Обоснование конструкции вихревых топок «Торнадо»

Пузырев Е.М., доктор технических наук, Пузырев М. Е. ст. инженер, Голубев В.А., кандидат технических наук, Афанасьев К.С., зам директора по про-ектированиюООО «НПО ПроЭнергоМаш-Проект», г. Барнаул  

Компания «ПроЭнергоМаш» специализируется на проектировании, модернизации и производстве котлов, котельно-вспомогательного оборудования и их монтаже. Котлы изготавливаются в различных вариантах:

 

-       паровые (до 100т/ч, 3.9МПа, 440°С), водогрейные мощностью до 70МВт;

 

-       работающие на угле, торфе, лузге, растительных и древесных отходах и других измельченных топливах (универсальность по топливам);

 

-       котлы - утилизаторы, в том числе с дожиганием утилизируемых отходов.

 

В основе разработок лежит низкотемпературная вихревая технология сжигания в топке «Торнадо», применимая для любых топлив, реализующая совместное слоевое и факельно-вихревое сжигание с удержанием в топке уноса и топливных частиц с повышенной парусностью и дожиганием выхлопа [1].

Исторически вопрос в необходимости разработок возник в связи с утилизацией лузги подсолнечника после пуска Урюпинского маслоэкстракционного завода (МЭЗ). Планируемое сжигание лузги в котлах МЭЗ было затруднено, их нагрузку не могли поднять выше 30-40%. Для вывоза многотоннажного потока лузги на свалку было задействовано до 6 автомашин в три смены, возникли экологические проблемы и недовольство населения из-за частого задымления города – свалка горела. Проблема: свалку лузги не потушить, а в котлах не сжечь. Подобные проблемы возникли также с появлением предприятий глубокой переработки древесины (пыль шлифования, опилки и стружка), овса, сои, гречихи и др. с большим выходом отходов из легких парусных частиц. В связи с низкой насыпной плотностью 50-250кг/м3 складирование и перевозка проблематичны, разумнее их утилизировать с использованием энергии по месту.

Анализ выявил две стороны проблемы:

-       Трудность сжигания, легкие парусные частицы улетают, не выгорая; в слое кратерное горение, а над слоем топка холодная; унос оседает в газоходах – в них часты пожары, коробление и выгорание стенок.

 

-       При малой зольности лузги, от долей до нескольких процентов, в котлах могли формироваться мощные отложения золы иногда за одну смену, забивая межтрубные проходы для газов в котельных пучках.

В итоге котлы Бийского (БиКЗ) и других котельных заводов, которые имели слоевые, Шершнева и ПМ (Померанцева В.В. с зажатым слоем) топки, оказались непригодными для растительных отходов.

Низкотемпературные вихревые топки (НТВ) также не позволили организовать их сжигание. Рассмотрение показало, что приемлемое удержание легких парусных частиц возможно в циклонных топках Г.Ф. Кнорре [2], которые были приняты для разработки, но только по аэродинамической схеме, так как циклонные топки неохлаждаемые, высокотемпературные и, в принципе, не пригодны из-за организации горения частиц в пленке жидкого шлака. Режим сжигания должен быть непременно низкотемпературным [3, 4], развивая низкотемпературную НТВ схему организации топочного процесса.

Путем исследований на аэродинамических моделях, рис. 1, была доказана возможность удержания парусных частиц не только в циклонах [2], но и в охлаждаемых конструкциях вихревых камер, пригодных для встраивания в топочный объём котлов. Это многоугольные призматические, сообщающиеся парные, неправильноугольные радиальные, с вертикальными и горизонтальными осями вихрей и др. геометрией, более широкой, чем исходная схема [2].

Рис. 1– Технологическая схема установки.

Было показано, что за счет дутья можно формировать и устанавливать в различных сечениях камер вращающиеся структуры частиц. Интенсивная осевая циркуляция удерживает частицы, благоприятна для создания однородного температурного поля и предопределяет высокую эффективность вихревых топок. Моделирование показало, что есть критическая загруженность частицами. При превышении её вращающиеся структуры частиц обрушиваются, «захлебываются», причем критическая загруженность может быть увеличена в десятки раз по сравнению с равномерным распределением дутья: путем секционирования, перераспределением дутья и благодаря другим мерам.

В основе этих исследований лежало стремление на базе вихревой технологии для котлов малой и средней мощности взамен имеющимся слоевым топкам предложить более эффективные и универсальные топки «Торнадо». Наличие сужения в виде газоотводящего окна, рис. 1, и его конструкция важны. Окно диафрагмирует выход, обеспечивает стабильность вихревых образований [5]. Пережим ускоряет вращение вихря, улучшает удержание частиц в камере сгорания и очистку потока от витающих частиц при входе вихря в газоотводящее окно. Подача острого дутья в пережим встречно выходящим продуктам сгорания улучшает удержание частиц и дожигание выхлопа, причем по экологически наиболее эффективной схеме: за счет ступенчатого дутья и интенсивной рециркуляции в зоне пережима.

Вторая проблема - это проблема поведения золы растительных отходов и, прежде всего, подсолнечной лузги. Зола лузги, как и других биотоплив, образуется из оболочек растительных клеток. По исследованиям выжженных проб зола лузги мягкая, хрупкая и очень мелкая, на 96,8% мельче 20 мкм, то есть теоретически она должна вылетать с газами и нигде не осаждаться [3]. Однако, при малом содержании золы, от 1,2 до 2,9%, из-за большого содержания калия, по анализам содержание К2О =30¸80%, она является сильно шлакующей.

Рис. 2 – Вид отложений. В камере дожигания, за топкой прочные крупные отложения (фото 1). В экономайзере (фото 2) рыхлые отложения мелкой золы.

Практически зола лузги в ходе топочного процесса претерпевает существенные изменения, она укрупняется и остается в виде отложений в котле, рис.2. Замеренные при одной из очисток котла Е‑16‑21‑350 ГМДВ размеры частиц золы лузги, максимальный dmax, мм и средний d50%, мм (R=50%), оседающей в элементах котла из дымовых газов, приведены в таблице 1.

Характерные размеры отложений золы в котле Е‑16‑21‑350 ГМДВ                  Таблица 1

Размер частиц

Топка

Пароперегреватель

Первый КП

Второй КП

Циклон

d50%, мм

0,315

2,5

1,6

1,0

0,063

dmax, мм

10

20

10

10

1,6

 

Химический анализа проб, отобранных из отложений золы по ходу дымовых газов в котле КЕ-10-14 ОГВ в ходе двух режимов испытаний, показал, что существенные изменения касаются не только фракционного состава, рис. 3. Здесь режимы: при сжигании только лузги (более низкие температуры в топке, 800-950°С, тонкие линии) и при совместном сжигании лузги с газом (температура в топке 1100-1300°С, толстые линии). Нумерация точек отбора проб: Экр - с экранов топки, ВТ - с пода и обмуровки топки, КД - с пода и обмуровки камеры дожигания, КП1 – с труб первого котельного пучка, 1-2 и 2-3 - из бункеров КП, КП3 – с труб третьего котельного пучка и ЭКО – с труб экономайзера.

 

Рис. 3 – Изменение доли калия и карбонатов в отложениях золы.

По анализам все пробы имели щелочную реакцию, рН=10¸12. Все пробы, кроме проб в ВТ и КД, сформированных при высоких температурах, при действии соляной кислоты бурно вскипали из-за наличия карбонатов CO32-. Для анализа растворимых соединений пробы обработали горячей водой и отфильтровали. Осадки после фильтрования были высушены и обработаны HCl. По-прежнему наблюдалось вскипание, свидетельствующее о наличии нерастворимых в воде карбонатов. В фильтрате были определены ионы: K+, Na+, Mg2+, Са2+, Fe3+, OH-, Cl-, HCO3-, CO32-, SO42-.

Результаты анализа данных показали, что высокотемпературная обработка золы наиболее ярко проявляется на изменении содержания калия К и карбонатов СО32+, как это видно на рис. 3. Щелочные элементы, прежде всего калий, и карбонаты, возгоняются из раскаленных частиц золы, лежащих в высокотемпературных зонах ВТ и КД, здесь их содержание минимально. Далее они переносятся и конденсируются в холодных зонах: на экранах и трубах, где их содержание максимально, а также покидают топку с газами. Этот перенос и разница концентраций возрастают при включении газовой горелки, когда температура в зоне горения увеличивается с 800–950 С до 1100–1300 С. Калий и карбонаты интенсивно возгоняются и в КП1, где температура достаточно высока, 700-900°С, а далее они выносятся газами и высаживаются в отложениях на хвостовых поверхностях. Следует отметить, что согласно [6], соединения щелочных металлов играют ведущую роль в формировании отложений и при сжигании таких сильно шлакующих топлив, как сланцы и канско-ачинские бурые угли. При 1000 С улетучивается (возгоняется) до 40% натрия и 20% калия.

В итоге исследований был выявлен конденсационный механизм формирования отложений из возгонов золы. В структуре отложений непосредственно на трубах есть тонкий рыхлый, непрочный слой первичных отложений с низкой теплопроводностью. Эти отложения имеются на всех трубах. В КП1, в зоне высоких температур, причем со стороны набегания потока газов, над ними формируется плотный слой золы за счет проплавления рыхлого слоя и из прилетающих расплавленных частиц.

 

Формирование плотных отложений с интенсивной сепарацией липких проплавленных частиц из потока происходит только в высокотемпературных зонах. При закрытии экранов золой, температура в топке возрастает и зона повышенных температур смещается вглубь КП1. Процесс налипания золы обретает лавинообразный характер. Крупные отложения обрушаются с котельных труб и заполняют газоходы, рис. 2 слева, закрывают проход выходящим газам с остановом котла по отсутствию тяги. В низкотемпературных зонах, рис. 2, отложения рыхлые, они выносятся естественным образом и стабильны по толщине.

 

Рис. 4 – Устройство паровой обдувки УПО-250.

Для подавления отложений золы был разработан низкотемпературный топочный процесс с периодической очисткой труб. По опыту, имеющаяся очистка отложений в КП1 и топке генераторами ударных волн (ГУВ) и пневмо-импульсными генераторами (ПГ‑25/8) малоэффективна. Отложения в КП1 содержат стекловидные расплавленные включения, и при прохождении ударных волн они еще сильнее уплотняются. Для очистки созданы серийно производимые «ПроЭнергоМаш» устройства паровой обдувки УПО‑250, рис. 4. Обдувка паром с давлением 0,6¸1,3МПа через сопла, размещенные на конце вращающейся и движущейся на 1¸8м возвратно-поступательно штанги, один раз через 3¸12 ч, например, в котле КЕ-10 снижает температуру уходяхих газов на 60¸70оС.

Подача лузги и сухих древесных отходов осуществляется пневмотранспортом. При старте требуется значительное время для прогрева топки в режимах с пульсациями давления и выбросами дымовых газов и искр. Применение слоевого сжигания лузги под пневматическим вводом струи топлива разрешило эти проблемы, факел воспламеняется от корня и становится стабильным.

Известно [7], что при слоевом сжигании с нижним дутьем максимум температур достигается в конце кислородной зоны, находящейся над колосником в слое примерно на расстоянии 3-4 диаметров сжигаемых частиц кокса и соответствует адиабатической температуре, которая для лузги составляет 1600¸1700°С, и это неприемлемо. Соответственно, для стабилизации факела лузги была разработана низкотемпературная схема охлаждаемого излучением и конвекцией слоя с верхней подачей дутья – двухступенчатая схема подачи первичного дутья и топлива. Её применение положительно сказалось на всех характеристиках топки «Торнадо», включая экологические, быстрый старт и возможность увеличения мощности топки на 15-25%. Так в котле Е-10-14ДВО, рис. 5, при сжигании древесной пыли шлифования и стружки концентрация NOx снизилась примерно в 1,5раза, а СО в 3-5 раз. Следует отметить, что данная схема применяется для высокореакционных, Vdaf=75-90%, быстро сгорающих частиц (лузга, опилки и др.).

 

Рис. 5 – Зависимость выбросов от избытков воздуха и схемы сжигания.

Для других топлив, например, дробленных углей, сырых и крупных фракций биотоплива в топке «Торнадо» использование слоевого сжигания необходимо в связи с их длительным пребыванием и накоплением в топке. При этом реализуется с указанными преимуществами совместное слоевое и факельно-вихревое сжигание с удержанием и дожиганием уносимых частиц острым дутьем, применимое практически для любого топлива:

  • используется дробленое топливо, не крупнее 13-20мм, с непрерывной подачей;
  • крупные фракции топлива сжигаются в слое на колосниковой решетке с полностью механизированной и автоматизированной шуровкой слоя, выгрузкой и возможно с дополнительным дожиганием шлака и очаговых остатков;
  • мелкие частицы удерживаются в топке и заполняют вихрь потоком горящих излучающих частиц с распространением топочного процесса на весь топочный объём, обеспечивая взаимное поддержание слоевого и объёмного горения;
  • заполнение топки частицами и вихрем подавляют возгонку золы – экраны топки чистые, обеспечивают равномерное, повышенное тепловосприятие топки и низкотемпературный топочный процесс, позволяют вписать вихревую топку «Торнадо» в топочный объём большинства типовых котлов и минимизирует массогабаритные характеристики производимых котлов;
  • низкотемпературное дожигание выхлопа с применением ступенчатой подачи дутья дополнительно подавляет эмиссию вредных оксидов СО, NOх и SO2 (естественное поглощение SO2 зависит от состава золы) и снижает химический и механический недожог топлива – котлы не дымят и имеют высокий КПД.

При этом собственно колосниковые слоевые топки, встраиваемые в нижней части вихревой камеры, исполняются в соответствии с применяемым топливом. Это топки: ретортного типа - уголь; с наклонным колосником двухстороннего воспламенения - сырые и крупные древесные отходы; охлаждаемые водой колосниковые топки с шурующей планкой – уголь, отходы; механические топки прямого и обратного хода - уголь; топки с высокотемпературным кипящим слоем - уголь и комбинированные. Их выбор определяется шлакующими свойствами угля, влажностью отходов и поведением очаговых остатков.

Разработка топок «Торнадо» касается широкого круга вопросов, включая обеспечение чистоты экранов, равномерного заполнения топки низкотемпературным топочным процессом с удержанием частиц и дожиганием в газоотводящем окне и др. на сегодня выполнена с подачей и регистрацией 17 заявок на патенты и патентов РФ. Например, топочные устройства в соответствии с заявками на патенты РФ №№2015149577, 2015155848, 2015152387 могут иметь вихрь с горизонтальной и вертикальной осью вращения или выполняться в виде сдвоенной, дубль топки, рис.6 и 8, с двукратно повышенной площадью экранирования. Дубль топки важны именно для шлакующей лузги подсолнечника. Они позволяют поднять паропроизодительность до 25 и даже 50т/ч (блочный котел).

Мониторинг котельных маслозаводов РФ показал, что установленные там котлы с вихревыми и другими топками зачастую спроектированы неправильно. В топках не выдерживается низкотемпературный режим горения, котлы интенсивно зашлаковываются, часто останавливаются на длительную очистку и работают с понижением паропроизводительности в 2‑3 раза. Иногда для уменьшения отложений лузгу сжигают с большим недожогом, не экономично и с большими выбросами загрязнений. Практически на всех обследованных котельных наблюдаются выбросы искр, короба дымоходов и циклоны ржавые, покоробленные и иногда прогоревшие от частых пожаров.

Проектирование конкретных объектов, в том числе и реконструкции неэффективно работающих ДКВ, ДКВр, КЕ, ДЕ и других котлов, производятся с численным моделированием, рис. 6. При моделировании просчитываются поля скоростей, формирование потоков частиц и другие элементы аэродинамической обстановки, оптимизируется профиль топки, вводы топлива, распределение дутья, размеры и геометрия газоотводящих окон и др. Это позволяет уверенно обосновать и принять технические решения.

 

Рис. 6 – Моделирование аэродинамической обстановки в вихревой дубль-топке "Торнадо".

Для примера на рис.7 показан один из двух модернизированных котлов в котельной ООО «Донское золото». На момент запроса о реконструкции котлы останавливались на очистку каждую неделю с удалением вручную до тонны отложений. В работе на лузге постоянно мог находиться один котел, а недостаток технологического пара обеспечивался двумя газовыми котлами. При модернизации в котлах были установлены топки «Торнадо» с вертикальной осью вихря, по две УПО-250 и тракты автоматического удаления золы.

Рис. 7 – Модернизированный паровой котел КЕ-10.

 

Показатели работы реконструированных котлов:

  • Увеличена производительность каждого с 6 до 11 тонн пара в час;
  • Вихревое низкотемпературное сжигание обеспечивает безшлаковочную работу, остановка котлов для очистки не требуется;
  • Выбросы СО~350 мг/м3, NOx до 75 мг/м3;
  • Механизированное золоудаление свело к минимуму ручной труд;
  • Расчётный срок окупаемости от экономии газа 4,5 месяца.

Успешный опыт этой и других реконструкций дают перспективы для МЭЗ по улучшению эксплуатационных характеристик при малых вложениях.

Рис. 8 – Вид камеры дожигания Е-25, вверху газоотводящие окна дублт-топки.

На российском рынке котлы на растительных отходах для промышленной теплоэнергетики мало представлены отечественными образцами. Обзор иностранных котлов показал, что они, «Vyncke» и др., по конструкции являются жаротрубными. Для сравнения был рассмотрен котел «Vyncke» 24т/час (Е-24), рис. 9. Котел соединен длинным, трехходовым экранированным охладительным газоходом с большой футерованной топочной камерой, выполненной на базе наклонно-переталкивавшей решетки (НПР) снизу. Такая конструкция охладительного газохода проверена десятилетиями, отложения слабо удерживаются на образующих стены газоплотных экранах, и конструкция обладает неплохими эксплуатационными качествами, однако она является громоздкой, с высокой металлоемкостью и стоимостью. Особенно громоздки НПР и окружающая её многотонная огнеупорная футеровка топки, и они требуют длительных и затратных монтажных и наладочных работ.

Рис. 9 – Сравнение размеров котлов для сжигания лузги компании ПроЭнергоМаш и Vyncke паропроизводительностью 25 и 25 т/час соответственно (увеличить картинку).

 

Котел компании «ПроЭнергоМаш» Е-25, рис. 9, примерно такой же мощности оборудован экранированной вихревой дубль-топкой «Торнадо». Он почти не имеет обмуровки и существенно облегчен благодаря описанным выше инновациям. Вертикальные газоплотные топочные экраны чистые с высоким тепловосприятием, газы из топки сразу направляются в конвективные пучки без опасности шлакования, рис. 8. Дополнительно устанавливаются устройства УПО-250, рис. 4. Благодаря этим достоинствам предлагаемые котлы в сравнении с котлами «Vyncke» аналогичной мощности по массогабаритным характеристикам, капиталовложениям и окупаемости выигрывают в разы, рис. 9. Для них не требуется мощных фундаментов, поставка блоками в заводской готовности. Отсутствие мощной обмуровки ускоряет, облегчает и удешевляет монтаж и наладку. Здание котельной также существенно меньше и дешевле.

 

ЛИТЕРАТУРА

1.Пузырев Е.М., Афанасьев К.С. Опыт разработки вихревых топок на дробленом угле для котлов малой и средней мощности. Энергетик, №4, 2009, с. 11-12.

2.Кнорре Г.Ф. и др. Теория топочных процессов. — М–Л.: Энергия, 1966. —с.

3.Пузырев Е.М. Исследование топочных процессов и модернизация котлов для низкотемпературного сжигания горючих отходов и местных топлив. Диссертация, д.т.н. — г.Барнаул, 2003 —с.

4.Щуренко В.П., Пузырев Е.М., Сеначин П.К. Моделирование и разработка низкотемпературных вихревых топочных устройств. //Ползуновский вестник. 2004. №1. — с. 152–156.

5.Алексеенко С.В. и др. Введение в теорию концентрированных вихрей. – Новосибирск: Институт теплофизики, 2003г,с.

6.Отс А.А. Процессы в парогенераторах при сжигании сланцев и канско-ачинских углей. — М.: Энергия, 1977. — 312 с.

7.Нечаев Е.В., Лубнин А.Ф. Механические топки для котлов малой мощности. —Л.: Энергия, 1968. —с.


Warning: filesize(): stat failed for images/stories/files/.pdf in /home/users/p/pemenergo/domains/pem-energo.ru/modules/mod_nauch_down/mod_nauch_down.php on line 19

Warning: filesize(): stat failed for images/stories/files/.doc in /home/users/p/pemenergo/domains/pem-energo.ru/modules/mod_nauch_down/mod_nauch_down.php on line 20


Ссылки для скачивания