CC BY
15
щ м а ки а мсу ¡жим имамжм; Ид И га; шамоэ; СФМК МИ ;.шша
УДК 662.933 + 662.61
Пути повышения энергоэффективности с использованием реактора поточной газификации отходов угледобычи и обогащения
A. Е. Майоров,
КемНЦ СО РАН, заведующий лабораторией проблем энергосбережения, кандидат технических наук
B. В. Зиновьев,
КемНЦ СО РАН, главный ученый секретарь,
старший научный сотрудник лаборатории проблем энергосбережения, кандидат технических наук, доцент
В. Н. Кочетков,
КемНЦ СО РАН, заместитель председателя Президиума,
старший научный сотрудник лаборатории проблем энергосбережения,
кандидат технических наук
А. И. Цигельников,
КемНЦ СО РАН, инженер-технолог лаборатории проблем энергосбережения
Разработана и запатентована принципиальная схема циклонного реактора поточной газификации отходов угледобычи и обогащения низкосортных углей для малой и средней энергетики. Принцип непрерывной работы основан на сепарационном разделении дисперсных частиц топлива по зонам в ступенчатом циклоне топочного пространства со стабильной межзональной рециркуляцией потоков, выполняющих функцию проточного муфеля, что позволяет обеспечить повышение эффективности процесса термолиза низкокалорийного топлива.
Ключевые слова: ресурсо- и энергосбережение, отходы угледобычи и обогащения, низкосортные угли, газификация, циклон, рециркуляция.
Введение
Развитие энергоэффективных, автотермичных и экологичных технологий термической переработки отходов угледобычи и обогащения низкосортных углей является важной задачей, позволяющей рационально использовать и расширить сырьевую базу страны, модернизировать энерго- и теплохозяйство населённых пунктов. При этом применение технологий сжигания и газификации дисперсного топлива целесообразно с использованием вихревых процессов, обеспечивающих заданное время пребывания частиц топлива при их рециркуляции в топочном пространстве. В данных технологиях известны недостатки: повышенный унос золы с недожогом топлива вследствие одновременного нахождения в топочном пространстве частиц с различным фракционным составом и объёмным весом, а также нестабильность процесса рециркуляции полидисперсного топлива в топочном пространстве, снижающая качество и эффективность процесса горения.
Известно, что мощным и определяющим источником тепла для начального теплового баланса при сжигании частицы топлива в топочном пространстве является конвективное тепловосприятие. Для этого на первом этапе прогрева аэродинамическими средствами организуется циркуляционная зона, и частица, увлечённая ею, попадает в обратный поток высокотемпера-
турных продуктов полного сгорания, возвращаемых циркуляцией из очага горения. При таких условиях теплосодержание возвращённой части продуктов сгорания идёт на удовлетворение нужд начального убыточного баланса частицы, резко интенсифицируя наиболее медленные из последовательных стадий газификации и горения: прогрев, испарение влаги и маслянистых веществ и термическое разложение как испаренных углеводородов, так и коксующегося твёрдого остатка [1]. Очевидно, что важно наличие процесса стабильной рециркуляции полидисперсного топлива в топочном пространстве, повышающее качество сгорания и эффективность работы реактора.
Разработка вихревого циклонного реактора
Учитывая опыт предыдущих исследований, в том числе [2-6], лабораторией проблем энергосбережения Кемеровского научного центра Сибирского отделения РАН разработана и запатентована принципиальная схема вихревого циклонного реактора [7]. Принцип непрерывной работы основан на сепарацион-ном разделении дисперсных частиц топлива по зонам в вертикальном ступенчатом циклоне топочного пространства со стабильной межзональной рециркуляцией. Рециркуляция организована в вихревом двухфазном потоке с цикличным гравитационным осаждением более крупных частиц в кольцевом канале между сту-
пенями и их возвратной эжекциеи в топочное пространство.
Реактор (рис. 1) включает вертикальный корпус, который состоит из нижней первой ступени 1, второй ступени 2, третьей ступени 3, подготовительной ступени 4 с конфузором 5 в её верхней части, рубашки 6 для подвода и подогрева вторичного воздуха и охлаждения корпуса, бункера для золы 7, каналов рециркуляции 8 между нижней первой ступенью 1 и второй ступенью 2. При этом каналы рециркуляции 8 имеют выход в топочное пространство в зоне разряжения через кольцевую щель 9 между нижней первой ступенью 1 и подготовительной ступенью 4. Также имеются канал 10 тангенциального подвода полидисперсного топлива и первичного воздуха к подготовительной ступени 4 в нижнюю область топочного пространства, каналы 11 тангенциального подвода вторичного воздуха, поступающего по рубашке 6 до окон 12 в цилиндрической обечайке второй ступени 2 и тангенциально попадающего в верхнюю область топочного пространства, выхлопная труба 14, горелка 15 для розжига. Каналы золоудаления 13 соединяют третью ступень 3 и бункер для золы 7.
Разработанная конструкция по своей сути представляет вертикальный ступенчатый циклон-сепаратор. Тангенциальный ввод полидисперсного топлива и первичного воздуха в нижнюю область топочного про-
Рис. 1. Принципиальная схема реактора поточной газификации отходов углепереработки и низкосортных углей для малой и средней энергетики
странства способствует образованию вихревого потока с вертикальной осью вращения и интенсивной сепарацией частиц в периферийной части.
Ожидаемую работу реактора можно описать следующим образом. При запуске реактора полидиперсное топливо и первичный воздух через каналы 10 тангенциального подвода к подготовительной ступени 4 подают в нижнюю область топочного пространства. Розжиг, а при необходимости и дальнейшую «подсветку» полидисперсного топлива, возможно производить при помощи горелки 15 или плазмотрона. При установившемся режиме работы температуру в топочном пространстве поддерживают ниже температуры размягчения шлака и золы. Согласно известному опыту применения топок с кипящим и циркулирующим слоем оптимальным по условиям минимальной эмиссии загрязняющих веществ (Б02, N0^ СО, СтНп, возгонов золы и др.) является уровень температур 800-950 °С [2, 4].
При работе реактора в топочном пространстве формируются три переходные зоны: зона воспламенения и газификации, зона восстановления и зона дожигания. Подготовительная ступень 4 реактора работает при относительно низких температурах как газификатор, где происходят первичный разогрев и сушка полидисперсного топлива. Образовавшиеся при термолизе полидисперсного топлива летучие частицы кокса и шлака из подготовительной ступени 4 поднимаются в нижнюю первую ступень 1 в восходящем вихревом потоке, проходя через конфузор 5, где получают дополнительную закрутку. За конфузором 5 формируется зона отрывного течения вихревого потока с кольцевой локальной областью отрицательного давления - зона разряжения. Далее указанный вихревой поток поднимается по внутренней пристенной области цилиндрической обечайки нижней первой ступени 1 и при переходе на больший диаметр второй ступени 2 теряет свою кинетическую энергию и снижает окружную скорость движения. Наиболее крупные частицы кокса и шлака, отсепарировавшиеся на стенке второй ступени 2, вдоль неё попадают в каналы рециркуляции 8, где происходит их гравитационное осаждение с выходом в топочное пространство через кольцевую щель 9 между нижней первой ступенью 1 и подготовительной ступенью 4.
Кольцевая щель 9 расположена непосредственно над конфузором 5 в зоне разряжения, что способствует образованию в каналах рециркуляции 8 дополнительного тока газов и эжекции частиц кокса и шлака через кольцевую щель 9 с их возвратом и рециркуляцией в вихревом потоке между ступенями. При рециркуляции происходят цикличное удержание горящих частиц кокса и шлака в пристенной зоне, их выгорание и измельчение во вращающемся потоке газов до определённого уменьшения размера и веса с образованием золы.
Выносимые из зоны рециркуляции мелкодисперсные частицы в вихревом потоке поднимаются в верхнюю область второй ступени 2, где через окна 12 в цилиндрической обечайке тангенциально подаётся подогретый вторичный воздух из рубашки 6 для их полного дожигания. Каналы 11 тангенциального подвода вторичного воздуха подсоединены к нижней части рубашки 6, по которой он доходит до окон 12, охлаждая
э. иЬюа мсу ¡жим имамжм; ИД И §э; МИИ ;.шша
цилиндрическую обечайку третьей ступени 3 с отводом избыточного тепла из топочного пространства.
Далее выгоревшие мелкодисперсные частицы золы в вихревом потоке поднимаются до третьей ступени 3, где сепарируются на стенке цилиндрической обечайки и отводятся по каналам золоудаления 13 в бункер для золы 7. Очищенные от механических примесей газообразные продукты после полного сгорания выходят через опущенную выхлопную трубу 14 на охлаждение в конвективный газоход с поверхностями нагрева (на рисунке не показано).
В верхней части топочного пространства формируется зона восстановления, где окислы азота восстанавливаются до молекулярного азота. Восстановительной средой являются продукты неполного сгорания части топлива, а также промежуточные нестабильные продукты горения с обрывками реакционных цепей, радикалами, активными центрами.
Вихревой поток, поднимаясь по внутренней пристенной области обечайки подготовительной ступени и переходя через конфузор на меньший диаметр нижней первой ступени, получает дополнительную закрутку и ускорение, что способствует интенсификации протекающих процессов. Непосредственно за конфузором формируется зона отрывного течения, в которой и расположена кольцевая щель для выхода каналов рециркуляции в топочное пространство. При внутреннем диаметре выпускного отверстия конфузора меньше внутреннего диаметра цилиндрической обечайки нижней первой ступени перед выходом в кольцевую щель в нижней части каналов рециркуляции образуется кольцевая локальная область отрицательного давления. Указанное способствует образованию в каналах рециркуляции противотока газов, дополнительно увлекающего гравитационно осаждаемые частицы кокса и шлака к кольцевой щели. Через кольцевую щель происходит эжекция указанных частиц с их возвратом в топочное пространство нижней первой ступени и дальнейшей стабильной рециркуляцией в вихревом потоке между ступенями реактора. При этом рециркулирую-щий вихревой поток работает как проточный муфель с теплоносителем в виде горящих частиц кокса и шлака при температуре, не превышающей температуру их размягчения. Таким образом, полидисперсное топливо, прошедшее первичную термообработку в подготовительной ступени, при переходе в нижнюю первую ступень вместе с продуктами газификации интенсивно перемешивается с рециркулирующим вихревым потоком теплоносителя, способствующим интенсивному повышению температуры, активизации процессов восстановления и дожигания.
Каналы рециркуляции и золоудаления образованы кольцевым пространством между вставленными друг в друга цилиндрическими обечайками различной высоты, что значительно увеличивает объём каналов и при наличии рециркулирующего вихревого потока между ступенями предотвращает перекрытие и зашлаковку внутренних поверхностей реактора. Кольцевое пространство каналов рециркуляции не нарушает плавную траекторию движения потока частиц, приходящего от вышерасположенной ступени по пристенной зоне цилиндрической обечайки, тем самым дополни-
тельно способствуя повышению эффективности рециркуляции.
Каналы тангенциального подвода вторичного воздуха в верхнюю область топочного пространства могут быть наклонены как вверх, так и вниз, что определяется в зависимости от необходимого времени нахождения частиц догорающего полидисперсного топлива в зоне восстановления. Наклон вниз способствует образованию противотока в пристенной области второй ступени, что увеличивает время нахождения частиц в топочном пространстве.
В процессе натурных исследований процессов рециркуляции холодных (¿=23 °С) вихревых двухфазных газо-твёрдых потоков с использованием прозрачной физической модели реактора, выполненной в натуральном масштабе, определены область отрывного течения между ступенями циклона и оптимальная геометрия топочного пространства, обеспечивающие максимальное разряжение в зоне эжекции. Указанное приводит к более управляемой и стабильной рециркуляции дисперсных частиц, что необходимо для повышения энергоэффективности и экологичности процесса
Рис. 2. Схема траектории движения частицы между ступенями реактора
Рис. 3. Схема расположения точек замера полного давления потока на виде сверху конфузора подготовительной ступени реактора
Р, Па А
280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60
Хордовый замер
300 Па 400 Па
—^ >-
*
• ч • /' 'у' )
/ /' о
1 1 /
/
/ /
1 /■ 1 )
/ / ч г / 1
1 1 1
/ , * 1 1 1
ч г /
/ /
/ /
/ / к
/ / к
V / /
/ /
/ /
---£ к—'
15
30
45
-►
в, град
термолиза низкокалорийного топлива. Определено, что кольцевая щель между соседними ступенями размером Н (рис. 2) должна быть меньше величины Н катета ВС, измеренного по вертикали на внутренней поверхности цилиндрической обечайки нижней первой ступени и противолежащего углу вылета частицы топлива аВАС с поверхности конфузора (точка С -место контакта вылетевшей частицы топлива с внутренней поверхностью цилиндрической обечайки нижней первой ступени). В противном случае часть частиц при вылете с поверхности конфузора будет попадать в кольцевую щель на противоположной стороне, в противоток рециркулирующего вихревого потока, тем самым снижая эффективность процесса рециркуляции и его стабильность. При этом траектория полёта частицы топлива определена углом вылета аВАС и углом наклона к горизонту в каналов тангенциального подвода полидисперсного топлива и первичного воздуха в топочное пространство. Тем самым в зависимости от используемых технологиче-
б
Р, Па
220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Вертикальный замер
800 Па ........ 1000 Па
к
\ )
1 1 1
1 1 1
1 1
ь 1 1
Р ■ 1 (
к 1
■ / г — N 1 ч. Г
/ г 1 1 \ } \
; / 1 1 V }
■/ 1 1
Ь / / 1
/ / * Л |
1 / / * г /
хС а-я /
15
30
45
в, град
Рис. 4. Зависимости полного давления в зоне срыва потока от угла его подвода в подготовительную ступень реактора: а) при хордовом расположении замерной трубки в плоскости среза; б) при вертикальном расположении замерной трубки к плоскости среза
а
ских параметров и характеристик полидисперсного топлива возможна необходимая коррекция траектории движения полидисперсных частиц топлива с целью обеспечения наиболее стабильного процесса рециркуляции.
Также было проведено исследование влияния угла наклона к горизонту канала тангенциального подвода воздушно-топливной смеси в топочное пространство на формирование зоны отрывного течения потока в сечении кольцевой щели между ступенями 1 и 4. В соответствии со схемой замера (рис. 3), по точкам 1-11, расположенным по краю конфузора, с помощью трубки Пито и гигрометра было измерено динамическое давление потока при вертикальном и хордовом расположении заборной трубки (рис. 4).
Полученные данные показывают, что области максимального напора потока в основном расположены между точками 1 и 5, слегка сдвигаясь в зависимости от угла наклона канала р. При этом, оперируя максимумами значений, построены графики изменения полного давления потока при стабильном расходе (давлении) подводящего потока воздуха.
Выводы
Разработанная простая и технологичная в изготовлении конструкция реактора позволяет обеспечить стабильную рециркуляцию полидисперсного топлива в топочном пространстве, что должно способствовать повышению эффективности его терморазложения.
Выявлены определяющие характеристики вихревого двухфазного газо-твёрдого потока в локальной области отрывного течения между ступенями циклонного реактора поточной газификации, обеспечивающие максимальное разряжение за зоной срыва.
В зависимости от вида сжигаемого полидисперсного топлива возможно изготовление большего количества ступеней реактора, а при образовании крупных частиц шлака и их выпадении из потока возможно изготовление шлакоотводного осевого канала на дне подготовительной ступени.
Подобные конструкции реактора могут быть использованы в малой и средней энергетике как в виде самостоятельных топочных камер, так и в виде пред-топков для подготовки (первичный прогрев, сушка и газификация) дисперсного топлива.
Ways to improve energy-efficiency by using of entrained flow gasifier
of coal waste
A. E. Majorov,
Kemerovo Scientific Center of SB RAS, Head of the laboratory of energy-safety problems, Ph.D.
V. V. Zinov'ev,
KemSC SB RAS, Chief scientific secretary, senior researcher of the laboratory of energy-safety problems, Ph.D., Associate professor
V. N. Kochetkov,
KemSC SB RAS, Deputy Chairman of the Presidium, senior researcher of the laboratory of energy-safety problems, Ph.D.
A. I. Tsygel'nikov,
KemSC SB RAS, engineer of the laboratory of energy-safety problems
The schematic diagram of the cyclone reactor of coal waste flow gasification and enrichment is developed and patented. The principle of continuous operation is based on separation division of disperse particles of fuel in the zones in a step-cyclone combustion chamber with a stable inter-zonal recirculation flow, performing the function of a flow-through mufflers. The above allows for more efficient process of thermolysis of low-energy fuel.
Keywords: resource-economy, energy-economy, coal waste, low grade coal, coal gasification, swirling-type furnace, cyclone furnace, gas recirculation.
Литература
1. Калишевский Л. Л., Кацнельсон Б. Д., Кнорре Г. Ф. и др. Циклонные топки / Под общей ред. Г. Ф. Кнорре и М. А. Наджарова. - М.: Госэнергоиздат, 1958. - 216 с.
2. Померанцев В. В., Корчунов Ю. Н. Основы практической теории горения. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. -311 с.
3. Руденко К. Г., Шемаханов М. М. Обезвоживание и пылеулавливание. - М.: Недра, 1981. - 345 с.
4. Кнорре Г. Ф. Топочные процессы. - М: Госэнергоиздат, 1959. - 392 с.
5. Зиновьев В. В., Кочетков В. Н., Петрик П. Т., Афанасьев Ю. О., Майоров А. Е. Гравитационно-рециркуляционная вихревая топка // Топливно-энергетический комплекс и ресурсы Кузбасса. - 2008. - № 5. - С. 57.
6. Исследования и разработки Сибирского отделения Российской академии наук в области энергоэффективных разработок. Сер. «Интеграционные проекты СО РАН»: Монография / Отв. ред. чл.-корр. РАН Алексеенко С. В. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 400 с.
7. Патент 2406023, Российская Федерация, МПК F 23 С 5/00. Вихревая топка / А. Е. Майоров, В. В. Зиновьев, В. Н. Кочетков, А. И. Цигельников; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Кемеровский научный центр Сибирского отделения РАН (КемНЦ СО РАН). -№ 2009134585/06, заявл. 15.09.2009; опубл. 10.12.2010. - 9 с.: ил.
