Размещено на http://www.allbest.ru/

Экологические и экономические преимущества применения жаротрубно-дымогарных водогрейных котлов, оборудованных топками "полукипящего" слоя

Р.Л. Исьемин

С.Н. Кузьмин

В.В. Коняхин

Коммунальные и промышленные котельные России потребляют миллионы тонн угля в год. В настоящее время проводится политика перевода угольных котельных на природный газ. При этом постулируется достижение большого экономического и экологического эффекта от такого перевода. Между тем, элементарные расчеты показывают, что срок окупаемости затрат на перевод на природный газ котельной потребляющей, к примеру, 400 т угля в год с низшей теплотворной способностью 20 МДж/кг составляет более 5 лет без учета амортизационных затрат. С учетом же затрат на амортизацию срок окупаемости затрат приближается к сроку службы теплогенерирующего оборудования, т.е. затраты на газификацию такой небольшой котельной фактически не окупаются и уголь использовать как топливо для небольших коммунальных котельных оказывается выгоднее, чем природный газ. Однако, следует иметь ввиду, что коммунальные и промышленные котельные располагаются, как правило, в городах и поселках, где уголь значительно уступает природному газу в плане экологической безопасности. Для того, чтобы уголь, как топливо для коммунальных и промышленных котельных, был конкурентоспособным по отношению к природному газу, необходимо, помимо всего прочего, уменьшить его негативное влияние на окружающую среду. котельная газ угольный

Между тем, если для оценки этого влияния использовать обобщенный показатель вредности энергетических топлив [1, с.18-19], то оказывается, что этот показатель для природного газа равен 4,07; для углей: ирша-бородинского - 8,72; кузнецкого - 8,74; березовского - 8,75; райчихинского - 8,9; донецкого АШ - 11,07; экибастузского - 11,4; назаровскоголя - 11,76; подмосковного угля - 22,96 и т.п., т.е. применение каменного и бурого угля в качестве топлива в 2-5,5 раза экологически более вредно, чем применение природного газа.

Известную экологически безопасную технологию сжигания угля, в низкотемпературном "кипящем" слое [2,3], в общем случае вряд ли можно считать пригодной для мелких коммунальных и производственных котельных из-за: высокой стоимости оборудования; сложности, громоздкости оборудования, низкой его надежности; низкой надежности самого процесса сжигания (из-за шлакования топки при самопроизвольном изменении гидродинамической обстановки в "кипящем" слое, попадания в слой кусков топлива с низкоплавкой золой и т.п.). Положение усугубляется тем, что для котлов мощностью до 3 МВт, затраты на вспомогательное оборудование и автоматизацию процесса сжигания в 5 раз и более превосходят затраты на сам котел [4]. С другой стороны, в стране насчитывается десятки тысяч подобных котлов, которые потребляют или могли бы потреблять миллионы тонн угля в год.

Практика показала, что значительно сократить затраты на реконструкцию существующих или производство новых котлов, повысить надежность процесса сжигания твердого топлива, и сохранить высокую интенсивность процесса горения, в том числе и низкосортного топлива, и низкие выбросы загрязняющих веществ (окиси углерода, окислов серы, азота, а также золы и шлака) в атмосферу позволяет технология сжигания топлива в "полукипящем" слое.

"Полукипящим" слоем названо псевдоожижение мелких частиц в промежутках между крупными, неподвижными частицами [5]. При сжигании рядовых углей (содержащих как мелкие, с размером 0-6 мм, так и крупные, до 300 мм, куски топлива); торфобрикетов (из-за непрочности торфобрикетов в этом топливе содержится значительное количество мелочи); гранулированного торфа; не грохоченных сланцев и т.п. при определенных условиях мелочь "кипит" в промежутках между крупными, неподвижными кусками топлива. Крупные куски топлива, образуя своды, препятствуют уносу мелочи из слоя горящего топлива; с другой стороны, мелочь, интенсивно двигаясь в промежутках между крупными частицами, счищает с них шлаковую корку, интенсифицируя горение крупных частиц. Кроме того, в "полукипящем" слое коэффициент теплоотдачи от газовой среды к крупным, неподвижным частицам на порядок выше [5], чем в слое крупных неподвижных частиц в отсутствии псевдоожижения мелочи. Все это создает благоприятные условия для выжигания на 95-98 % полифракционного топлива. Кроме того, оказалось, что из-за разной скорости горения мелочи и крупных частиц, окислы азота, образующиеся при горении топлива, восстанавливаются до молекулярного азота углеродом несгоревшего топлива [6], что снижает содержание окислов азота в уходящих газах.

Определены [7] оптимальные условия для сжигания недробленого твердого топлива в "полукипящем" слое: число псевдоожижения для мелких (0-15 мм) частиц - 0,6-0,8; коэффициент избытка воздуха в слое горящего топлива - 1-1,2; напор дутьевого вентилятора не менее 3 кПа.

Технология сжигания низкосортного твердого топлива была первоначально реализована в конструкции водоохлаждаемых воздухораспределительных решеток, устанавливаемых вместо колосников в действующих котлах [8], а, позднее, в конструкции стального водогрейного жаротрубно-дымогарного котла [9]. Основным элементом конструкции котла является топочное устройство с "полукипящим" слоем горящего низкосортного твердого топлива (рис.1).

Рис. 1. Схема топки с "полукипящим" слоем:

1 - воздухоприемный короб; 2 - воздухораспределительные сопла; 3 - теплообменник; 4 - воздухоперераспределительные профили; 5 - штуцер подачи воздуха; 6 - штуцера подачи воды в теплообменник

Как видно из рис.1, горение топлива идет непосредственно на непровальном водоохлаждаемом поде, а воздух для горения подаётся в виде горизонтальных струй через отверстия в водоохлаждаемых профилях.

Сжигание в "полукипящем" слое в выше описанной топке:

исключает потери топлива с провалом;

снижает потери топлива с уносом;

снижает концентрацию окислов азота в уходящих газах;

снижает выход золы и шлака (из-за более полного выгорания топлива).

Схема водогрейного жаротрубно-дымогарного котла с топкой "полукипящего" слоя представлена на рис.2, а его технические характеристики в таблице.

Рис. 2. Схема котла

Техническая характеристика водогрейного жаротрубно-дымогарного котла с топкой "полукипящего" слоя

Примечания. * - при работе на твердом топливе; ** - при работе на природном газе;

*** - при механизированной подаче твердого топлива

Котел (см. рис.2) содержит горизонтальный цилиндрический корпус 1, в котором размещена жаровая труба 2, оборудованная водоподъемными трубами 3. К жаровой трубе примыкает пучок коротких дымогарных труб 4, объединенных через заднюю дымовую коробку 7 с пучком длинных дымогарных труб 5, которые, в свою очередь, через переднюю дымовую коробку 8 объединены с дымоходом 6. Штуцера 9 и 10 служат для входа и выхода нагреваемой воды, а амбразура 11 - для установки на котле газовой горелки при переводе котла на сжигание природного газа. В нижней части жаровой трубы 2 размещено водоохлаждаемое воздухораспределительное устройство (на рис.2 не показано), аналогичное изображенному на рис.1.

Котел работает следующим образом. Воздух от вентилятора высокого давления нагнетается в воздухораспределительное устройство, на которое вручную или транспортером подается твердое топливо. Топливо сгорает в "полукипящем" слое, а газообразные продукты его сгорания по дымогарным трубам 4, 5 и дымоходу 6 удаляются из котла. Три хода дымовых газов обеспечивают их глубокое охлаждение циркулирующей через котел водой, а водоподъемные трубы 3 обеспечивают циркуляцию воды вокруг жаровой трубы 2, обеспечивая ее надежное охлаждение. В настоящее время в эксплуатации находятся свыше 20 таких котлов теплопроизводительностью 0,7-1,5 МВт, которые обеспечивают теплоснабжение объектов жилищно-коммунального хозяйства различных регионов России, а также объектов Московского военного округа. Применение таких котлов, например, в котельной Мучкапской районной больницы (Тамбовская обл.) позволило сократить годовой расход угля с 3000 до 2000 т, а выход золы и шлака сократился в 2-2,5 раза (т.е. значительно снизились нагрузки на окружающую среду).

В котельной Инжавинской средней школы (р.п. Инжавино Тамбовской обл.) - строительный объем здания 34000 м 3 - один котел с топкой "полукипящего" слоя, номинальной теплопроизводительностью 1 МВт, заменил три котла "Универсал-6", оборудованных колосниковой решеткой и обеспечил необходимый, ранее не достижимый, тепловой режим в здании школы, а также ликвидировал перерасход топлива. В котельной ВЧ-20514 котлы с топкой "полукипящего" слоя заменили котлы "Энергия", которые не обеспечивали необходимый температурный режим в служебных помещениях из-за того, что на угольный склад котельной поставлялись рядовые угли различных месторождений. После установки котлов с топками "полукипящего" слоя проблема теплообеспечения снята. В котельной Кондауровского психоневрологического дома-интерната (с. Кондауровка Тамбовской обл.) котел с топкой "полукипящего" слоя, теплопроизводительностью 1 МВт, заменил три котла "Универсал-5М", которые не обеспечивали необходимый температурный режим при работе на рядовых каменных и бурых углях. После ввода котла в эксплуатацию в начале отопительного сезона 2001-2002 гг. проблем с теплообеспечением дома-интерната не было даже при уличных морозах до -30 єС при сжигании тех же углей, что и в котлах "Универсал-5М". Имеются и другие примеры успешного применения котлов с топками "полукипящего" слоя.

При эксплуатации котлов с топками "полукипящего" слоя отмечается образование сухих золовых отложений в дымогарных трубах, которые легко удаляются механически. В зависимости от доли мелочи, содержащейся в сжигаемом угле, необходимость очистки дымогарных труб от золовых отложений возникает 1-4 раза в отопительный сезон. Золовые отложения имеют светло-серый или светло-коричневый цвет, их химический анализ показывает малое содержание углерода (сажи) [6], а ведь именно мелкодисперсная сажа, обладающая высокими адгезионными свойствами является причиной образования прочных связанных золовых отложений. Несмотря на то, что в котлах сжигались угли, содержащие большое количество серы, коррозионных повреждений поверхности нагрева не наблюдалось. Накипные отложения также не причиняли большого беспокойства, хотя все поставленные нами котлы работают без химводоподготовки. Только в одном котле в конце четвертого сезона эксплуатации наблюдалось прогорание водоподъемной трубы. Все котлы обслуживаются вручную, хотя имеется принципиальная возможность механизации загрузки топлива и удаления золы и шлака. Однако, размеры котельных, в которых установлены котлы, отсутствие квалифицированного обслуживающего персонала и экономические проблемы организаций, эксплуатирующих наши котлы, вынуждают пока отказаться от механизации процесса сжигания угля.

Процесс сжигания в "полукипящем" слое протекает весьма устойчиво: как показал опыт, можно регулировать нагрузку котла в диапазоне 17-100 % от номинала без снижения КПД. C другой стороны, котел быстро набирает нагрузку: скорость роста температуры на выходе из котла (при часовом расходе воды через котел около 30 куб. м) составляет 15-17 єС в час (при температуре наружного воздуха около -10 єС). Все это позволяет быстро компенсировать температурные потери в теплосети, возникающие при ручной чистке топки котла от золы и шлака, а также при нарушениях температурного режима, возникающих по вине обслуживающего персонала. Экологические же преимущества сжигания угля в "полукипящем" слое при ручном обслуживании водогрейного котла сохраняются.

Ниже приведены результаты испытания водогрейного котла с топкой "полукипящего" слоя номинальной теплопроизводительностью 1МВт, установленного в котельной Караульского детского дома (Инжавинский район Тамбовской обл.), после одного сезона эксплуатации.

В котле сжигался печорский уголь - длиннопламенный концентрат марки ДКом со следующими характеристиками: низшая теплотворная способность - 16,59 МДж/кг; зольность рабочей массы - 33 %; влажность рабочей массы - 10,5 %; содержание серы - 2,6 %, азота - 1,3 %. В ходе испытаний установлено, что потери тепла составили: с уходящими газами - 18,6 %; от механической неполноты сгорания - 2,35 %; с физическим теплом шлака - 1,36 %; в окружающую среду - 1,8 %; от химической неполноты сгорания - 0,36 %. Содержание кислорода двуокиси углерода, окиси углерода, окиси и двуокиси азота, двуокиси серы в уходящих газах за котлом определялись с помощью газоанализатора "Testo-33". Было установлено, что содержание окиси углерода в уходящих газах колебалось в пределах 180-1343 ppm, окиси и двуокиси азота - 129-215 ppm, двуокиси серы - 13-711 ppm. Колебания химического состава уходящих газов объясняются ручной подачей топлива в топку котла, периодической шуровкой слоя горящего топлива и удаления вручную золы и шлака из топки. Однако, при изменении коэффициента избытка воздуха за котлом в пределах 1,69-1,99 содержание окислов азота (в пересчете на NO2) колеблется в узких пределах, что подтверждает факт восстановления окислов азота, образующихся при горении, до молекулярного азота углеродом топлива. Содержание окислов азота, рассчитанное к стандартным условиям (коэффициент избытка воздуха б=1) оказалось в 1,5 раза ниже предельно допустимого значения. Значительные изменения концентрации окислов серы в уходящих газах объясняются, очевидно, попаданием или непопаданием в топку котла серосодержащих кусков породы. Низкие концентрации окиси углерода и окиси азота в дымовых газах наблюдались и при сжигании других углей: рядового полуантрацита, донецкого длиннопламенного класса "отсев", интинского длиннопламенного угля и др. Из-за высокой температуры в "полукипящем" слое, очевидно, не происходит связывание окислов серы карбонатной частью золы топлива или, если происходит, то в незначительной степени. Однако, следует иметь в виду, что окислы азота на 40-60 % определяют токсичность продуктов сгорания угля [10].

Значительное снижение содержания окислов азота в уходящих дымовых газах при сжигании твердого топлива в "полукипящем" слое позволяет прогнозировать уменьшение суммарной вредности низкосортных топлив. При расчете указанных выше значений обобщенных показателей вредности [1, c.18-19] принималось, что содержание окислов азота в уходящих дымовых газах составляет (при б=1): 1,4 г/м 3 - при сжигании каменных углей; 1,3 г/м 3 - при сжигании бурых углей и мазута; 0,8 г/м 3 - при сжигании природного газа. Содержание окислов азота в уходящих дымовых газах при сжигании твердого топлива в "полукипящем" слое меньше 0,8 г/м 3 (при б=1), однако, даже приняв это значение, получим обобщенные показатели вредности для ирша-бородинского угля - 5,66 (снижение в 1,54 раза), для райчихинского угля - 5,82 (снижение в 1,53 раза), для кузнецкого угля - 6,15 (снижение в 1,42 раза), для березовского угля - 5,65 (снижение в 1,55 раза), для донецкого АШ - 8,24 (снижение в 1,34), для назаровского угля - 8,27 (снижение в 1,42 раза), для экибастузского угля - 8,61 (снижение в 1,32 раза). Эти угли оказываются более экологически чистые, чем малосернистый мазут (обобщенный показатель вредности 9,08). Другие угли также становятся более экологически чистым топливом.

В заключении отметим, что топочными устройствами с "полукипящим" слоем для сжигания угля могут быть оборудованы не только разработанные нами котлы, но и действующие котлы типа ДКВр (КЕ) паропроизводительностью до 6,5 т/ч [11] и Е-1,0-9Р. Схема котла ДКВр-2,5/13, оборудованного топкой с "полукипящим" слоем, представлена на рис.3.

Рис. 3. Разрез котла ДКВр-2,5-13, оборудованного топкой "полукипящего" слоя:

1 - водоохлаждаемая воздухораспределительная решетка; 2 - подводящий воздуховод; 3 - подвод охлаждающей воды; 4 - отвод нагретой в топке воды

Такой котел был введен в эксплуатацию на ОАО "Мучкапский мясоптицекомбинат" (Тамбовская обл.) в 1993 г. В котле сжигались разные угли, в том числе подмосковный Б 2Р (поставщик - шахты "Майская", "Ушаковская" и др). При сжигании угля Б 2Р была обеспечена паропроизводительность котла 2,5-3 т/ч при давлении пара 0,8-1МПа. До реконструкции котла, на решетке РПК, вообще не удавалось поднять давление пара выше 0,1-0,2 МПа.

Список литературы

1. Спейшер В.А. Огневое обезвреживание промышленных выбросов. - М.: "Энергия", 1977. - 262 с.

2. Кубин М. Сжигание твёрдого топлива в кипящем слое. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 112 с.

3. Бородуля В.А., Виноградов Л.М., Дроздов В.Н. Славчев С.Д., Ицкович С.М., Грушецкая С.М., Чурсинова Т.Н. Экологические аспекты сжигания твёрдых топлив в псевдоожиженном слое // Проблемы тепло- и массообмена в современной технологии сжигания и газификации твёрдого топлива: Материалы Междунар. школы-семинара (Минск, 27 мая - 3 июня 1988 г.) - Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова АН БССР, 1988. - ч. 2. - с.85 - 97.

4. Воинов А.П. Проблема надёжности котельно-топочных систем с кипящим слоем // Проблемы тепло-массообмена в современной технологии сжигания и газификации твердого топлива: Материалы Междунар. школы-семинара (Минск, 27 мая - 3 июня 1988 г.) - Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова АН БССР, 1989. - ч. 3. - с.43 - 50.

5. Псевдоожижение. Под редакцией И. Дэвидсона и Д. Харрисона - М., "Химия", 1974 - с. 538 - 540.

6. Исьемин Р.Л., Зайцева Н.А., Осипов А.Д., Акользин А.П. Образование окислов азота и связанных отложений на поверхности нагрева котлов с топками полукипящего слоя, работающих на низкосортном угле. - "Промышленная энергетика", 1995, № 2, с. 37 - 38.

7. Патент РФ № 2029200 С 1 F24H1/20. Способ сжигания недробленого угля в полукипящем слое. - Исьемин Р.Л., Пушкарев Л.И., Осипов А.Д., Кондуков Н.Б. - Бюл. № 5, 20.02.95 г.

8. Исьемин Р.Л., Коняхин В.В., Кривенцов А.В., Осипов А.Д., Зайцева Н.А., Оксюта Н.В., Федирко А.Л., Кондуков Н.Б., Акользин А.П. О переводе котлов КВ - 300, Д - 721А и "Универсал" на сжигание низкосортных углей - "Промышленная энергетика", 1991, № 6, с. 11 - 14.

9. Исьемин Р.Л., Коняхин В.В., Кузьмин С.Н., Будкова Е.В. Котел для центрального отопления, работающий на низкосортном твёрдом топливе. - "Промышленная энергетика", 2001, № 9, с. 22 -27.

10. Сигал И.Я. Эффективные методы снижения образования оксидов азота при сжигании топлив. // Проблемы тепло- и массобмена в современной технологии сжигания и газификации твердого топлива: Материалы Междунар. Школы-семинара (Минск, 27 мая - 3 июня 1988г.). - Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова АН БССР, 1986 - Ч.2. - с. 141-149

11. Исьемин Р.Л., Осипов А.Д., Кривенцов А.В., Акользин А.П., Кондуков Н.Б. О повышении эффективности котлов типа ДКВр при сжигании низкосортного твердоготоплива - "Энергетик", 1995, № 11, с. 15-16.

Размещено на Allbest.ru