Введение к работе
Актуальность темы.
В энергобалансе Российской Федерации (РФ) доля угля в ближайшие годы сохранится, а в более отдаленной перспективе увеличится из-за дефицита наиболее качественных видов топлив. Существующие энергетические установки, работающие на угле, вносят существенный вклад в загрязнение окружающей среды оксидами азота, серы и твердыми частицами. Значительные резервы ресурсо- и энергосбережения, связанные с возможностью введения в энергобаланс РФ низкосортных, в первую очередь, высокозольных топлив - бурых углей, продуктов углеобогащения, сланцев, а также тенденция к ужесточению норм выбросов вредных веществ в атмосферу ставят задачу разработки новых экономичных и экологически безопасных технологий использования твердых топлив в энергетике.
Для реализации имеющихся резервов наиболее перспективны технологии низкотемпературного (850-900С) сжигания угля во взвешенном (кипящем, псевдоожиженном, циркулирующем и т.п.) слое (ВС), что подтверждается результатами изучения этого научно-технического направления в РФ и во многих странах мира. Такие технологии позволяют сжигать широкий спектр углей (или их смесей) по зольности за счет устойчивости горения при малых концентрациях (до 10Z) горючих веществ в слое и снизить объемы экологически неблагоприятных выбросов в окружающую среду. Эти преимущества наиболее важны для условий России, однако реализовать их на практике не всегда удается. Известны, например, неудачные попытки адаптации систем сжигания угля в стационарном кипящем слое (КС) применительно к условиям предприятий Кузбасса. Главная причина неудач -процесс шлакования топок. Вероятность шлакования характерна и для систем сжигания угля в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). Отот факт следует из ряда зарубежных публикаций.
Данная работа посвящена одному из альтернативных путей совершенствования технологии сжигания высокозольных топлив в ВС для получения энергии - форсированной технологии, низкотемпературный процесс горения при реализации которой обеспечивается струйным охлаждением слоя сверху водой, водо-топливными или водо-известняковыми смесями. Такое направление развития технологии является актуальным по следующим причинам: эффективное получение энергии может быть осуществлено при сжигании крупнодробленых (класса 0-25
- 4 -мм) бурых и каменных углей, ряда углеотходов и сланцев с использованием малогабаритного топочного устройства, приспособленного к облегченным условиям изготовления и эксплуатации, с попутным получением частиц серного колчедана; подача в ВС водусодержащих смесей позволит исключить основной недостаток известных топок КС и ЦКС - предотвратить шлакование топочной камеры за счет перераспределения энергии между ВС и надслоевым пространством; использование форсированной технологии сжигания позволит улучшить экологическую обстановку в стране с наименьшими затратами - снизить выброс г. атмосферу оксидов азота и серы, организовать грануляцию мелких частиц и сниеить их унос в атмосферу.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой "Топливо и энергия" (подпрограмма " Уголь России", научно-технический проект Ф-2 "Новая технология и оборудование для производства тепловой энергии при сжигании углеотхо-дов и низкосортных твердых топлив с минимальными вредными выбросами для Кузбасса и Подмосковного бассейна"), а также отраслевыми плановыми НИР ИТИ за 1983 1993 г.г., в том числе: N 1206105000 "Разработать технологии по использованию низкосортных твердых топлив с учетом достижений зарубежных фирм и исходные данные для проектирования головных установок" (1993 год); N 1295046000 'Таз-работка и внедрение топочных устройств с низкотемпературным кипящим слоем на предприятиях Минвостокстроя" (1988 год); N 12УЗОЭТ>00-0f""i "Определить теплотехнические параметры процесса ниикотсмиермтурнпго сжигания и кипящем слое дробленого твердого топлива и обводненных молкоиимелъченмнх отходов обогащения угля" (1987 год); N 129301700-064 (1986 год); N 1203001003 (1984 год); N 1203101001 (1983 год); N 125009000 (1982 год) И другими.
Цель работы состояла п разработке научных основ и совдании новой Форсированной технологии и конструкций для низкотемпературного сжигании Ш в RO применительно к паровым котлам котельных и электростанций на основе новых данных о влиянии вещественного состава высокозольных топлив (1.<Т) на процесс горения. Она включает следующие задачи:
1. Усовершенствование технологии сжигания ВТ за счет применения новых решений, а именно ведении процесса с попутным извлечением ииритных или породных віслючений, входящих в состав топ-
- 5 -лива, с использованием водо-топливо-известняковой смеси.
-
Установление оптимальных технологических параметров процесса сжигания ВТ с повиций физико-химических представлений о свойствах твердых топлив и модели автотермической газификации.
-
Проведение сравнительной эксергетической и технико-экономической оценки вариантов схем сжигания твердых топлив в ВС.
-
Теоретическое обоснование и разработка методов расчета основных параметров процесса горения ВТ - времени горения частицы и удельной тепловой мощности (теплонапряжения) в расчете на единицу площади поперечного сечения реакционной камеры.
-
Создание комплекса с гибкой, автоматизированной и технически надежной схемой топочного устройства на основе разработанных технических решений, направленных на повышение эффективности сжигания ВТ и снижение выбросов оксидов азота, серы (с попутным извлечением серного колчедана) и пыли в окружающую среду.
-
Получение комплекса данных для проектирования опытно-промышленных топочных устройств с ВС мощностью до 10 МВт и корректировка проектов применительно к условиям ЦОФ "Чумаковская" и завода ЖБИ-4, изготовление и опытная эксплуатация этих топок.
Научная новизна. Комплексно решена научная проблема рационального сжигания высокозольных топлив в энергетике, имеющая важное народнохозяйственное значение. Впервые разработаны научно-технические и технологические основы создания новых промышленных топок с ВС для производства тепловой энергии, включая: организацию топочного процесса с попутным получением пиритных или породных включений, входящих в состав сжигаемого ВТ; способы интенсификации процесса за счет регулирования экзотермических реакций между слоем и надслоевым пространством при органиоации эндотермических процессов в слое; методы органипации нивкотемпоратурного процесса с применением водо-топливо-известняковых смесей. Дано обоснование методов расчета параметров процесса горения частиц топлива в ВС. При этом впервые разработаны и получены:
- трехмерная модель пористой структуры зольного каркаса горящей частицы топлива и аналитические выражения для расчета пористости зольного каркаса и величины коэффициента диффузии окислителя через слой золы, на основе которых определена длительность згорання коксового остатка частицы топлива;
- Б -
выражение для удельной тепловой мощности (теплонапрятания) в расчете на единицу площади поперечного сечения реакционной камеры как функция от определяющих параметров (теплоты сгорания топлива, плотности, времени сгорания частицы, коэффициента ивбыт-ка воздуха, порозности и размеров слоя);
аналитическая формула для оценки оптимального среднего размера частиц топлива, сжигаемого в ВС;
количественная оценка процесса гравитационной сепарации частиц разного размера и различной плотности в ВС;
расчетная модель автотермической газификации для оценки эффективности охлаждения слоя при струйной подаче воды или воду-содержащих смесей в ВС.
На этой основе впервые получены результаты исследований форсированного сжигания (с тепловым напряжением до 8-10 МВт/м2) ряда крупнодробленых топлив в ВС с выявлением оптимальных условий, приводящих к повышению эффективности процесса, степени извлечения пиритных включений, степени использования известняка. Новый метод сжигания ВТ реализован в промышленной практике.
Таким образом, научная значимость результатов заключается в разработке основ создания новых топочных устройств.
Практическая значимость и реализация полученных результатов.
Практическая значимость заключается во всестороннем рассмотрении проблемы рационального, экологически приемлемого использования ВТ для получения энергии и определяется общим направлением работы и новыми результатами прикладного характера:
1. Конструктивным оформлением и практическим испольвованием форсированных топочных устройств с ВС при обеспечении снижения обрпзоппния диоксида серы за счет попутного извлечения серного колчедана из камеры сгорания.
Z. Разработкой аэродинамической системы для организации внутрислоевой циркуляции материала слоя, раздельной выгрузки из ВС тяжелых и легких частиц и подогрева вторичного дутья.
-
Созданием высокоэффективной (практически безинерционной) системы автоматического регулирования (САР) для стабилизации температуры ВС и предотвращения шлакования слоя с помощью подачи воды или водусодержащих смесей в слой.
-
Разработкой и практическим использованием новой трехсоп-
- 7 -ловой форсунки в системе розжига (растопки) ВС.
-
Разработкой инструментария для решения конкретных задач в виде моделей, уравнений, зависимостей, пригодных для применения в инженерной практике.
-
Методами оценки энергетической, эксергетической и экономической эффективности процесса сжигания низкосортных топлив в предложенных топочных устройствах.
-
Использованием комплекса результатов прикладного характера при проектировании, создании и эксплуатации топочных устройств с ВС в промышленной практике. Данные о гравитационном разделении полидисперсной смеси частиц (заключающиеся в ограничении глубины циркуляции частиц разных размеров или плотностей по высоте слоя) и эффективности струйного охлаждения слоя в процессе горения различных углей были впервые использованы для конструирования опытно-промышленных топок с раздельной выгрузкой частиц пыли, оволен-ных частиц и частиц повышенной плотности (породы, серного колчедана и т.п.) и подтверждены в стендовых условиях на топке мощностью 1,5 МВт - Яилевская опытно-промышленная обогатительная фабрика (0ПОЇ), в промышленных условиях на топке мощностью 6-Ю МВт, производящей газ-теплоноситель . для сушки угля (ЦОФ "Чума-ковская"), и котельной установке мощностью 3-4 МВт (завод ЖБИ-4).
Результаты исследования могут быть использованы при прогнозировании развития энергетических комплексов (в части реконструкции топочных устройств), а широкая реализация рекомендуемых положений позволит повысить технический потенциал в области сжигания низкосортных углей и на этой основе добиться улучшения теплотехнических и экономических показателей работы энергетических установок и решить экологические проблемы.
На защиту выносятся следующие положения и результаты, впер-вые полученные в данной работе.
1. Научная концепция новой технологии сжигания крупнодробленых топлив в ВС, основой которой является создание крупномасштабной внутрислоевой циркуляции материала слоя, подавляющей последствия гравитационной сепарации частиц топлива и золы, и позволяющей организовать раздельную выгруэку частиц - тяжелых (серного колчедана и породы) снизу и легких (частиц золы) сверху через перелив, осуществить термостабилизацию ВС при охлаждении слоя стру-
8 -ей воды (или водусодержащей смеси), перераспределить мощность тепловыделения между слоем и надслоевым пространством.
-
Новые узлы топочного устройства с ВС: центральный равгру-эочный узел, выполняющий роль собственно разгрузочного узла тяжелых частиц (серного колчедана и породы), аэродинамического затвора, узла системы внутрислоевой циркуляции частиц и источника вторичного дутья; локализованные узлы перелива для выгрузки частиц золы; узел подачи в слой водусодержащих, в том числе водоизвест-няковых смесей; трехсопловую растопочную форсунку.
-
Экспериментальный комплекс на базе нового топочного устройства с ВС и узла подготовки и подачи в слой водусодержащих смесей, созданный для исследования процесса горения ВТ и развития методов получения газа-теплоносителя с заданными параметрами.
-
Научно-обоснованные представления о механизме горения частиц ВТ с сохранением зольного каркаса, на основе которой создана модель, позволяющая оценить время горения частиц и оптимизировать параметры топочного устройства - разработать методику расчета размеров ВС и получить данные для проектирования топок.
-
Разработанные методики расчета пористости вольной оболочки частицы и коэффициента диффузии окислителей через слой волы.
-
Результаты по форсированному бесшлаковому сжиганию крупнодробленых бурых (класса 0-25 мм) подмосковных и приморских углей и совместному сжиганию промпродуктов углей и флотоотходов.
Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации,
получены автором как лично, так и в сотрудничестве с группой, работающей под его научным руководством. Личный вклад автора заключался в постановке вадач, в определении путей их решения, в интерпретации полученных результатов, проведении и корректировке экспериментов, в разработке моделей и методик расчета, в обобщении полученных результатов, в разработке эскизных проектов для создания топки мощностью 1,5 МВт - Жилевская опытно-промышленная обогатительная фабрика (ОПОФ), в выдаче исходных данных для разработки технических проектов топки мощностью 6-Ю МВт, производящей газ-теплоноситель для сушки угля (ЦОФ "Чумаковекая"), и котельной установки мощностью П-4 МВт (завод ЖБИ-4). в соэдании этих установок.
- 9 -Апробация работы. Содержание отдельных разделов диссертации и основные результаты были представлены и докладывались на: Пятом Воесоппном симпозиуме по горению и пприну (г.Одосоп, сентябрь 1977г.); Всесоюзном совещании по физико-химическим основам и экологическим проблемам использования отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых (г.Москва, сентябрь 1080г.); Семинаро объединенных Наций (Экономической комиссии для Европы) по интегрированному использованию низкокалорийных топлив (г.Москва, октябрь 1983г.); Международном семинаре по вопросам рационального использовании бурЫХ уГЛеЙ (Г.ПерЛИП. КОТТбуС, ОКТЯбрЬ ЮОЗГ.); V Вс*'СО
юэной конференции по горению органического топлива (г.Новоси бирск, сентябрь 1984г.); Y11 Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену, теории и практике комплексной оптимизации радиационного теплообмена и горения при сжигании органических топлив в энергетике и промышленности, проблемам экологии, надежности и энергосбережения (г.Ташкент, октябрь 1991г.); Выставке-ярмарке "Теплотехника-92" и семинаре по достижениям и проблемам теплоэнергетики (г.Киев, июнь 1992г.); - Шестом совещании по химии и технологии твердого топлива "ХТТТ-б" (г.Москва, сентябрь 1992г.); Отраслевой научно-технической конференции по экологии и эффективному использованию топливно-энергетических ресурсов в топливно-энергетическом комплексе (г.Москва, ноябрь 1992г.); Научно-техническом семинаре по высокоэффективным процессам горения твердых топлив во вэвешенном слое (г.Москва, сентябрь 1993г.); 57-й научно-технической конференции Саратовского Государственного технического университета (Декаде науки) (г.Саратов, апрель 1994г.); Международной научно-технической конференции "Проблемы развития сланцевой промышленности России" (Саратов-Балаково, октябрь 1994г.); Конференции "Практическое использование в хозяйственной деятельности Чувашской Республики горючих сланцев как местного, комплексного энергохимического сырья" (г. Чебоксары, апрель 1995 г.); International symposium on coal-fired power generation, the envlronwent and duo!J с acceptance (draft document). Ministry of energy and natural resources and Turkish electricity generation - transmission corporation. (Ankara/Turkey: May 30 - June, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 брошюр (3 из них лично автором), 22 научные статьи и тезисы докладов (10 лично автором), а также 17 изобретений (5 из них без соавторов).
^ТЕУІ1ТїРя..и_об^ьем.рабдті^. Диссертационная работа состоит иа
введения, шести глав и выводов. Работа изложена на 354 страницах мгшіиііоііигиого тпкстл, содержит W риеуикои, !>:< таблицы, список использованной литературы 292 наименования, приложений - 15.
Диссертация написана на русском языке.
