Диссертация (Исследование сжигания эстонских сланцев с непроектными топливами), страница 17

Проведенная с помощьючисленных экспериментов оптимизация конструкций позволила добиться длякаждоговариантагорелочногоустройстваобеспеченияустойчивоговоспламенения и горения полукоксового газа, эмиссию оксидов азота менее200 мг/м3. Предварительные натурные испытания в целом подтвердили выводычисленных экспериментов.118ГЛАВА 6. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ КОТЛА ПРИСОВМЕСТНОМ СЖИГАНИИ СЛАНЦА С ПОНИЖЕННОЙ ТЕПЛОТОЙСГОРАНИЯ И БИОТОПЛИВВсебольшее развитие ираспространение получает использованиебиотоплива для производства электрической и тепловой энергии.

На сегодняшниймомент доля биотоплива в общей выработке энергии в мире составляет более10%. Сжигание биотоплива в котлах позволяет замещать твердое топливо. Крометого использование биотоплива в энергетике является одним из способовснижения выбросов парниковых газов.Производство энергии с использованием «зеленого» топлива в рядеевропейскихстрандотируетсягосударством,уменьшаютсязатратынаприобретение и доставку топлива (чаще всего используются отходы местныхаграрных и деревообрабатывающих предприятий), снижается плата за выбросывредных веществ в атмосферу.Стремление снизить долю сланцев в выработке энергии и снижение ихтеплоты сгорания диктуют необходимость исследовать возможность частичногозамещения сланцев пониженной калорийности биотопливом.

Таким образом,основной задачей, решаемой в данной главе, является определение возможностиработы исследуемого котла при совместном сжигании сланцев с пониженнойтеплотой сгорания и биотоплива, в качестве которых рассмотрены торф, солома идревесные опилки.6.1. Исследование возможности использования фрезторфаИспользование фрезторфа в качестве энергетического топлива на ТЭСимеет свою специфику, которая в первую очередь вызвана его высокой пожаро- ивзрывоопасностью. В этой связи для обеспечения надёжной и безопасной работы119станции при сжигании торфа необходимо соблюдать меры по обеспечениюбезопасности при его хранении, подготовке к сжиганию и непосредственно присжигании.Так рекомендуется складировать торф в отдельном крытом складе, для егоподаче нельзя использовать шнековые питатели и проч.

Размол торфа долженосуществляться в мельничной системе, обеспечивающей отсутствие попаданиямелких частиц торфа в помещение котельного цеха. Кроме этого ТЭС необходимодополнительно оснастить средствами пожаротушения, необходимыми привозгорании или взрыве торфа.Из известных и хорошо зарекомендовавших себя технологий использованияфрезторфа в России в качестве энергетического топлива наиболее эффективнойявляется технология его сжигания в плоско-параллельных струях (горелках ППС)[90]. Для ее реализации размол фрезторфа осуществляется в ММТ с шахтнымсепаратором, установленным непосредственно над мельницей перед горелками. Вэтом случае за счёт увеличения скорости пылевоздушной смеси в прямоточныхгорелках происходит снижение статического давления, и шахтный сепаратор сгорелкой работают под разрежением.

Использование данных сепараторовпозволяют сделать минимальной длину топливопроводов, что увеличиваетвзрывобезопасность СМС.Возможность сжигания торфа в горелках ППС, разработанных МЭИ,обеспечивающих пониженное шлакование экранов топки и надёжную работукотла, обуславливается не только тепловыми расчётами, но и возможностьюразмещения мельниц вдоль фронта котла для обеспечения минимизации длиныпылепроводовиповышениявзрывобезопасностипылесистем.Оценкавозможности этой реконструкции невыполнима в полном объеме на данном этапебез дополнительного обследования оборудования и детальной проработкиреконструкции сушильно-мельничной системы.Несмотря на указанные выше сложности, в рамках данной работы быливыполнены тепловые расчёты котла, оценены изменения в работе котельной120установки для разных вариантов использования фрезторфа, характеристикикоторого приведены в табл.

6.1.При выполнении тепловых расчетов котла при использовании торфа иторфа в смеси с другими топливами коэффициенты загрязнения ε и тепловойэффективности  поверхностей нагрева принимались в соответствии с адекватноймоделью котла как при сжигании сланца, т.к. оба этих топлива имеют сильнуюсклонность к шлакованию и загрязнению [70]. Параметр М, учитывающийхарактер распределения температуры газов по высоте топки и зависящий ототносительного местоположения максимума температуры пламени, определялсяпо [70] с учетом долей тепловыделения основного и дополнительного топлив.Таблица 6.1Характеристика фрезерного торфаПараметрНизшая теплота сгорания нарабочую массу, МДж/кгВлажность, %Азот, %Углерод, %Сера, %Водород, %Кислород, %Зольность, %Выход летучих Vdaf, %Торф8.7550.01.2326.940.122.6215.593.564.3Анализ результатов тепловых расчётов котла при сжигании фрезторфапоказал, что температура острого и вторичного пара поддерживается во всёмдиапазонеизменениянагрузкикотла.Длярегулированиятемпературыперегретого пара использовались ППТО и впрыски пара по тракту первичногопара.

При этом аварийный впрыск в тракт НД в расчетах не использовался,поскольку он предназначен для защиты выходного пакета ШПП НД.С ростом паропроизводительности котла температура продуктов сгоранияна выходе из топки увеличивается и при нагрузках 290 т/ч и выше уже превышает1000°С, что создаёт условия для интенсивного шлакования ширм. Причём принагрузках, близких к номинальной, повышенному шлакованию также будут121подвержены ширмы в опускном газоходе. Кроме того с ростом нагрузки котла до290 т/ч и выше температура уходящих газов начинает превышать требуемуювеличину в 220°С.По сравнению с рассматриваемыми в данной работе сланцами, фрезторфявляется более калорийным топливом, при этом температура горячего воздухапри сжигании торфа на 30÷40°С выше, чем при сжигании сланца.

Но за счётбольших объёмов продуктов сгорания (и воздуха) внесённое тепло в топкунесколько выше при сжигании сланца, чем при сжигании фрезторфа. Поэтомуадиабатные температуры горения при сжигании торфа и сланцев незначительноотличаются друг от друга. Охлаждение продуктов сгорания в топке при сжиганиисланцев и торфа также близко друг к другу, поэтому температура газов на выходеиз топки при сжигании торфа (по сравнению с адекватной моделью на сланце)практически не изменяется.Равенство адиабатных температур при сжигании торфа и сланцев, всовокупности с аналогичными свойствами по загрязнению и шлакованиюприводят тому, что приращение энтальпии пара в котле изменяется незначительно(табл. 6.2) и изменения характеристик работы котла практически не наблюдается(Рисунки 6.1, 6.2).Таблица 6.2Приращение энтальпии рабочего тела в пароперегревательных поверхностяхкотла ТП-101 на номинальной нагрузке при сжигании разных топлив, кДж/кгТопливоНРППШПП ШПП ШПП ШПП ШПП ШПП ШПП ШППIIIIIIIVVVIНД I НД IIАдекватная модель на 255,37 80,38сланце 6,92 МДж/кгФрезерный торф258,41 80,0652,3548,3047,29 143,40 156,98 291,85 152,4353,3447,9446,98 138,74 147,77 285,77 148,12В соответствии с [70] и опытом сжигания торфа на ТЭС [91] максимальноезначение температуры продуктов сгорания на выходе из топки составляет 1000°C.Результаты исследований показали, что имеет место превышение данногозначения уже при средних нагрузках (от 230 т/ч).Рисунок 6.1.

Рабочие характеристики котла при сжигании торфа и сланца по адекватной модели122123Степень кипения на выходе изэкономайзера, %3020100-10-20-30130,0217,0292,0320,0Паропроизводительность котла, т/чадекватная модельторфРисунок 6.2. Массовое паросодержание среды на выходе из экономайзера присжигании торфа и сланца по адекватной моделиСушка фрезторфа при его размоле в соответствии с [70] можетосуществляться горячим воздухом с температурой не ниже 400°С. Такой уровеньтемператур, согласно тепловым расчетам, не может быть обеспечен во всёмдиапазоне нагрузок котла.Так при работе котла на максимальных нагрузках от 290 т/ч и вышетемпература горячего воздуха достигает значений 350÷365°С. При таком уровнетемператур горячего воздуха имеется положительный опыт сжигания торфасовместно с природным газом в горелках ППС.

Однако использование газаневозможно в данном случае, так как это приведет к росту уровня температур втопке, что приведет к интенсификации шлакования топочных экранов ипароперегревателей в соединительном газоходе.Однако с уменьшением паропроизводительности температура горячеговоздуха падает до 320°С, что без проведения дополнительных исследований не124позволяет обеспечить необходимую сушку фрезторфа и его устойчивое сжиганиедаже при совместном сжигании с природным газом.Кроме того при сжигании торфа в горелках ППС возникает жёсткая связьмежду соотношением работающих горелок, скоростью аэросмеси в шахте инагрузкой котла.

Например, при работе котла с нагрузкой 130 т/ч в работе должнынаходиться 2 мельницы. При этом по расчетной оценке скорость отработанногосушильного агента (ОСА) в шахте не удастся поддержать больше минимальнонеобходимого уровня в 3,5 м/с. Это может способствовать образованию вихревыхзон в сепарационной шахте и последующему взрыву аэросмеси.

В то же время изза снижения сернистости топлива интенсификации низкотемпературной коррозиивоздухоподогревателянаблюдатьсянебудет.Ограниченияпоработетягодутьевых машин не возникает во всем рабочем диапазоне нагрузок.Таким образом, анализ результатов расчетных исследований при сжиганиифрезерного торфа показал невозможность обеспечения в этом случае надёжной,безопасной и экономичной работы котельной установки во всём рабочемдиапазоне нагрузок.Поэтому далее были проведены расчетные исследования совместногосжигания сланцев пониженной калорийности (4,84 и 6,64 МДж/кг) ифрезторфа, в рамках которых доля последнего по теплу варьировалась от 10% до90% во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок котла (Рисунки 6.3, 6.4).В данных расчетах способы регулирования температуры перегретого параВД и НД принимались такими же, как и в выше описанных случаях. В целомрезультаты расчёта совместного сжигания фрезторфа со сланцами различныхкалорийностей схожи между собой.Тем не менее по полученным результатам эксплуатационную областьработы котла при совместном сжигании сланца с фрезторфом можно разделить на2 зоны: область малых нагрузок до 217 т/ч и область максимальных нагрузок от292 т/ч и выше.Рисунок 6.3.

Рабочие характеристики котла при сжигании торфа и сланца калорийностью4,84 МДЖ/кг в рабочем диапазоне нагрузок125Рисунок 6.4. Рабочие характеристики котла при сжигании торфа и сланца калорийностью6,64 МДЖ/кг в рабочем диапазоне нагрузок126127Работа котла на максимальных нагрузках от 292 т/ч и выше характеризуетсяследующими особенностями. Возросшие объёмы воздуха и продуктов сгоранияпревышают максимальную производительность тягодутьевых машин. Такимобразом, нормальная работа котла без замены дымососов и дутьевыхвентиляторов становится невозможной.Из исследованных режимов работы температуры острого и вторичного паране достигают требуемого уровня только при сжигании фрезторфа со сланцемкалорийностью4,84 МДж/кгнаноминальнойнагрузкекотла320 т/ч(Рисунок 6.3), во всех других случаях они попадают в требуемый диапазон500÷530°С (Рисунок 6.4).Температура продуктов сгорания на выходе из топки, как и при сжиганиичистого торфа, превышает предельный уровень в 1000°С, установленный с цельюпредупреждения шлакованияширм.

Исключение составляет случаиприсовместном сжигании сланца с калорийностью 4,84 МДж/кг с долей фрезторфа до20% (по теплу) включительно.Степень кипения среды на выходе из экономайзера превышает допустимые25%, что требует проведения дополнительных исследований для определениянадёжности его работы (Рисунки 6.5, 6.6).Температура уходящих газов также увеличивается и превышает предельноезначение220°С,чтосвидетельствуетонеэкономичнойработекотла.Положительным моментом повышения температуры уходящих газов являетсяснижение интенсивности низкотемпературной коррозии воздухоподогревателя.При совместном сжигании сланца с калорийностью 4,84 МДж/кг ифрезторфа нормальная работа пылесистемы невозможна при доле последнего потеплу до 40%.Температура горячего воздуха находится в пределах 340÷360°С, поэтомусжигание торфа вместе со сланцем невозможно без их подсветки полукоксовымгазом.В зоне малых нагрузок котла (до нагрузки 217 т/ч включительно) большаячасть описанных выше ограничений снимается.