Сжигание топлив в кипящем слое

Современное развитие энергетики и обострение экологической ситуации в мире потребовали поисков и разработки более прогрессивных и экологически чистых технологий сжигания твердых топлив.

Одним из перспективных направлений, обеспечивающих экологическую чистоту использования твердых низкосортных топлив в энергоустановках будущего, следует считать их сжигание в котлах с топками кипящего слоя различных модификаций: классической, циркулирующей, аэрофонтанирующей с применением аэрофонтанных аппаратов, поскольку при этом в значительной степени снижаются выбросы SO 2 и NO x уже на стадии сжигания .

1.1. Сжигание твердых топлив в топках котлов с классическим кипящим слоем

Рис. 1.1. Схемы установок с кипящим слоем: а – классический кипящий слой: б – циркулирующий кипящий слой; в – кипящий слой под давлением; 1 – основной воздух; 2 – подача топлива; 3 – вторичный воздух; 4 – вывод золы; 5 – возврат уноса; 6 – продукты сгорания; 7 – циклон; 8 – поверхность нагрева; 9 – турбина и компрессор

На рис.1.1. приведена схема топки с классическим пузырьковым кипящим слоем. В пузырьковом кипящем слое при атмосферном давлении уголь (или другое твердое топливо) сжигается в слое твердых частиц (обычно известняк), который псевдоожижается воздухом, подающимся для горения под слой. Разогрев слоя осуществляется горячим воздухом или газами с помощью специальной газовой горелки. Котлы с кипящим слоем спроектированы так, чтобы температура слоя находилась в интервале 815–870 o С. Возможность работы при низких температурах приводит к нескольким преимуществам. Благодаря низкой температуре для связывания SO 2 можно использовать в качестве сорбента недорогие материалы, такие как известняк и доломит. Когда в слой добавляется известняк или доломит, в результате реакции между CaO и SO 2 образуется CaSO 4 . В зависимости от содержания серы в топливе и количества сорбента выбросы SO 2 могут быть сокращены на 90 % и более. Термические оксиды азота образуются при температурах свыше 1300 o С. При снижении температуры скорость реакции образования NO x сильно уменьшается. При температурах 815–870 o С количество NO x , образовавшегося в кипящем слое, значительно меньше, чем в традиционных котельных установках, работающих при более высоких температурах.

Технология сжигания в кипящем слое (КС) имеет целый ряд преимуществ по сравнению с пылеугольным сжиганием твердых топлив.

К ним следует отнести:

– простота конструкции;

– возможность сжигания низкокачественных углей;

– безопасность в экспуатации;

– отсутствие мельниц тонкого помола;

– связывание SO 2 и SO 3 ;

– подавление NO x (до 200 мг/м 3).

Вследствие интенсивного перемешивания происходит выравнивание температуры во всем кипящем слое, поэтому слой можно считать изотермическим. Поверхности нагрева, опущенные в кипящий слой, имеют очень высокий коэффициент теплоотдачи. Этому способствует разрушение граничного слоя на теплообменной поверхности, а также прямое соприкосновение частиц с теплоотводящей поверхностью.

К недостаткам этой технологии сжигания следует отнести абразивный износ поверхностей нагрева, расположенных в слое; высокие значения механического недожога, ограничение мощности котельных агрегатов, оборудованных топками с кипящим слоем до 250 т/ч. Для более мощных котлов требуются решетки больших габаритов, что создает трудности по обеспечению равномерной скорости дутья.

Идеальным топливом для котлов с кипящим слоем служат сланцы, имеющие высокую реакционную способность, высокую зольность, которая определяет большую массу материала, в связи с чем стабилизируется температура сжигания, происходит быстрая сушка топлива и хорошее выгорание.

При использовании низкозольных канско-ачинских углей требуется большая добавка инертного материала. Сжигание углей с высоким содержанием солей щелочных металлов очень выгодно использовать в топках с кипящим слоем, когда практически не происходит испарения солей. Отсюда появляется возможность вовлечения так называемых «соленых» углей в энергетику.

Примером тому служит промышленный опыт внедрения кипящего слоя для сжигания шлакующих «соленых» углей в США.

В 1986 г. фирма «Бабкок-Вилькокс» переоборудовала котел с механической топкой на ТЭС Монтана-Дакота в установку с пузырьковым кипящим слоем. Этот котел был первоначально спроектирован на производительность 81,9 кг/с (295 т/ч) пара при давлении 9 МПа и температуре 510 o С для сжигания бурого угля месторождения Белах.

Однако высокое содержание соединений натрия в летучей золе приводило к сильному шлакованию топки и загрязнению пароперегревателя. До реконструкции с устройством кипящего слоя мощность была ограничена 50 МВт при расчетной 72 МВт. Для того чтобы избежать шлакования и загрязнения и поверхностей нагрева и обеспечить работу на полную мощность, был использован кипящий слой. Новая установка с кипящим слоем сечением 12,2 х 7,9 м была вмонтирована в старый котел с минимальными изменениями работающих под давлением поверхностей экранов. Воздухораспределительная решетка и окружающие ее стенки охлаждались водой. Пароперегреватель и испаритель размещались в слое для обеспечения необходимой паропроизводительности и перегрева пара и ограничения температуры слоя на уровне 815 o С. Скорость газов в слое составляла 3,7 м/с, а глубина слоя в рабочем состоянии – 1,37 м. Для включения и запуска установки подвод воздуха осуществлялся через восемь секций. Поскольку бурый уголь месторождения Белах – высокореакционное топливо, возврат летучей золы не предусматривался. С учетом низкого содержания серы и высокого содержания щелочных компонентов в топливе в качестве материала слоя был использован песок. Котел был пущен в эксплуатацию в мае 1987 г. Сейчас этот блок несет нагрузку 80 МВт при отсутствии шлакования и загрязнения поверхностей. Измеренные концентрации NO x составляли 0,14 г/МДж.

Введение

Для теплоснабжения комплекса поверхности и обогрева стволов на шахтах Украины используются собственные котельные, значительное количество которых работает на твердом топливе. Это обусловлено достаточными запасами энергетических углей, однако доля углей ухудшенного качества, с зольностью до 50%, в общем балансе твердого топлива в стране приближается к 39% и, в дальнейшем, будет возрастать из–за разработки тонких пластов . При сжигании высокозольных углей коэффициенты полезного действия угольных котлов снижаются, теплопроизводительность их не достигает расчетной, в результате снижается надежность теплоснабжения потребителей.

Одной из эффективных технологий сжигания низкосортных и высокозольных (до 80%) углей является использование низкотемпературного кипящего слоя (НТКС). Данный метод сжигания топлива отличается высоким уровнем смешения топлива и окислителя, повышенным по сравнению со слоевыми топками временем пребывания топлива в зоне горения, интенсивным теплоотводом к поверхностям нагрева, отсутствием движущихся частей в топочном объёме, возможностью сжигания в одном агрегате топлив различного состава и качества, пониженным до 1–5% содержанием топлива в слое. Технология НТКС облегчает воспламенение топлива, препятствует спеканию топливных частиц и шлакованию конвективных поверхностей нагрева .

1. Актуальность темы

В связи с увеличением доли углей ухудшенного качества, с зольностью до 50%, связанных с увеличением количества тонких пластов в стране, актуально применение котельных установок с низкотемпературным кипящим слоем, способных использовать данный вид топлива.

В настоящее время управление котлоагрегатом с низкотемпературным кипящим слоем осуществляется оператором вручную и не всегда проходит успешно и, как следствие, сопровождается вынужденным непроизводительным простоем оборудования, а в худшем случае полной остановкой технологического процесса.

Данные котельные установки применяются на территории Украины продолжительное время. За весь период усовершенствование систем автоматизации объектов не производилось. В условиях реструктуризации и перехода к рыночным механизмам в энергетике Украины требования к котельным установкам повышается. К сожалению устаревшая аппаратура не способна выводить котлоагрегат на требуемые характеристики. Необходима модернизация аппаратуры автоматизации котельной установки.

2. Харатерисики объекта автоматизации

Сжигание в кипящем слое – одна из технологий сжигания твёрдых топлив в энергетических котлах, при которой в топке создаётся кипящий слой из частиц топлива и негорючих материалов. Технология была привнесена в энергетику из химической промышленности примерно в 1970–е гг. .

Рисунок 1 – Способы сжигания твердого топлива
(анимация: 4 кадров, 20 циклов повторения, 26 килобайт)

2.1 Технологии сжигания топлив

В восходящем потоке газа загрузка из твёрдых частиц может находиться в трёх состояниях:

• в покоящемся, когда скорость газа мала и он не может поднять частицы – характерен для слоевых топок;
• в режиме пневмотранспорта, когда частицы переносятся с быстрым потоком газа – в камерных топках;
• в псевдоожиженном состоянии при промежуточной скорости газа, когда он при прохождении через слой «раздвигает» частицы и увеличивает его толщину, понижая плотность, но не способен унести частицу за пределы слоя. Этот последний режим и создаётся в топках кипящего слоя.

Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным (800–900 °C), в настоящее время по ряду причин почти всегда используется второй. В частности, в нём весьма эффективно подавляется выделение оксидов азота и можно применить погружную поверхность, к которой исключительно высок коэффициент теплоотдачи (нагретые частицы топлива соприкасаются с ней непосредственно, и часть тепла передаётся не конвекцией, а теплопроводностью). Для регулировки температуры слоя во избежание шлакования можно вводить воду и пар, но в принципе из–за высокой абразивности этого слоя топки с его применением к шлакованию не склонны.

В кипящий слой вводят значительное количество инертных наполнителей – шлак, песок, доломит, известняк; они повышают теплоотдачу. Доломит и известняк, помимо этого, связывают в карбонаты до 90 % оксидов серы. Топливом могут служить уголь (в том числе в виде остатков в золе от низкоэффективных котлов), горючий сланец, торф, древесные и иные отходы.

Топки кипящего слоя не чувствительны к качеству топлива в смысле его химического состава, но чувствительны к однородности фракционного состава частиц топлива и инертной засыпки. Горение в данных топках более интенсивное, чем в обычных слоевых, их габариты меньше; однако для них требуется создать воздухораспределительная решётка и вентилятор большей мощности. В числе других недостатков этого типа топок:

• вынос до 20–30 % всего углерода топлива (поэтому эти топки рекомендуют применять при возможности дожигания уноса размером 0–1 мм в рабочем пространстве котла);
• зашлаковывание межсоплового пространства и самих сопл воздухораспределительных колосниковых решеток при недостаточном динамическом напоре воздуха;
• очень большой абразивный износ теплопередающих поверхностей, особенно высокий у погружных.

Эффект интенсивного горения, аналогичный наблюдаемому при сжигании в кипящем слое, можно получить постоянным встряхиванием колосника с кусками топлива любого размера; но из–за снижения прочности металла колосника при высокой температуре этот способ сложно практически реализовать.

Топки кипящего слоя под давлением до 16 кгс/см² с глубокой очисткой газа от золы могут использоваться для организации работы газовых турбин на твёрдом топливе (в составе высоконапорного парогенератора ПГУ)

2.2 Описание технологии НТКС

В последние годы проявляется повышенный интерес к котлам, оборудованным топками с псевдосжиженным или кипящим слоем (рисунок 2). Эти топки занимают промежуточное положение между топками слоевого сжигания и факельными. Со слоевыми топками их объединяет прежде всего возможность сжигания дробленки с размером кусков до 10–20 мм и наличие решетки, через которую в слой подается воздух. При повышении скорости воздуха, продуваемого через слой, наступает момент, когда аэродинамическая сила, действующая на каждую частицу топлива, преодолевает силы взаимного трения частиц. Дальнейшее увеличение расхода воздуха приводит к псевдосжижению частиц топлива, слой как бы кипит (отсюда название кипящий слой), высота и пористость его увеличивается.

Минимальную скорость, при которой начинается псевдосжижение, называют первой критической скоростью Wкр1; при второй критической скорости Wкр2 аэродинамическая сила становится равной силе тяжести частиц топлива, и начинается их интенсивный вынос из слоя. Оба эти параметра имеют строго определенные значения только для монодисперсного материала с постоянной плотностью, а слой, как известно, состоит из полифракционного инертного материала и частиц топлива разной плотности.

Реальные топочные устройства с кипящим слоем работает со скоростями от Wкр1 до Wкр2. Различают топки с обычным, или стационарным кипящим слоем (когда скорость в нем близка к Wкр1) и топки с циркулирующим кипящим слоем (когда скорость близка к Wкр2). В последнем случае из слоя выносится значительная часть недогоревшего топлива, которое улавливается затем в горячих циклонах и возвращается для обжигания .

Важно отметить, что в топках с кипящим слоем количество горючего материала составляет обычно небольшую долю от массы слоя, основу его составляет инертный материал или зола топлива (при сжигании высокозольных углей). Интенсивное перемешивание твердых частиц под воздействием сжижающего воздуха, проходящего через слой зернистого материала, обеспечивает повышенный тепло- и массообмен в слое. Погружение в кипящий слой поверхностей нагрева позволяет поддерживать температуру на таком уровне, при котором не происходит зашлаковки слоя.

Рисунок 2 - Схема котла со стационарным кипящем слоем при атмосферном давлении:
1 – парогенерирующие панели; 2 – мембранный экран; 3 – циклон; 4 – фильтр; 5 – дымовая труба; 7 – уголь; 8 – известняк; 9 – твердые частицы из циклона; 10 – транспортирующий воздух; 11 – воздух для горения; 12 – удаление шлака; 13 – кипящий слой.

К основным достоинствам метода сжигания твердого топлива в кипящем слое относятся следующие:

• обеспечивается высокий коэффициент теплопередачи;
• длительное пребывание частиц в слое позволяет сжигать уголь с повышенной зольностью и отходы производства;
• появляется возможность создать более компактное топочное устройство без системы пылеприготовления, при этом снижаются удельные капитальные затраты на сооружение котельной, а также ремонтные расходы;
• добавка известняка в слой связывает серу топлива с зольным остатком, что уменьшает выбросы сернистого ангидрида с дымовыми газами в атмосферу;
• низкие температуры в слое (800–950°С) обеспечивают отсутствие термических оксидов азота, что в некоторых случаях сокращает выбросы оксидов азота в атмосферу.

Большой опыт использования в энергетике топочных устройств с кипящим слоем накоплен в ФРГ, США, Финляндии и некоторых других странах. В последние годы большое внимание уделяется топкам с циркулирующим кипящим слоем. Эти котлы отличаются прежде всего наличием циклонов, в которых улавливается вынесенные из слоя крупные частицы (рисунок 3). Тепловое напряжение сечения в таких топках достигает 4–8 МВт/кв.м, а скорость газов в слое – 3–8 м/с. Аналогичные параметры у топок со стационарным кипящим слоем равны соответственно 2 МВт/кв.м. и 1–2,5 м/с. Топки с циркулирующим кипящим слоем отличаются более высокой степенью выгорания топлива (примерно 99% против 90–95% у котлов со стационарным кипящим слоем), они могут работать с меньшим коэффициентом избытка воздуха (1,1–1,15 вместо 1,2–1,25).

Система подачи топлива у котлов с циркулирующим кипящим слоем проще, они менее требовательны к качеству топлива и лучше приспособлены к его ступенчатому сжиганию, необходимому для снижения выбросов оксидов азота. Такие топки позволяют связывать более 90% серы при мольном отношении Са/S=2, в то время как в топки со стационарным кипящим слоем для связывания 80–90% серы требуется подавать больше известняка (Са/S=3).

Самый крупный в Европе котел с циркулирующим кипящим слоем сооружен фирмой Zurgi в Дуйсбурге (ФРГ). К середине 1987 г. он отработал около 10 тыс.ч. Паропроизводительность котла составляет 270 т/ч, давление свежего пара – 14,5 МПа, температура перегрева – 535°С.

Рисунок 3 - Схема котла с циркулирующим кипящим слоем при атмосферном давлении:
1 – уголь и известь; 2 – вторичный воздух; 3 – реактор с кипящим слоем; 4 – испарительная часть; 5 – циклон; 6, 11 – паровые котлы; 7 – электрофильтр; 8 – воздухоподогреватель; 9 – дымовая труба; 10 – зола; 12 – охладитель материала; 13 – воздух; 14 – первичный воздух.

В последнее время значительно расширились исследования топок с кипящим слоем под давлением (рисунок 4). Основное достоинство таких топок состоит в возможности осуществления комбинированного цикла, когда генерируемый в котле пар используется в паровой турбине, а продукты сгорания повышенного давления – в газовой турбине. При этом повышается термодинамический КПД цикла, еще в большей степени сжижаются габаритные размеры топочных устройств (почти на 60% по сравнению с котлами обычного типа) и уменьшаются вредные выбросы в атмосферу.

Широкое внедрение котлов с топками кипящего слоя под давлением сдерживается тем, что имеется еще ряд нерешенных проблем. Например, продукты сгорания, которые используются в газовой турбине, требуют тщательной очистки. Тканевые фильтры в этом случае нельзя использовать из–за высокой температуры газов, а механические золоуловители не обеспечивают необходимой степени очистки газов. Вторая нерешенная проблема – обеспечение плотности установки, работающей под давлением до 1,4 МПа.

Рисунок 4 – Принципиальная схема установки с кипящим слоем под давление:
1 – газотурбинная установка; 2 – уходящие газы; 3 – циклон; 4 – зола; 5 – камера с кипящем слоем под давлением; 6 – паротурбинная установка; 7 – уголь и известь; 8 – воздух.

Энергетическая компания American Electric Power еще в 1976 г. заявила о сооружении демонстрационного энергоблока мощностью 170 МВт с топкой кипящего слоя под давлением. Предварительно были проведены испытания на плотной установке в Лизенхэд (Великобритания). Они подтвердили, что выбросы сернистого ангидрида и оксидов азота существенно уменьшаются, работоспособность лопаточного аппарата ГТУ а продуктах сгорания повышается.

2.3 Автоматизация котельных агрегатов

Контроль за протеканием теплотехнического процесса на ряду с реализацией задач аварийных блокировок, обеспечивает ведение технического режима в строгом соответствии с нормами технологического регламента. Решение этих задач полностью исключает остановку котлов из–за неконтролируемых нарушений границ технологического регламента, а также резко повышает безопасность работы всех технологической системы .

Рисунок 5 – Структурная схема регулирования параметров котла, оборудованного топкой низкотемпературного кипящего слоя:
1 – дутьевой вентилятор; 2 – исполнительный механизм МЭО; 3 – забрасыватель топлива; 4 – котел; 5 – прямоточный циклон; 6 – экономайзер; 7 – циклоны первой и второй ступени очистки дымовых газов;
8 – дымосос; 9 – подпиточный трубопровод; 10, 11, 12, 13, 14 – регуляторы соответственно разряжение, уровня, выпуска шлака, расхода воздуха и топлива.

Структурной схемой автоматизации котлоагрегатов (рисунок 5) предусматривается выполнение следующих мероприятий :

1. Контроль следящих параметров:

• температура отходящих дымовых газов;
• давление дутьевого воздуха;
• разрежение в топке котлоагрегата;
• температура воздуха при розжиге;
• температура в слое;
• температура горячей воды или давление пара в барабане котла;
• расход горячей воды или пара;
• ток двигателя дутьевого вентилятора;
• ток двигателя дымососа;
• давление до и после жидкого топлива;
• температура газов перед экономайзером и дымососом;
• давление воды перед погружными поверхностями нагрева;
• давление горячей воды после котлоагрегата;
• разряжение перед экономайзером, циклоном, дымососом;
• содержание кислорода в дымовых газах;
• уровень кипящего слоя;
• уровень воды в барабане котла (для паровых котлов).

2. Сигнализация и защита:

• давление дутьевого воздуха низко;
• разряжение в топке низко;
• температура в слое высока или низка;
• отсутствие протока воды через котел;
• давление пара высоко;
• температура воды высока;
• аварийный уровень в барабане котла;
• температура при розжиге высока;
• отсутствие пламени при розжиге котлоагрегата.

3. Дистанционное управление механизмами котлоагрегата:

• дымосос – дистанционно;
• дутьевым вентилятором – дистанционное сблокированное с дымососом и схемой защиты котлоагрегата;
• вентилятор возврата уноса №1 и №2 – дистанционное сблокированное с дутьевым вентилятором;
• забрасывателем угля – дистанционное сблокированное с дутьевым вентилятором и схемой защиты котлоагрегата;
• насосом подачи жидкого топлива – дистанционное и местное с контролем пламени в зависимости от числа розжиговых форсунок;
• разгрузчиком золы;
• вибратором;
• конвейером золоудаления;
• разгрузчиком уловленных частиц из первой ступени газоочистки.

4. Автоматическое регулирование

Выводы

Повышение цен на энергоносители, дефицит собственных топливных ресурсов, снижение качества угля, рост требований к уменьшению загрязнения окружающей среды требуют внедрения в производство более совершенного метода сжигания угля.

Именно наличие топливно–энергетических ресурсов определяют темпы и масштабы развития отдельных районов промышленного и сельскохозяйственного производства. Главными задачами являются обеспечения более комплексной переработки сырья, создание ресурсосберегающей техники и технологий, резкого сокращения потерь и отходов. В последние годы во многих странах структурная перестройка топливного баланса с целью уменьшения зависимости от нефти и газа возродила интерес к угольной тематике.

При написании данного реферата квалификационная работа магистра не завершена. Дата окончательного завершения работы: 15 декабря 2012 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Ж.В. Вискин Сжигания угля в кипящем слое и утилизация его отходов, Донецк 1997, – 283 с.
2. Сургай М. Пріоритети у вугіллі й ціна їхньої недооцінки / М. Сургай // Віче. Журнал Верховної Ради України. Київ, 2008. № 3. – с. 40–45.
3. Приборы регулирующие Р–25. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – М.: Завод тепловой автоматики, 1985. – 48 с.
4. Файерштейн Л.М. и др. Справочник по автоматизации котельных/ М.: Энергоатомиздат, 1985.– 296с.
5. Махорин К. Е. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое / К. Е. Махорин, П. А. Хинкис К.: Наукова думка, 1989. – 204 с.
6. Киричков В. Н. Построение адаптивных моделей динамических объектов по данным эксперимента / В. Н. Киричков, А. Н. Сильвестров. К.: Вища школа. Головное издательство, 1985. – 68 с.
7. Макроклиматические районы земного шара с холодным и умеренным климатом: ГОСТ 25870–83.[Действует с 1984–07–01]. – М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1983.
8. Неежмаков С. В. Исследование математической модели топки кипящего слоя шахтного автономного воздухоподогревателя С. В. Неежмаков // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету.
   – Вип. 8. Т. 10. – Мелітополь: ТДАТУ, 2008. С. 173–180.
9. О результатах разработки аналитических и численных методов оценки макрокинетических характеристик процессов термохимической переработки одиночных топливных частиц в кипящем слое /[Корчевой Ю. П., Майстренко А. Ю., Пацков В. П. и др.]. Киев, 1994. – 77 с. – (Препринт/Ин–т проблем энергосбережения НАНУ, Отделение ВПЭ).

Работы по созданию мощных отечественных котлов с ЦКС начаты с 1987 г. и выполнены большим коллективом организаций: ВТИ, НПО ЦКТИ, СКБ ВТИ, ПО «Сибэнергомаш», КазНИИэнергетики, УПИ, МЭИ. Сжигание топлива в ЦКС благодаря низкой температуре (850 – 900 o С) обеспечивает снижение выхода оксидов азота, а при добавлении известняка происходит подавление оксидов серы.

Расход известняка составляет 3 – 6 кг на 1 т натурального топлива или на котел паропроизводительностью 500 т/час – 0,2 – 0,4 т/час.

Количество известняка может быть уменьшено для топлив с повышенным содержанием щелочноземельных соединений, например для углей Канско-Ачинского бассейна, минеральная часть которых содержит до 40 % и более соединений кальция и магния.

Воздух подается двумя вентиляторами. Вентилятор первичного дутья подает воздух через решетку в топку и в псевдогидрозатворы. Вентилятор вторичного воздуха подает воздух в топку на трех уровнях.

Котлы с ЦКС выполнены по одной схеме: топочная камера с размещением в ее верхней части поверхностей нагрева пароперегревателя, циклонов и вынесенного конвективного газохода, в котором размещены экономайзер и воздухоподогреватель.

После циклонов зола через золовой затвор возвращается в нижнюю часть топочной камеры. Твердые частицы несгоревшего топлива выносятся из топки и возвращаются через циклоны снова в слой. Горячая зола после циклона направляется во внешние охладители золы.

Первичный золоуловитель представляет собой сепаратор ударного типа, состоящий из расположенных в шахматном порядке U-образных элементов (швеллерковый сепаратор), подвешенных к крыше котла, которые образуют лабиринт на пути газа и твердых частиц (рис. 1.2). Два первых ряда золоуловителя расположены в топке перед входом в горизонтальный газоход. Уловленная в них зола возвращается в топку вдоль задней стенки. Твердые частицы, собранные другими рядами сепаратора (в горизонтальном газоходе), отправляются в бункер и возвращаются в нижнюю часть топки через четыре L-клапана

Рис.1.2. Швеллерковый сепаратор: 1 – газ и твердые частицы; 2 – твердые частицы, возвращаемые в топку; 3 – твердые частицы, возвращаемые в бункер хранения

Последние служат для управления содержанием материала в топке путем регулирования перепуска из бункера в топку. Организация двухступенчатой первичной сепарации с внутритопочным швеллерковым сепаратором уменьшает значение необходимой внешней циркуляции частиц.

Этот вид топок используется для котлов тепловой мощностью от 20 до 500 МВт. В рамках федеральной программы «Экологически чистая энергетика» разработан и реализуется проект сооружения опытно-промышленного котла с ЦКС типа Е-220-9,8-540 АФН ОАО «Белэнергомаш» для сжигания АШ на Несветай ГРЭС. Котел рассчитан на эффективное сжигание низкореакционного АШ с Q нр =4100 – 500 ккал/кг с зольностью 40 % и содержанием серы до 2 %, без подсветки мазутом во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок, при минимальных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу (снижение выбросов серы на 90 %, a NO x – не более 300 мг/м 3).

Принципиальное преимущество котла заключается в возможности его размещения в габаритах существующей котельной ячейки без использования дорогостоящих систем азото - сероочистки.

Рис. 1.3. ГРЭС с котлами с ЦКС на АШ ухудшенного качества:

1 – комплекс по переработке золы; 2 – угольное и известняковое хозяйство; 3 – котел с ЦКС; 4 – паровая турбина; 5 – золоуловитель; 6 – генератор; 7 – дымосос; 8 – дымовая труба

Котел является прототипом для технического перевооружения многочисленных электростанций России, сжигающих низкосортные твердые топлива с малой реакционной способностью, высоким содержанием золы, влаги, серы. Очень важно, что в таком котле возможно сжигание различных топлив по виду и качеству, без существенных изменений эксплуатационных и со значительным улучшением экологических показателей.

В котле применена технология ЦКС с компактными сепараторами ударно-инерционного типа (рис. 1.2) которая успешно использована на ряде котлов фирмы «Бабкок-Вилькокс» (США).

Аналогичные котлы разработаны и для других ТЭС: ЕП-250-16,8-545 БКФН для подмосковного угля и кузнецкого угля марки «Т»; Е-170-9,8-540-ДФН для торфа (рис.1.3).

Стационарный котел с кипящим слоем - стационарный котел для сжигания топлива в псевдоожиженном слое инертного материала, золы или смесей с размещением в этом слое части поверхностей нагрева.

Кипящий слой - псевдоожиженный слой, состояние слоя зернистого сыпучего материала, при котором под влиянием проходящего через него потока газа или жидкости (сжижающих агентов) частицы твёрдого материала интенсивно перемещаются одна относительно другой. В этом состоянии слой напоминает кипящую жидкость, приобретая некоторые её свойства, и его поведение подчиняется законам гидростатики. В К. с. достигается тесный контакт между зернистым материалом и сжижающим агентом, что делает эффективным применение К. с. в аппаратах химической промышленности, где необходимо взаимодействие твёрдой и текучей фаз (диффузионные, каталитические процессы и др.).

Таблица по данным ОАО "НПО ЦКТИ"

Основными, присущими только кипящему слою особенностями сжигания топлива является:

Интенсивное перемешивание частиц топлива газовыми пузырями, позволяющими избежать появления в слое существенных температурных перекосов, и как, следствие, шлакования;

Интенсификация теплопередачи от кипящего слоя к теплопередающим поверхностям (частица твердого материала, охлаждаясь у поверхности трубы, омываемой рабочим телом, из-за различия плотностей отдает на несколько порядков теплоты больше, чем такая же по объему частица газа, охлаждающаяся до той же температуры; коэффициент теплоотдачи к погруженным в кипящий слой трубам составляет в современных топках ~250 Вт/м2К);

Интенсификация горения твердого топлива (объясняется увеличением удельной поверхности окисления и постоянным «обновлением» его поверхности, благодаря интенсивной пульсации, вращению, соударениям, дроблению и истиранию в мельчайшую пыль).

В топках с кипящим слоем (рис.1, 2) сжигается угольная мелочь бурых и каменных углей с размерами кусков от 2 до 12 мм.

Температура слоя, во избежание шлакования, регулируется вводом пара в количестве 0,3-0,6 кг/кг. Возможна замена пара водой, распыленной при помощи пульверизаторов (расход воды 0,2-0,3 кг/кг).

Недостатком топок с кипящим слоем являются:

Вынос углерода до 20-30% всего углерода топлива (поэтому эти топки рекомендуют применять при возможности дожигания уноса 0-1 мм, в рабочем пространстве котла);

Зашлаковывание межсоплового пространства и самих сопл воздухораспределительных колосниковых решеток при недостаточном динамическом напоре воздуха;

Абразивный износ теплопередающих поверхностей, особенно высокий у погружных в кипящий слой.

Рис. 1. Полугазовая топка с кипящим слоем.

1 - бункер для топлива; 2 - шнековый питатель; 3 - колосниковая решетка; 4 - дутьевая коробка для подачи первичного воздуха; 5 - подача вторичного воздуха; 6 - затвор бункера; 7 - дутьевой вентилятор.

Рис. 2. Топка с кипящим слоем и с погруженным теплообменником.

1 - воздухораспределительная решетка; 2 - теплообменник; 3 - шлаковый питатель; 4 - горелка растопочная; 5 - устройство для накопления и удаления золы; 6 - винтовой конвейер.

Для того чтобы добавить описание энергосберегающей технологии в Каталог, заполните опросник и вышлите его на c пометкой «в Каталог» .

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Агентство по образованию

ГОУ ВПО АлтГТУ им. Ползунова И.И.

Кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Лабораторная работа

по курсу «Теплогенерирующие установки»

«Тепловой расчет котлов с кипящим слоем»

Выполнили:

студенты ТГВ-31

О.Д. Королева

Д.А. Липезин

Проверил: С.М. Кисляк

Барнаул 2006

1. Зона кипящего слоя

2. Вывод расчетных зависимостей

2.1 Расчет кипящего слоя

2.2 Расчет теплообмена в топке

Список литературы

1. Зона кипящего слоя

Основу методики расчета кипящего слоя положено уравнение баланса тепла в слое, которое включает в себя:

приход тепла:

Тепло, выделяющееся при горении топлива в объёме кипящего слоя;

Физическое тепло, вносимое в слой псевдоожижающим воздухом и топливом;

расход тепла:

С продуктами сгорания, избыточным воздухом и золой, выносимыми из слоя;

Тепло, воспринимаемое поверхностями нагрева, контактирующими с материалом НТКС;

Тепло на прогрев уноса, возвращаемого в НТКС;

Тепло, выводимое из слоя со сливом золы (материала слоя).

Основную проблему составляет определение доли топлива, реагирующего в слое (от всего сгоревшего топлива) и теплоотдача к поверхностям нагрева. Доля выгорающего в слое крупного кокса определяется его зерновой характеристикой, скоростью псевдоожижения и интенсивностью рециркуляции частиц. Т.е. в расчетах нужно использовать зерновую характеристику кокса.

Для практических расчетов связанных с проектированием новых и реконструкцией действующих котлов, ввиду резко переменных физических, теплофизических свойств, гранулометрического состава топлива и сложности процессов целесообразна разработка приближенной методики расчета.

Учитывая наличие опробованных методик для расчета выгорания пылеугольного факела, в методике расчета НТКС (низкотемпературного кипящего слоя) предложено определять расход сгоревшего топлива в слое как разность между топливом, сгоревшим в слое, и сгоревшим в надслоевом объёме свежим топливом и вторичным (вынос из слоя от возврата на дожигание) уносом.

При расчете необходимо учитывать изменение доли уносимых частиц D ун, зависящей от рабочей скорости в слое w кс. Последняя может быть определена только после расчета избытка воздуха. Это обстоятельство приводят к необходимости введения зависимости D ун =f(w кс), которая с достаточной точностью линеаризуется в рабочем диапазоне скоростей (37 м/с).

Таким образом, прелагаемая методика позволяет рассчитывать основные режимные характеристики работы кипящего слоя (избыток воздуха, скорость на выходе из слоя, расход сгоревшего топлива, расход воздуха под решетку) при заданных конструктивных характеристиках и температуре слоя.

Рис. 1. Схема котла с кипящим слоем

1 - система распределения воздуха (воздух должен подаваться в слой для псевдоожижения и для сгорания);

2 - система вывода золы и отработанного сорбента;3 - система питания углем и известняком; 4 - пусковая система (горелка): 5 - уголь и известняк; 6 - пар; 7 - система улавливания летучей золы: механический пылеулавитель; мешочный фильтр; 8 - уходящие газы; 9 - система теплового контроля; 10 - зола; 11 - экономайзер; 12 - питательный насос; 13 - линия возврата золы с недожогом в кипящий слой

2. Вывод расчетных зависимостей

2.1 Расчет кипящего слоя

топливо теплообмен кипящий температура

Баланс тепла в слое имеет вид:

(1.1)

где -- располагаемое тепло топлива, кДж/кг;

сл -- избыток воздуха в слое;

--расход топлива, сгорающего в слое, кг/с;

В -- расход топлива, вводимого в котел, кг/с;

сл -- температура слоя, К;

-- энтальпии продуктов сгорания, воздуха, золы при температуре слоя, кДж/кг;

k j -- коэффициент теплоотдачи к теплообменным поверхностям, Вт/м 2 К;

H j -- поверхность нагрева, контактирующая с кипящим слоем, м 2 ;

t ср -- температура рабочей среды, К;

K цi -- кратность циркуляции (отношение расхода циркулирующего материала к расходу подаваемого топлива в 1, 2-ом контурах);

t цi -- температура уноса, уловленного в i-ом золоуловителе, К;

t слив -- температура сливаемой золы (материала слоя), К.

Суммарная кратность и кратность циркуляции в 1, 2-ом контурах определяется из материального баланса для контуров, и могут быть записаны как:

где: D=(1- 1)(1- 2)

1 , 2 -- интегральные КПД золоуловителей 1, 2 ступени.

Учитывая, что J в В р =V в 0 с в t в В р =Q в с в t в, кДж/кг, и обозначив:

уравнение (1.1) можно переписать в более удобном виде:

Расчетный расход топлива, сгорающего в слое, складывается из расходов реагирующего в объёме НТКС свежего топлива размером более уносимого, а также уноса, возвращенного на дожигание, т.е.

Принимая, что весь унос, возвращенный на дожигание, реагирует в объёме слоя, имеем:

Доля уносимых частиц в подаваемом топливе в интервале скоростей 37 м/с практически линейно зависит от рабочей скорости газов на выходе из слоя w р, т.е.

D ун =X+Yw р.

Рабочая скорость газов на выходе из слоя определяется из уравнения расхода:

Обозначив

Расход воздуха, подаваемого под слой (для обеспечения заданных избытков воздуха и температуры кипящего слоя), определяется из (1.1а):

Избыток воздуха на выходе из слоя при этом (по определению) равен:

2.2 Расчет теплообмена в топке

Для расчета температуры газов на выходе из топки используется формула нормативного метода:

Т а - теоретическая температура горения, К;

М - коэф-т, учитывающий характер распределения температур по высоте топки;

у 0 = 5,67·10 -11 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, кВт/(м 2 ·К 4);

ш ср - средний коэффициент тепловой эффективности топочнфх экранов;

F ст - полная поверхность стен топочной камеры;

б т - степень черноты топки;

ц - коэффициент сохранения тепла;

Vc ср - средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания.

Использование этой формулы для расчета надслоевого объёма топок кипящего слоя приближает расчетную схему к традиционной, но требует уточнения методики и определения (с учетом специфики топок НТКС) адиабатической температуры горения. Адиабатическая температура в этом случае существенно ниже, чем для топок слоевых и прямоточно-факельных котлов. Это обусловлено сжиганием основной массы (до 6090%) топлива непосредственно в объеме слоя, имеющего достаточно низкую температуру (1120-1220 К).

Таким образом, выражение для определения тепловыделения в топке (соответствующее адиабатической температуре горения) может быть записано в виде:

где: -- максимально возможное тепловыделение в топке (т.е. тепловыделение, которое имело бы место при сжигании всего топлива в надслоевой зоне)

Энтальпия газов, уходящих из слоя, кДж/кг,

Расчетные расходы топлива, сгорающие в котле и непосредственно в слое, кг/с,

К т -- доля топлива, сгорающего в слое,

Тепло, вносимое со вторичным (холодным или нагретым) воздухом;

КДж/кг;(1.11)

Расходы воздуха на котел и вводимого под слой, нм 3 /с;

Тепло, вносимое в топку с присасываемым воздухом, кДж/кг;

Энтальпии вторичного и холодного воздуха, кДж/кг;

Тепло, вносимое с рециркулирующими газами и с газами, эжектируемыми с уносом из-под вынесенных уловителей, кДж/кг;

Тепло, возвращаемое в топку с уносом, вводимым в надслоевой объем,

КДж/кг (1.12)

где -- кратность циркуляции уноса, возврат которого осуществляется над слоем,

с зл -- теплоемкость золы (уноса) при температуре в системе возврата уноса t ц, кДж/кгК.

Адиабатическая температура определяется по J- таблице при расчетном избытке воздуха на выходе из топки с учетом энтальпии золы, равной

где К ц -- суммарная кратность циркуляции, определяемая по формуле (1.2).

При этих же условиях определяется и энтальпия газов на выходе из топки, входящая в выражение для определения средней суммарной теплоемкости продуктов сгорания Vc ср.

Концентрация золы в продуктах сгорания рассчитывается как:

Тепловой баланс котлоагрегата

Тепловой расчет топочной камеры

Список литератуы

1. Тепловой расчёт котлоагрегатов малой и средней мощности: Методические указания/ С.М. Кисляк; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006.-57с.

2. Радованович. М., Сжигание топлива в псевдоожиженном слое, - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 248.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Проектирование и тепловой расчет котельного агрегата. Характеристика котла, пересчет топлива на рабочую массу и расчет теплоты сгорания. Определение присосов воздуха. Вычисление теплообмена в топке и толщины излучающего слоя. Расчет пароперегревателя.

курсовая работа , добавлен 08.04.2011


Описание котельной и ее тепловой схемы, расчет тепловых процессов и тепловой схемы котла. Определение присосов воздуха и коэффициентов избытка воздуха по газоходам, расчет объемов воздуха и продуктов сгорания, потерь теплоты, КПД топки и расхода топлива.

дипломная работа , добавлен 15.04.2010


Топливо, его состав, объемы воздуха и продуктов сгорания для котла определенного типа. Элементарный состав топлива. Коэффициент избытка воздуха в топке. Объёмы продуктов сгорания. Тепловой баланс котла, расчет расхода топлива на весь период его работы.

контрольная работа , добавлен 16.12.2010


Применение аппаратов с кипящим слоем. Материальный, тепловой, гидродинамический, гидравлический и конструктивный расчеты сушилки с псевдоожиженным слоем. Подбор вспомогательного оборудования: калорифера, циклона, вентилятора, питателя, разгрузителя.

курсовая работа , добавлен 07.08.2017


Принципиальное устройство котла ДЕ16-14ГМ. Теплота сгорания топлива; присосы воздуха, коэффициенты его избытка по отдельным газоходам; энтальпии продуктов сгорания. Тепловой баланс котла, расход топлива. Поверочный расчет теплообмена в топочной камере.

курсовая работа , добавлен 30.01.2014


Особенности методики теплового расчета котлов типа ДКВР, не содержащих пароперегревателя. Выявление объема и состава дымовых газов. Определение расхода топлива, адиабатной температуры сгорания. Расчет чугунного экономайзера ВТИ, пучка кипятильных труб.

методичка , добавлен 06.03.2010


Параметры топочных газов, подаваемых в сушилку. Расход воздуха, скорость газов и диаметр сушилки. Высота псевдоожиженного слоя. Расчет толщины обечайки, днища. Расчет питателя, вентилятора. Способы повышения интенсивности и экономичности установки.

курсовая работа , добавлен 23.02.2016


Характеристика сырьевых материалов, используемых для производства керамзитового песка, и основные процессы, происходящие при обжиге. Пути связи влаги с материалом. Принцип создания кипящего слоя. Расчет горения природного газа и теплового баланса.

курсовая работа , добавлен 18.08.2010


Экспериментальное изучение зависимости гидравлического сопротивления слоя от фиктивной скорости газа. Определение критической скорости газа: скорости псевдоожижения и скорости свободного витания. Расчет эквивалентного диаметра частиц монодисперсного слоя.

лабораторная работа , добавлен 23.03.2015


Классификация методов переработки пластиковой тары. Принцип создания кипящего слоя. Печь псевдоожиженного слоя, ее схема. Компоновка производственной линии сортировки отходов. Изменение сопротивления слоя сыпучих материалов от скорости сушильного агента.