CC BY
130
СТРОИТЕЛЬСТВО: Теплоснабжение, вентиляция
DOI.org/10.5281/zenodo.1119159 УДК 662.932.6:697.326
Г.С. Бабенко, Г.А. Захаров, В.Н. Сопова, К.В. Цыганкова
БАБЕНКО ГРИГОРИЙ СЕРГЕЕВИЧ - аспирант, ассистент преподавателя кафедры, e-mail: babenkogs@mail.ru
ЗАХАРОВ ГЕННАДИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - к.т.н., профессор кафедры, e-mail: zakharov.ga@dvfu.ru
СОПОВА ВИКТОРИЯ НИКОЛАЕВНА - студентка, e-mail: sopova_v@mail.ru ЦЫГАНКОВА КСЕНИЯ ВАСИЛЬЕВНА - старший преподаватель кафедры, e-mail: akzige@mail.ru
Кафедра инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
Слоевое сжигание низкосортных углей с высоким влагосодержанием в механизированных топках водогрейных котлов малой мощности
Аннотация: Рассмотрены особенности расчета сложного теплообмена в топках котлов малой мощности при слоевом сжигании твердого топлива. Приведены отличительные черты и принцип действия механизированных топочных устройств с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой (НИР), а также оценка потенциала их применения для сжигания низкосортных видов углей. На уровне новых технических решений разработана конструкция водогрейного котлоагрегата с НИР. Представлены результаты расчета теплообмена в топке, сравнительный анализ расчетных и фактических экспериментально полученных температур топочных газов на выходе из топки. Приведены результаты теплотехнических испытаний котла КВм-3,0 НИР. Предложены технические рекомендации по оптимизации топочных процессов при сжигании рядовых бурых углей с высокой исходной влажностью.
Ключевые слова: теплообмен в топке, твердотопливные котлы, слоевое сжигание, механизированные топки, наклонно-переталкивающая решетка, энергоэффективность котлов.
Введение
Актуальная задача малой тепловой энергетики и приоритетное направление стратегии развития энергетики РФ до 2030 г. - энергоресурсосбережение, повышение эффективности работы и модернизация теплоэнергетического оборудования в промышленном секторе и жилищно-коммунальном комплексе.
В сложившейся ценовой политике на рынке энергоресурсов Дальнего Востока наиболее целесообразным представляется использование в качестве топлива низкосортных бурых углей, имеющих, однако, ряд очевидных недостатков, таких как высокое влагосодержание и низкая теплота сгорания. В Приморском крае разведано и эксплуатируется несколько крупных буроугольных месторождений с запасами бурых углей в сотни миллионов тонн: Артемовское, Супутинское, Бикин-ское, Реттиховское, Майхинский угленосный район, Хасанское и др. Большинство месторождений
© Бабенко Г.С., Захаров Г.А., Сопова В.Н., Цыганкова К.В., 2017 О статье: поступила: 31.07.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.
разрабатываются открытым способом, при этом угли имеют схожие характеристики и состав. Особенность используемых для нужд теплоснабжения региона углей - неприемлемые условия хранения «под открытым небом» на протяжении отопительного периода, что приводит к повышению содержания внешней влаги в исходном топливе [1, с. 439].
В большинстве случаев применение слоевых топок является наиболее экономически оправданным способом для сжигания твердого топлива в теплоисточниках малой и средней мощности, поэтому технология получила широкое распространение на котельных сферы ЖКХ.
В связи с развитием децентрализованного теплоснабжения доля автономных котельных малой мощности для населенных пунктов растет с каждым годом. При этом котельный парк теплоисточников малой мощности в настоящее время представлен теплогенераторами устаревших конструкций с низкими технико-экономическими характеристиками. Новые котлы, установленные в строящихся котельных и изготавливаемые различными предприятиями России, не предназначены для сжигания низкосортных влажных углей и зачастую не соответствуют техническим требованиям на изготовление, а их теплопроизводительность значительно ниже заявленных производителями паспортных данных. В связи с этим возникает необходимость разработки котлов новых конструкций, соответствующих общим техническим условиям на проектирование, изготовление и монтаж, обеспечивающих высокоэффективное сжигание углей с низкой теплотворной способностью.
Целью данной работы является оценка целесообразности применения котлов малой мощности разработанной конструкции, оснащенных механизированным топочным устройством с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой (НИР) при работе на низкосортном топливе.
Особенности расчета теплообмена
в слоевых топках котлов малой мощности
Известно, что непрерывный процесс горения имеет явно выраженный поточный характер. Этот поток разделяется на последовательные подготовительные и основные рабочие (огневые) стадии или зоны при горении наиболее сложного горючего - твердого топлива [6, с. 25].
1. Подготовка топлива к вводу в топку (дробление, фракционирование). Указанная стадия предназначена для лучшей организации огневого процесса в целях развития удельной суммарной поверхности, приходящейся на единицу объема топливно-воздушной смеси.
2. Создание первичной гетерогенной топливно-воздушной смеси в слоевых топках - слой кускового топлива смешанных фракций, продуваемый воздухом.
3. Газификация твердого топлива как последняя стадия измельчения до молекулярного состояния, т.е. до полной подготовки всей массы топлива к образованию с вторичным воздухом истинной (газообразной) горючей смеси и окончательному ее сгоранию. При применении топлив, вводимых в процесс с остаточной влажностью, часть воздушного тепла расходуется на предварительное испарение этой влаги, и в таком случае непосредственная роль тепла, вводимого в гази-фикационную зону, соответственно уменьшается.
4. Образование истинной горючей смеси за счет продуктов газификации и вторичного воздуха, способной немедленно вступить в окончательный, завершающий процесс горения. Это наиболее высокотемпературная зона, даже если теми или иными мероприятиями часть ее тепла отвлекается на наружные теплообменные процессы (лучистый и конвективный теплообмен с холодным окружением топочных стен, например в экранированных топках). Последнее обстоятельство проявляется в конце топочной камеры, где процесс горения завершается или уже завершен.
Во всех случаях вследствие неоднородности фракционного состава первичной смеси, неоднородности объемных, скоростных, концентрационных и температурных полей в топочном пространстве не может возникнуть четкого территориального разделения описанных зон. Они накладываются друг на друга по протяженности и сечению слоевого топочного устройства, включая слой и надслойное топочное пространство [6, с. 28].
Принципиальной особенностью процесса горения твердого топлива является его поэтапный характер - прохождение каждой фракцией топлива последовательных этапов (стадий): прогрев,
испарение влаги, выделение газообразных продуктов разложения топлива (летучие), воспламенение и горение выделенных газов, горение коксового остатка, озоление и выжиг шлака [2, с. 21].
После загрузки топлива расположение зон слоя вследствие горения постепенно изменяется. Шлаковая подушка увеличивается за счет новых порций шлака и золы, поступающих в нее из зоны горения кокса. Последняя же пополняется сверху новыми порциями воспламенившегося кокса из зоны свежего топлива [8, с. 14].
Максимальный избыток воздуха наблюдается в нижних слоях топлива, при его подаче снизу через колосниковую решетку. Максимальная температура продуктов сгорания топлива - в слое горящего кокса (рис. 1).
Рис. 1. Стадии горения топлива в слое: изменение коэффициента избытка воздуха по высоте слоя; зоны подготовки и горения топлива; изменение температуры по высоте слоя.
При проектировании котлов со слоевыми топочными устройствами необходимо учитывать, что уровень и характер распределения тепловых потоков в топке существенно отличается от других видов сжигания твердого топлива. При слоевом сжигании экраны воспринимают теплоту излучением в основном от поверхности слоя, в меньшей степени - от газового факела [3, с. 58]. В нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов [9], разработанного специалистами ЦКТИ и ВТИ, предлагается та же расчетная полуэмпирическая зависимость, что и для факельного сжигания, но с введением различных поправок. При таком подходе не учитывается решающее влияние слоя, поскольку игнорируется его температура, являющаяся главным фактором процесса радиационного теплообмена, что приводит к занижению интенсивности интегрального теплообмена [5, с. 75]. В существующих методах расчета топочного теплообмена не учитывается различный механизм излучения газов и твердых тел, игнорируется различие температур газов и поверхности слоя [6, с. 31].
В работах Б.Я. Каменецкого [3-5] рассматривается метод расчета теплообмена в топках при слоевом сжигании топлива, основанный на экспериментальном определении температуры поверхности слоя, которая зависит от различных факторов:
• воздушного режима топки (коэффициента избытка воздуха а);
• характеристик топлива (в первую очередь низшей теплоты сгорания Qн);
• теплового напряжения колосниковой решетки (зеркала горения), равного BQн/R (где В -расход топлива, R - площадь зеркала горения).
Суммарный средний тепловой поток топочных экранов при слоевом сжигании топлива складывается из потока излучением от поверхности слоя qсл и тепловосприятия от топочных газов {дизл+ qк)г излучением и конвекцией:
Ч = Чал + (Чизл + Чк )г , (1)
9 = —(К - Т4 )• ун
(2)
Ч = °^эф • (СгТг - аг'ТС ) (3)
= Р\Тг - Та )
Ч = Н Уг - Т а ), (4)
где ТсЛ, Тс, Тг - средние температуры (К) поверхности слоя, стенок экранов и топочных газов;
Н - площадь поверхности теплообмена (экранов);
б - постоянная Стефана-Больцмана;
£пр, £эф, £г - приведенная излучательная способность системы слой-стенка, эффективная излучательная способность топки, излучательная способность топочных газов соответственно;
аг - поглощательная способность топочных газов;
в - коэффициент конвективной теплоотдачи газов к экранам.
Данная методика применима при наличии достаточно достоверных измерений температур поверхностей экранов, топочных газов и поверхности слоя, может служить основой для проведения инженерных расчетов сложного теплообмена в топках при слоевом сжигании твердого топлива. Однако при отсутствии экспериментальных данных для проведения предварительного теплового расчета котлоагрегатов целесообразно использовать нормативный метод [9].
Немногочисленные исследования теплообмена в слоевых топках котлов малой мощности рассматривают физико-химические процессы, протекающие при сжигании твердого топлива в неподвижном слое, при этом процессы сушки, газификации, воспламенения и горения непрерывно перемещающегося слоя топлива остаются малоизученными. Есть основания предполагать, что при непрерывном перемешивании частиц топлива процесс выгорания протекает с большей интенсивностью (за счет увеличения тепломассобмена и скоростей движения воздуха в слое), как следствие, повышается тепловое напряжение зеркала горения без критического увеличения механической и химической неполноты сгорания.
Технология слоевого сжигания твердого топлива
в топках с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой
Главной конструктивной особенностью топок с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой является непрерывное взаимное перемещение полифракционных частиц топлива (шуровка слоя) за счет возвратно-поступательного движения НИР. Непрерывная шуровка топлива изменяет структурное строение слоя, облегчая доступ воздуха на горение, способствует ускорению процессов подготовки топлива к возгоранию, равномерному и стабильному горению, сбрасыванию с поверхности частиц топлива золы и, как следствие, - к снижению q4.
В отличие от механизированных топочных устройств типов «шурующая планка», ленточная и чешуйчатая решетки прямого и обратного хода, получивших широкое распространение в настоящее время, топка с НИР предусматривает непрерывную подачу топлива и равномерное тепловыделение в зоне активного горения.
Котлы, оснащенные топкой с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой, получили широкое применение в США, Канаде, Китае и ряде других стран для сжигания низкосортных видов твердого топлива, в том числе твердых коммунальных отходов (ТКО) [11].
Принцип действия НИР: из загрузочного бункера топки топливо поступает на полотно колосниковой решетки, имеющее чередующееся расположение подвижных и неподвижных ступенчатых чугунных колосников, возвратно-поступательное движение которых обеспечивается одним или несколькими приводами, что позволяет менять величину хода и скорость движения решетки в зависимости от сорта топлива и требуемой производительности. Порция топлива попадает из загрузочного бункера на полотно колосниковой решетки, где происходит его возгорание за счет одностороннего зажигания излучением топочного факела, а также вследствие непосредственного контакта в процессе шуровки с уже загоревшимися кусками топлива. Схема слоевого процесса
подготовки и горения топлива является классической (в техническом плане) и позволяет успешно сжигать в механизированных топках с подвижными топочными полотнами бурые угли влажностью на рабочую массу до 45-60%.
Процессы подготовки топлива по глубине топки при сжигании низкосортных углей с повышенным влагосодержанием в начале решетки, при большей высоте слоя состоят из прогрева и подсушки частиц топлива. Продолжительность стадии прогрева зависит от фракционного состава и скорости движения слоя, а на стадии выделения летучих интенсивность процесса определяется температурой. Газификация и воспламенение газов определяют начало активной площади зеркала горения. Затем в процессе перемещения и шуровки горящее топливо попадает в зону интенсивного полного горения, в котором наступает окончание выхода летучих веществ, розжиг и горение коксовой (углеродной) основы топлива с ясно видимым ореолом сгорающего монооксида углерода СО, после чего слой проходит зоны дожигания и охлаждения шлака и сбрасывается в систему шлакоудаления.
При этом горение топлива на НИР имеет ряд отличий от аналогичных процессов, протекающих в топках с неподвижным слоем и в механизированных топочных устройствах с шурующей планкой. Последние имеют постоянную площадь живого сечения прозоров (отверстий) колосниковой решетки, а их аэродинамические характеристики зависят в большей мере от толщины слоя топлива, тогда как в НИР конструктивно заложено изменение аэродинамического сопротивления топочного полотна за счет возвратно-поступательного движения колосников. Более того, в процессе обратного хода ряда подвижных колосников на неподвижных остаются явные оголенные поперечные участки, что четко просматривается в стационарном режиме работы. На участке воспламенения и активного горения топлива вследствие этого площадь живого сечения прозоров решетки при «большей» высоте слоя в зоне сушки, воспламенения и активного горения остается воздушно-проницаемой и обеспечивает нормальные избытки воздуха и оптимальное горение. В то же время для обеспечения максимального КПД количество подаваемого на горение воздуха должно предусматривать позонное регулирование давления под НПР.
Конструкция водогрейного котла, оснащенного механизированным
топочным устройством с НПР
С целью повышения эффективности и надежности эксплуатации при сжигании низкосортных влажных углей была разработана конструкция водогрейных котлов прямоугольного поперечного сечения с НПР тепловой мощностью до 4 МВт (см. патенты РФ авторов «Котел водогрей -ный прямоугольного поперечного сечения»: заявл. 119104, 2017 г.; № 2563874 от 27.09.2015, Бюл. № 27; № 2570954 от 20.12.2015, Бюл. № 35; № 2575297 от 20.02.2016, Бюл. № 5).
Котел водотрубный сварной прямоугольного поперечного сечения выполнен в виде сварных трубных экранов и конвективных трубных панелей, состоит из двух основных частей - топочной и конвективной, выполненных прямоугольными в плане. Топка открытая, конвективный блок состоит из четырех конвективных газоходов с вертикальным расположением труб (рисунки 2, 3). Вертикальная компоновка трубных пучков конвективного блока котла в совокупности с расположенной под ним осадительной камерой способствует снижению степени загрязнения тепло-обменных поверхностей нагрева отложениями сажистых (золовых) частиц, содержащихся в уходящих газах, что благоприятно влияет на теплосъем и позволяет увеличить интервалы между проведением комплекса работ по механической очистке котла.
Топочная камера снизу ограничена зеркалом горения, выполненного в виде наклонно-переталкивающей решетки с рядами подвижных и неподвижных чугунных колосников.
Воздух для горения топлива подается под НПР дутьевым вентилятором через расположенные в топке дутьевые каналы. Пространство под наклонно-переталкивающей решеткой топки котла разделено газоплотными перегородками на условные зоны: зону предварительной сушки топлива, зону активного горения, зону догорания и зону охлаждения шлака. Позонное регулирование давления воздуха под НПР и форсаж топки осуществляются поворотными шиберами, смонтированными во входных коробах (воздуховодах) на нагнетающей (напорной) стороне дутьевого вентилятора.
Рис. 2. Блок котла с топочным устройством. Разрез 2-2.
Рис. 3. План котла с топочным устройством. Разрез 1-1: 1 - наклонно-переталкивающая колосниковая решетка в сборе; 2 - автоматизированный топливный питатель; 3 - планетарный редуктор с электродвигателем; 4 - экран потолочный; 5 - экран фронтовой; 6 - экран боковой левый; 7 - экран боковой правый; 8 - блок конвективный; 9 - короб выхода дымовых газов; 10 - люк для прочистки конвективных поверхностей нагрева; 11 - фурма дутьевая с поворотным шибером; 12 - патрубок забора дымовых газов в зону сушки топлива; 13 - фурма дутьевая зоны сушки топлива; 14 - зажигательный свод; 15 - люк для удаления уноса; 16 - люк для обслуживания топки; 17 - дверца обслуживания зоны сброса шлака; 18 - контрольные точки отбора проб продуктов
горения и измерения температур.
Указанная конструкция топочного устройства отличается большей длиной колосникового полотна и организацией позонной подачи воздуха на горение под решетку, что позволяет добиться максимально возможной полноты выгорания топлива и характеризуется низким содержанием горючих в шлаке.
Принцип работы котла состоит в следующем: топливо из расходного бункера подается на наклонно-переталкивающую решетку 1 через загрузочное окно фронтового экрана 5 и, попадая в топку котла, проходит под наклонным зажигательным сводом 14 из шамотного кирпича, обеспечивающего интенсификацию возгорания влажных топлив за счет отдачи топливу аккумулированной теплоты от продуктов сгорания в топке. Теплота в процессе горения в топке воспринимается фронтовым экраном 5, потолочным 4, боковыми топочными экранами 7, в которые нагреваемая вода из обратной магистрали тепловых сетей поступает в котел через входной патрубок. Из топочных экранов вода подается в конвективный блок 8, выполненный в виде четырех вертикальных поперечно-обтекаемых пучков труб коридорной компоновки, откуда попадает в его правый верхний коллектор котла и выходит из него в подающую магистраль. Дымовые газы топлива, горящего на решетке, отдают лучистую энергию тепловоспринимающим поверхностям топки котла, на выходе из которой совершают 4 горизонтальных хода, обусловленных пятью вертикальными плавниковыми панелями в конвективном блоке 8, на выходе из которого поступают в выходной короб 9. Участок фундамента котла под конвективным блоком 8 выполнен газоплотным и имеет 4 оса-дительных камеры золового уноса с газоплотными перегородками. Уменьшение отложений летучей золы на конвективном блоке 8 и в осадительных камерах обеспечивается защитным перекрытием топки в нижней ее части, выполненным в виде четырех симметричных горизонтальных рядов, соединенных вертикальными коллекторами, обеспечивающих поступление воды из нижних продольных коллекторов через участки труб боковых топочных экранов 7 (с перегородками в них) в верхние продольные коллекторы. Обслуживание топки котла производится через дверцу обслуживания 16 на боковом экране топки котла 7.
В настоящее время водогрейные котлы указанной конструкции внедрены и введены в эксплуатацию крупными теплоснабжающими организациями Приморского края в селах Подъяполь-ское, Хороль, Ляличи, поселках Хрустальный, Пограничный, Силинский и др. Теплогенераторы КВм-3,0 НИР тепловой мощностью 3 МВт установлены в котельных № 43 и № 56 г. Уссурийска. В качестве топлива используется низкосортный бурый уголь Павловского месторождения, характеристики которого по результатам анализа отобранных проб приведены в таблице.
Физико-химические характеристики угля
№ п/п Характеристика Усл. обозн. Ед. изм. Значение Примечание
1 Низшая теплота сгорания Он р кДж/кг 12635,7 По результатам испытаний
2 Влажность аналитическая Wp % 47 По результатам испытаний
3 Влажность приведенная Wpпр % 24,2 По результатам испытаний
4 Зольность Ар % 19,6 По результатам испытаний
5 Выход летучих Уг % 56 Нормативное значение
6 Содержание серы (на рабочую массу) 8р % 0,4 Нормативное значение
7 Содержание водорода (на рабочую массу) Нр % 2,3 Нормативное значение
Расчет теплообмена в топке, результаты теплотехнических испытаний котла новой конструкции
С целью определения температуры топочных газов на выходе из топки (при работе в номинальном режиме) в соответствие с [9] был произведен расчет теплообмена в топке водогрейного механизированного котла с НИР тепловой мощностью 3 МВт (марки КВм-3,0 НИР). С учетом изменения потерь теплоты в окружающую среду q5 предварительно принятой температурой газов
на выходе из топки $т, расчетного расхода топлива Вр и энтальпии продуктов сгорания на выходе из топки I'' были определены температуры газов внутри топочного пространства при уменьшении теплопроизводительности в диапазоне нагрузок от 100 до 40% от номинальной.
По результатам расчета температура газов на выходе из топки при работе котла в номинальном режиме составила 772,45 °С, при значениях критерия поглощательной способности (Ви) равном 4,29 и критерия радиационного теплообмена (Во) равном 2,2.
Руководствуясь нормативным методом при тепловом расчете котлоагрегатов, предназначенных для слоевого сжигания твердого топлива, значения температуры газов на выходе из топки должны находиться в диапазоне от 700 до 1000 °С. На практике котлы малой мощности без хвостовых поверхностей нагрева при обеспечении нормируемых значений температуры уходящих газов имеют температуру среды, на выходе из топки зачастую не превышающую 500 °С (в экранированных топках).
Для определения фактических технико-экономических характеристик и измерения температур на выходе из топки были проведены теплотехнические испытания котла новой конструкции, установленного в котельной № 43 по адресу: г. Уссурийск, Новоникольское шоссе, 15, г.
Измерения температуры топочных газов проводились с помощью зондов со сдвоенной хромель-алюмелевой термопарой в различных сечениях по высоте топки котла, в точках, указанных на рис. 2. Абсолютная погрешность составила 5-12 °С, что соответствует точности проведения измерений в промышленных условиях.
Осредненные результаты экспериментальных измерений температуры газов на выходе из топки и их расчетные значения в указанных диапазонах нагрузок представлены в графической форме на рис. 4.
°С
850 800 750 700 650 600 550 500 450 400
772 --
745
703
645 661
591
0 _—о 590
535 ЗОИ
б Г*492
1,2 1,4 1:
О Норм, метод
2,2 2,4 2,6 2,8 3
Теплопроизводительность, МВт О Эксперим.
Рис. 4. Зависимость температуры дымовых газов на выходе из топки от теплопроизводительности котла КВм-3,0 НПР.
На графике явно прослеживается несходимость результатов: расчетные значения температуры газов на выходе из топки находятся в диапазоне 591-772 °С, экспериментальные значения не превышают 590 °С. Следовательно, можно сделать вывод о том, что излучение слоя топлива усиливает теплообмен в сравнении с факельным сжиганием [6].
Теплотехнические испытания проводились в нормальных эксплуатационных условиях при установившемся тепловом режиме, согласно общепринятой методике [10]. Наладка режимов работы котлоагрегатов осуществлялась с помощью частотно-регулируемых приводов топки и тягодутьевых машин (дутьевого вентилятора и дымососа), методом подбора оптимальных соотношений количества подаваемого в топку топлива и воздуха на горение с целью достижения максимальных технико-экономических показателей работы в диапазоне нагрузок 50-100% от номинальной.
Измерения температуры теплоносителя производились по штатным приборам с контрольным дублированием контактным электронным термометром ТК5.05. Давление теплоносителя определялось по штатным манометрам. Расход сетевой воды через водогрейные котлы измерялся портативным ультразвуковым расходомером Portaflow 220 B. Температура и состав дымовых газов измерялись в балансовых точках при помощи компьютерных газоанализаторов КГА-8м и Testo 325 M, контактного электронного термометра ТК5.05. Организация отбора проб продуктов горения для анализа производилась в соответствии с методикой [7]. Разряжение (давление) в балансовых точках измерялось дифференциальным цифровым манометром ДМЦ-0,1М, оснащенным пневмометрической трубкой НИИОГАЗ. Инфракрасная съемка обмуровки котлов производилась тепловизором Fluke Ti32.
Коэффициент полезного действия котла определен по уравнению обратного теплового баланса. Потери теплоты с механическим недожогом - по результатам лабораторного анализа очаговых остатков.
Основные эксплуатационные характеристики работы котлоагрегата КВм-3,0 НИР по результатам проведенных теплотехнических испытаний представлены в графической форме на рис. 5. %
85
80
75
15
10
83,87 84.02 8Z07 1.5 81,78 О 8 1,55 О 80 ,23
О 80,02 80 ,19 < з 79,09
10,23 10,75 1 0.59 о__ 1.53 11,7 12 < О 10.8Í 34 > — ,51
J9,06 6.26 6,57 6,79 6<83 7,22 —в- 7, 5,79 55 7. А, 65 В
5,41 —U——
0,52 5,41 0,58 - 0.64 0,52 0,23 о1 о ,03 0,37 1.17 ).31 0,45 ^
1.4 1,6 1,8
2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6
Теплопроизводительность, МВт
о КПД о ц2 - потери теплоты с уходящими газами
Оц? - потери теплоты с хим. недожогом ' с|4 - потери теплоты с мох. недожогом
Рис. 5. Зависимость КПД и основных потерь теплоты от тепловой производительности котла КВм-3,0 НПР.
В период проведения испытаний котел устойчиво нес нагрузку в диапазоне 1,335-2,930 Гкал/ч (1,553-3,407 МВт), или 51,8-113,6% от заявленной. С ростом тепловой производительности температура уходящих газов увеличивалась от 130,4 до 189,3 °С. Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах изменялся в диапазоне 1,43-1,97. Потери теплоты с уходящими газами изменялись в диапазоне от 9,06 до 12,34%. Потери теплоты с химическим недожогом топлива изменялись в диапазоне 0,233-1,173%, содержание монооксида углерода СО - от 438 до 1766 ррт. Потери теплоты с механическим недожогом топлива увеличивались от 5,41 до 7,65%. КПД «брутто» котла составлял 79,09-84,02%, при этом минимальный КПД наблюдается при превышении тепловой производительности сверх номинальной. Удельный расход условного топлива на выработку 1 Гкал составил 0,17-0,181 т у.т. (большее значение для большей нагрузки).
Следует отметить, что максимальный КПД «брутто» наблюдается при минимальной тепловой мощности (около 52% от номинальной) не только за счет значительного снижения потерь теплоты с уходящими газами (температура уходящих газов не превышает 135 °С при коэффициенте избытка воздуха а до 1,97), но и за счет снижения потерь теплоты с механическим недожогом.
Заключение
Применение слоевых механизированных топок с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками, обеспечивающими непрерывные процессы подачи топлива, шуровки и перемещения слоя, удаления шлака с колосникового полотна, является экономически оправданным и перспективным направлением малой энергетики. Топка с НИР позволяет интенсифицировать процессы горения путем подвода воздуха по всей поверхности полифракционного слоя в процессе непрерывной шуровки, и, как следствие, - повысить тепловое напряжение зеркала горения без критического увеличения механической и химической неполноты сгорания.
Разработанная конструкция котлов малой мощности, оснащенных топочным устройством с НПР, позволяет повысить технико-экономические показатели выработки тепловой энергии и надежность эксплуатации при работе на низкосортных углях с высокой исходной влажностью, что подтверждается проведенными теплотехническими испытаниями.
Учитывая вышеизложенное, необходима разработка инженерной методики теплотехнических расчетов непосредственно для котлов малой мощности с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками, способных сжигать низкосортные влажные угли различной фракции, что требует большого объема экспериментальных исследований и теплотехнических испытаний котлов данного типа с целью определения величин, характеризующих теплофизические характеристики продуктов сгорания, и степени черноты топки.
Опыт эксплуатационных организаций региона и анализ технико-экономических характеристик котлов и топочных устройств известных конструкций позволяет сделать вывод о целесообразности применения котлов малой мощности, оснащенных топкой с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой для слоевого сжигания твердого топлива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабенко Г.С., Захаров Г.А., Цыганкова К.В. Повышение энергетической эффективности механизированных котлов малой мощности при работе на низкосортных бурых углях // Современные технологии и развитие политехнического образования: сб. тр. конф. Владивосток, 19-23 сентября 2016. Владивосток: Дальневост. федеральн. ун-т, 2016.С. 439-445.
2. Каменецкий Б.Я. Закономерности выгорания твердого топлива в неподвижном слое // Промышленная энергетика. 2013. № 5. С. 21-26.
3. Каменецкий Б.Я. О применимости нормативного метода расчета топочного теплообмена к слоевым топкам // Теплоэнергетика. 2006. № 2. С. 58-61.
4. Каменецкий Б.Я. Радиационный теплообмен в слоевых топках // Промышленная энергетика. 2013. № 10. С. 31-34.
5. Каменецкий Б.Я. Расчет теплообмена в топках котлов при слоевом сжигании топлива // Теплоэнергетика. 2008. № 5. С. 75-77.
6. Кнорре Г.Ф., Арефьев К.М., Блох А.Г. и др. Теория топочных процессов. М.; Л.: Энергия, 1966. 491 с.
7. Методика оценки технического состояния котельных установок до и после ремонта: РД 34.26.617-97. М.: СПО ОРГРЭС, 1998. 12 с.
8. Стрельников А.С. Повышение эффективности сжигания низкосортных твердых топлив в котлах малой мощности: дис. ... канд. техн. наук. Иркутск, 2006. 141 с.
9. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). Изд. 3-е, перераб. и доп. СПб., 1998. 259 с.
10. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1991. 416 с.
11. Тугов А.Н. Опыт использования твердых коммунальных отходов в энергетике (обзор) // Теплоэнергетика. 2015. № 12. С.13-22.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
CONSRTUCTION: Heat Supply and Ventilation
D0l.org/10.5281/zenodo.1119159
Babenko G., Zakharov G., Sopova V., Tsygankova K.
GRIGORIY BABENKO, Graduate Student, e-mail: babenkogs@maii.ru GENNADY ZAKHAROV, Candidate of Engineering Sciences, Professor, e-mail: zakharov.ga@dvfu.ru
VIKTORIA SOPOVA, Student, e-mail: sopova v@mail.ru
KSENIA TSYGANKOVA, Senior Lecturer, e-mail: akzige@mail.ru
Department Engineering Systems of Buildings and Constructions, School of Engineering
Far Eastern Federal University
8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
Grate firing of low-grade coal having high moisture content in mechanised furnaces of low power hot-water boilers
Abstract. The article is concerned with the peculiarities of calculating complex heat exchange in furnaces of low power boilers in the course of grate firing of solid fuels. It presents characteristics and mechanics of mechanised combustors having reciprocating grate and it assesses its potential for firing low grade coals. Basing on innovative technological solutions, there has been developed a boiler unit with the reciprocating grate. Presented are the calculations of heat exchange in the furnace and the results of thermal performance of the boiler KVm-3.0 RG (hot-water boiler having power of 3 MW with reciprocating grate.) The article contains technical proposals how to optimise burning processes when firing ordinary brown coals having high water content.
Key words: heat exchange in furnace, low power boilers, grate-firing of solid fuel, reciprocating grate, improving the energy efficiency of low power boilers.
REFERENCES
1. Babenko G.S., Zakharov G.A., Tsygankova K.V. Improving the energy efficiency of mechanized boilers of low power when operating on low-grade brown coal. Modern technologies and development of polytechnic education. Vladivostok, 2016, p. 439-445.
2. Kamenetsky B.Ya. The pattern of solid fuel burn up in fixed bed. Industrial Energy. 2013;5:21-26.
3. Kamenetsky B.Ya. The applicability of normative method of the calculation of the furnace's heat exchange for the layered furnaces. Thermal power generation. 2006;2:58-61.
4. Kamenetsky B.Ya. The radiant heat transfer in the layered furnaces. Industrial energy. 2013;10:31-34.
5. Kamenetsky B.Ya. The calculation of the heat exchange in furnaces of grate-firing of fuel. Thermal power generation. 2008;5:75-77.
6. Knorre G.F., Arefiev K.M., Blokh A.G. The theory of burning process. Moscow, Leningrad, Energy, 1966, 491 p.
7. Methods of assessment of technical conditions of the boilers before and after repair: GD 34.26.617-97. Moscow, 1998. 12 p.
8. Strelnikov A.S. Improvement of lower grade solid fuel in small energy boilers: dissertation for the degree of Ph. Engineering, Irkutsk, 2006, 141 p.
9. The heat calculation of boilers (Normative method). St. Petersburg, 1998, 259 p.
10. Trembovlya V.I., Finger E.D., Avdeeva A.A. Thermal performance of boilers. Moscow, 1991, 416 p.
11. Tugov A.N. Experience of using solid communal waste in energy (review). Thermal power generation. 2015;12:13-22.
