CC BY
100
УДК 66.041.45
СЖИГАНИЕ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ ФРАКЦИИ И МАЗУТА В КОТЛАХ ТГМ - 8 4 А
Таймаров М.А., д-р техн. наук, профессор Ахметова Р.В., ст. преподаватель Сунгатуллин Р.Г., ст. преподаватель Чикляев Е.Г., ст. преподаватель
Казанский государственный энергетический университет Контакты: [email protected], [email protected]
В данной статье исследуются особенности режимных параметров работы котлов ТГМ-84А при сжигании в них смешанных топлив, состоящих из метано -водородной фракции с высоким содержанием водорода и высокосернистого мазута М100. Рассмотрены вопросы распределения температуры и тепловых потоков по газоходу котлов при различных нагрузках. Получены зависимости КПД от изменения температуры продуктов сгорания на выходе из топки.
Ключевые слова: метано-водородная фракция, горение, теплота сгорания, температура, котел КПД, коэффициент избытка воздуха, уходящие газы, тепловые потоки.
Актуальность проблемы. В топливном балансе ТЭС возрастает роль метано-водородной фракции (МВФ) как заменителя природного газа. Это связано с углублением процесса переработки нефти и увеличением выхода конечных светлых продуктов на нефтеперерабатывающих заводах, на которых возросло количество избыточного побочного продукта - метано-водородной фракции [1; 2]. Эксплуатируемые на ТЭС котлы ТГМ-84А спроектированы на сжигание природного газа с теплотой сгорания Qнp=34,38
о
МДж/м с содержанием метана 95,5%.
Метано-водородная фракция содержит: метана до 30% (молярных) и водорода 50% (молярных), имеет теплотворную способность около 28,89 МДж/м и более широкие пределы воспла-
83
менения (взрываемости) от 4,1% до 75% при 20 °С) в смеси с воздухом по сравнению с природным газом, пределы взрываемости которого от 5,3% до 15% [3]. Одновременно на ТЭС есть проблема, обусловленная высоким содержанием серы в мазуте М100. При сжигании высокосернистого мазута М100 необходимым условием является поддержание высокой температуры уходящих газов во избежание конденсации паров двуокиси серы и образования сернокислотной коррозии на стенках газоходов и дымовой трубы. Поэтому определение оптимальных режимных параметров сжигания метано-водородной фракции по условиям минимального отрицательного влияния на работу котла ТГМ-84Аи использование при этом схемы сжигания МВФ в смеси с мазутом М100 является актуальным и рассматривается в данной статье.
Описание объекта исследования и методики. В данной работе экспериментально исследуются процессы горения метано-водородной фракции и мазута М100 в топках котлов ТГМ-84А (станционный №4) на Нижнекамской ТЭЦ-1 (НкТЭЦ-1). Методика измерений температуры, падающих от факела тепловых потоков и определения КПД описаны в работах [4; 5]. Погрешность опытов при определении КПД составляла ±3,51%. Программа для ЭВМ, по которой производился тепловой расчет котла при сжигании метано-водородной фракции, изложена в работе [9]. Котел ТГМ-84А имеет П-образную компоновку и состоит из топочной камеры, являющейся восходящим газоходом, опускной конвективной шахты и горизонтального газохода, соединяющего топку с конвективной шахтой. В топочной камере размещены испарительные экраны, радиационный пароперегреватель. В верхней части топки и в горизонтальном газоходе установлен ширмовый пароперегреватель. Потолок топочной камеры горизонтального газохода экранирован трубами потолочного пароперегревателя. В конвективной шахте размещены конвективный пароперегреватель и водяной экономайзер. В области водяного экономайзера конвективная шахта разделена на два газо-
84
хода. Топочная камера имеет призматическую форму и в плане представляет прямоугольник с размерами 6016х17710. Объем топки
3 2
- 1557 м . Полная радиационная поверхность топки Нп =1100 м . Боковые и задние стенки топочной камеры полностью экранированы трубами 0 60х6 мм с шагом 64 мм.
Топочная камера оборудована 4-мя газомазутными горелками, установленными в два яруса на фронтовой стене. Горелки нижнего яруса 2 шт. установлены на отметке 7000 мм, верхнего яруса 2шт. - на отметке 11800 мм. Горелки предназначены для раздельного сжигания газа и мазута. При больших нагрузках предпочтительны паромеханические форсунки. Для регулирования температуры перегретого пара установлены 3 ступени впрыска собственного конденсата. Топочная камера котла ТГМ-84А разделена двухсветным экраном на 2 полутопки.
Для детального изучения распределения падающих от факела тепловых потоков и температуры удобно рассматривать объем котла ТГМ-84А с применением плоскостей сечений, проходящих вертикально через лючки и горелки топки. Схема принятых плоскостей сечений приведена на рис. 1.
Установленные на котле ТГМ-84А горелки марки ХФ-ЦКБ-ВТИ-ТКЗ с единичной мощностью при работе на газе 76,7 МВт и при работе на мазуте 79,7 МВт имеют периферийную газораздачу с улиточным завихрителем, а также тангенциальный и аксиальный завихрители (см. рис. 1).
Сечения по глубине топок:
- сечение №1 проходит через лючки левого экрана (№1 на отм. 5,5 м, №6 на отм. 9,9 м) и через лючки правого экрана (№3-а на отм. 5,5 м, №8-а на отм. 9,9 м);
- сечение №2 проходит через лючки левого экрана (№2 на отм. 5,5 м, №7 на отм. 9,9 м) и через лючки правого экрана (№3 на отм. 5,5 м, №8 на отм. 9,9 м);
85
Сечения по ширине топок:
- сечение №3 проходит через горелки (№1 на отм. 7,1м, №3 на отм. 11,8 м);
- сечение №4 проходит через лючки (№4 на отм. 7,1м, №9 на отм. 11,8 м, №11, на отм. 21 м);
- сечение №5 проходит через лючки (№5 на отм. 7,1м, №10 на отм. 11,8 м, №12, на отм. 21 м); сечение №6 проходит через горелки (№2 на отм. 7,1м, №4 на отм. 11,8 м).
Рис. 1. Схема сечений топок котла ТГМ-84А №4 НкТЭЦ при анализе результатов измерений падающих потоков теплового излучения и температуры факела ( & - горелки фронтовой стены топки, О - лючки)
86
Результаты исследования и их обсуждение. В настоящей работе произведены тепловые расчеты тепловыделений в топке при сжигании метано-водородной фракции. Проведены эксперименты по режимным параметрам работы котла при сжигании природного газа и мазута при различных нагрузках, избытках и температурах воздуха, подаваемого на горение. Результаты расчетов по сжиганию метано-водородной фракции приведены в сравнении с экспериментальными данными для природного газа и мазута.
Характеристики сжигаемого мазута М100 приведены в табл. 1. Составы метано-водородной фракции и сжигаемого природного газа приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 1
Характеристики сжигаемого мазута М100
Параметр Значение
Влажность мазута W,% 1,0
Теплота сгорания Qнр, кДж/кг 39051
Содержание серы, % 2,50
Температура вспышки, °С 130
Таблица 2
Состав метано-водородной фракции
Компоненты Молекулярный вес, кг/кг-моль Состав, молярная доля, %
Н2 2,01 50,10
СН4 16,04 30,41
С2Н6 30,07 14.58
СЗН8 44,09 2,63
пС4Н10 58,12 6,46
Молекулярный вес, кг/кг-моль - 12,87
Плотность смеси, кг/м3 - 0,5357
Низшая теплота сгорания, кДж/кг - 53248
Низшая теплота сгорания ,кДж/мЗ - 28525
87
Таблица 3
Состав природного газа
Компоненты Молекулярный вес, кг/кг-моль Состав, молярная доля, %
СН4 16,04 95,48
С2Н6 30,07 2,38
Плотность газа, кг/м3 - 0,7039
Низшая теплота сгорания, кДж/м3 - 34380
Низшая теплота сгорания, кДж/мЗ - 34404
Результаты исследования и их обсуждение. В табл. 4 приведены данные по показателям работы котла ТГМ - 84А ст. № 4 НкТЭЦ-1 во время экспериментов при сжигании высокосернистого мазута М100 с влажностью 1% с использованием механических форсунок.
Таблица 4
Показатели работы котла ТГМ-84А ст.№ 4 НкТЭЦ-1 в экспериментах при сжигании мазута М100 с использованием механических форсунок
Параметр Нагрузка котла, т/ч
260 300 360 420
Давление перегретого пара, ати 140
Температура перегретого пара, °С 560
Температура питательной воды, °С 230
Расход мазута на котел, т/ч 18 21,5 25,5 28,5
Количество работающих горелок 4
Давление воздуха перед горелками 65 105 140 180
Температура после калорифера, °С 70
Угол поворота тангенциальной крутки перед горелками №№1-4, градусов 45
Открытие центрального воздуха перед горелками №№1-4, % 100
Открытие периферийного воздуха перед горелками №№1-4, % 100
Давление мазута перед горелками №№1,2 11/9 17/15 23/21 29/26
88
Окончание таблицы 4
№№3,4 11/10 14/12,5 18,5/17,5 23/22,5
Содержание О2 за конвективным пароперегревателем, % 2 1,8 1,5 1,5
Избыток воздуха за конвективным пароперегревателем 1,19 1,17 1,14 1,11
Температура уходящих газов, °С 150 153 157 161
Потери тепла с уходящими газами, % 6,29 6,26 6,31 6,5
КПД котла брутто, % 93,06 93,18 93,1
В табл. 5 приведены данные по показателям работы котла №4 ТГМ-84А НкТЭЦ -1при смешанном сжигании газа и высокосернистого мазута с влажностью 1% с применением механических форсунок, полученные экспериментально.
Таблица 5
Показатели работы котла №4 ТГМ-84А НкТЭЦ-1 при смешанном сжигании газа и высокосернистого мазута М100 с влажностью 1% с применением механических форсунок
Параметр Нагрузка котла, т/ч
210 260 310 360 420
Давление перегретого пара, ати 140
Температура перегретого пара, °С 560
Температура питательной воды, °С 230
Расход газа на котел, тыс.м3/ч 8,2 10 12 14 16,4
Расход мазута на котел, т/ч 7,2 9 11 12,8 14,4
Давление газа за регулирующим клапаном, ати 0,12 0,15 0,19 0,24 0,31
Давление мазута перед котлом, ати 10 16 21 26 31
Работающие горелки на газе, №№ 3,4 3,4 3,4 3,4 3,4
Работающие горелки на мазуте, №№ 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2
Давление воздуха за регенеративным воздухоподогревателем, кгс/м2 75 85 120 165 240
Температура воздуха после калорифера, °С 70 70 70 70 70
Угол разворота направляющей крутки горелок №№1,2, град 46/46 46/46 46/46 46/46 46/46
горелок №№3,4, град 45/45 45/45 45/45 45/45 45/45
Содержание О2 за конвективным пароперегревателем, % 1,6 1,5 1,4 1,3 1,25
Избыток воздуха за конвективным пароперегревателем 1,08 1,07 1,06 1,06 1,06
Температура уходящих газов, °С 138 142 145 149 153
Температура газов за поворотной камерой, °С 630/640 650/660 670/680 690/705 715/725
89
Окончание таблицы 5
Потери тепла с уходящими газами, % 6,1 6,15 6,2 6,35 6,42
Потери тепла в окружающую среду, % 0,8 0,65 0,54 0,47 0,4
КПД котла брутто, % 93,1 93,2 93,26 93,22 93,16
Содержание NOх, при а= 1,4, мг/нм3 142 160 200 250 329
Как видно из табл. 4 и 5, сжигание высокосернистого мазута М100 в смеси с природным газом повышает КПД котла ТГМ-84А. При этом мазут М100 подается в горелки нижнего яруса, а природный газ - в горелки верхнего яруса.
Эксперименты показали, что значения КПД котла ТГМ-84А при сжигании в нем только природного газа являются более высокими по сравнению с сжиганием в нем мазута М100 и смешанного топлива: мазута М100 и природного газа (рис. 2).
Рис. 2. КПД брутто ^бр котла ТГМ-84А (ст. № 4) НкТЭЦ-1 при различных нагрузках Дк в зависимости от вида сжигаемого топлива
90
Сжигание метано-водородной фракции в котле ТГМ-84А, как показал расчет (см. рис. 2), сопровождается снижением КПД котла по сравнению с сжиганием мазута М100. Это связано с тем, что горение метано-водородной фракции с большим содержанием водорода имеет особенности. Скорость горения водорода в 2-5 раз выше скорости горения природного газа. Температура продуктов горения на выходе из топки в котле ТГМ-84А повышается. Повышается также температура уходящих газов после котла. Этот факт был экспериментально исследован авторами на печах нагрева вакуумного газойля в АО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания» при сжигании метано-водородной фракции в смеси с природным газом [6]. Поэтому скорость подачи метано-водородной фракции в топку котла ТГМ-84А должна быть большей, чем для природного газа. Горелки котла ТГМ-84А, с помощью которых газ смешивается в топке, создают нестабильное пламя вследствие недостаточной турбулизации потока воздуха и метано-водородной фракции, поскольку количество инжектируемого воздуха недостаточно. При испытаниях в АО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания» [6] авторами получено, что при сжигании в смеси с природным газом доля по тепловыделению метано-водородной фракции не должна превышать 12%. Для повышения этой доли требуется реконструкция горелок, рассчитанных на сжигание природного газа.
Скорость горения водорода зависит от концентрации кислорода в смеси и колеблется в пределах 120 - 1000 см/сек. При сжигании водорода в смеси с воздухом скорость горения достигает 260 см /сек, а при сжигании метана 38 см/сек [7; 8].
Сравнительные данные о распределении тепловых потоков от факела для различных видов топлива, сжигаемого в котле ТГМ -84А, приведены на рис. 3.
91
Чпад, 2
кВт/м
Природный газ+ МазутМ100
200
400
+>
200
250
300
350
400 Дк, т/ч
Рис. 3. Падающий тепловой поток qпад от факела при нагрузках Дк по измерениям через лючок 1 в сечении 1 на отметке 5,5 м левой стены топки котла ТГМ-84А ст. №4 НкТЭЦ - 1 при максимальной крутке воздуха в зависимости от вида сжигаемого топлива; © - данные Митора В.В. для сжигания газа в котле ПК -19 [9]
Из графика (см. рис 3) видно, что с увеличением паровой нагрузки котла Дк наблюдается сильный рост значений падающих тепловых потоков от факела в области заднего экрана. Наибольшие значения теплового потока наблюдаются при сжигании мазута М100. При сжигании метано-водородной фракции согласно расчета значения падающего теплового потока наименьшие. Это связано с тем, что догорание водорода происходит на выходе из топки. Высокие значения падающих от факела тепловых потоков в экспериментах при сжигании мазута М100 (см. рис. 3) сопровождались в топке набросом факела на задний экран и как следствие повышенной температурой наружной стальной обшивки котла задней стенки. Экспериментальные данные, полученные в настоящей работе при сжига-
92
нии природного газа (см. рис. 3) согласуются с результатами Митора В.В. [9], полученными для котла ПК-19 при сжигании газа.
Выводы
1.Наиболее оптимальным по значениям КПД для сжигания высокосернистого мазута М100 в котле ТГМ-84А с четырьмя горелками и при их двух ярусном расположении является режим совместного сжигания в котле смешанного топлива: природный газ + мазут М100 с подачей газа на 2 горелки верхнего яруса и мазута на 2 горелки нижнего яруса.
2. При использовании существующих горелок для сжигания в котле ТГМ-84А метано-водородной фракции для повышения КПД и предотвращения взрывов целесообразным является режим совместного сжигания с природным газом при доле метано-водородной фракции по тепловыделению не превышающей 12%.
Источники
1.Таймаров М.А., Додов И.Р., Степанова Т.О. Сжигание сбросных газов для теплофикации в нефтехимии. Вестник Казанского технологического университета. 2015, Т. 18, В. 24 С. 95-98
2.Тепловой расчет котлов. Нормативный метод, С. -П., АОО НПО ЦКТИ. 1998, 258 с.
3. Танатаров М.А., Ахметшина М.Н., Фасхутдинов Р.А. Технологические расчеты установок переработки нефти. М., Химия, 1987. 352 с.
4. Трембовля В.И. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергия, 1977, 297 с.
5. Gelderen L., Malmquist L.M.V., Jomaas G. Vaporization order and burning efficiency of crude oils during in-situ burning on water. 2017. P. 558-537.
6.Гипшман И.М., Кутлер П.П. Особенности сжигания мазута на паровых и водогрейных котлах. Москва: ГОУ ДПО ИПКгосслужбы, 2010. 123 с.
.Гельфанд Б.Е., Попов О.Е., Чайванов Б.Б. Водород: параметры горения и взрыва, М, Физматлит,2008, 216 с.
8. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В., Кокшаров М.В. Особенности сгорания водомазут-ных эмульсий в котельных топках. Промышленная энергетика. 2012. № 2. С. 32-39.
9. Митор В.В. Теплообмен в топках паровых котлов. М.-Л., Машгиз, 1963. 180 с.
93
IGANIE METHANE-HYDROGEN FRACTION AND FUEL OIL IN THE BOILERS
TGM-84A
This article examines characteristics of regime parameters of boilers TGM-84A by burning them mixed fuels consisting of methane-hydrogen fraction with a high content of hydrogen and high-sulphur fuel oil M100. The questions of temperature distribution and heat flow in the flue of boilers at different loads. Dependences of the efficiency of the change in temperature of the combustion products at the exit of the furnace.
Keywords: methane-hydrogen fraction, combustion, heat of combustion, temperature, boiler efficiency, excess air, exhaust gases, heat flows.
Дата поступления 12.11.2016.
94
