Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристика растительных отходов как топлива и экспериментальное исследование свойств 13
1.1 Роль растительных отходов на примере Алтайского края 13
1.2 Автогенное горение 15
1.3 Экология и проблемы сжигания растительных отходов 16
1.4 Влажные древесные отходы 18
1.5 Характеристика гидролизного лигнина 20
1.6 Экспериментальное исследование характеристик лигнина 24
1.7 Анализ влияния влажности 28
1.8 Парусность и скорость витания частиц 31
1.9 Усадочные явления 32
1.10 Опытное определение и применение кривых сушки 34
1.11 Исследование процессов на дериватографе 35
1.12 Исследования термического разложения древесины 39
1.13 Исследование кинетики реакций разложения КДО 42
1.14 Предложения по энергетическому использованию КДО 49
Выводы к главе 1 53
2. Использование кдо в энергетических котлах 55
2.1 Использование КДО в СЦКК 55
2.2 Оценка эффекта и способов использования КДО 58
2.3 Совместное сжигание угля и биомассы ( обзор ) 59
2.4 Технологическая схема ТЭЦ СЦКК 65
2.5 Формулировка задачи и методы моделирования 68
2.6 Математическое моделирование и анализ 82
Выводы к главе 2 87
3. Развитие схемы реконструкции котлов 88
3.1 Сжигание местных низкосортных топлив 88
3.2 Энергетическое использование КДО на типовой ТЭЦ 89
3.3 Выбор источника тепла 91
3.4 Расчет процессов сушки КДО 92
3.5 Работа технологической схемы и условия сушки 93
3.6 Условия пневмотранспорта 94
3.7 Дожигатели шлака 95
3.8 Результаты применения совместного сжигания КДО и угля 96
3.9 Определение доли КДО при совместном сжигании 103
Выводы к главе 3 106
4. Энергетическое топливо из биомассы 107
4.1 Использование энергетического биотоплива 107
4.2 Сушильная камера, схема работы 108
4.3 Методика расчета аэродинамики и сопротивления 110
4.4 Теплообмен между газом и взвешенными частицами 115
4.5 Исходные данные и условия тепло- и масообмена 116
4.6 Проведение и анализ расчетов 119
4.7 Балансовый расчет установки 120
4.8 Сушильная установка 123
4.9 Конструкция и характеристика вихревых топок «Торнадо» 124
4.10 Разработка теплогенератора 125
4.11 Технологическая схема сушки лигнина 129
4.12 Работа и регулирование установки 130
4.13 Работа комплекса брикетирвания 136
Выводы к главе 4 141
Заключение 143
Литература 145
Принятые сокращения 157
- Экология и проблемы сжигания растительных отходов
- Технологическая схема ТЭЦ СЦКК
- Работа технологической схемы и условия сушки
- Проведение и анализ расчетов
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие общества сегодня характеризуется глобализацией и острыми кризисными ситуациями, вызываемыми во многом проблемами энергетики и экологии. Повсеместно возникают противоречия между возрастающим спросом на энергоносители, ограниченностью запасов традиционных топлив и их неуклонным удорожанием, и одновременно жизнедеятельность сопровождается производством горючих отходов: древесных, сельскохозяйственных, лигнина и др., горы которых быстро растут и представляют серьёзную угрозу нашего времени. Например, в Алтайском крае энергетический потенциал только кородревесных отходов – КДО в 1,5 раза больше потребности в топливе. Выявленное противоречие можно разрешить, рассматривая отходы как местные топлива для энергетики с минимумом транспортных расходов, и как сырьевую базу для производства брикетов и пеллет – возобновляемого высококачественного и экологически безопасного биотоплива, СО2 нейтрального, создающего минимальную эмиссию выбросов.
С другой стороны, проблема заключается в оборудовании для огневой утилизации: его отсутствии, непригодности, в том, что оно морально и физически устарело. Требуются технологии, позволяющие предприятиям расширить топливную базу, утилизировать отходы и высвободить площади свалок, уменьшить экологические выплаты и снизить эксплуатационные расходы. И здесь важна возможность малозатратной модернизации типовых котлов с заменой значительной доли качественного топлива на отходы путем разработки и установки высокоэффективных топочных устройств.
Еще в большей степени разработка технологических схем и проектирование требуемого набора оборудования актуальны и необходимы при создании производства качественных видов топлива из лигнина и подобных ему отходов, не пригодных для эффективного прямого сжигания.
Целью работы является научное обоснование и совершенствование способов энергетического использования растительных отходов на основе изучения их теп-лофизических свойств и кинетики термических превращений, численного моделирования определяющих процессов, а также разработка конструкций вихревых топок для прямого сжигания в типовых котлах и комплексов подготовки высококачественного энергетического биотоплива.
Для достижения этих целей решались следующие задачи.
– Анализ и экспериментальное исследование теплофизических свойств, кинетики термических превращений КДО и гидролизного лигнина в условиях, характерных для топочных процессов и процессов переработки биомассы в энергетическое топливо.
– Разработка и научное обоснование путем численного моделирования конструктивных схем вихревых топочных устройств, пригодных для перевода энергетических котлов БКЗ-75 на прямое совместное сжигание КДО с углем (при замене до 40% его в топливном балансе).
– Теоретическое обоснование и разработка метода приборного контроля доли биомассы в топливном балансе многотопливных энергетических установок.
– Комплексная разработка технологии получения высококачественного энергетического биотоплива в виде брикетов из растительных отходов (на примере лигнина) с унификацией теплотехнических свойств, включая методики теплового,
аэродинамического и конструкторского расчетов оборудования комплекса (с полочной сушилкой и теплогенератором).
Научная новизна (положения, выносимые на защиту).
– Результаты опытных исследований и анализа характеристик КДО и лигнина в процессах их сушки, термического разложения и горения.
– Обоснован (численным моделированием по коду FIRE-3D) и запатентован способ прямого вихревого сжигания на ТЭЦ совместно с углем многотоннажных потоков КДО с использованием типовых энергетических котлоагрегатов (на примере котлов БКЗ-75, включая малозатратные схемы реконструкции топки).
– Теоретически обоснован и предложен метод приборного контроля доли биомассы в топливном балансе многотопливных энергетических установок (на основе газового анализа).
– Научно обоснована схема подготовки высококачественного энергетического биотоплива (на примере лигнина) с унификацией свойств влажных отходов (с использованием защищенных патентами устройств - сушилки полочного типа и теплогенератора с топкой вихревого типа).
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что:
– результаты экспериментального исследования свойств и характера поведения древесных отходов и лигнина в условиях интенсивного термического воздействия могут быть применены при реконструкции и создании нового энергетического оборудования, использующего КДО и растительные отходы;
– разработана методика математического моделирования и проектирования вихревых топочных устройств прямого сжигания с использованием рекомендаций, учитывающих усадку и кинетику стадий термических превращений КДО;
– на примере котлов БКЗ-75 разработаны, запатентованы и внедрены вихревой топочный процесс и новые технологические схемы прямого сжигания КДО совместно с углем, а также конструкции топочно-горелочных устройств, дожигателя шлака, трамплина и других элементов, позволяющие повысить эффективность работы котлов и снизить вредные выбросы в атмосферу;
– научно обоснованы двухступенчатая пневматическая система сушки и система складирования КДО, дополняющие схему вихревого сжигания, которые позволяют при реконструкции типовых котлов, в отличие от 3-5% для зарубежных схем, вовлечь в тепловой баланс ТЭЦ до 40% КДО;
– предложенный метод приборного контроля доли биомассы в топливном балансе может быть использован на предприятиях, применяющих схемы совместного сжигания биомассы с различными энергетическими топливами;
– внедрение новых запатентованных агрегатов и технологических схем сушки и брикетирования высоковлажных растительных отходов позволяет унифицировать их свойства с получением энергетического биотоплива.
Реализация работы. Результаты работы использованы в малозатратных проектах реконструкций энергетических котлов: БКЗ-75 станционный №5 для ТЭЦ Се-ленгинского целлюлозно-картонного комбината (СЦКК), ЧКД-35 на ТЭЦ в г. Габрово, Республика Болгария, БКЗ-75 станционный №9 ТЭЦ №6 в г.Братск с установкой в них вихревых топок, а также в проекте промышленной установки по производству до 5 т/ч брикетов из гидролизного лигнина, г. Речица, Беларусь.
Разработанные в диссертации рекомендации по конструированию вихревых топочных камер используются конструкторским бюро ООО «Специальное конструкторское бюро Промышленной Теплоэнергетики», ООО «Вихревые Технологии Сжигания», ООО «ПроЭнергоМаш-Проект», ООО «НИККОМ» при проектировании котлов с вихревыми топками «Торнадо», сушилок и вспомогательного оборудования для утилизации отходов.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается: использованием апробированных методик экспериментальных исследований; соответствием результатов экспериментам других авторов; результатами испытаний и практическим опытом эксплуатации реконструированных котлов; согласованностью теоретических и опытных данных, широким практическим внедрением теоретических и технологических разработок.
Личный вклад автора заключается: – в постановке задач, разработке и создании лабораторных установок по изучению теплофизических свойств и термодеструкции растительных отходов, включая создание методик, а также в проведении исследований и обобщении экспериментальных данных;
– в разработке технологических схем энергетического использования КДО и лигнина, компьютерном моделировании низкотемпературной вихревой топки, пригодной для прямого совместного сжигания КДО с углем в котлах БКЗ-75, включая разработку патентов ПМ №86277, ПМ №86705;
– в разработке и обосновании метода приборного контроля доли биомассы в топливном балансе многотопливных энергетических установок;
– в разработке и обосновании схем и комплекса производства энергетического биотоплива из биомассы, в том числе топки теплогенератора и сушилки полочного типа, включая создание патентов ПМ №87318, ПМ №86277, ПМ №98744, ПМ №89674 и разработку алгоритмов расчета полочных аппаратов;
– в руководстве сотрудниками и авторском надзоре за монтажом, организацией пуско-наладочных, режимно-наладочных, балансовых и специальных испытаний при промышленном внедрении работ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на 13 всероссийских научных, научно-практических конференциях и семинарах, указанных в списке публикаций.
Публикации. По теме диссертации автором выполнено 32 публикации, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях из списка ВАК РФ и 7 патентов.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации 157 страниц. Работа содержит 115 страниц основного текста, 96 рисунков, 11 таблиц.
Экология и проблемы сжигания растительных отходов
Применение растительных отходов в энергетике даёт большие преимущества, так как биотопливо СО2 нейтрально, высокореакционно – выгорает быстро и полностью, практически не содержит серы, не превышает 0,16%, в то время как у ископаемых видов топлива содержание серы в рабочей массе до 2,6-3% [13, 15].
По выбросам соединений азота сжигание растительных отходов более предпочтительно по сравнению с ископаемыми топливами, так как содержание топливного азота в них невелико [15]. Основное условие для образования NOx при окислении атмосферного азота — наличие в зоне активного горения высокой температуры (1300С и выше) [28]. Температура горения растительных отходов значительно ниже, а возможность ступенчатой подачи дутья благодаря большой доле летучих, как показано в [29, 30], легко достижима.
Таким образом, по экологическим показателям при правильной организации топочного процесса использование растительных отходов в энергетике предпочтительнее применения ископаемого топлива. Энергетическое применение отходов, оптимальное прореживание лесов обеспечат значительный его выход, более высокие темпы роста леса, уменьшат число пожаров, с учетом полезного использования энергии – это наиболее дешевый, простой и эффективный способ кардинального решения проблем защиты окружающей среды.
Все методы сжигания предполагают выброс в атмосферу загрязнителей: оксидов углерода, золы, несгоревших частиц топлива, сажи, окислов азота и серы. Значительную долю наиболее вредных выбросов котельных составляют продукты неполного горения. Формирование вредных выбросов определяет прежде всего избыток воздуха, учитывающийся соответствующим коэффициентом - a. При увеличении a (a 1) концентрация в продуктах горения СО и сажи убывает, но снижается КПД установки за счет увеличения потерь с уходящими газами. При недостатке воздуха (a 1) возрастает количество продуктов неполного горения.
Важна роль механизации топочных устройств. В ручных топках и при периодической или неравномерной по зоне горения загрузке топлива, например, в топках с зажатым слоем, процесс горения характеризуется несоответствием соот 17 ношения топливо/воздух. Например, после загрузки свежей порции топлива оно не горит, идёт интенсивный прогрев, выделение летучих и только затем начинается стадия горения. Типично в период выделения летучих топка работает с недостатком воздуха и с образованием продуктов неполного горения, а в стадиях прогрева и дожигания в топке избыток воздуха. Это приводит к увеличению потерь с уходящими газами и отрицательно сказывается на выбросах в атмосферу.
Несоответствие между количеством необходимого и фактически подаваемого воздуха особенно характерно для биотоплива, так как в нем содержится до 80-95% летучих. Поэтому равномерная автоматизированная подача топлива и поддержание оптимального избытка воздуха при условии его качественного смешении с топливом является главным методом снижения вредных выбросов.
При сжигании КДО возникают и проблемы [14, 30, 31], типично такие:
1. Состав и физические свойства отходов далеки от показателей энергетических топлив, что вызывает трудности при их подготовке, подаче и сжигании традиционными способами.
2. Высокая влажность снижает стабильность горения, температуру и теплообмен в топке; топка переохлаждена, соответственно большая часть тепла должна восприниматься в конвективном пучке котла. При этом в типовых котлах температура и потери тепла в уходящих газах существенно повышаются.
3. Высокий выход летучих требует эффективной организации их дожигания: хорошего перемешивания с вторичным дутьем, например, в вихре или увеличенного топочного объёма с малым теплоотводом – камеры дожигания.
4. Высокое содержание легких парусных частиц, в том числе коксовых, формируемых при выгорании, увеличивают унос и механический недожог.
5. Химический состав золы [50] характеризуется большим содержанием щелочных элементов: К, Са и других, что вызывает шлакование и коррозию труб, загрязнение поверхностей нагрева котлов.
С учетом рассмотренных проблем для сжигания различных типов КДО требуются специализированные котлы и оборудование, как топочных устройств, так и систем подготовки и подачи топлива [30-33]. Также важен и анализ их свойств. 1.4 Влажные древесные отходы
Приступая к анализу свойств КДО, укажем, что они имеют наибольшую долю среди биотоплив. Древесные отходы типично влажные, их свойства разнообразны [3, 5], табл. 1.2. Влажность в свежих стволах хвойных до 50–55% и около 45% в лиственных. Низшая теплота сгорания сухой древесины составляет: 19,4 МДж/кг – береза, 19,0 МДж/кг – ель, 19,4 МДж/кг – сосна, 18,5 МДж/кг – ольха и 18,4 МДж/кг для осины. Отходы образуются при рубках ухода, заготовке и первичной переработке древесины (до 50-60% общего объёма) и перерабатываются в щепу [6, 7, 9]. Важно знать объёмный вес, например, при расчете бункеров. Для березовой щепы он равен 200–400 кг/м3, еловой 160–320 кг/м3кг, сосновой 175–350 кг/м3. В среднем принимают объемный вес щепы 200–250 кг/м3, влажность 30–45%, теплоту сгорания 12,8–10 МДж/кг и выход летучих Vdaf=85%.
Теплоту сгорания разных видов древесных отходов рассчитывают по формуле Д.И. Менделеева [13] согласно элементному составу, табл.1.2.
Европе для индивидуального отопления [5, 7]. Это высококачественное биотопливо, причем ещё и вариант замены жидкого топлива и газа. Россия с её огромными запасами лесов рассматривается западными экспертами как основной поставщик на европейском рынке биотоплива. Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99%), табл. 1.2., имеет большой, около 85%, выход летучих [14-19], высокореакционна. Основными составляющими древесины являются целлюлоза, лигнин, гемоцеллюло-зы, экстракты и золообразующие минералы.
Теплота сгорания биомассы находится в тесной взаимосвязи с требующимся для их сжигания количеством кислорода и определяется глубиной окисления топлива. При пиролизе образуется углеподобное вещество. Целлюлоза, состоящая из соединений с высоким содержанием кислорода С6(H2O)5 имеет низкую теплоту сгорания 4,143ккал/кг. Для топлив из биомассы одинакового типа теплота сгорания сырья и продуктов его пиролиза определяется содержанием углерода. Для лигнина, имеющего примерный состав С6H11O2, характерно меньшее содержание кислорода и более высокая теплота сгорания - 6,371 кал/г.
Технологическая схема ТЭЦ СЦКК
На основе изучения опыта и балансовых оценок была разработана технологическая схема реконструкции на НТВ сжигание типового котла БКЗ-75 ст.№5 ТЭЦ СЦКК, рис 2.10, по схеме [55]. Для подачи отходов в котел №5 восстанавливается тракт подачи КДО котла №4. Бурты КДО и загрузка КДО из буртов в котельную обслуживаются погрузчиком 1, фото 2.6. При работе КДО загружают в бункер 2 транспортера-дозатора 3 с частотным приводом, и он дозирует КДО на дисковую сортировку 4, фото 2.7. Сортировка 4 отбрасывает крупные включения, а мелочь проваливается на транспортер 5, затем перегружается на транспортер 6 и далее плужком 8 направляется в бункер 7.
Уголь подается в котел №5 по штатному тракту топливоподачи, дозируется шнековыми питателями в молотковые мельницы, сушится, размалывается , через прямоточные V-образные горелки вносится с потоком дутья в вихревую топку, воспламеняется и далее сгорает в топочном объёме котла.
В схеме подачи КДО введен расходный бункер 7 емкостью 20-30 куб.м. с датчиками уровня 10, обеспечивающими контроль потока и уровня КДО. КДО из бункера 7 выгружаются четырьмя шнековыми сушилками 12. Шнеки сушилок имеют частотные приводы, и дозируют КДО в топку [59-62].
Сушилки 12 имеют по две секции паровых рубашек 13, соединенных с одной стороны с паропроводом 14, подключаемым к отборам паровой турбины с давлением 0,6 - 0,2МПа «летний режим» и 1,2МПа «зимний режим», а с другой стороны дренажами подключены к линиям 15 с баком 16 сбора конденсата. КДО по мере движения в сушилках прогреваются, просушиваются. Паровые сушилки 12 действуют по разомкнутой схеме, выполняя одновременно дозирование и подачу топлива в котел, они пожаро-и взрывобезопасны. Для повышения эффективности сушки и сжигания корьевых отходов требуется их тщательное измельчение (отсев) до размера d maх 20 мм. Подсушенные КДО по течкам 17 выгружаются в эжекторы 18 и через горелки 19 совместно с пылеугольным потоком вдуваются в вихревую топку 20 котла 21, где оба вида топлива сгорают.
Разомкнутая схема сушки не балластирует пары влаги КДО посторонними газами. Пары имеют высокую температуру конденсации, 70-95С, и могут эффективно подогревать сетевую воду в конденсаторе 23, повышая к.п.д. использования топлива на 10-25%, как при сжигании сухих отходов. Схема утилизации тепла включает паропроводы 22, водопровод 24, конденсатный насос 25, арматуру, линии 26 слива конденсата, тракт 27 неконденсирующихся газов и форсунки 28.
В итоге разработанная технологическая схема позволяет:
1. Подсушить КДО с уменьшением их влажности от 55% до Wр=30-20%.
2. Утилизировать в конденсаторе 23 для подогрева подпиточной воды ТЭЦ теплоту конденсации насыщенных паров влаги КДО, получить дополнительно до 10-15% тепла от теплоты сгорания КДО и благодаря разомкнутой схеме сушки обеспечить эффективность сжигания влажных отходов на уровне использования сухих КДО.
3. Устранить заметное влияние КДО на работу реконструированного котла, увеличить их долю при совместном сжигании с углем, т.к. подсушенные КДО имеют повышенную калорийность, по своим техническим характеристикам приближаясь к бурому углю.
Основным элементом модернизации ТЭЦ СЦКК является реконструированный котел и прежде всего его топка, переводимая на совместное вихревое сжигание угольной пыли и КДО. Реконструкция и пуско-наладка энергетических котлов сложна, дорогостояща, требует надежного обоснования.
На основе анализа известных способов обоснования за основу был принят наиболее эффективный метод численного моделирования детерминирующих процессов и прежде всего аэродинамической обстановки в вихревой топке [60-63]. Математическое моделирование топки гораздо проще, дешевле и информативнее экспериментального моделирования. Объектом численного моделирования движения газо-воздушной смеси являлась топочная камера котла БКЗ-75, представленная на рисунке 2.11. Математическое моделирование включало постановку задачи, выбор методов её решения и пакета компьютерных программ.
Расчеты были выполнены для ряда вариантов конструкции системы подвода нижнего дутья, различной геометрии горелочных устройств, сопел острого дутья и разных расходах дутья. Конфигурация физической модели топочной камеры с указанием предлагаемого направления и расходов струй топливовоздушной смеси после реконструкции горелочных устройств и топки представлена на рисунке 2.12. Вихревая топка встраивается в существующий топочный объём котла по малозатратной схеме [55] без переделки или замены топочных экранов, как это требуется при реконструкциях по другим схемам. При таком подходе удержание частиц топлива в вихревой топке до их глубокого выгорания должно обеспечиваться за счет аэродинамики. Соответственно, целью расчетов является как выявление общей картины аэродинамической обстановки, так её детализация и выявление детерминирующих факторов по организации вихревого течения.
Например, использование вытянутых по высоте горелок формирует узкие струи, менее подверженные сносу и отклонению восходящим по фронтовому экрану потоком. Применение четырех струй позволяет понизить интенсивность вторичных, паразитных вихрей, генерирующих крупномасштабную турбулентность и пульсации давления в топке. Все эти и другие важные вопросы наиболее эффективно решаются при численном моделировании.
Работа технологической схемы и условия сушки
Существенным ограничением, как указывалось в гл.1, при организации сушки является вероятность пиролиза с пожаро- и взрывооопасным выделением летучих, наблюдаемого для древесины при температуре более 200-250С. В соответствии с рекомендациями гл. 1 топливоподготовку нужно вести в период постоянной скорости сушки, т.е. при температуре поверхности частиц на уровне температуры мокрого термометра 70-80 С с завершением интенсивной сушки КДО при критической влажности WK=20-25%. Выход на режим падающей сушки и тем более прогрев КДО свыше 150-200С при организации сушки недопустим.
Для повышения интенсивности процесс сушки производится при пневмотранспорте в режиме прямотока, допускающего повышенную температуру СА, и в две ступени: во всасывающем канале ПТ1 до вентилятора пневмотранспорта ВП2 и в напорном канале ПТ2 после вентилятора ВП2. Так как влажность КДО может быть значительной, до 55-65%, предусматривается использовать в этом случае сушку в два прохода. Устанавливаются две линии пневмотранспорта А и Б, рисунок 3.3, и сначала КДО сушатся и загружаются в силосы С1, а затем из них выгружаются шнеками ШП12 линию пневмотранспорта КДО в котел.
Работа линий пневмотранспорта ПТ1 и ПТ2 контролируется по температуре потока за пылевыми вентиляторами ВП2. При температуре ниже 70 С уменьшается присадка холодного воздуха, подаваемого дутьевым вентилятором котла из первой ступени воздухоподогревателя и вентилятором присадки холодного воздуха ВХЗ. При температуре выше 90С увеличивается присадка холодного воздуха, этим обеспечивается пожарная безопасность системы топливоподготовки. Соблюдение лимитирующих условий для пневмотранспорта не менее важно, чем ограничения по температурному режиму, перепад давления в тракте не должен превышать напора ТДМ, а скорость пневмотранспорта должна быть достаточной для устойчивого режима пневмотранспорта с оптимальной скоростью СА и концентраций КДО в линии пневмотранспорта. Расходная концентрация КДО (m=0,7-1,2кг/кг), скорость потока в канале пневмотранспорта V не менее 2225м/с, радиусы поворотов не менее 4 диаметров канала и другие оптимальные и лимитирующие условия были приняты согласно рекомендациям [94].
Линии пневмотранспорта, диаметры Д=530мм всасывающих каналов ПТ1 и Д=426мм напорных каналов ПТ2 выбраны на основании аэродинамических расчетов для производительности системы не ниже 6500кгКДО/час, вентиляторы ВП2 пневмотранспорта ВР-140-40 № 8: производительность 10-15тыс.м3/час, напор 3600Па. Для исключения завала линий производительность вентиляторов ВП2 максимальна и не регулируется.
В системе сушки в режиме пневмотранспорта предусмотрено:
- Автоматическое поддержание температуры потока на уровне 80-90С путем присадки холодного воздуха, подается вентилятором ВХ3, ВР 80-751500, №6,3, 17.000м3/час, 800Па, Nу=7,5кВт;
- При температуре выше 120С с включением сигнализации и задержкой 5сек блокируется подача КДО, с задержкой на период освобождения канала пневмотранспорта от КДО отключаются вентиляторы ВП2 тракта и присадки холодного воздуха ВХ3 шибером;
- При дальнейшем повышении температуры открывается клапан на линии подачи пара в соответствующий силос С1, силос и его линия пневмотранспорта заполняются паром.
- Температура СА, воздуха/дымовых газов на входе – 320/400С;
- Температура СА за вентилятором ВП2 – 70 - 80С;
- Расчетный расход СА (80С) – 10340м3/час; - В тракте пневмотранспорта устанавливаются камнеуловители, через которые отделяются крупные, тяжелые посторонние включения. Они периодически выводятся из системы через шиберы. Для улавливания КДО в силосах устанавливаются циклоны Ц11 типа ЦН-151000, СА удаляется из силоса вентилятором фильтра WAMECO, Ф16.
Щепу измельчают до размеров технологической щепы на дисковых руби-тельных машинах. Размеры щепы задаются шагом рубки, 25... 30мм и получают измельченную древесину примерно следующего состава:
- крупная фракция (щепа толщиной до 15мм и длиной более 100мм) – 1...3%;
- толстая фракция (щепа толщиной 7... 10 мм) – 2... 5%;
- кондиционная фракция (нормальная и мелкая щепа) – 60... 85%;
- опилочная фракция – 10... 30%.
Экспериментально полученный график дифференциального распределения частиц щепы по размерам приведен на рис.3.5.
Из результатов расчетов траекторий полета частиц, рисунки 3.6 и 3.7, следует, что частицы крупнее 1-3 мм могут просыпаться в холодную воронку. Этот неприятный факт наблюдается в реконструированном котле ТЭЦ СЦКК. В зимних условиях и летом при повышенной подаче КДО – в холодной воронке скапливаются крупные недогоревшие фрагменты. Учитывая характер кривой нормального распределения рисунка 3.5, видно, что до 50% частиц имеют размеры более 8мм. Эти частицы формируют провал в холодную воронку и недожог.
Для устранения этого явления в соответствии с разработанным патентом [95] предлагается использовать, рис. 3.3, вихревую топку с дожигателями шлака ВШ 22, устанавливаемыми в устье холодной воронки. Доля крупной фракции провала ожидается на уровне 5-10 % общего объема КДО, что соответствует от 1 до 2 Гкалл/ч или 400-800 кг/ч(1-2 м3/ч) КДО. Максимальная тепловая мощность, выделяемая на колосниках, оценивается до 10 Гкал/ч или до 20% общего тепловыделения. Типично в ЛПИ НТВ схемах применяются неэффективные, выгорающие схемы аэродинамического удержания в холодной воронке крупных частиц на полочных и другого типа вставках. При использовании выгружателей шлака ВШ 22, установленных в холодной воронке, выжигание провала гарантируется.
Таким образом, удержание на колоснике и циркуляция частиц КДО в вихре до полного выгорания позволяет в отличие от зарубежных схем [44] использовать дробленые КДО, заменив ими до 20-40% угля.
Проведение и анализ расчетов
Описанная выше разработанная методика проведения инженерного расчета полочной сушилки была использована при проектировании опытно-промышленного полочного сушильного агрегата, предназначенного для сушки лигнина. Данные расчетов приведены в таблице 4.2. Таблица 4.2 – Расчетные параметры газа и частиц по высоте полочной сушилкиНа рис.4.7 показан график изменения влажности материала. Видно, что скорость сушки по мере прохождения секций падает, далее интенсивность сушки замедляется. Температура и температурный напор снижаются от максимального, около 600С до 38С в последней секции. Кривая сушки имеет выраженный логарифмический характер.
Степень совершенства сушилки с точки зрения эффективности использования тепла предложено оценивать сопоставлением разницы температур теплоносителя и материала на входе и выходе из аппарата в виде коэффициента неиспользованного тепла Кс.с. По расчетам эта величина мала, доля неиспользованного тепла около 6%. В итоге предлагаемая сушилка с 6 ступенями и была принята для разработки проекта.
В проекте необходимо учесть практические рекомендации. Наиболее подверженным налипанию является зона загрузки материала в сушилку. На основе многолетнего опыта эксплуатации труб сушилок установлено, что в случае аккумуляции тепла в стенках сушилки в зоне подачи материала налипание исключается. Достигается это футеровкой зоны загрузки либо изготовлением этой зоны из металла толщиной 20-25мм, нанесением специальных покрытий и выбором марки металла [103]. На конструкцию полочной сушилки получен патент [104].
Теплоизоляция горячих поверхностей оборудования подбирается в соответствии с санитарными нормами. Температура наружной стенки в зонах обслуживания не должна превышать 55С. При этом коэффициент теплопередачи принят для расположения оборудования в помещении.
Приближенно теплоизоляция должна выбираться с соблюдением условия: V5и =0,5 - 1 Вт/м2К. К = 0,05 - 0,3 Вт/мК - коэффициент теплопроводности теплоизоляции, 8и- толщина теплоизоляции, м.
Потери тепла от наружных стен установки составили:
Потери тепла с отходящими газами составляют:
Затраты тепла на сушку Ют/час лигнина согласно расчетам составили 5440кВт, они должны компенсироваться сжиганием топлива в теплогенераторе. Удельные затраты тепла на испарения влаги 1 кДж/кг. Тепловой КПД сушилки 85%. С учетом рециркуляции дымовых газов, взятых после сушилки для снижения температуры, расход СА на входе в сушилку 25000кг/ч.
Разрез и общий вид сушильной установки показан на рис.4.8. Сушильный агрегат ПС-5,5 имеет производительность до 6 т/час по испаренной влаге. Предназначен для измельчения и сушки исходного материала – сырого лигнина и работы в составе опытно-промышленной установки производительностью до 2,78кг/с (10 т/час) по влажному лигнину.
Агрегат включает полочный аппарат с нисходящим потоком в каркасе, теплоизолированный. Корпус выполнен разъемным для соблюдения транспортных габаритов и удобства монтажа. Характеристики сушильного агрегата ПС-5,5 приведены в таблице 4.3.
Движение материала осуществляется сверху вниз в спутном потоке газа. Благодаря полкам сушка протекает при большей относительной скорости потока частиц и большом влагонапряжении объема. После прохода нисходящего участка материал разделяется по крупности. Наиболее крупная фракция выгружается шнеком непосредственно из-под сушилки и поступает в промежуточный бункер на досушку, либо на питание теплогенератора. Средняя фракция улавливается в установленном за сушилкой промежуточном пылеуловителе и шнеком готового продукта поступает на брикетирование. Мелкая фракция с потоком СА проходит через дымосос и выгружается через циклон в тот же шнек.
Для удобства обслуживания агрегат оснащается лазами, лючками и гляделками со смотровыми стеклами. Установка оборудована необходимыми площад 124 ками и лестницами для обеспечения доступа ко всем важным узлам. Площадки и лестницы выполняются из просечного листа во избежание накопления пыли.
Для защиты сушилка оборудована приборами контроля температурного режима, сигнализацией, внешними и внутренними средствами пожаротушения и взрывными клапанами необходимой площади. В установке применена водяная дренчерная система пожаротушения с проточной трубой. Взрывные клапаны установлены в необслуживаемых местах, на уровне выше человеческого роста, направлены вверх, либо за пределы помещения. Таблица 4.3 – Характеристики полочной сушилки ПС-5,5
