О сжигании низкореакционных рядовых углей в отопительных котлах малой мощности

ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.18-66

О СЖИГАНИИ НИЗКОРЕАКЦИОННЫХ РЯДОВЫХ УГЛЕЙ В ОТОПИТЕЛЬНЫХ КОТЛАХ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

© 2004 г. С.Н. Кузьмин, А.В. Михалев, Е.В. Будкова, Р.Л. Исьемин, В.В. Коняхин, Н.Б. Кондуков

Для коммунальной энергетики России крайне актуально снижение стоимости единицы вырабатываемого тепла. При этом при разработке региональных программ развития коммунальной энергетики, как правило, постулируется перевод угольных котельных на сжигание природного газа как наиболее радикальный способ снижения затрат. Однако элементарные расчеты показывают, что если при современных ценах на органическое топливо стоимость единицы вырабатываемого тепла на газовой котельной действительно ниже, чем на угольной, то весь инвестиционный проект перевода угольной котельной на сжигание природного газа имеет низкую экономическую эффективность и большой срок окупаемости. Так, например, в Тамбовской области затраты на перевод угольной котельной, реально потребляющей в год 400 т угля, на природный газ составляют примерно 1,5 млн р. (в ценах 2002 г.). Приняв КПД угольного котла (типа «Универсал», «Энергия», НР-18 и т.п.) равным 50 % (при сжигании рядового угля), а КПД газового котла равным 91 % и, учитывая, что стоимость 1 т рядового угля составляет в среднем 1000 р., а 1000 м3 газа - 863 р., получим, что при переводе котельной с угля на газ годовая экономия затрат на топливе составит 288000 р. (без учета амортизационных отчислений), срок окупаемости инвестиционного проекта - 5,2 года. Если же учитывать амортизационные отчисления и то, что эксплуатационный КПД газового котла составляет, как правило, 83-84 %, то срок окупаемости инвестиционного проекта приблизится к сроку службы газовых котлов. Планируемый к 2010 г. выход на мировой уровень соотношения цен на уголь и газ сделает инвестиционные проекты перевода мелких коммунальных котельных с угля на газ еще более неэффективными в экономическом плане. На наш взгляд, экономически более целесообразно повышать эффективность использования угля на действующих котельных, а также осуществлять переход с дорогих на более дешевые сорта угля. Так, к примеру, министерством топлива, энергетики и природных ресурсов администрации Ростовской области прорабатывается вопрос перевода действующих коммунальных угольных котельных с антрацитовых углей класса «орех» и «семечко» на почти в два раза более дешевый антрацитовый штыб. Подобные проблемы пытаются решить и в других регионах России. Однако существующие отопительные котлы малой мощности не

пригодны для сжигания рядовых углей и штыба. Эти котлы оборудованы чугунной колосниковой решеткой для сжигания грохоченных углей; сжигать рядовые угли и штыб на этих решетках трудно или невозможно из-за больших потерь топлива с провалом через щели решетки, со шлаком при чистке топки. Велик и унос топлива из-за его неполного сгорания в надслоевом пространстве.

Для сжигания дробленных рядовых низкореакционных углей и антрацитового штыба в топках отопительных котлов малой мощности (до 4 МВт) рядом проектных и наладочных организаций стран СНГ [1, 2] предлагается использовать технологию низкотемпературного кипящего слоя. Однако сжигание в таком слое углей с большой долей фракции до 2-3 мм сопровождается 25-30 % потерями тепла с уносом [3, 4]. При этом в ряде проектных решений [2] просто констатируется необходимость дожигания уноса без предложения каких-либо технологических или конструкционных мер.

Северокорейскими специалистами, исследовавшими вопросы дожигания уноса антрацитового штыба в надслоевом пространстве топок с низкотемпературным кипящим слоем [3], предложено повысить концентрацию кислорода в надслоевом пространстве. А так как условия перемешивания газов в надслоевом пространстве топок с кипящим слоем много хуже, чем в пылеугольных топках, то предложено воздух, необходимый для дожигания уноса, подогревать до более высокой температуры, пропуская его через кипящий слой. Коэффициент избытка воздуха в кипящем слое (асл ) предложено определять по формуле

а.

1 -X

где а1 - коэффициент избытка воздуха в кипящем слое без учета дожигания уноса; X - доля уноса, приняв а1= 1,3 и X = 0,3 (30 %-й унос) получим а сл = 1,86.

С целью подогрева воздуха, идущего на дожигание уноса, до более высокой температуры предложено также [3] уменьшить площадь погруженной в слой поверхности теплообмена. На рис. 1 представлена номограмма для определения удельной (м2/МВт) поверхности теплообмена, погруженной в слой, в зависимости от доли уноса (X), температуры слоя и теплотворной способности штыба (Qн ).

асл =

Гсл = 1100 °С

/

1000 °С

_/сл

1,5

1,25

QH = 22,0 МДж/кг 16,8

I, %

0,75

0,5

0,23

0 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,47 0,5 0,52 0,58 0,6

Рис. 1. Зависимость площади погруженной поверхности нагрева от доли уноса, теплотворной способности

топлива и температуры кипящего слоя

Подобная номограмма предложена в работе [3] и несколько модифицирована нами применительно к отопительным котлам. Задавшись долей уноса X = 0,3,

теплотворной способностью штыба Q¡P = 22,0 МДж/кг и температурой слоя /сл = 1100 °С, получим, что удельная поверхность теплообмена, погруженная в слой, должна быть не больше 1,0 м2/МВт.

Для повышения температуры в надслоевом пространстве предлагается также повысить тепловое напряжение топочного пространства до 140-175 кВт/м3 [3] или до 700-800 кВт/м3 [4].

Уменьшение погруженной в кипящий слой поверхности теплообмена и повышение теплового напряжения топки сужает температурный диапазон устойчивой бесшлаковочной работы топки, особенно топок котлов коммунальных котельных, на которые в течение отопительного сезона могут поступать угли разной зольности и с разной температурой плавления золы.

Нами предлагается сжигать низкореакционные рядовые угли и штыб в полукипящем слое [5]. Под полукипящим нами понимается полидисперсный слой, мелкая фракция которого при продувании воздухом или газообразными продуктами сгорания псев-доожижается в промежутках между крупными частицами. Причем этими последними могут быть как крупные куски угля (при сжигании рядовых недроб-ленных углей, из которых не отбита крупная фракция), так и куски шлака, образовавшегося в процессе горения топлива и плавления золы. При сжигании в полукипящем слое можно отказаться от дробления и грохочения рядовых углей, повысить температуру слоя и температуру газов на выходе из него без опасности прекращения горения из-за шлакования слоя. Последнее обеспечивается при условии образования пористого, воздухопроницаемого шлака, для чего необходимо снизить «живое» сечение воздухораспределительной решетки и обеспечить тем самым контакт не холодного, а горячего дутьевого воздуха с образующимся шлаком [6].

Для исследования горения в полукипящем слое низкореакционных рядовых углей разработана экспериментальная воздухораспределительная решетка, представленная на рис. 2.

5

гг

+ ?

т

г охлаждающая вода г подаваемый воздух твердые частицы

Рис. 2. Экспериментальная воздухораспределительная решетка: 1 - воздухоприемный короб; 2 - штуцер подачи воздуха; 3 - воздухораспределительные сопла; 4 - воздухо-перераспределительные уголки; 5 - штуцера подачи воды в теплообменник; 6 - теплообменник. Внизу показана схема движения сред в воздухораспределительной решетке

1

Решетка устанавливалась в топочном объеме жа-ротрубно-дымогарного котла КВ-300. Доля «живого» сечения решетки в ходе опытов не менялась и была равна 1,8 %. Воздух в топку нагнетался дутьевым вентилятором со следующими характеристиками: напор - 3 кПа, производительность - 1350 м3/ч, мощность элетродвигателя - 2,2 кВт.

К низкореакционным относят тощие каменные угли, полуантрацит и антрацит. Для опытов был выбран полуантрацит рядовой донецкого месторождения. Из общей партии угля, поступившего на котельную, стандартными методами была отобрана порция угля, которая рассеивалась на ситах с последующим полным физико-химическим анализом фракций. Результаты этого анализа представлены в табл.1.

Таблица 1

Результаты физико-химического анализа фракций

низкореакционного угля

Наименование показателя Размер частиц топлива

менее 1 мм от 1 до 2 мм от 2 до 3 мм от 3 до 7 мм от 7 до 13 мм от 13 до 25 мм от 25 до 50 мм

Массовая доля фракции, % 8,3 14,5 29,0 8,9 24,4 12,4 2,5

Зольность рабочей массы, % 29,0 25,0 22,0 24,0 17,0 8,0 5,0

Влажность рабочей массы, % 3,7 3,3 2,8 2,5 2,5 2,6 2,7

Содержание летучих веществ, % 9,0 9,0 9,3 9,0 8,5 7,0 9,0

Содержание азота, % 1,1 0,9 0,9 1,1 1,0 0,9 1,2

Содержание серы, % 0,3 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2

Как видно из табл.1, уголь более чем на 60 % состоял из частиц топлива, которые можно отнести к «штыбной» фракции, причем именно эти частицы имели наибольшую зольность. Среднее для пробы топлива значение его низшей теплотворной способности было 25,3 МДж/кг.

Показатели работы топки с полукипящим слоем и котла в целом определялись в соответствии с ОСТ 10.31.4-86 «Испытания сельскохозяйственной техники. Паровые котлы. Программа и методика испытаний» (табл. 2).

В ходе исследований было установлено, что потери тепла с уносом составляют от 2,0 до 2,8 %, причем они уменьшаются с ростом мощности топки. В уносе же 65 % составляют частицы размером менее 0,5 мм, их зольность достигает 45-55 %. Зольность частиц большего размера ниже и приближается к зольности исходного угля. Однако, учитывая малые

значения потерь тепла с уносом, решать вопрос возврата уноса на дожигание представляется нецелесообразным. Шлак от сжигания полуантрацита в полукипящем слое на 28 % состоял из кусочков размером от 14 до 27 мм, на 18 % из кусочков размером от 7 до 14 мм и на 18 % из кусочков размером от 27 до 50 мм. Остальное составляли частицы золы и шлака меньшего размера.

Таблица 2

Показатели работы топки с полукипящим слоем

№ Показатель Режим

п/п 1 2 3

1 Паропроизводительность, кг/ч 174 210 300

2 То же по нормальному пару, кг/ч 172 207 296

3 Часовой расход топлива, кг/ч 25 30 43

4 Часовой расход условного топлива, кг/ч 23 27,5 39,5

5 Теплопроизводительность, кВт 124,4 150 214

6 Удельный расход условного топлива, кг/кВт 0,18 0,18 0,18

7 КПД котла, % 69,9 66,9 70

8 КПД топки, % 88,9 88,1 88,85

10 Потери тепла, %

- с уходящими газами 10,5 12,7 8,19

- от химического недожога 0,06 0,05 0,05

- от механического недожога 10,5 11,4 11,0

- в окружающую среду 3,0 3,0 3.0

- с физическим теплом шлака 6,0 6,0 6,0

11 Коэффициент избытка воздуха в топке 1,48 1,48 1,6

12 Мощность топки, кВт 187 225 322

13 Тепловое напряжение топки, кВт/м3 328 394 565

Таким образом, было показано, что при сжигании в полукипящем слое рядового полуантрацита можно достичь приемлемых потерь тепла от механического недожога без дробления и сортировки топлива. При этом возможно сохранение ручного обслуживания котлов, что особо важно при переводе на сжигание низкореакционных рядовых углей и штыба действующих коммунальных котельных, в которых отсутствуют площади для установки средств механизации топочного процесса, отсутствует квалифицированный персонал для их обслуживания и финансовые средства на их приобретение.

Для реализации сжигания низкореакционных и углей и штыба нами разработан стальной горизонтальный жаротрубно-дымогарный котел с топкой полукипящего слоя, схема которого представлена на рис. 3. Котел имеет три хода по дымовым газам, что обеспечивает глубокое использование содержащего-

ся в них тепла. Конвективная поверхность нагрева котла выполнена из прямых труб диаметром 57 мм, что позволяет легко очищать их от золовых отложений через съемные люки. Котел выпускается тепло-производительностью 700, 1000 и 1500 кВт, укомплектован вентилятором высокого давления, манометром и необходимой запорной арматурой. Удельная площадь поверхности жаровой трубы, соприкасающейся со слоем составляет для котла мощностью 0,7 МВт - 1,0 м2/МВт, для котла мощностью 1 МВт - 0,85 м2/МВт, для котла мощностью 1,5 МВт -0,5 м2/МВт. Тепловое напряжение топки составляет при номинальной мощности не менее 470 кВт/м3. То есть при проектировании котла выполнены все выше сформулированные условия для дожигания уноса низкореакционных углей в надслоевом пространстве топки и снижения тем самым потерь тепла с уносом. Котлы сертифицированы, их мелкосерийное производство организовано на одном из предприятий Тамбовской области.

ч К

\5n4 N3 2 1 N1

"14

Рис. 3. Схема котла: 1 - корпус котла; 2 - жаровая труба; 3 - воздухораспределитель; 4 - дренаж; 5 - воздуховод; 6 - дверца; 7, 11 - поворотные камеры (задняя, передняя); 8, 15 - выход и вход воды; 9 - водоподъемные трубы; 10 - дымогарные трубы второго хода; 12 - дымоход (третий ход дымовых газов); 13 - дымогарные трубы первого хода

Совместно с муниципальным унитарным предприятием «Управление коммунальных котельных и тепловых сетей» г. Гуково Ростовской области были проведены предварительные испытания разработанного нами котла мощностью 700 кВт на антрацитовом штыбе, имеющем следующие характеристики: низшая теплотворная способность 21,78 МДж/кг; рабочая зольность 30 %; влажность рабочей массы 9 %; содержание летучих веществ 6 %; содержание серы 2 %. Было получено, что КПД котла составляет

78,6 % при ручном обслуживании, причем потери тепла с уходящими газами составили 10,36 %, потери тепла от механической неполноты сгорания -3,96 %, потери тепла от химической неполноты сгорания 0,18 %. Химический состав уходящих дымовых газов определялся с помощью газоанализатора «Те8Ю-33». Коэффициент избытка воздуха за котлом (средний за опыт) составил 1,79; содержание кислорода в уходящих газах (среднее за опыт) составило 8,78 %, содержание углекислого газа - 10,78 %, содержание окиси углерода - 547,5 мг/м3 (при предельно допустимом значении по ГОСТ 10617-83 -750 мг/м3), содержание окислов азота - 104,25 мг/м3 (при предельно допустимом значении - 750 мг/м3). По результатам испытаний экспертная группа, образованная указанием администрации Ростовской области, рекомендовала опытное внедрение разработанного нами котла в коммунальных котельных г. Гуково.

В настоящее время проводится комплекс работ по внедрению первого котла теплопроизводительностью 1 МВт.

Литература

1. Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Опыт внедрения топок кипящего слоя в Донбассе // Тез. докл. Всесоюз. конф. «Состояние и развитие техники псевдоожижения: Материалы и рекомендации». Черкассы, 1989. С. 15-24.

2. Скрипко В.Я., Кучин Г.П., Шевченко Р.Н., Бервицкий С.А. Сжигание антрацитового штыба в топке кипящего слоя котла ННИСТу-5 //Проблемы тепло- и массообмена в современной технологии сжигания и газификации твердого топлива: Материалы Междунар. школы-семинара (27 мая -3 июня 1988 г.). Минск, 1988. Ч.1. С. 79-82.

3. Кем Бен Гер. О горении уноса в надслоевом пространстве топки с низкотемпературным кипящим слоем // Проблемы тепло- и массообмена в современной технологии сжигания и газификации твердого топлива: Материалы Междунар. школы-семинара (27 мая - 3 июня 1988 г.). Минск, 1988. Ч. 1. С. 70-74.

4. Семененко Н.А., Сидельковский Л.Н., Шварцман М.З. Высокопроизводительная полугазовая топка с «кипящим» слоем // Промышленная энергетика. 1947. № 5. С. 1-5.

5. Патент РФ № 2029200 F 24 H 1/20. Способ сжигания недробленого угля в полукипящем слое. 20.02.95 Бюл. № 5.

6. Шретер В.Н. Паровые котлы. М.; Л., 1938. С. 66.

Тамбовский государственный технический университет, Ассоциация КАРТЭК, г. Москва,

Московская государственная академия тонкой химической технологии

29 мая 2003 г.

12