Автореферат (Исследование сжигания эстонских сланцев с непроектными топливами), страница 4

По этой причинеисследования проводились для трех вариантов значения коэффициента тепловойэффективности экранов топки для оценки всего возможного диапазона изменений вработе котла: вариант 1 – экр = 0,33 – характеризует режимы работы топки «грязного»котла в первый период времени сразу после перехода со сланца на полукоксовый газ; вариант 2 – экр = 0,49 – характеризует режимы работы топки котла впоследующий период времени после завершения процесса частичной самоочисткиповерхностей нагрева;14 вариант 3 – экр = 0,65 – будет характеризовать работу топки «чистого»котла в случае полной очистки поверхностей нагрева от загрязнений, появившихсяпри сжигании сланца.Поскольку при сжигании полукоксового газа существенно снижается расходпродуктов сгорания, то для поддержания конвективного теплообмена, а также дляснижения эмиссии оксидов азота тепловые расчеты котла были выполнены также сучетом подачи газов рециркуляции в короб горячего воздуха.При сжигании полукоксового газа происходит увеличение адиабатнойтемпературы горения.

Также возрастают температуры газов на выходе из топки кромеварианта 3. В этом случае в силу повышенного тепловосприятия экранов топкитемпература газов на выходе из топки будет меньше, чем при сжигании сланца.Снижение расхода продуктов сгорания и меньшая загрязненность поверхностейнагрева приводит к тому, что температура газов далее по тракту снижается болееинтенсивно по сравнению с текущими режимами работы котла.

В связи с этимтребуемую температуру перегретого пара ВД и НД на пониженных нагрузкахвозможно обеспечить за счет существенного увеличения избытков воздуха в топке –вплоть до α = 1,91 на минимальной нагрузке. При этом производительность ТДМбудет меньше максимальной, а КПД котла возрастет с 83% (в настоящее время присжигании сланцев) до 89%.При оценке эмиссии оксидов азота учитывалась степень загрязнения топочныхэкранов (табл. 5). Расчеты показали, что без использования природоохранныхмероприятий (варианты 1, 4, 7, табл.

5) концентрация оксидов азота для всехзначений экр существенно превышает требуемое значение 200 мг/м3. Применениерециркуляции газов и ступенчатого сжигания в целом позволит обеспечитьтребуемый уровень эмиссии NOX.Таблица 5Номер варианта экологических расчетовПараметр1234567890,650,490,33Коэффициент экрДоля газов рециркуляции rрец0 0,20 0,20 0 0,20 0,20 0 0,20 0,20Доля вторичного воздуха αвтор00 0,25 00 0,25 00 0,25при ступенчатом сжиганииNOx (при О2=3%), мг/м3365 185 120 615 320 195 960 505 300При сжигании полукоксового газа практически вся содержащаяся в нем сера(в виде сероводорода) перейдет в SOX.

Поэтому из-за высокого содержания H2Sконцентрация оксидов серы в продуктах сгорания составит 5650 мг/м3, что в 1,5 разабольше показателей в настоящее время при сжигании сланцев.Анализ результатов исследований показал, что перевод сланцевого котла насжигание полукоксового газа в качестве основного топлива может быть рассмотрен вкачестве возможного варианта его дальнейшей эксплуатации. Однако реализациятакого подхода потребует дополнительных исследований надежности работыпароперегревательных поверхностей нагрева и внедрения мероприятий попредотвращению низкотемпературной коррозии воздухоподогревателя.Принципиальная возможность использовать полукоксовый газ в качестведополнительного или основного топлива в действующем котле ТП-101 диктуютнеобходимость провести численные исследования горелочного устройства для егосжигания.

В этой связи далее решалась задача по разработке математической модели15и проведению численных исследований вариантов конструкции горелочногоустройства для сжигания данного топлива. Данное горелочное устройство должнообеспечивать эффективное сжигание полукоксового газа, надежную работу топки привыполнении требования по эмиссии оксидов азота. С этой целью было предложеноиспользовать в конструкции принцип стадийного сжигания с вводом газоврециркуляции.На стадии предварительного анализа были выбраны 3 типа малоэмиссионныхгорелок стадийного сжигания:1) горелка с подачей газов рециркуляции во вторичный воздух (Рисунок 3, а);2) горелка с экранным вводом газов рециркуляции между потоками первичногои вторичного воздуха (Рисунок 3, б);3) горелочное устройство с вихревой пилотной горелкой (Рисунок 3, в).Разработка конструкций горелок и определение их оптимальныхконструктивных и режимных параметров проводились в численных экспериментахпутем компьютерного моделирования процессов смешения, воспламенения ивыгорания полукоксового газа в закрученных и прямоточных потоках, образованияоксидов азота.Разработка конструкций горелочных устройств и определение их оптимальныхконструктивных и режимных параметров проводились путем сопоставления ианализа расчетных значений полей скоростей, температур и концентрацийкомпонентов топлива, кислорода, воды, оксида и диоксида углерода, оксидов азота,полученных с помощью компьютерного моделирования процессов смешения,воспламенения и выгорания полукоксового газа в закрученных и прямоточныхпотоках, образования оксидов азота.а)б)в)Рисунок 3.

Типы малоэмиссионных горелок стадийного сжиганияКонцепция горелочного устройства с подачей газов рециркуляции вовторичный воздух (Рисунок 3, а) заключается в создании условий для четкогоразделения процесса горения на две стадии. Разделение на стадии должнообеспечиваться за счет различной закрутки потоков воздуха. В связи с этимосновными изменяемыми параметрами являлись углы установки лопаток аксиальногозакручивающего аппаратов в различных каналах горелки. Кроме того такжеисследовались варианты ввода полукоксового газа, коэффициенты избытка воздухана различных стадиях.Расчетные исследования данного типа горелки показали, что на первой стадиипроисходит интенсивное перемешивание топлива и воздуха и горениетопливовоздушной смеси происходит при малых избытках воздуха I = 0,4 и16пониженных температурах, что подавляет образование быстрых оксидов азота ипрактически полностью исключает эмиссию термических.Вторая стадия начинается на расстоянии (1-1,5)Dа от среза горелки, когда взакрученный поток начинает подмешиваться вторичный воздух.

Максимальнаятемпература составляет не более 1900°С (Рисунок 4, а), содержание кислорода непревышает 13%. Область максимальных температур располагается на расстоянииоколо 2Dа от среза горелки, где концентрация кислорода менее 8-10%. Именно в этойобласти происходит эмиссия термических NO, которая благодаря созданнымусловиям не превышает 25 ppm.а)б)в)Рисунок 4.

Поля температур разработанных горелочных устройствВо втором типе исследуемых горелок (Рисунок 3, б) стадийное сжиганиеполукоксового газа обеспечивается за счет экранного ввода газов рециркуляциимежду потоками воздуха. В связи с этим были исследованы варианты установкилопаток аксиальных закручивающих аппаратов и распределение коэффициентовизбытка воздуха по стадиям горения.Исследования показали, что для обеспечения устойчивого горения на первойстадии и организации смешения топливовоздушной смеси со вторичным воздухомнеобходима установка закручивающих аппаратов в обоих воздушных каналах, аизбытки воздуха на первой и второй стадии составили 0,4 и 0,65 соответственно.Первая стадия горения при реализации данной конструкции горелочногоустройства протекает аналогично предыдущей.

Вторичный воздух поступает в зонугорения уже разбавленный газами рециркуляции, что существенно снижаетмаксимальную температуру в зоне дожигания, которая не превышает 1700°C(Рисунок 4, б). Зона дожигания растягивается до (3-3,5)Dа. В итоге на данной стадиипрактически полностью подавляется эмиссия термических оксидов азота, а конечнаяконцентрация NOX в факеле составляет менее 20 ppm.Концепция горелочного устройства с вихревой пилотной горелкой(Рисунок 3, в) заключается в том, что снижение эмиссии NOX достигается за счетразбиения зоны горения на отдельные факелы и сжигания топлива в прямоточныхфакелах в воздушном потоке, предварительно разбавленном газами рециркуляции.При этом для устойчивого воспламенения топливно-воздушной смеси используетсяпилотная диффузионная горелка, в которой сжигается малая часть общего расходатоплива, подаваемого в горелку.Основным направлением исследования данной конструкции было определениеоптимальных расходов топлива и воздуха в пилотной горелке.