему 'ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗВРАТА УНОСА В КОТЛАХ СО СЛОЕВЫМИ ТОПКАМИ'

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗВРАТА УНОСА В КОТЛАХ СО СЛОЕВЫМИ ТОПКАМИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
47
9
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СЛОЕВАЯ ТОПКА / УСТАНОВКА ВОЗВРАТА УНОСА / КОЭФФИЦИЕНТ ВЫГОРАНИЯ УГЛЕРОДА / ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ ЗОЛЫ / ПОТЕРЯ ТЕПЛОТЫ С МЕХАНИЧЕСКИМ НЕДОЖОГОМ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Горшенин Сергей Дмитриевич, Шувалов Сергей Ильич, Зиновьева Екатерина Витальевна, Кокулин Илья Андреевич

Существенным недостатком слоевых топок являются большие потери теплоты с механическим недожогом. Для снижения этих потерь применяется возврат в топку на повторное дожигание уловленной в газоходе золы. Эффективность этого мероприятия зависит от теплотехнических характеристик угля, размера частиц угля и золы, степени выгорания углерода на решетке, конструктивных особенностей топочной камеры. Нормативные методики расчета и проектирования слоевых топок не учитывают особенности сжигания углей с возвратом золы. В связи с этим актуальными являются задачи, связанные с разработкой моделей, описывающих формирование потоков золы в тракте котла в зависимости от его конструктивного исполнения, свойств и дисперсного состава сжигаемого угля и аэродинамики топочной камеры. Для описания формирования массопотоков золы на решетке и в конвективной камере использовано математическое моделирование процессов классификации частиц по размерам. Для оценки параметров математических моделей использовано имитационное моделирование газодинамики дымовых газов в топочной камере с использованием инструментов газодинамического анализа SolidWorks. Разработаны математическая модель и методика идентификации ее параметров, позволяющие получить количественные оценки экономичности работы котлов со слоевым сжиганием углей. На их основе разработана вычислительная программа, с использованием которой на примере сжигания промпродукта нерюнгринского каменного угля в котле КВ-ТС-30-150 показано, что без установки возврата уноса потери теплоты с механическим недожогом составляют 11,27 %. Включение установки возврата снижает эти потери до 10,45 %. Кроме того, установлено, что устранение щелевых окон в поворотном экране приведет к изменению траекторий движения частиц золы и сокращению потерь от механического недожога до 10,17 %, а ограничение максимального размера кусков угля до 50 мм приведет к более заметному повышению экономичности работы котла. Вариантные расчеты показали, что при значении коэффициента выгорания углерода 0,935 потери тепла с механическим недожогом при выключенной системе возврата уноса в топку котла, включении ее в работу и, в дополнение к этому, повышении газоплотности поворотного экрана составят соответственно 4,88 %, 4,44 % и 4,3 %. В случае более осторожной оценки коэффициента выгорания на уровне 0,9 потери тепла от механического недожога в рассмотренных вариантах составят 7,51 %, 6,87 % и 6,65 %. Разработанная математическая модель позволяет оценить влияние работы системы возврата уноса на экономичность работы котла со слоевым сжиганием угля. Задачи проверки адекватности и повышения точности модели могут быть решены после проведения натурных испытаний котельного оборудования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Горшенин Сергей Дмитриевич, Шувалов Сергей Ильич, Зиновьева Екатерина Витальевна, Кокулин Илья Андреевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

IMPROVING THE EFFICIENCY OF FLY ASH REINJECTION IN GRATE STOKER OF BOILER

A significant disadvantage of grate stokers is great carbon loss. To reduce these losses, the ash caught in the flue is returned to the furnace for afterburning. The effectiveness of this measure depends on the thermal characteristics of coal, the size of the pieces of coal and ash, the degree of carbon elimination, and the design features of the combustion chamber. Normative techniques to calculate and design grate stokers do not consider the features of coal combustion with ash return. Thus, it is relevant to develop the models that describe the creation of ash flows in the boiler path depending on its design, properties and dispersed composition of the burned coal and the aerodynamics of the combustion chamber. Mathematic simulation of the processes of particle size classification has been carried out to describe the creation of ash mass flows on the grate and in the convection chamber. To evaluate the parameters of mathematical models, simulation modeling of gas dynamics of flue gases in the combustion chamber has been carried out with SolidWorks software. The authors have developed a mathematical model and the method to identify its parameters. It allows us to obtain quantitative estimates of the economic efficiency of boilers with grate firing of coal. Thus, a computer program has been developed. The authors have used the program and the Neryungri brown coal to burn in the KV-TS-30-150 boiler. The results have shown that carbon loss without fly ash reinjection is 11,27 %. Introduction of fly-coke return unit reduces the loss up to 10,45 %. It is established that elimination of slit windows in the rotary baffle will lead to a change of the trajectories of ash particles and carbon losses reduction up to 10,17 %. Limiting the maximum size of coal pieces to 50 mm will lead to a more noticeable increase of boiler efficiency. The calculations have showed that in case the value of the carbon burn out factor equals 0,935, the carbon loss when the system of fly ash reinjection is turned off, its commissioning and, in addition, an increase of the gas density of the rotary screen will be 4 ,88%, 4,44% and 4,3% respectively. In case of a more careful assessment of the burnout factor at the level of 0,9, the carbon loss will be 7,51%, 6,87% and 6,65% respectively. The developed mathematical model makes it possible to evaluate the effect of the operation of the fly ash reinjection unit on the efficiency of the operation of a boiler with a grate stoker. Validation of a model for adequacy and for accuracy increase can be carried out after field testing of the boiler equipment.

Текст научной работы на тему «ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗВРАТА УНОСА В КОТЛАХ СО СЛОЕВЫМИ ТОПКАМИ»

УДК 621.18

Сергей Дмитриевич Горшенин

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, доцент кафедры тепловых электрических станций, Россия, Иваново, телефон (4932) 26-99-34, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Сергей Ильич Шувалов

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор кафедры тепловых электрических станций, Россия, Иваново, телефон (4932) 26-99-31, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Екатерина Витальевна Зиновьева

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, доцент кафедры тепловых электрических станций, Россия, Иваново, телефон (4932) 26-99-31, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Илья Андреевич Кокулин

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», магистрант кафедры тепловых электрических станций, Россия, Иваново, телефон (4932) 26-99-31, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Повышение эффективности возврата уноса в котлах со слоевыми топками

Авторское резюме

Состояние вопроса. Существенным недостатком слоевых топок являются большие потери теплоты с механическим недожогом. Для снижения этих потерь применяется возврат в топку на повторное дожигание уловленной в газоходе золы. Эффективность этого мероприятия зависит от теплотехнических характеристик угля, размера частиц угля и золы, степени выгорания углерода на решетке, конструктивных особенностей топочной камеры. Нормативные методики расчета и проектирования слоевых топок не учитывают особенности сжигания углей с возвратом золы. В связи с этим актуальными являются задачи, связанные с разработкой моделей, описывающих формирование потоков золы в тракте котла в зависимости от его конструктивного исполнения, свойств и дисперсного состава сжигаемого угля и аэродинамики топочной камеры.

Материалы и методы. Для описания формирования массопотоков золы на решетке и в конвективной камере использовано математическое моделирование процессов классификации частиц по размерам. Для оценки параметров математических моделей использовано имитационное моделирование газодинамики дымовых газов в топочной камере с использованием инструментов газодинамического анализа SolidWorks.

Результаты. Разработаны математическая модель и методика идентификации ее параметров, позволяющие получить количественные оценки экономичности работы котлов со слоевым сжиганием углей. На их основе разработана вычислительная программа, с использованием которой на примере сжигания промпродукта нерюн-гринского каменного угля в котле КВ-ТС-30-150 показано, что без установки возврата уноса потери теплоты с механическим недожогом составляют 11,27 %. Включение установки возврата снижает эти потери до 10,45 %. Кроме того, установлено, что устранение щелевых окон в поворотном экране приведет к изменению траекторий движения частиц золы и сокращению потерь от механического недожога до 10,17 %, а ограничение максимального размера кусков угля до 50 мм приведет к более заметному повышению экономичности работы котла. Вариантные расчеты показали, что при значении коэффициента выгорания углерода 0,935 потери тепла с механическим недожогом при выключенной системе возврата уноса в топку котла, включении ее в работу и, в дополнение к этому, повышении газоплотности поворотного экрана составят соответственно 4,88 %, 4,44 % и 4,3 %. В случае более осторожной оценки коэффициента выгорания на уровне 0,9 потери тепла от механического недожога в рассмотренных вариантах составят 7,51 %, 6,87 % и 6,65 %.

Выводы. Разработанная математическая модель позволяет оценить влияние работы системы возврата уноса на экономичность работы котла со слоевым сжиганием угля. Задачи проверки адекватности и повышения точности модели могут быть решены после проведения натурных испытаний котельного оборудования.

Ключевые слова: слоевая топка, установка возврата уноса, коэффициент выгорания углерода, дисперсный состав золы, потеря теплоты с механическим недожогом

Sergey Dmitrievich Gorshenin

Ivanovo State Power Engineering University, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of Heat Power Plants Department, Russia, Ivanovo, telephone (4932) 26-99-34, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Sergey Ilyich Shuvalov

Ivanovo State Power Engineering University, Doctor of Engineering Sciences, Professor of Heat Power Plants Department, Russia, Ivanovo, telephone (4932) 26-99-31, e-mail: admin@tes.ispu.ru

© Горшенин С.Д., Шувалов С.И., Зиновьева Е.В., Кокулин И.А., 2022 Вестник ИГЭУ, 2022, вып. 5, с. 18-23.

Ekaterina Vitalevna Zinovieva

Ivanovo State Power Engineering University, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of Heat Power Plants Department, Russia, Ivanovo, telephone (4932) 26-99-31, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Ilya Andreevich Kokulin

Ivanovo State Power Engineering University, Master's Degree Student of Heat Power Plants Department, Russia, Ivanovo, telephone (4932) 26-99-31, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Improving the efficiency of fly ash reinjection in grate stoker of boiler

Abstract

Background. A significant disadvantage of grate stokers is great carbon loss. To reduce these losses, the ash caught in the flue is returned to the furnace for afterburning. The effectiveness of this measure depends on the thermal characteristics of coal, the size of the pieces of coal and ash, the degree of carbon elimination, and the design features of the combustion chamber. Normative techniques to calculate and design grate stokers do not consider the features of coal combustion with ash return. Thus, it is relevant to develop the models that describe the creation of ash flows in the boiler path depending on its design, properties and dispersed composition of the burned coal and the aerodynamics of the combustion chamber. Materials and methods. Mathematic simulation of the processes of particle size classification has been carried out to describe the creation of ash mass flows on the grate and in the convection chamber. To evaluate the parameters of mathematical models, simulation modeling of gas dynamics of flue gases in the combustion chamber has been carried out with SolidWorks software. Results. The authors have developed a mathematical model and the method to identify its parameters. It allows us to obtain quantitative estimates of the economic efficiency of boilers with grate firing of coal. Thus, a computer program has been developed. The authors have used the program and the Neryungri brown coal to burn in the KV-TS-30-150 boiler. The results have shown that carbon loss without fly ash reinjection is 11,27 %. Introduction of fly-coke return unit reduces the loss up to 10,45 %. It is established that elimination of slit windows in the rotary baffle will lead to a change of the trajectories of ash particles and carbon losses reduction up to 10,17 %. Limiting the maximum size of coal pieces to 50 mm will lead to a more noticeable increase of boiler efficiency. The calculations have showed that in case the value of the carbon burn out factor equals 0,935, the carbon loss when the system of fly ash reinjection is turned off, its commissioning and, in addition, an increase of the gas density of the rotary screen will be 4 ,88%, 4,44% and 4,3% respectively. In case of a more careful assessment of the burnout factor at the level of 0,9, the carbon loss will be 7,51%, 6,87% and 6,65% respectively. Conclusions. The developed mathematical model makes it possible to evaluate the effect of the operation of the fly ash reinjection unit on the efficiency of the operation of a boiler with a grate stoker. Validation of a model for adequacy and for accuracy increase can be carried out after field testing of the boiler equipment.

Key words: grate stoker, fly ash reinjection unit, carbon burnout factor, dispersed composition of ash, carbon loss DOI: 10.17588/2072-2672.2022.5.018-023

Введение. В промышленных котельных малой и средней мощности, использующих твердое топливо, достаточно широко применяются котлы со слоевыми топками. Существенным недостатком этих котлов являются высокие потери с механическим недожогом, обусловленные спецификой кускового сжигания. Для повышения экономичности использования топлива такие котлы оборудуются устройствами возврата уноса, обеспечивающими повторное дожигание частиц угля, вынесенных из топочной камеры в конвективную шахту. Математические модели, на которых построены методики расчета и проектирова-1

ния слоевых топок , не позволяют расчетным путем оценить эффективность устройств возврата уноса. Для решения поставленной задачи необходимы модели, описывающие формирование потоков золы в тракте котла, учитывающие его конструкцию, свойства и дисперсный состав сжигаемого угля, а также аэродинамические характеристики топочной камеры.

Методы исследования. В качестве объекта исследования был выбран котел КВ-ТС-30-150 с механической топкой и цепной

1 Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). - СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.; СНиП 11-35-76. Котельные установки. - М.: Стандартинформ, 2017. - 74 с.

решеткой, оборудованный устройством возврата уноса и установленный в центральной котельной г. Тынды. Основным топливом является промпродукт нерюнгринского каменного угля марки СС. Схема котла приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема котла КВ-ТС-30-150: 1 - цепная решетка обратного хода; 2 - забрасыватель угля; 3 - бункер шлака; 4 - бункер возврата уноса; 5 - поворотный экран; 6 - вентилятор подачи уноса; 7 - эжектор; 8 - ввод уноса в топку; 9 - обмуровка

Котел оснащен слоевой решеткой 1 обратного хода с механическими забрасывателями угля 2, содержит бункера шлака 3 и уноса 4. Поворотный экран 5 обеспечивает возвратно-поступательное движение дымовых газов от задней к фронтовой стенке в нижней части топки и от передней стенки к конвективной шахте в верхней части топки. Для снижения аэродинамического сопротивления в наклонной части поворотного экрана устроены щелевые окна, позволяющие некоторому количеству дымовых газов выходить в конвективную шахту без обтекания слоя угля на решетке. Для уменьшения потери теплоты с механическим недожогом котел оборудован устройством возврата уноса, подающим осевшую в бункере 4 золу с помощью вентилятора 6 и эжектора 7 в топочную камеру через сопло 8.

Потоки золы в тракте котла формируются в зависимости от разделения золы на шлак и унос на цепной решетке, осаждения частиц уноса в конвективной шахте и траекторий движения их в топочном пространстве при повторном дожигании. Расчетная схема потоков топлива и золы по тракту котла показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема потоков золы и горючих веществ в тракте котла со слоевой топкой: 1 - слоевая топка; 2 - устройство, разделяющее зольные частицы на шлак и унос; 3 - конвективный газоход; 4 - устройство возврата уноса

Согласно принятой схеме, на решетку топки 1 в единицу времени поступает уголь в количестве В0, содержащий в одном килограм-

Ар Щр

ме массу золы А =-, влаги Щ =-, лету-

0 100 0 100

Vг 100 - Ар - Щр

чих веществ V =--и твердых

0 100 100

горючих веществ в виде условного углерода

Со = 1- А - Щ -V. Дисперсный состав угля

описывается кривой полных остатков Я0(5), где

5 - текущий размер частиц.

Перед решеткой поток угля смешивается с потоком частиц из устройства возврата уноса в количестве В6 с дисперсным составом Я6(5), содержащим золу А6 и горючие вещества СО.

Общее количество поступающего на решетку материала составляет

В = В + В6 (1)

с дисперсным составом

*8 (5) = В (5) + В *б (5) , (2)

В + В

в котором содержатся зола в количестве Аз = А) + Аб (3)

и горючее вещество в количестве С = Ст0 + СТ . (4)

В топочной камере происходит полное испарение влаги и выгорание летучих У0, а также частичное выгорание углерода до величины

СТ = сТкс, (5)

где кс < 1 [1, 2].

Массовое содержание золы на решетке не меняется: А1 = А0. Количество материала на выходе с цепной решетки составляет В = А, + Г. (6)

При испарении влаги и выходе летучих в кусках угля происходит образование пор, при интенсивном нагреве за счет возникновения внутренних напряжений куски могут расколоться на крупные осколки. Появление пористой структуры коксовой частицы происходит вследствие одновременно протекающих процессов: образования пор при испарении капиллярной влаги и выхода летучих, роста объема пор при вспучивании и уменьшения объема пор при их усадке [3, 4].

Не рассматривая варианты вспучивания и дробления частиц при выделении летучих и спекания частиц в слое, остаются два предельных варианта: размер частиц не изменяется при горении и размер частиц уменьшается пропорционально количеству выгоревшего вещества в третьей степени [5].

В первом случае снизится истинная плотность частиц, но массовое распределение по их размерам, т.е. кривая полных остатков, сохранится: Я1(5) = Я0(5).

Во втором случае размеры частиц золы изменяются согласно зависимости 51 = 5 х1/3. Дисперсный состав золы будет описываться кривой полных остатков Я1(5Р), где текущий размер 5 связан с размером 5р выражением 5р =5 х-1/3. (7)

При выходе с решетки зола угля разделяется на два потока: шлак и унос. Более крупные частицы преимущественно попадают в шлак и выводятся из тракта котла в накопительный бункер. Более мелкие частицы преимущественно образуют летучую золу (унос), которая дымовыми газами выносится в конвек-

4

тивную часть котла. Основным фактором, влияющим на разделение частиц на шлак и унос, является их размер. Это разделение имеет вероятностный характер, поэтому примем, что в месте выгрузки золы с решетки котла установлен сепаратор частиц 2, который с вероятностью ф1(5) направляет частицы размером 5 в унос и с вероятностью (1 - ф-|(5)) - в шлак. Массовые потоки шлака и уноса составляют:

Вшл = В2 = В (1-ф,); (8)

Вун = Вз = В Ф1. (9)

где ф - доля золы (полный вынос), выделенной сепаратором 1 в мелкий продукт.

Величина полного выноса рассчитывается по формуле [6, 7]

_ 1 ,.100 . . . . Ф1 = 1(Ю 10 Ф1(5) (5):

^ Ф1 (5) 1 (5) а5,

(10)

где 5тах - максимальный размер частиц золы; /1(5) - плотность распределения частиц по размерам; ф1(5) - кривая разделения сепаратора, описывающая вероятность попадания частицы размера 5 в мелкий продукт разделения сепаратора.

Дисперсные составы шлака и золы определяются по формулам:

,Я1(5)г

*2 (5) = ^ |о"1(5)[1-Ф1 ^ ®;

I Ф>1

-Ф1

1 Г«1(5)

(11)

Rз (5) = ^ |01()Ф1 ® ®, (12)

где 5 рассматривается как фиксированный, а | - как текущий размер.

Так как данные о конкретном виде кривой разделения отсутствуют, то для оценочных расчетов воспользуемся наиболее простой од-нопараметрической аппроксимацией в виде ломаной линии:

0 при 5 > 5к,

Ф5(5)=

1 - — при 5 < 5к

(13)

Величина 5к соответствует размеру частиц, крупнее которого все частицы попадают в крупный продукт разделения, а более мелкие содержатся в обоих продуктах.

В конвективной шахте 3 некоторое количество частиц золы сталкивается со стенками и поверхностями нагрева и выпадает в бункер сбора уноса, расположенный под конвективной шахтой. Так как оседают преимущественно более крупные частицы уноса, то конвективную шахту можно рассматривать как второй сепаратор в тракте котла. Потоки золы В4, осажденной в конвективной части и вынесенной дымовыми газами из котла В5, составляют:

В4 = Вз (1-Ф2); (14)

В5 = Вз Ф 2. (15)

Полный вынос ф2 и кривые полных остатков осажденной ^(5) и вынесенной из котла Я5(5) золы рассчитываются по (10)-(13) в зависимости от дисперсного состава уноса Я3(5).

Зола, осевшая в бункере уноса, с помощью эжектора направляется в топочную камеру. Более крупные частицы оседают на решетку и повторно дожигаются в слое, менее крупные догорают во взвешенном состоянии, отдельные частицы выносятся из топки без дожигания. Так как вероятность осаждения частиц на решетку и продолжительность их нахождения в топке зависят от их размера и взаимодействия потоков дымовых газов с пылевоздушной струей уноса, то представим систему возврата уноса в виде сепаратора 4, эффективность и граница разделения которого зависят от организации движения потоков дымовых газов в топочной камере. Потоки частиц из устройства возврата уноса на решетку и в конвективный газоход составляют: В6 = В4 (1-Фз); (16)

В5 = Вз Фз, (17)

где полный вынос Ф3 и кривые полных остатков рассчитываются по (10)-(13) в зависимости от дисперсного состава (^4(5) осажденной в газоходе золы.

Содержащиеся в шлаке и уносе горючие вещества создают потерю теплоты с механическим недожогом q4, которая рассчитывается по формуле3

(

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Г,,

\

Ял =

100 - Г.,

• 32,7 • 105 • Ар

ОР

(18)

СТ

где Гшл = ст + А

• 100 - содержание горючих в

2 т А2

шлаке и уносе, %; ОР - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг.

Принято, что скорость выгорания углерода не зависит от размера частиц, поэтому Гшл = Гун.

Система уравнений (1)-(18) образует математическую модель формирования массопо-токов частиц кокса в топке с механической решеткой и устройством возврата уноса. Для ее практического применения необходимо указать теплотехнические характеристики угля (зольность Ар, влажность выход летучих V, теплоту сгорания Ор), его дисперсный состав Я0(5), коэффициент выгорания углерода кс и параметры разделения сепараторов 5к1, 5к2, 5к3.

Результаты исследования. По данным испытательной лаборатории «АО ХК Якут-уголь» в центральную котельную г. Тынды поставляется уголь со средними характеристиками: ^ = 6,3 %; Ас = 23,4 %; V = 22,6 %,

Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.

ОР = 5769 ккал/кг. Значения полных остатков угля указаны в табл. 1.

Таблица 1. Дисперсный состав угля

5, мм 100 50 25 13 3 0,5 0

R,% 0 11,9 21,3 29,3 41,9 72,8 100

Содержание в угле частиц крупнее 20 мм составляет R0(20) = 24 %. При сжигании угля такой крупности на цепной решетке без устройства возврата уноса содержание горючих в шлаке составляет Гшл = 25-30 % [8]. На основании этого примем значение коэффициента kc = 0,85, при котором Гшл = 27,54 %.

Максимальный размер частиц уноса, соответствующий параметру разделения 5k1, зависит от скорости газов над слоем горящих частиц и находится в пределах 1-4 мм. Для оценочных расчетов примем значение 5k1 = 2,5 мм, при котором доли шлака и уноса составят ашл = 0,62; аун = 0,38 соответственно.

При этих параметрах относительный расход частиц золы составит В1 = 0,303, доля уноса - ^ = 0,38, а потоки золы, уходящей в шлак и вынесенной в конвективную часть котла, составят соответственно В2 = 0,188 и В3 = 0,115. Потеря теплоты с механическим недожогом составит q4 = 11,27 %.

Дисперсный анализ золовых частиц, поступающих в систему золоулавливания котельной, показал, что в ней отсутствуют частицы крупнее 1,5 мм. Примем эту величину в качестве характеристики разделения второго сепаратора 5k,2 = 1,5 мм.

В заднем (поворотном) экране котла КВ-ТС-30-150 для снижения аэродинамического сопротивления газового тракта за счет разводки труб организовано семь щелевых окон, через которые часть дымовых газов выходит из топочной камеры, не огибая слой топлива на решетке.

Для оценки влияния конструктивных особенностей топочной камеры на траектории движения частиц уноса были разработаны трехмерная геометрическая модель топочной камеры и имитационная математическая модель турбулентного движения дымовых газов в камере. Распределение линий тока в топочной камере с поворотным экраном, содержащим щелевые окна, показано на рис. 3.

В программном комплексе Solidworks было проведено моделирование траекторий движения твердых частиц, подаваемых в топочную камеру в точке ввода возврата уноса. Результаты моделирования показали, что при номинальной нагрузке котла все частицы крупнее размера 1 мм оседают на слой топлива, для частиц размером 0,8 мм вероятность выноса составляет 0,2. На основании этого принято, что предельный размер третьего сепаратора 5к3 = 1 мм.

Рис. 3. Линии тока в топочной камере котла с негазо-плотным экраном

При этих параметрах математической модели относительный расход частиц золы возрастет до В1 = 0,324, при этом увеличится доля уноса до ^ = 0,388, в шлак перейдет зола в количестве В2 = 0,198, а в унос - В3 = 0,324. Из уноса в бункере 4 относительное количество осаждаемой золы составит В4 = 0,044, а в систему золоулавливания поступит В5 = 0,098. При этом из устройства возврата уноса на слой угля для повторного дожигания поступит В6 = 0,027, будет вынесено из топки без дожигания В7 = 0,017. Общий расход поступающего на решетку материала составит В8 = 1,027. Содержание горючих в шлаке и уносе сократится до Гшл = 26,06 %, потеря теплоты с механическим недожогом сократится до q4 = 10,45 %.

Выводы. Одним из вариантов модернизации котла может быть установка газоплотного поворотного экрана с устранением выноса возвращаемых частиц уноса через щели экрана. Распределение линий тока для этой конструкции показано на рис. 4.

Рис. 4. Линии тока в топочной камере котла с газоплотным экраном

Проведенные расчеты траекторий частиц показали, что все частицы возврата крупнее 0,4 мм оседают в топочной камере, более мелкие частицы могут быть вынесены из топки при обтекании поворотного экрана. При расчете потоков твердых частиц в тракте котла с 5к,3 = 0,4 мм было получено, что поток золы увеличивается до В1 = 0,324, доля уноса возрастает до ^ = 0,393, а потоки золы, попавшей

в шлак и унос составят В2 = 0,202 и В3 = 0,13 соответственно. Из уноса в бункере 4 осядет зола в количестве В4 = 0,042, а в систему золоулавливания поступит В5 = 0,093. Из устройства возврата уноса на слой угля для повторного дожигания поступит зола в количестве В6 = 0,037, при этом, количество золы, вынесенной из топки без дожигания составит В7 = 0,004. Общий расход поступающего на решетку материала составит В8 = 1,037. Содержание горючих в шлаке и уносе сократится до Гшл = 25,54 %, потеря теплоты с механическим недожогом сократится до q4 = 10,17 %. Таким образом, устранение щелевых окон в поворотном экране позволит получить дополнительное сокращение потерь с механическим недожогом, по величине равное приблизительно половине эффекта от применения устройства возврата уноса.

Вторым вариантом повышения экономичности работы котла является перевод его на сжигание более мелких частиц. Если ограничить крупность поставляемого в котельную угля величиной 5тах = 50 мм, то при отделении на грохоте более крупных частиц дисперсный состав товарного угля будет соответствовать характеристикам, представленным в табл. 2.

Таблица 2. Ожидаемый дисперсный состав угля

5, мм 100 50 25 13 6 3 0,5 0

R, % 0 0 10,9 19,9 29,4 42,3 69,1 100

По данным [8], при таком дисперсном составе угля можно ожидать, что содержание горючих в шлаке сократится до Гшл = 14 %, что соответствует значению ^ = 0,935. В этом случае относительные расходы золы, шлака и уноса составят соответственно В1 = 0,255, В2 = 0,143 и В3 = 0,113. Величина потери с механическим недожогом сократится до q4 = 4,88 %.

Включение устройства возврата уноса при нарушенной газоплотности поворотного экрана топки котла увеличит поток материала на решетку до В8 = 1,027, соответственно возрастет поток шлака до В2 = 0,154 и сократится поток золовых частиц в систему золоулавливания до В5 = 0,098. Содержание горючих в шлаке сократится до Гшл = 13,04 %, потери теплоты с механическим недожогом составят q4 = 4,44 %.

Уплотнение поворотного экрана увеличит поток угля и золы на решетку до В8 = 1,036, сократит поток золы в систему золоулавливания до В5 = 0,093, снизит содержание горючих в шлаке до Гшл = 12,68 % и величину потерь до q4 = 4,3 %.

В случае более осторожной оценки коэффициента выгорания углерода = 0,9) при работе котла без устройства возврата уноса составит содержание горючих в шлаке Гшл = 20,22 % и величина потерь с механическим уносом q4 = 7,51 %. Применение устройства возврата уноса сократит эти величины до Гшл = 18,81 % и q4 = 6,87 %. Уплотнение пово-

ротного экрана дополнительно снизит эти величины до Гшл = 18,31 % и q4 = 6,65 %.

Хотя приведенные результаты расчета получены с использованием математической модели, основанной на достаточно грубых допущениях о процессах выгорания и классификации, они дают правдоподобные оценки влияния отдельных факторов на экономичность работы оборудования. Вопрос о допустимости применения представленной математической модели при выборе вариантов модернизации оборудования может быть решен после оценки требуемой точности прогнозирования и практической реализации предлагаемых мероприятий.

Список литературы

1. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. -М.: Изд-во МГУ, 1967. - 442 с.

2. Теория топочных процессов / Г.Ф. Кнорре, К.М. Арефьев, А.Г. Блох и др. - М.: Энергия, 1966. - 492 с.

3. Горение углерода / А.С. Предводителев, Л.Н. Хитрин, О.А. Цуканова и др. - М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1949. - 407 с.

4. Грязнов Н.С. Основы теории коксования. -М.: Металлургия, 1976. - 312 с.

5. Кузнецов А.П., Оренбах М.С. Исследование выгорания пылевзвеси ископаемых углей. Механический недожог // Кинетика горения ископаемых топлив. -Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1972. - С. 75-90.

6. Ушаков С.Г., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пыли. - М.: Энергия, 1974. - 168 с.

7. Барский М.Д. Фракционирование порошков. - М.: Недра, 1980. - 327 с.

8. Нечаев Е.В., Лубнин А.Ф. Механические топки для котлов малой и средней мощности. - Л.: Энергия, 1968. - 311 с.

References

1. Khitrin, L.N. Fizika goreniya i vzryva [Physics of combustion and explosion]. Moscow: Izdatel'stvo MGU, 1967. 442 p.

2. Knorre, G.F., Arefev, K.M., Blokh, A.G., Nakha-petyan, E.A., Paleev, I.I., Shteynberg, V.B. Teoriya topo-chnykh protsessov [Theory of furnace processes]. Moscow: Energiya, 1966. 492 p.

3. Predvoditelev, A.S., Khitrin, L.N., Tsukanova, O.A., Kolodtsev, Kh.I., Grozdovskiy, M.K. Gorenie ugleroda [Combustion of carbon]. Moscow; Leningrad: Izdatel'stvo AN SSSR, 1949. 407 p.

4. Gryaznov, N.S. Osnovy teorii koksovaniya [Fundamentals of the theory of coking]. Moscow: Metal-lurgiya, 1976. 312 p.

5. Kuznetsov, A.P., Orenbakh, M.S. Issledovanie vygoraniya pylevzvesi iskopaemykh ugley. Mekhanich-eskiy nedozhog [Investigation of pulverization of fossil coals. Mechanical underburning]. Kinetica goreniya is-kopaemykh topliv [Kinetics of Fossil Fuels Combustion]. Novosibirsk: Nauka, Sibirskoe otdelenie, 1972, pp.75-90.

6. Ushakov, S.G., Zverev, N.I. Inertsionnaya sep-aratsiya pyli [Inertial Dust Separation]. Moscow: Energiya, 1974. 168 p.

7. Barskiy, M.D. Fraktsionirovanie poroshkov [Fractionation of powders]. Moscow: Nedra, 1980. 327 p.

8. Nechaev, E.V., Lubnin, A.F. Mekhanicheskie topki dlya kotlov maloy i sredney moshchnosti [Mechanical furnaces for low and medium powered boilers]. Leningrad: Energiya, 1968. 311 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.