Эффективные технологии сжигания различных видов топлива и отходов производства
Заказать звонок
Нажимая Отправить, вы даёте согласие на обработку персональных данных в соответствии с политикой конфиденциальности и принимаете условия пользовательского соглашения.
E-mail: pem-energo@list.ru www.pem-energo.ru
Компания «ПроЭнергоМаш» специализируется на проектировании, модернизации и производстве котлов, котельно-вспомогательного оборудования и их монтаже. Котлы изготавливаются в различных вариантах:
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:
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 – Модель вихревой топки
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.
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. 2. – Вид отложений. В камере дожигания, за топкой, (слева) прочные крупные отложения.
В экономайзере (справа) рыхлые отложения мелкой 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.
Рис. 3 – Изменение доли калия и карбонатов в отложениях золы.
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.
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 60/70 °С.
Рис. 4 – Устройство паровой обдувки УПО-250
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:
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).
Рис 6 – Моделирование аэродинамической обстановки в вихревой дубль – топке «Торнадо».
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. 2. 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.
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.
Показатели работы реконструированных котлов:
Успешный опыт этой и других реконструкций дают перспективы для МЭЗ по улучшению эксплуатационных характеристик при малых вложениях.
Рис. 7 – Модернизированный паровой котел КЕ-10 Рис. 8 – Вид камеры дожигания Е-25, вверху газоотводящие окна дубль-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.
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.
Рис. 9 – Сравнение размеров котлов для сжигания лузги Компании ПроЭнергоМаш и Vyncke паропроизводительностью 25 и 24 т/час соответственно.
ЛИТЕРАТУРА
