Исследование эффективности сжигания низкосортного твердого топлива в паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности с двухъярусной топкой

Повышение благосостояния страны определяется увеличением удельного потребления энергии, которому пропорционален рост удельного валового национального продукта. Без энергии не может быть ни движения, ни производства, ни самой жизни. Вся техника и продукция промышленности и сельского хозяйства есть в конечном итоге овеществленная энергия, и затраты последней определяют эффективность всего производства. В настоящее время, несмотря на высокий технический уровень, возможности повышения тепловой экономичности установок еще далеко не исчерпаны. Поэтому всевозможные эффективные теплотехнические устройства и системы управления, широко внедряемые повсюду, преследуют, по существу, одну цель — экономию энергоресурсов.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) РФ представляет собой одну из основ развития экономики современного общества. Темпы научно-технического процесса, интенсификации общественного производства, повышения технического уровня и улучшения труда в значительной мере определяются состоянием энергетики. Именно поэтому во всех странах мира уделяется большое внимание проблеме развития энергетической базы. Роль энергетики возрастает еще больше в связи с прогрессирующим истощением обычных энергетических ресурсов (нефть, газ, уголь и др.) и все более заметным, иногда уже необратимым изменением (загрязнением) окружающей среды, сопровождающим работу энергоустановок.

Естественно, что экономное и экологически чистое расходование энергии становится одной из основных задач инженерной деятельности в любой отрасли. Поэтому эффективному использованию природных ресурсов, защите окружающей среды придается в России большое значение. Об этом свидетельствует введенный с 2002 года Федеральный закон РФ «Об охране окружающей среды», который регламентирует комплекс вопросов, связанных с рациональным использованием всех видов топлива на объектах «большой» и «малой» энергетики и уменьшением вредных выбросов в атмосферу.

В соответствии с основными положениями Энергетической программы на длительную перспективу в нашей стране вводятся в строй отопительные и производственно-отопительные котельные различной тепловой мощности. Особенно быстро развивается строительство котельных в Восточной части России, где практически нет больших запасов нефти и газа, а сосредоточены огромные запасы органического топлива, как правило, низкосортного угля. В связи с этим было принято решение Правительства РФ об изменении соотношения использования жидкого и газообразного топлива к углю с положительной динамикой потребления твердого топлива на теплоснабжающих предприятиях малой и средней тепловой мощностью, именуемых «малой» энергетикой. Стоимость нефти и газа значительно опережает стоимость различных марок углей.

Динамика роста цен нефти и газа по отношению к углю представлена на диаграмме (рис. 1).

Рис. 1. Топливный рынок углеводородного топлива (Дальневосточная часть России).

Актуальность проблемы. Железнодорожный транспорт потребляет значительное количество топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в виде тепловой и электроэнергии, жидкого, твердого и газообразного топлива. Для выработки тепловой энергии в целях теплоснабжения в отрасли используется котельно-печное топливо. Объём потребления в 2006 г. всех видов котельно-печного топлива в условном исчислении составил более 3586,7 тыс. т у.т., из которых 2004,6 тыс. т у.т. (более 55%) потребляют котельные в виде местного низкосортного твердого топлива.

Однако, отказаться от использования низкосортного твердого топлива, переводя котельные на более высококачественные его виды, не представляется возможным. Более того, в связи с наметившимися тенденциями в ТЭК России все большее значение приобретает ориентация теплоэнергетики на использование дешевых и легкодоступных низкосортных местных топлив. Отметим, что на северных Дальневосточных территориях России эксплуатируются сотни котельных малой и средней тепловой мощности, техническое состояние которых не соответствует современным требованиям к уровню развития теплоэнергетики. Большинство таких котельных укомплектовано котлоагрегатами, работающими с факельно-слоевыми топочными устройствами (TJI3M-2 и ТЧЗМ-2) Кусинского машиностроительного завода, на которых регламентировано сжигать сортированные угли (в основном бурые) с большим выходом летучих. Фактически сжигают низкосортные угли (в основном каменные) в слоевых топочных устройствах, установленных на паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности. Эти топки не обеспечивают в полной мере эффективный процесс горения, резко падает не только КПД (до 40−55%), но и производительность котлов в целом. При этом возникают сопутствующие проблемы, вызванные увеличением выбросов ^ загрязняющих веществ в воздушный бассейн. Факельно-слоевые топки ТЧЗМ-2 и TJI3M-2 производит Кусинский машиностроительный завод, согласно паспортным рекомендациям не предусматривается их работа на низкосортном топливе по следующим конструктивным признакам: топки сконструированы таким образом, что после монтажных работ котла и топки, пространство топочной камеры максимально экранировано вследствие отсутствия зажигающего пояса, что не позволяет эффективно сжигать частицы топлива, находящиеся во взвешенном состоянии в газовоздушном потокеживое сечение колосникового полотна слоевых топок (ТЧЗМ-2 и TJI3M-2), составляющее 13−15% от общей площади зеркала горения для низкосортных углей Нерюнгринского бассейна, является завышенным (на основании экспериментальных исследований автором диссертации установлено, что оптимальная площадь живого сечения должна составлять менее 7%) — в факельно-слоевых топках не предусмотрено выполнение механической операции шурования слоя топлива, что приводит к увеличению механического недожога и потерь теплоты со шлаком. При указанных условиях сжигание низкосортного твердого топлива в слоевых топках котлоагрегатов приводит к его перерасходу и, как следствие, повышению затрат теплоснабжающих предприятий на производство тепловой энергии. В то же время технические решения, связанные с изменением конструкции топочных устройств, обеспечивающие уменьшение удельного расхода топлива, не должны приводить к увеличению вредных выбросов в окружающую среду.

Целью работы является разработка конструкции топочного устройства и исследование эффективности его работы при сжигании низкосортных твердых топлив Дальневосточного региона РФ в паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности.

Для реализации поставленной цели были определены и решены задачи исследований, которые заключались: в разработке, создании и внедрении новой конструкции двухъярусной топкив исследовании влияния особенностей конструкции новой двухъярусной топки на снижение механического недожога (уменьшение удельного расхода топлива на единицу тепловой энергии и изменение величины КПД котлоагрегата) — в исследовании влияния конструкции колосниковой решетки двухъярусной топки на аэродинамическую устойчивость слоя, равномерность распределения гидродинамического сопротивления по всей площади зеркала горения и процесса перехода горения из состояния неподвижного в состояние кипящего слояв определении экономической эффективности разработанной новой двухъярусной топки при внедрении на котлах ГУЛ «Коммунальные системы БАМа" — в изучении возможностей максимально широкого внедрения полученных результатов на объектах теплоснабжения ГУЛ «Коммунальные системы БАМа» и в котельных предприятий ДВЖД, использующих низкосортное твердое топливо Нерюнгринского и других месторождений Дальнего Востока.

Методы исследований. В ходе решения поставленных задач использовался комплексный подход, основанный на экспериментальных исследованиях фракционного состава твердого топлива в момент формирования кипящего слоя на двухъярусной колосниковой решетке. Обобщение данных научно-техническойлитературы по проблемам исследования, а также обработка результатов экспериментальных исследований проводились при номинальном и максимальном режимах работы топочного устройства с применением методов математической статистики. Определение КПД по прямому и обратному балансу котла проводилось при сжигании низкосортного топлива с различным фракционным составом. Научная’новизна работы заключается в следующем: в организации топочного процесса, обеспечивающего гравитационную самосортировку твердого топлива в момент формирования кипящего слоя на двухъярусной* решетке, что расширяет диапазон эффективного сжигания низкосортного топлива в области ненормируемых пылевидных фракций (с размером менее 6мм) — в разработке принципиально нового технического устройства (двухъярусной топки) с нестандартными элементами в конструкции, что обеспечивает снижение расхода топлива на выработку единицы тепловой энергиив получении оптимальных значений отношения площади зажигающего пояса к активной площади горения, в результате этого процесс горения в топочном пространстве интенсифицируется, что способствует снижению как химической, так и механической неполноты сгорания, которая приводит к существенному сокращению выбросов твердых частиц в окружающую среду. Достоверность научных результатов исследования подтверждается: согласованием полученных результатов экспериментальных исследований с данными других работпрактикой опытной эксплуатации двухъярусной топки в котлах малой и средней мощности, работающей на низкосортных углях на предприятии ГУП «Коммунальные системы БАМа». Практическая ценность работы. Результаты экспериментальных исследований были использованы для анализа эффективности процессов сжигания твердого топлива в кипящем слое, а также для расчета и конструирования котлоагрегатов малой и средней тепловой мощности, работающих на низкосортном топливе с большим содержанием пылевидных фракций Нерюнгринского и других месторождений Дальнего Востока. Основные теоретические положения и практические результаты используются в учебном процессе кафедры «Безопасность жизнедеятельности» и кафедры «Тепловозы и тепловые двигатели» ДВГУПС. Конструкция двухъярусной топки, предложенная автором диссертации, была внедрена на котлах КВТС-10 и КЕ-10−14с теплоснабжающего предприятия ГУП «Коммунальные системы БАМа». Для соответствующего типа котла при сжигании в кипящем слое низкосортного твердого топлива в двухъярусной топке была разработана режимная карта для. его эффективной эксплуатации.

Положения, выносимые авторомk на защиту. Конструкция нового устройства двухъярусной топки для эффективного сжигания низкосортного угля Нерюнгринского месторождения, отличающегося повышенным содержанием мелкой фракции и влаги. Результаты сравнительного анализа эффективности сжигания твердого топлива в слоевой топке и двухъярусной топке, обеспечивающей гравитационную самосортировку топлива в момент формирования кипящего слоя.

Публикации. Основные положения диссертационной работы представлены в 14 печатных работах, в том числе 1 монографии, 12 статьях и 1 патенте на полезную модель.

Апробация диссертационной работы. Основные положения и результаты проведенных исследований доложены и одобрены на семи Всероссийских и международных конференциях, а также четырех научно-технических семинарах: научно-технической конференции творческой молодёжи, 18−19 апреля, (ДВГУПС, Хабаровск, 2006) — 44-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, 25−26 января, (ДВГУПС, Хабаровск,.

2006) — пятой Международной научной конференции творческой молодежи, 17−19 апреля, (ДВГУПС, Хабаровск, 2007);

45-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, посвященной 70-летию университета, 24−25 октября (ДВГУПС, Хабаровск, 2007) — 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, 7−9 ноября, (ДВГУПС, Хабаровск, 2007);

Международной научно-практической конференции «Техносферная и экологическая безопасность на транспорте», 21−23 ноября, (ПГУПС, СПб,.

2007) — Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развитиянауки и технологий"^ (ТулГУ, Москва-Тула, 2006);

Международной научно-практической конференции в. области экологии и безопасности жизнедеятельности, 7−8 июня, «Дальневосточная весна-2007» (КнАГТУ, Комсомольск — на — Амуре, 2007). и.

Выводы по главе 3.

Технико-экономическая оценка эффективности работы котл о агрегатов КЕ-10−14с и КВТС-10 с двухъярусной топкой на предприятии ГУП «Коммунальные системы БАМа», выполненная в соответствии с методикой, показала, что использование усовершенствованного нового топочного устройс тва (двухъяруснойтопки) при сжигании низкосортного угля в кипящем слое максимально обеспечивает высокую экономичность работы топки и котла в целом. В результате реализации технического решения на теплоснабжающем предприятии ГУП «Коммунальные системы БАМа» по разработке и внедрению нового топочного устройства (двухъярусной топки) удалось получить значительный экономический эффект при сжигании низкосортного топлива в кипящем" слое и существенно снизить затраты на производство единицы тепловой энергии. Удельные приведенные затраты на единицу тепловой энергии с различными марками котлов снизились на паровом (КЕ-10−14с) на 12%, а на водогрейном котле (КВТС-10) па 10%.

Заключение

.

1. Проведён анализ работы факельно-слоевых топок Кусинского машиностроительного завода типа (ТЧЗМ-2 и TJ13M-2), установленных на паровых и водогрейных котлах теплоснабжающих предприятий ДВЖД и ГУП «Коммунальные системы БАМа», использующих в качестве основного топлива низкосортный уголь Нерюнгринского месторождения.

Показано, что конструктивные элементы топок ТЧЗМ-2 и TJ13M-2 не позволяют эффективно сжигать сильно пылящий уголь Нерюнгринского месторождения. При сжигании низкосортных углей в топках ТЧЗМ-2 и TJI3M-2 образуется механический недожог, достигающий 45% и более.

2. Разработано новое топочное устройство двухъярусная топка, на конструкцию которой получен патент. Сжигание низкосортного твердого топлива Нерюнгринского месторождения на двухъярусной топке осуществляется в режиме кипящего слоя. Такая технология сжигания твердого топлива в указанной конструкции обеспечивает уменьшение механического недожога в среднем на 40−45% и повышение КПД парового котла на 10−13%), а водогрейного на 8−10%.

3. В конструкции двухъярусной топки предусмотрено устройство зажигающего пояса. На основании экспериментальных исследований получено оптимальное соотношение, зависимости площади зажигающего пояса (42−45%) к площади зеркала горения, наличие которого при сжигании низкосортного твердого топлива способствует снижению его расхода на 3% и дожиганию твердых частиц в газовоздушном потоке на 13−15%.

4. Установлено, что увеличение объёма топочной камеры за счёт устройства зажигающего пояса, предусмотренное конструкцией двухъярусной топки (по сравнению с объёмом топок ТЧЗМ-2 и TJI3M-2), способствует более полному сгоранию летучих продуктов, а также снижению уровня выбросов пылевидных фракций угля на 4 — 7%.

5. Показано, что конструкция двухъярусной топки при работе на низкосортном твердом топливе обеспечивает процесс самосортировки угля при разделении фракционного состава топлива по элементам подвижных и неподвижных колосников на нормируемую и ненормируемую фракцию с эффективностью разделения, составляющей 30 — 40%.

6. Установлено, что новая конструкция двухъярусной топки за счёт гравитационной самосортировки топлива обеспечивает расширение диапазона эффективного сжигания низкосортных углей на область ненормируемых пылевидных фракций размером до 3 — 4 мм.

7. Обоснована максимальная эффективность работы двухъярусной топки при наличии шурующей планки, цикличное ib перемешивания которой оказывает положительное влияние на условия сжигания низкосортных твердых топлив.

8. Показано, что конструкция двухъярусной топки обеспечивает снижение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах за котлом с аср = 2,0 до аср = 1,5 а также снижению уровня содержания кислорода (02) в уходящих газах с 12−13% в слоевой топке, до 7−8% в двухъярусной топке. Увеличенный объём двухъярусной топки способе [вует рациональному поддержанию температурного режима в топочном пространстве и приводит к снижению оксидов азота на 20 — 25%.

9. Экономический эффект от внедрения двухъярусной топки в паровом котле КЕ-10−14с составил 2 008 342,4 руб. при годовой выработке тепловой энергии Q=18 208 Гкал. При этом стоимость единицы тепловой энергии понизилась па 12%. Аналогично для водогрейного котла КВТС-10 годовой экономический эффект составил 1 673 133 руб. при годовой выработке тепловой энергии Q= 18 208 Гкал, что привело к снижению стоимости единицы тепловой энергии на 10%.