Повышение тепловой эффективности сжигания экибастузского угля в парогенераторе БКЗ-420-140-5

Экибастузский уголь является энергетическим топливом, которое характеризуется следующими основными признаками:

1) достаточно значительным тепловыделением;

2) достаточно активным вступлением в процесс горения в воздухе;

3) газообразным состоянием продуктов сгорания;

4) достаточной распространенностью и доступностью для массового применения.

При сжигании экибастузского угля с высокой зольностью и наличием в его минеральной части гидратной влаги, которые обусловливают завышенный выход летучих веществ, поэтому для обеспечения высокой экономичности сжигания, устойчивого зажигания пылеугольного факела необходим тонкий помол угольной пыли, оптимальная величина избытка воздуха. Кроме того, при пылеугольном сжигании экибастузского угля образуется значительное количество окислов азота, их концентрация в дымовых газах за топочной камерой при избытке воздуха, равным 1,2, составляет 1,0г/м³.

Повышение тепловой эффективности сжигания экибастузского угля в парогенераторах тепловых электростанций различной компоновки достигается следующими методами [28]:

1) оптимизация тонины помола;

2) выбор коэффициента избытка воздуха;

3) нестехиометрическое горение;

4) снижение величины присосов холодного воздуха в топочную камеру.

Важным фактором управления топочным процессом при сжигании твердого топлива является степень его измельчения, которая во избежание увеличения недожога должна правильно сочетаться с местом и способом подачи топлива в топочную камеру, так как механический недожог может быть обусловлен не только недогоранием крупных фракций топлива, но и невоспламенением тонких. Угольная пыль отличается полифракционным составом. Его горение начинается с мелких фракций, прогрев которых до воспламенения завершается за сотые доли секунды пребывания в топочной камере (рисунок 5). Горение мелких фракций ускоряет прогрев более крупных, но их горение начинается уже тогда, когда значительная часть кислорода в пылевоздушной струе израсходована. Поэтому крупные фракции создают основную долю недожога топлива на выходе из топки. В высокотемпературной области выше 1700 - 1800ºС начинает заметно сказываться диссоциация с поглощением теплоты. Эти эндотермические реакции диссоциации протекают по уравнениям:

МДж/(м³·Н ).

Чем выше температура процесса, тем интенсивнее диссоциация продуктов сгорания, тем меньше удельное тепловыделение в данной области температур горения. Но диссоциация газообразных продуктов сгорания в высокотемпературной зоне не характеризует окончательную потерю теплоты в процессе горения. По мере снижения температуры продуктов сгорания происходит явление рекомбинации, когда образовавшиеся в результате диссоциации горючие газы СО, Н ₂ получают возможность вступить в реакцию с О₂ и вновь образуют СО ₂ и Н ₂ О с выделением ранее затраченной на диссоциацию теплоты. Скорость горения углерода в такой упрощенной обстановке можно представить зависящей от скорости двух основных его стадий, а именно от скорости самой химической реакции, протекающей на поверхности частицы (рисунок 6). В результате взаимодействия этих процессов наступает динамически равновесное состояние между количествами доставляемого диффузией и расходуемого на химическое реагирование кислорода при определенной его концентрации на поверхности углерода.

Для экибастузского угля, сжигаемого в парогенераторе БКЗ-420-140-5 оптимальная тонина помола 26-28% [29].

В процессе горения топлива происходит окисление органической массы топлива кислородом воздуха и образование продуктов сгорания. Основным элементарным окислителем является кислород воздуха. На практике окислителем называют любое вещество, содержащее и могущее выделять в активном виде атомарный кислород. Однако из всех потенциально возможных окислителей техническое значение могут приобретать лишь те из них, которые при явной эффективности взаимодействия с топливом оказываются достаточно распространенными и доступными. В этом отношении вне всякой конкуренции стоит окружающий нас атмосферный воздух, который, будучи сравнительно слабым окислителем, получил техническое применение монопольного характера благодаря своей неограниченной доступности.

Если не принимать во внимание развитие процесса во времени, то для статических расчетов достаточно иметь данные по составу топлива и окислителя. Тогда, считая, что процесс окисления идет до образования конечных продуктов реакции, можно записать уравнения химических реакций и составить материальный баланс процесса горения. Последний дает возможность определить количество воздуха, необходимое для полного сжигания единицы топлива, а также найти состав продуктов сгорания. При сжигании твердого топлива горячий воздух при температуре 250 - 350ºС делят на: первичный воздух и вторичный воздух. Первичный воздух используют в системе пылеприготовления для подсушки топлива при размоле и для транспорта готовой пыли, вторичный воздух направляют в горелки.

Тепловая эффективность сжигания топлива достигается полнотой реагирования каждого горючего элемента топлива, которая определяется температурным режимом химического реагирования. Для нахождения зависимости скорости химической реакции горючего элемента от температуры определяют температурную зависимость константы скорости реакции. Зависимость константы скорости от температуры предложена Аррениусом в экспоненциальной форме в виде

k=k_oe^-E/RT , (35)

где

k - константы скорости реакции;

Е и k_o – кинетические константы, зависящая от порядка реакции, (кДж/моль);

R – универсальная газовая постоянная, R =8,314 кДж/моль;

Т – абсолютная температура, К.

В процессе химической реакции происходит столкновение молекул между собой. Если бы все столкновения приводили бы к реакции, то горение протекало бы с огромной скоростью. В действительности горение протекает с ограниченной скоростью, поскольку не все сталкивающие молекулы способны к реагированию, а лишь активные молекулы, обладающие избытком энергии над критическим ее уровнем. Число активных молекул резко увеличивается с повышением температуры, это отражает формула (35). энергия активации зависит не только от внутриатомных связей в молекуле, но и от того с каким веществом происходит реакция. Рост скорости реакции с температурой тормозятся аэродинамическим фактором – возможностью доставки в зону горения и окислителя, определяемой турбулентным массообменном. В камерах внутреннего сгорания горение происходит при постоянной подаче горючего и окислителя в зону горения и, следовательно, при практически постоянной концентрации реагирующих веществ во времени. В этих условиях максимальная скорость может быть достигнута при определенном соотношении концентраций горючего и окислителя. Это соотношение соответствует молекулярным массам в формуле химической реакции и называется стехиометрическим. Существует нижний предел концентрации горючего, ниже которого горение становится невозможным, и верхний предел, когда уже ощущается нехватка окислителя для поддержания горения. В диапазоне концентраций, между верхним и нижним концентрационными пределами, при внесении в горючую смесь источника зажигания будет происходить устойчивое горение.

Расчетный коэффициент избытка воздуха в топочной камере устанавливается согласно нормам теплового расчета парогенератора [21]. Обычно он принимает следующее значение: 1,2-1,25 при сжигании твердых топлив; 1,03-1,15 при сжигании жидких и газообразных топлив.

Уменьшение избытка воздуха приводит к экономии расхода энергии на привод тягодутьевых машин и повышению коэффициента полезного действия парогенератора, однако его снижение ниже расчетного значения ведет к быстрому росту недожога топлива и снижает экономичность.

Коэффициент избытка воздуха в соответствии с определением равен отношению действительно поданного количества воздуха к теоретически необходимому:

, (36)

где

Δ V – избыточное количество воздуха.

Не учитывая увеличения содержания азота в дымовых газах за счет азота топлива, можно записать, что объем всего воздуха подаваемого на горение связан с объемом азота в дымовых газах следующим соотношением:

. (37)

Избыточное количество воздуха, подаваемого на горение, связано с объемом кислорода, не вступившим в реакцию (приложение А), соотношением:

. (38)

Подставляя (37) и (38) в (36), получим:

. (39)

При наличии химического недожога расчет ведется на количество кислорода, который должен был прореагировать при полном окислении горючих элементов, азотная формула примет окончательный вид:

. (40)

Для точного определения коэффициента избытка воздуха необходимо измерить практически полный состав продуктов сгорания, а именно: концентрации кислорода, азота, оксида углерода, водорода, метана.

На практике используют два метода определения коэффициента избытка воздуха - по концентрации кислорода и по концентрации сухих трехатомных газов в продуктах сгорания. Основным является метод прямого определения концентрации кислорода с помощью магнитного кислородомера или электролитической ячейки. Пересчет процентного содержания кислорода в продуктах сгорания на значение избытка воздуха проведем исходя из следующих соображений:

1) Горючая часть топлива не содержит водорода. При окислении углерода и серы объемы образовавшихся диоксидов углерода и серы равны объему израсходованного кислорода (С + О ₂ = СО ₂, S + O ₂ = SO ₂), при этом концентрация азота при любом коэффициенте избытка воздуха будет постоянной и равной 79%.

2) Горючая часть топлива представлена только водородом. Тогда в продуктах полного сгорания будут содержаться только азот, кислород и вода, а в сухих продуктах сгорания (газоанализаторы работают при комнатной температуре) - только азот и кислород. Совершенно очевидно, что при коэффициенте избытка воздуха = 1 концентрация азота в продуктах сгорания будет равна 100 %. Таким образом, наличие в топливе водорода приводит к увеличению концентрации азота в сухих продуктах сгорания.

На изменение концентрации азота в продуктах сгорания непосредственно влияет содержание кислорода в топливе. При соотношении водорода топлива и кислорода топлива 32/4 = 1/8 (2 Н ₂ + О ₂ = 2 Н ₂ О, 4 + 32 = 36) весь кислород топлива затрачивается на окисление водорода топлива, а кислород воздуха будет расходоваться на окисление углерода и серы. В этом случае концентрация азота в продуктах сгорания при любом избытке воздуха будет также постоянной и равной 79%. Следовательно, кислородная формула дает достаточно точные значения либо когда содержание водорода в топливе незначительно, либо когда выполняется соотношение .

Вторым достаточно широко применяемым методом определения избытка воздуха в продуктах сгорания является его расчет на основе нахождения процентного содержания сухих трехатомных газов RO ₂ = CO ₂ + SO ₂, где:

. (41)

При полном сгорании топлива в стехиометрических соотношениях при коэффициенте избытка воздуха a=1 и при условии, что содержание водорода и кислорода в топливе соответствует выражению и весь водород топлива окисляется кислородом топлива, содержание сухих трехатомных газов составит:

. (42)

В большинстве твердых топливах . Тогда остаток водорода будет окисляться за счет кислорода воздуха с образованием паров воды. Остающийся при этом объем азота войдет в состав сухих газов, и максимальное содержание сухих трехатомных газов будет меньше 21%:

. (43)

Показателем, отражающим это различие в содержании водорода и кислорода в топливе, является топливный коэффициент Бунте. Его значение для твердых и жидких топлив определяется по формуле:

, (44)

где

b - топливный коэффициент Бунте.

С помощью коэффициента топливного коэффициента Бунте величину максимально возможного содержания сухих трехатомных газов в продуктах сгорания можно выразить следующим образом:

. (45)

Значения находятся в следующих пределах для твердого топлива (18 - 20)% от общего объема продуктов сгорания (приложение Б).

Надежность этого метода определения коэффициента избытка воздуха зависит от того, насколько точно известно для данного топлива значение сухих трехатомных газов, а также от точности выполнения анализа дымовых газов на содержание RO ₂.

Влияние количества воздуха на температурный уровень горения описывается зависимостью (35) и показан на рисунке 11.

Наибольшая температура достигается при стехиометрическом соотношении топлива и воздуха, когда . По мере уменьшения количества воздуха температура горения убывает.

Увеличение избытка воздуха также приводит к снижению температуры горения, поскольку тепловыделение при сгорании 1кг топлива распределяется на больший объем газов состоящих из продуктов сгорания топлива и оставшегося избыточного объема воздуха. При организации топочных процессов уделяется много внимания обеспечению полного сжигания топлива с минимальным избытком воздуха.

Рисунок 11 Зависимость температурного уровня горения от избытка воздуха в топочной камере

Сжигание топлива в любом топочном устройстве организует при помощи тех или иных аэродинамических приемов, определяющих условия взаимодействия топлива с окислителем и обусловливающих тип топочного устройства.

Аэродинамика топочной камеры играет определяющую роль в обеспечение устойчивого горения и высокой экономичности топочного процесса. Определенная аэродинамическая структура достигает конструктивными приемами, определяющими конфигурацию топочной камеры, или организацией заданного взаимодействия струй и газовых потоков в топочной камере.

Нестехиометрическое сжигание в топочной камере парогенератора со встречным расположением горелок реализуется в результате создания в объеме топочной камеры восстановительной при коэффициенте избытка воздуха <1,0 и окислительной при коэффициенте избытка воздуха >1,01- 1,05 зон горения при сохранении традиционных избытков воздуха на выходе из топочной камеры =1,2 [30].

Нестехиометрическое сжигание топлива в парогенераторах может быть реализовано различными способами разбаланса топливовоздушного соотношения в горелочных устройствах. Разбаланс может быть получен перераспределением между горелками воздуха, топлива или одновременно воздуха и топлива.

Сущность метода нестехиометрического горения, при встречном расположении горелок, заключается в создании в объеме топочной камеры восстановительной и окислительной зон горения. Расход топлива на каждую горелку одинаковый и составляет В_г = 2,4кг/с. Перераспределение объемов воздуха по горелкам, расположенных справа и слева по четыре на каждой стороне осуществляется в зависимости какая сторона будет выполнять роль восстановительной и окислительной зоны. В нашем случае, правая сторона топочной камеры выполняет роль восстановительной зоны с коэффициентом избытка воздуха α_в = 1,05, левая сторона топочной камеры выполняет роль окислительной зоны с коэффициентом избытка воздуха α_в = 0,98 [31].

Схемы реализации нестехиометрического сжигания экибастузского угля в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5, представлены на рисунке 12.

1 – топочная камера; 2 – горелка; 3 - холодная воронка; 4 – восстановительная зона; 5 – окислительная зона; 6 – зона догорания; 7 – сепарация шлаковых частиц из зоны горения

Рисунок 12 Организация нестехиометрического горения в топочной камере при встречном расположении горелок

В окислительной зоне происходит образование летучих веществ и СО. в восстановительной зоне образование летучих веществ Н ₂, Н ₂ S.

Зоны окислительную и восстановительную, при нестехиометрическом горении топлива следует рассматривать как самостоятельные зоны горения, так как каждая из этих зон имеет свой фронт горения с различной стехиометрией горючего и окислителя. Однако, в этих зонах перемешивание далеко не полное. Полное перемешивание потоков происходит в зоне догорания за счет разностей температур потоков продуктов сгорания и скоростей подачи вторичного воздуха и аэросмеси.

Метод нестехиометрического горения позволяет одновременно подавлять образование оксидов азота в топочной камере, повышать экономичность работы парогенератора и наиболее доступен для промышленного применения и пригоден при разумном объёме реконструкции и затрат.

Схематизируя процесс горения твёрдого топлива можно выделить два периода: тепловую подготовку и горение. В процессе тепловой подготовки топливо прогревается, высушивается и начинается пирогенетическое разложение составляющих его компонентов с выделением летучих газообразных веществ. Протекание процессов и периодов тепловой подготовки связано с поглощением теплоты. Горение является наиболее длительным процессом и определяется: подводом реагирующего газа к поверхности твёрдой фазы и протеканием на ней химической реакции.

Основная стадия горения – горение коксового остатка, интенсивность которого определяет интенсивность топливосжигания и газификации в целом. Роль горения углерода определяется следующим:

- твёрдый углерод, содержащийся в топливе, является главной горючей составляющей, с увеличением выхода летучих веществ доля теплоты сгорания коксового остатка падает;

- стадия горения коксового остатка является наиболее длительной и может занимать до 90% всего времени, необходимого для горения;

- процесс горения кокса имеет решающее значение в создании тепловых условий протекания других стадий.

Создание в объеме топочной камеры восстановительной и окислительной зон при нестехиометрическом горении позволяет разграничивать потоки воздуха и аэросмеси с разными температурами и скоростями, то есть позволяет оптимизировать аэродинамику топочной камеры. Топочная аэродинамика, благодаря возможности наглядно демонстрировать движение потоков, всегда привлекает большое внимание исследователей и конструкторов, занимающихся разработкой и совершенствованием топочных устройств. Вместе с тем она является основой другого процесса – смесеобразования и тепломассообмена, количественные параметры которых можно оценить только косвенным путем или специальными измерениями. В самой топочной камере качество смесеобразования обусловлено числом, компоновкой и количеством движения струй, выходящих из отдельных горелок или сопл, а также их взаимодействием с потоком дымовых газов, между собой или со стенкой.

При работе парогенератора под разрежением, создаваемым дымососом, происходит подсос в газовоздушный тракт холодного воздуха из окружающей среды. За счет этого объем продуктов сгорания увеличивается, возрастает избыток воздуха и снижается температура продуктов сгорания. Присосы определяются в долях теоретически необходимого объема воздуха [32]:

, (46)

где

- доля присосного воздуха в пределах i -й поверхности парогенератора;

D V_i – объем присосного воздуха в пределах i -й поверхности парогенератора.

Тогда избыток воздуха за i -й по порядку поверхностью нагрева после топки определится как a _I = a_т + SDa _i.

Для обеспечения оптимальных условий горения и минимума присосов воздуха по газовому тракту необходим постоянный контроль за избытками воздуха в газовом тракте.

Снижение присосов холодного наружного воздуха в топочную камеру и газоходы парогенератора остается серьезной проблемой при работе парогенератора. Главными источниками поступления избыточного воздуха в парогенератор являются:

- присосы воздуха по всему газовому тракту через неплотности в ограждающих конструкциях;

- подсосы воздуха в топочную камеру из системы шлакозолоудаления вследствие ее негерметичности;

- подача в топочную камеру лишнего воздуха из-за отсутствия регулирования производительности вентилятора.

Увеличение присосов воздуха в газовоздушный тракт парогенератора нарушает баланс между расходом воздуха поступающего в воздухоподогреватель и количеством уходящих газов, что в свою очередь повышает температуру уходящих газов и как следствие кпд парогенератора. Кроме того, присосы воздуха в парогенератор перегружают дымососы что увеличивает расход электроэнергии на привод. Присосы воздуха могут быть столь значительными что из-за недостатка тяги возникают сложности с поддержанием тепловой мощности парогенератора [33].

Актуальной задачей для теплоэнергетики является задача получения количественных оценок влияния присосов воздуха в различные части газового тракта парогенератора на его тепловую экономичность и максимальную производительность, которые могли бы служить основой для диагностики состояния парогенератора и последующего выбора целесообразных направлений его реконструкций. Это особенно важно для парогенераторов малой мощности со слоевыми топками при сжигании в них низкокачественных углей, исследованию которых в последние десятилетия уделялось явно недостаточно внимания.

Увеличение избытка воздуха в топочной камере даже на 5% приводит в весьма большим присосам воздуха. Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых машинах и повышает коэффициент полезного действия парогенератора. Однако его снижение ниже расчетного значения коэффициента избытка воздуха ведет к быстрому росту недожога топлива и снижению экономичности парогенератора.

При организации нестехиометрического горения необходимо добиться подавления образования окислов азота, что в некоторой мере можно обеспечить за счет режимных мероприятий и применения специальных горелочных устройств. Основным достоинством нестехиометрического сжигания для экибастузского угля является повышение эффективности подавления оксидов азота даже при снижении нагрузки парогенератора. Это связано с изменением оптимальных соотношений топлива – воздух в горелках.

На рисунке 13 показана зависимость образования в топочной камере при сжигании экибастузского угля оксидов азота от коэффициента избытка воздуха.

Рисунок 13 Зависимость образования в топочной камере при сжигании экибастузского угля оксидов азота от коэффициента избытка воздуха

Из рисунка 13 видно, что наименьшая концентрация оксидов азота наблюдается при коэффициентах избытка воздуха = 0,6 – 1,2.

На рисунке 14 показана температурная зависимость распределения азотных компонентов экибастузского угля при коэффициенте избытка воздуха α = 1.

Рисунок 14 Температурная зависимость распределения азотных компонентов экибастузского угля при коэффициенте избытка воздуха α = 1

Из рисунка 14 видно, что концентрация N₂ заметно возрастает при температуре выше 600^оС. Максимум выхода NН₃ находится в области температур 400-500^оС. Рост выхода НСN наблюдается до температуры 800^оС, поскольку в воздушном потоке происходит окисление азота.

Сжигание с умеренным химическим недожогом – одно из наиболее распространенных и легко реализуемых режимных мероприятий, заключающееся в снижении избытка воздуха в топочной камере. Этот метод можно широко применять на действующих парогенераторах, которые обычно работают с довольно высокими коэффициентами избытка воздуха в горелках, близкими к максимальным значениям. В результате снижения избытков воздуха до значений = 0,6 – 1,2 выбросы оксидов азота обычно уменьшаются на 10 - 30%, при дальнейшем уменьшении или увеличении значений коэффициента избытка воздуха концентрация оксидов азота возрастает, до появления значительного химического недожога.

Предельно – допустимая концентрация оксидов азота, при сжигании экибастузского угля составляет 800 – 900мг/м³ [34].

При изменении режимных параметров работы парогенератора, в продуктах сгорания топлив могут находиться газообразные горючие компоненты СО, Н ₂, СН ₄ и т.д. Их догорание за пределами топочной камеры практически невозможно вследствие низких температур и концентраций как горючих компонентов, так и кислорода. Теплота, потерянная в результате неполного сгорания горючих веществ, составляет химический недожог топлива (приложение В). Расчет потерь теплоты от химического недожога производят по формуле:

, (47)

где

q ₃ - химический недожог топлива, %;

, , - теплоты сгорания продуктов неполного горения; СО, Н ₂, СН ₄ – объемные содержания продуктов неполного сгорания топлива в сухих продуктах сгорания, %.

Химический недожог при сжигании экибастузского угля в реальных условиях при установившемся режиме горения составляет q ₃ = 0 ÷ 0,5%, а при нарушении режима горения до 6%. Потеря теплоты с химическим недожогом сильно зависит от коэффициента избытка. Наличие химического недожога при коэффициенте избытка воздуха = 1 определяется несовершенством перемешивания топлива с воздухом. При критическом коэффициенте избытка воздуха химический недожог не возникает, a_кр = 1,02-1,05 и обычно характеризует степень аэродинамического несовершенства горелочного устройства.

На рисунке 15 показана зависимость химического недожога экибастузского угля в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5 от коэффициента избытка воздуха.

Рисунок 15 Зависимость химического недожога экибастузского угля в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5 от коэффициента избытка воздуха

При сжигании твердого топлива камерной топке механический недожог состоит из потерь со шлаком и уносом .

Потеря теплоты со шлаком возникает от того, что расплавленный при высокой температуре в топочной камере шлак затем застывает, в результате чего не полностью сгоревшие частицы топлива оказываются заплавленными в нем и удаляются вместе со шлаком.

Из топочной камеры обычной конструкции, как правило, удаляется со шлаком лишь ничтожное количество несгоревшего угля. Поэтому в большинстве парогенераторов содержание горючих в шлаке определяется лишь изредка, при подробном изучении условий работы парогенератора.

Потеря теплоты с уносом вызывается тем, что небольшие частицы топлива и заплавленные в золе горючие элементы, подхваченные потоком продуктов сгорания уносятся по газовому тракту. Часть этого уноса оседает в конвективных газоходах, а основная его масса проходит транзитом через поверхности парогенератора и вместе с летучей золой удаляется из газового потока в золоулавливающей установке.

В нормальных условиях эксплуатации парогенераторов с Т-образной компоновкой, рассчитанных на сжигание экибастузского угля, потери с механический недожог составляют q₄ от 2% до 6%.

Для определения потерь теплоты с механическим недожогом топлива за счет уноса пропускают небольшое количество дымовых газов через микроциклон, в котором улавливаются твердые частицы уноса. Они состоят из золовых частиц и горючих коксовых остатков угля. После прокаливания в среде воздуха горючие компоненты выгорают, что позволяет установить их долю в общем уносе Г_ун. Тогда 1- Г_ун представляет долю содержания золы в общем уносе. Затем относят долю горючих к 1кг сожженного топлива, учитывая при этом разницу в теплоте сгорания исходного топлива и частиц топлива в уносе, так как последнее представляет собой коксовые частицы без летучих веществ и в основном без золовых фракций (приложение Г). Относительная потеря теплоты с механическим недожогом топлива будут составлять:

q₄ = (48)

где

α_ун - доля уноса золовых фракций с продуктами сгорания;

Q_к – теплота сгорания коксового остатка в уносе, Q_к = 32598 кДж/кг.

Поскольку потери со шлаком, за редкими исключениями, ничтожны, потерю теплоты с уносом принимают за полное значение потери с механическим недожогом топлива.

На рисунке 16 показана зависимость химического недожога экибастузского угля в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5 от коэффициента избытка воздуха.

Рисунок 16 Зависимость механического недожога экибастузского угля в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5 от коэффициента избытка воздуха

Из рисунков 13, 15 и 16 видно, больший эффект снижения выбросов оксидов азота и химического недожога наблюдается при значениях коэффициента избытка воздуха = 1 ÷ 1,05. Такой эффект достигается поддерживанием таких режимов на парогенераторе с использованием современных средств автоматизации и необходимым условием является высокая квалификация персонала. Для успешной реализации данного мероприятия требуется постоянный контроль процесса горения, поэтому в данном случае речь идет о сжигании топлив с контролируемым умеренным химическим недожогом, т.е. о настройке и ведении режимов с помощью современных газоанализаторов и автоматизированных систем управления, которые в последнее время все чаще внедряются на действующих парогенераторах.

Экономичность тепловой эффективности сжигания топлива определяется количеством недогоревшего топлива в топочной камере, которая определяется как разность между натуральным расходом топлива и расчетным:

Δ В = В- В_р, кг/с, (49)

где

Δ В – количество недогоревшего топлива в топке, кг/с.

Натуральный расход топлива подается в топочную камеру, без учета механического недожога, на него рассчитывают системы топливоподачи и пылеприготовления.

На расчетный расход топлива, с учетом механического недожога, рассчитывают тепловосприятие поверхностей нагрева парогенератора. Фактическое количество экибастузского угля при установившемся процессе горения и условий теплообмена в топочной камере, согласно расчетных данных таблицы 4, равно В_р =19,2кг/с.

Натуральный расход топлива (таблица 4) В = 19,5кг/с.

Максимальное количество недогоревшего топлива при установившемся процессе горения в парогенераторе БКЗ-420-140-5 не должно превышать Δ В = 0,2кг/с.

Зависимость расчетного расхода экибастузского угля от коэффициента избытка воздуха в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5 показана на рисунке 17.

Рисунок 17 Зависимость количества недогоревшего экибастузского угля от коэффициента избытка воздуха в топочной камере парогенератора

БКЗ-420-140-5

При выборе коэффициента избытка воздуха по зонам при нестехиометрическом горении (рисунок 12) от 0,4 до 1,4 расчетный расход изменяется пропорционально химическому и механическому недожогу топлива от 19,2 кг/с до 36кг/с, при максимальных значениях q₃ = 6%и q₄ = 12%.

Максимальное количество недогоревшего экибастузского угля (формула 49), по зонам горения в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5 может достигать:

в окислительной зоне 3,49кг/с (12,56т/ч);

в восстановительной зоне 2,1кг/с (7,5/ч).

Общее количество недогоревшего топлива в топочной камере парогенератора, при увеличении объема воздуха и с учетом химического и механического недожога, может достигать 11,8кг/с (42,48т/ч), то есть 60%.

Организации зоны догорания при нестехиометрическом горении должна создать условия полного окисления горючих элементов, входящих в состав топлива. Полное окисление топлива зависит от времени, необходимого для подвода окислителя к топливу и количества подводимого воздуха, времени нагрева компонентов горения до температуры воспламенения и времени, необходимого для протекания химической реакции, а полнота сгорания топлива - степень механического и химического недожога, определяется коэффициентом полноты тепловыделения.

Полнота, интенсивность и устойчивость горения в зоне догорания зависит также от физических факторов – температуры и условий смешения горючего и окислителя.

В зоне догорания, на входе в ширмовые поверхности горения, при организации нестехиометрического горения коэффициент избытка воздуха должен соответствовать нормативному значению 1,2 [21], тогда расчетное количество недогоревшего топлива составит 0,2кг/с (0,72т/ч).

Максимальную температуру горения для реальных условий определяют из теплового баланса процесса горения с учетом тепловых потерь, для экибастузского угля в парогенераторе БКЗ-420-140-5 она составляет 1760^оС (рисунок 9). Температура горения на выходе из топочной камеры ограничивает ее размеры по высоте и не должна превышать температуру, допустимую по условиям шлакования и обеспечивать активный процесс его горения с минимальными потерями от химического и механического недожога, для экибастузского угля =1157^оС (раздел 2). Точность определения температур на основании поверочного расчета существенно зависит от правильного усреднения расчетной эффективной температуры продуктов сгорания в топочной камере. Действительное поле температур продуктов сгорания по высоте топочной камеры имеет сложный характер и зависит от адиабатической и текущей температуры продуктов сгорания, относительной высоты зоны расположения факела и коэффициента избытка воздуха.

На рисунке 18 показана зависимость распределения температур по высоте топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5 при коэффициенте избытка воздуха = 1,2 и величине присосов = (5-10)%, при коэффициенте избытка воздуха = 1,3 и величине присосов = 5%.

1 - при коэффициенте избытка воздуха = 1,2 и величине присосов = 10% (расчетные значения, раздел 2);

2 - при коэффициенте избытка воздуха = 1,2 и величине присосов = 5% при нестехиометрическом горении;

3 - при коэффициенте избытка воздуха = 1,3 и величине присосов = 5% при нестехиометрическом горении.

.

Рисунок 18 Зависимость распределения температур по высоте топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5

Анализ полученных результатов выявил, что распределение температур продуктов сгорания по высоте топочной камеры в целом имеет сходный характер. При нестехиометрическом горении с коэффициентом избытка воздуха = 1,2 и величине присосов = 5%, температура практически по всей высоте на 20^оС выше расчетных значений.

При нестехиометрическом горении с коэффициентом избытка воздуха = 1,3 и величине присосов = 5% температура практически по всей высоте на 40^оС ниже расчетных значений.

Тепловая мощность топочной камеры и тепловая эффективность топки определяется характером смесеобразования, что в сочетании с аэродинамикой топочной камеры определяет интенсивность воспламенения, скорость и полноту сгорания горючих элементов топлива [35]. Все эти условия могут быть выполнены за счет рациональной организации процесса горения и расположением горелок. При встречном расположении горелок выравнивается тепловое напряжение топочных экранов парогенератора, а организация разбалансированных по воздуху встречных окислительной и восстановительной зон горения с уменьшением присосов воздуха в топочную камеру, обеспечивает полноту сгорания топлива, то есть, повышает тепловую эффективность сжигания топлива.

На рисунке 19 показано распределение теплоты по высоте топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5.

1 - при коэффициенте избытка воздуха = 1,2 и величине присосов = 10% (расчетные значения, раздел 2);

2 - при коэффициенте избытка воздуха = 1,2 и величине присосов = 5% при нестехиометрическом горении;

3 - при коэффициенте избытка воздуха = 1,3 и величине присосов = 5% при нестехиометрическом горении.

Рисунок 19 Распределение теплоты по высоте топочной камеры парогенератора БКЗ-420-140-5.

Из рисунков 18 и 19 видно, что при увеличении избытка воздуха в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5 снижает температурный режим, тем самым, ухудшает условия реагирования горючих элементов топлива а количество недогоревшего топлива резко увеличивается.

Достоверное определение полученных результатов теоретического исследования на действующем парогенераторе можно проверить по составу продуктов сгорания и дымовых газов. Это обусловлено тем, что состав продуктов сгорания и дымовых газов характеризует процесс сжигания с точки зрения его тепловой эффективности и экологической чистоты. По составу газов также определяют состояние газового тракта парогенератора - значение присосов холодного воздуха и надежность работы отдельных поверхностей нагрева - интенсивность сульфидной и сернистой коррозии.

Для определения состава продуктов сгорания с помощью наиболее распространенных газоанализаторов и газоаналитических систем в газовом тракте парогенератора производится отбор проб газов из потока с высокой температурой, влажностью, запыленностью и химической агрессивностью. В этих условиях достоверность результатов газового анализа продуктов сгорания обеспечивается, во-первых, представительностью пробы, во-вторых, сохранностью пробы и, в-третьих, малой погрешностью используемого метода измерения.

Задачей анализа продуктов сгорания является измерение концентраций кислорода , оксидов углерода и оксидов азота , а также бензапирена для определения степени неравномерности полей концентраций в различных сечениях газового тракта парогенератора при разных режимах. Все это необходимо для разработки практических рекомендаций по организации достоверного текущего контроля состава дымовых газов на действующих парогенераторах. Отбор проб дымовых газов должен проводиться в различных сечениях газовых трактов парогенератора. Для этого использовались неохлаждаемые одноточечные – торцевые и многоточечные - усредняющие пробоотборники (зонды), выполненные из нержавеющей стали. Диаметры отверстий многоточечных зондов (рисунок 20) рассчитываются из условия обеспечения равного расхода отбираемого газа через каждое отверстие в соответствии с рекомендациями.

Концентрации , и определялись с помощью автоматических газоанализаторов Testo-342 и QUINTOX.

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 – отверстия диаметром 22мм; 500мм; =3000мм; =250мм; =750мм.

Рисунок 20 Многоточечный пробоотборный зонд

Наиболее характерные поля концентраций различных компонентов дымовых газов в режимном сечении газохода парогенератора на уровне горелок, полученные с помощью многоточечного зонда по О ₂ NO и представлены на рисунках 21 и 22.

Результаты измерений показывают достаточно низкую неравномерность концентраций по ширине газохода. Для оксидов азота, кислорода и БП она составляет 4,63, 5,33 и 4,67%, неравномерность концентраций по ширине газохода не превышала 5%. При этом максимальные значения концентраций примесей наблюдались в середине, а минимальные – по краям, что характерно для газоходов парогенераторов. Исключением является только оксид углерод, коэффициент неравномерности концентрации которого превышал 30%. Это объясняется высокой чувствительностью процессов образования и окисления даже с малым локальным изменениям температуры и концентрации.

Заключение

По проведенному теоретическому исследованию и поставленным задачам, в дипломной работе по повышению тепловой эффективности сжигания экибастузского угля в парогенераторе БКЗ-420-140-5, сделаны выводы в следующей последовательности:

1) Экибастузский бассейн расположен в Павлодарской области, запасы которого составляют 7,0 млрд.тонн или 4,2 млрд. тонн условного топлива. Месторождение имеет уникальные пласты, которые разрабатываются открытым способом. Добыча угля открытом способом может обеспечить потребность республики в угле для нужд теплоэнергетики и бытового сектора. На экибастузских углях работают 23 тепловых электростанции. Экибастузский уголь является энергетическим топливом, которое характеризуется следующими основными признаками: достаточно значительным тепловыделением; достаточно активным вступлением в процесс горения в воздухе; газообразным состоянием продуктов сгорания; достаточной распространенностью и доступностью для массового применения.

2) Для разработки, создания и освоения парогенераторов, рассчитанных на сжигание экибастузского угля необходима постановка работ по решению ряда научных, технических, технологических и экономических как по парогенератору, так и по топочной камере для него по следующим направлениям: усиление зажигания факелов в топочной камере; интенсификация горения; создание условий для интенсификации горения и теплообмена в топочной камере; удовлетворение требований необходимых для более равномерного распределения тепловых потоков в топочной камере по периметру ее сечения и рационального распределения температур продуктов сгорания по ее высоте; повышение тепловой эффективности работы топочной камеры; сокращение расхода топлива, подаваемого на горение, являющего ценным химическим сырьем.

3) Парогенератор БКЗ-420-140-5 Е-420-13,8-560 КТ, заводская маркировка вертикально-водотрубный с естественной циркуляцией, однобарабанный, в газоплотном исполнении, Т – образной компоновки. Камерная топка призматической формы, открытого типа, полностью экранирована цельносварными газоплотными испарительными стенками из труб диаметром 6мм с толщиной стенки 6мм (сталь 20) с варкой полосы. Шаг между трубами равен 80мм. Размеры топочной камеры по осям труб составляют 10,26×11,26м. Боковые экраны камерной топки в нижней части образуют скаты холодной воронки, а в верхней части – пережим и выполняют роль разделительных стенок трех газоходов. Топочная камера оборудована восемью двухпоточными по аэросмеси и вторичному воздуху вихревыми пылеугольными горелками со встроенными мазутными форсунками, расположенными на боковых стенах (по четыре на каждой) встречно на одной высотной отметке.

4) При сжигании экибастузского угля наиболее распространенным способом сжигания в топочных устройствах является факельный. Топливно-воздушная смесь поступает из горелочных устройств в виде прямоточных и завихренных струй в камерную топку, развитие которых в топочном объеме определяет условия воспламенения и интенсивность горения, в основу положена аэродинамическая характеристика процесса, определяющая условия омывания горящего топлива окислителем. Начальный этап горения экибастузского угля в пылевидном состоянии, как и других топлив при факельном сжигании в камерных топках происходит в условиях высокой концентрации горючего и окислителя и при пoвышенной турбулентности потока, созданной горелкой. Зона топочной камеры, в пределах которой идёт интенсивное горение топлива до степени выгорания 0,85-0,9, является зоной ядра факела. Она отличается высоким температурным уровнем и значительным тепловым излучением на окружающие экранные поверхности нагрева. Камерный способ сжигания топлива позволяет практически неограниченное повышение мощности топочных устройств, связанных со сжиганием угольной пыли в объеме топочной камеры во взвешенном состоянии. При этом мелкие частицы топлива легко транспортируются потоком воздуха и образующихся газов в сечении топочной камеры. Сгорание топлива происходит в этом случае в объеме топочной камеры за весьма ограниченное время пребывания частиц в топочной камере. Скорость сгорания топлива, а следовательно, тепловыделение во времени, определяется температурами горения.

5) Для реализации мероприятий, по повышению тепловой эффективности сжигания экибастузского угля в парогенераторе БКЗ-420-140-5, необходимо определить температурный режим топочной камеры на основании теплового расчета.

6) Сущность теплового расчета заключается в составлении материального и теплового баланс парогенератора. По материальному балансу определяем расчетный расход топлива, необходимый для получения перегретого пара с температурой 560^оС в количестве 420 тонн в час который равен В_р = 19,2кг/с (69,1т/ч). По тепловому балансу определяем теоретическую, максимальную температуру горения, температуру горения для реальных условий с учетом тепловых потерь и температуру продуктов сгорания на выходе из топочной камеры. Для экибастузского угля, сжигаемого в топочной камере парогенератора БКЗ-420-140-5, теоретическая температура горения = 1950^оС. Максимальная температура горения в топочной камере составляет 80 – 90% значения адиабатической температуры равна 1750^оС, а температура горения в реальных условиях с учетом коэффициента полезного действия равна 1560^оС. Температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры при заданной температуре дымовых газов 129^оС равна 1157^оС.

7) Повышение тепловой эффективности сжигания экибастузского угля в парогенераторе БКЗ-420-140-5, без реконструкции топочной камеры и минимизацией материальных затрат достигается следующими методами: оптимизация тонины помола; выбор коэффициента избытка воздуха; нестехиометрическое горение; снижение величины присосов холодного воздуха в топочную камеру.

8) Для экибастузского угля, сжигаемого в парогенераторе БКЗ-420-140-5 оптимальная тонина помола 26-28%.

9) Организация нестехиометрического сжигание топлива в парогенераторе заключается в разбалансе топливовоздушного соотношения в горелочных устройствах. Разбаланс получен перераспределением между горелками воздуха.

За счет разбаланса, при встречном расположении горелок, в объеме топочной камеры создаем восстановительную и окислительную зоны горения. Расход топлива на каждую горелку одинаковый и составляет В_г = 2,4кг/с. Перераспределение объемов воздуха по горелкам, расположенных справа и слева по четыре на каждой стороне осуществляется в зависимости какая сторона будет выполнять роль восстановительной и окислительной зоны. В нашем случае, правая сторона топочной камеры выполняет роль восстановительной зоны с коэффициентом избытка воздуха α_в = 1,05, левая сторона топочной камеры выполняет роль окислительной зоны с коэффициентом избытка воздуха α_в = 0,98. В зоне догорания коэффициент избытка воздуха = 1,2.

10) Повышение тепловой эффективности достигается при организации нестехиометрического горении с общим коэффициентом избытка воздуха в топке = 1,2 и величине присосов = 5% при нормативном значении 10%. Температура горения практически по всей высоте на 20^оС выше расчетных значений. Количество недогоревшего топлива, с учетом химическим и механическим недожогом составляет 0,2кг/с (0,72т/ч).

11) При нестехиометрическом горении с коэффициентом избытка воздуха = 1,3 и величине присосов = 5% температура практически по всей высоте на 40^оС ниже расчетных значений, количество недогоревшего топлива, с учетом химическим и механическим недожогом составляет 11,8кг/с (42,48т/ч), то есть 60%.

12) Достоверное определение полученных результатов теоретического исследования проверено на действующем парогенераторе БКЗ-420-140-5 по составу продуктов сгорания и дымовых газов. Задачей анализа продуктов сгорания является измерение концентраций кислорода , оксидов углерода и оксидов азота , с помощью автоматических газоанализаторов Testo-342 и QUINTOX.

Список использованной литературы

1 Чокин Ш.Ч., Устименко Б.П., Вдовенко М.И., Алияров Б.К., Палаткин И.Б. Экибастузский топливно – энергетический комплекс. – Алма-Ата. Наука, 1982. – 240с.

2 Алияров Б.К. Освоение сжигания экибастузского угля на тепловых электростанциях. – Алматы. Гылым, 1996. – 272с.

3 Равич М.Б. Эффективность использования топлива. Москва. Наука, 1977. – 344с.

4 Бесчинский А.А. Общие проблемы топливно-энергетической ситуации в мире. // Теплоэнергетика 2004. №5, С21-24.

5 Частухин В.И., Частухин В.В. Топливо и теория горения. – Киев: Вища школа, 1989. – 223с.

6 Закон Республики Казахстан «О техническом регулировании» от 9 ноября 2004 года № 603-II.

7 Котлы большой мощности. / Отраслевой каталог. - М.. НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ, 1985. –123c.

8 Акмен Р.Г. Топливо, основы теории горения и топочные устройства. Харьков. НТУ ХПИ, 2005. - 68с.

9 Курмангалиев М.Р., Сулейменов К.А. Сжигание энергетических углей Казахстана. – Алма-Аты. Наука,1983. – 208с.

10 Проектирование топок с твердым шлакоудалением / Под ред. Ю.Л. Маршака. – М. Энергия, 1983. –36с.

11 Сидельковский Л.М., Юренев В.Н. Парогенераторы промышленных предприятий. – М. Энергия, 1978. – 335с.

12 Курмангалиев М.Р., Фисак В.И. Сжигание энергетических углей Казахстана и защита атмосферы. – Алма-Аты. Наука Казахской ССР, 1989. – 223с.

13 Резников М.И., Липов Ю.М. Котельные установки электростанций. – М. Энергия, 1974. – 283с.

14 Хзмалян Д.М. Теория топочных процессов. – М. Энергоатомиздат, 1991. – 351c.

15 Сеначин Н.П. Физика горения. М. Наука, 1971. – 212с.

16 Вулис Л.А. Тепловой режим горения. – М. Госэнергоиздат, 1954 – 287с.

17 Теория топочных процессов // Под редакцией Кнорре Г.Ф., Палеева И.И. – М.-Л. Энергия, 1966. – 491с.

18 Оренбах М.С. Реакционная поверхность при гетерогенном горении. Новосибирск. Наука, 1967. – 491с.

19 Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых электростанций. - М. Энергия, 1981. – 240с.

20 Померанцев В.В. Основы практической теории горения. Л-М. Энергия, 1973. – 212с.

21 Тепловой расчёт котельных агрегатов. Нормативный метод // Под ред. Кузнецова Н.В. и др. - М.. Энергия, 1973. –296с.

22 Корабейникова В.К. Моделирование тепловой эффективности при сжигании угольной пыли Вестник КарГУ: Серия Физика. – Караганда: Изд-во КарГУ, 2001. - №1(21). Вып 2. – С.107 – 115.

23 Двойшников В.А., Деев Л.В., Изюмов М.А. Конструкция и расчет котлов и котельных установок. – М. Машиностроение, 1998. – 264с.

24 Баранов П.А. Эксплуатация и ремонт паровых и водогрейных котлов. -М.: Энергоатомиздат, 1986. – 203с.

25 Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. - М.. Издательство стандартов, 1969. – 408с.

26 Тепловые и атомные электростанции. / Справочник. Под общей редакцией Григорьева В.А. и Зорина В.М. – М. Энергоатомиздат, 1989. – 603с.

27 Гусев А.Н. Методика расчета суммарного теплообмена в камерных топках. // Теплоэнергетика №1, 2008. С. 66 – 70.

28 Росляков П.В., Ионкин И.П., Плешанов К.А. Снижение вредных выбросов в атмосферу на действующих котлах при комбинировании малозатратных технологических мероприятий. // Теплоэнергетика №2, 2010. С. 55 – 56.

29 Корабейникова В.К. Моделирование тепловой эффективности при сжигании угольной пыли Вестник КарГУ: Серия Физика. – Караганда: Изд-во КарГУ, 2001. - №1(21). Вып 2. - С. 107 – 115.

30 Батенин В.М., Масленников В.М., Выскубенко Ю.А., Штеренберг В.Я. Сравнительный технико-экономический анализ вариантов использования угля в парогазовой установке с минимальными выбросами диоксида углерода в атмосферу. // Теплоэнергетика №1, 2007. С. 24 – 30.

31 Филиппов С.П., Наумов Ю.В., Ермаков М.В. Влияние избытка воздуха на производительность и экономичность котлов со слоевым сжиганием низкокачественных углей. // Теплоэнергетика №2, 2005. С. 31-36.

32 Шатиль А.А., Клепиков Н.С., Смышляев А.А., Кудрявцев А.В. Об управлении топочным процессом в пылеугольных котлах. // Теплоэнергетика №1, 2008. С. 61 – 62.

33 Авдеев а.а., жингель в.и., Меркушов а.п., Кожевников л.п. Метод обнаружения присосов воздуха в котлах и турбинах с помощью тепловизора. – М. ООО МАИК «Наука» / Интерпериодика, Теплоэнергетика №2. 2007. С. 26-38.

34 Энергетика и окружающая среда / Под ред. Залогина Н.Г., Кроппа Л.И. и др. – М.Энергия, 1979. –353с.

35 Росляков П.В., Закиров И.А., Ионкин И.Л., Егорова Л.Е. Исследование неравномерности полей концентрации веществ в газовом тракте котельных установок. // Теплоэнергетика №5, 2006. С. 10-15.

Приложение А

Выгорание и тепловыделение твердого топлива во времени

Поиск по сайту: