CC BY
170
УДК 563.7
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЩИХ НА ОРГАНИЗАЦИЮ И ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ
© 2015
Ю. Ю. Власова, бакалавр Л. Н. Козина, старший преподаватель кафедры «Энергетические машины и системы управления» А. М. Дзюбан, доцент кафедры «Энергетические машины и системы управления»
П. П. Каськаев, бакалавр
Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
Аннотация. Твердое топливо - горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. В основном твердое топливо применяется для получения теплоты и других видов энергии, которые затрачиваются на получение механической работы. Кроме того, из твердого топлива при его соответствующей обработке (перегонке) можно получить более 300 различных химических соединений. Большое значение имеет переработка бурого угля в ценные виды жидкого топлива - бензин и керосин. В настоящее время угольная энергетика занимает во многих странах преимущественное место в теплоэнергетике и это стимулирует развитие и совершенствование технологий угледобычи и углепотребления в целом. Энергетическая стратегия России в период до 2020 г. предполагает постепенное увеличение доли угля в топливно-энергетическом балансе страны.
Для оценки эффективности использования топлив в парогенераторах важными теплотехническими характеристиками топлив являются: содержание и состав минеральных примесей, влажность, выход летучих, свойства коксового остатка и величина теплоты сгорания. По элементарному составу мы можем предварительно котельную установку.
Огромный интерес представляет на этих ТЭЦ оборудование, предназначенное для сжигания твердого топлива в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). Создана необходимость производить отбор и утилизацию отходов непосредственно на самих мусорных полигонах. Преимущества очевидны: множество огромных мусорных полигонов для переработки отходов, не требуется основание новых мусорных полигонов (экология), не требуется доставка мусора на дальние расстояния (экономия), рентабельность и самоокупаемость переработки отходов.
Ключевые слова: котельные установки, пиролиз, твердое топливо, факельное горение, циркулирующий кипящий слой.
На данный момент существующих запасов нефти в России хватит примерно на 25 лет. Остро встает вопрос об использовании альтернативных видов топлива, одним из которых является твердое топливо.
Цель: провести анализ фактов, влияющих на организацию процесса переработки твердого топлива в промышленных условиях.
Состав и свойства горения твердого топлива у каждого своеобразные, это вынуждает разработчиков котельных установок разрабатывать их в различных видах и модификациях, для каждого месторождения. То есть каждому месторождению угля свой вид и модификация котельной установки. При наличии в стране огромных месторождений твердого топлива, его не использование в промышленных масштабах вряд ли может быть оправданным.
При рассмотрении перспектив использования твердого топлива, в частности, для энергоблоков нового поколения, одним из основных вопросов является его эффективное сжигание. Под последним в первую очередь понимается выполнение двух
требований: сжигание должно быть полным, то есть экономичным, и оно не должно приводить к высоким выбросам вредных веществ (в первую очередь оксидов серы и азота). Длительное время для сжигания использовался и продолжает использоваться так называемый факельный метод, при котором смесь мелкоразмолотого угля и горячего воздуха непрерывно подается в зону горения, поддерживая горящий факел, являющийся источником лучистой и тепловой энергии для нагрева рабочего тела. Для выполнения указанных выше требований разработан и внедрен в практику целый ряд режимных и конструктивных мероприятий, которые тем не менее не могут решить проблему в полной мере. Поэтому последние 15 лет ведутся поиски экологически чистых технологий сжигания широкой гаммы твердого топлива, особенно энергетического твердого топлива низкого качества и биомассы при совместном сжигании. В числе таких технологий технология сжигания твердых видов топлива в циркулирующем кипящем слое при атмосферном давлении.
Для оценки эффективности использования
топлив в парогенераторах важными теплотехническими характеристиками топлив являются: содержание и состав минеральных примесей, влажность, выход летучих, свойства коксового остатка и величина теплоты сгорания. По элементарному составу мы можем предварительно подобрать котельную установку.
На данный момент в России используется в основном факельное сжигание [1]. Факельный способ сжигания твердого топлива производится преимущественно в мощных энергетических котлах. Для сжигания в факеле размолотое до пылевидного состояния и предварительно подсушенное твердое топливо подают с частью воздуха (первичного) через горелки в топку. Остальную часть воздуха (вторичный) вводят в зону горения чаще всего через те же горелки или через специальные сопла. В топке пылевидное топливо горит во взвешенном состоянии в системе взаимодействующих газовоздушных потоков, перемещающихся в ее объеме. При большем измельчении топлива значительно возрастает площадь реагирующей поверхности, а следовательно, и химических реакций горения.
По условиям смесеобразования в горящем факеле топочная камера может быть разделена на две зоны. В качестве критерия такого разделения предлагается структура поля скоростей в топочной камере. В первой зоне поле скоростей имеет значительные локальные неравномерности, что обусловлено горением не-смешивающихся факелов отдельных горелок. Во второй зоне эти неравномерности незначительны, что объясняется накладкой факелов отдельных горелок, их
Огромный интерес представляет использование оборудования, предназначенного для сжигания твердого топлива в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). В таблице 1 дано сравнение характеристик по газовым выбросам котлов, использующих сжигание в ЦКС, и факельное сжигание каменных и бурых углей.
Эта технология обладает рядом важных преимуществ по сравнению с применяемым в России традиционным факельным сжиганием:
- возможность эффективного сжигания низкокалорийных, высокозольных топлив, а также топлив с малым выходом летучих веществ;
- возможность сжигания топлив различного качества в одном и том же котле;
- возможность эффективного связывания оксидов серы путем относительнодешевого способа подачи известняка в топку;
- низкие выбросы оксидов азота без использования специальных средств азотоочистки;
- маневренность котлоагрегата, способного работать с полезной нагрузкой, составляющей -(100-20) % от установленной мощности;
- высокая заводская готовность и надежность;
- выполнение жестких требований по выбросам вредных веществ.
Рассмотрим использование ступенчатого сжигания твердых топлив.
Экспериментальные котельные установки, использующие ступенчатое сжигание, установлены (таблица 2) на: Новосибирской ТЭЦ-5, Красноярской ТЭЦ-2, Кемеровской ГРЭС [2].
Наряду с прямым сжиганием древесины и отходов (резина, твердые осадки сточных вод и др.) применяется пиролиз - сжигание смешанных с воздухом пиролизных газов, образующихся в результате температурного разложения древесины в отсутствие воздуха. Главные преимущества этой технологии - большая продолжительность горения одной загрузки и отсутствие необходимости в дорогих устройствах очистки дымовых газов.
В настоящее время в России стоит экологическая проблема по утилизации со свалок мусора.
Так как в стране нас, жителей, не приучают к селективности отходов, то на городские и поселковые свалки приходят отходы в смешанном виде. На мой взгляд, стоит необходимость производить отбор и утилизацию отходов непосредственно на самих мусорных полигонах.
Преимущества очевидны:
- уже есть множество огромных мусорных полигонов для переработки отходов;
- не требуется основание новых мусорных полигонов (экология);
- не требуется доставка мусора на дальние расстояния (экономия);
- рентабельность и самоокупаемость переработки отходов.
Переработку отходов должны производить сами субъекты РФ и отдельные фирмы на отечественном оборудовании, которое сейчас присутствует на рынке. Отечественное оборудование в разы дешевле иностранного, и нам требуется вводить утилизацию отходов на всех больших мусорных полигонах.
взаимодействием (рисунок 1).
—> —> Ч 1
—> Зона 1 3 она 2
Рисунок 1 - Взаимодействие факелов в горизонтальной топке котла
Одним из вариантов экономии топлива является применение печей или котлов длительного горения. На одной заправке топливом они работают гораздо дольше других видов отопительных устройств. К печам длительного горения относятся пиролизные печи. В основе действия таких печей лежит принцип пиролиза - термического разложения органических веществ (в нашем случае топлива) на твердые остатки и пиролизные газы при недостатке кислорода. После чего полученный пиролизный газ при высокой температуре смешивается с воздухом (кислородом), что способствует почти полному сгоранию топлива и самого газа. Если на промежуточном этапе отделить твердые остатки, то получится готовое производство угля (кокса) - углевыжигательная печь. Но нам это не нужно, мы рассмотрим данный процесс с точки зрения обогрева помещений.
А основной обогрев получается за счет выделения тепла при сгорании полученного газа, смешанного с воздухом.
У печей такого типа имеется ряд преимуществ. Перечислим основные:
- высокая экономичность печи за счет более полного и длительного сгорания топлива;
- экологически безопасная. В выходящих из дымохода продуктах сгорания очень мала доля вредных и грязных веществ. Практически, это небольшая доля СО и остальное - пар. Данные печи называются бездымные именно по этой причине. Как следствие -чистый дымоход и отсутствие сажи. Конечно, все это верно при использовании обычных дров или угля;
- достаточно быстрый нагрев топлива;
- более высокий КПД (до 85 %), чем у обычных печей;
- большой интервал тепловой мощности - печь может работать в диапазоне от 5 до 100 % мощности;
- возможность подключения любого контура отопления (с естественной и принудительной, для отопления и для отбора горячей воды для хозяйственных нужд);
- возможно применение различных видов топлива, как твердого (вплоть до сырых дров, мусора и автомобильных покрышек), так и жидкого (существуют модели для сжигания машинного масла - отработки);
- минимальный контроль человека - загрузка топливом раз в сутки и редкая выгрузка золы без останова печи.
Несмотря на многочисленные достоинства, у данных печей есть и ряд недостатков:
- достаточно большие по размерам;
- необходимо наличие площадки для складирования топлива;
- при сжигании мусора, различных отходов, все-таки присутствуют запахи и примеси при сжигании.
Поэтому при планировании сжигания отходов следует продумать систему вентиляции в помещении с печью;
- для наличия хорошо работающей системы желательна установка вентиляторов в печь (котел) и насосов (в систему отопления), а это влечет за собой зависимость от электросети;
- скапливание конденсата в выходном канале и дымоходе. Обусловлено это низкой температурой выходящих отходящих газов. Как правило, для сбора конденсата в конструкции предусматривают накопитель. Из-за конденсата выходная труба с дымоходом должны быть большого диаметра или сечения, и утеплены на улице - во избежание застывания конденсата при морозах.
Установка пиролиза «Шах» имеет универсальность, позволяет перерабатывать твердое углеводородное сырье в синтетическое жидкое топливо. Сырьем для переработки может быть: низкокачественный уголь, битумозный торф, отработанные шины, нефтешламы, тяжелое котельное топливо, отходы пластмассы, отходы предприятий. Синтетическое жидкое топливо может являться сырьем для получения качественного бензина и дизельного топлива (2).
Мониторинг рынка показывает, что в ближайшее время потребность в таком виде топлива может составить от 5 до 10 млн тонн в год.
В любых вариантах сырья одновременно получаются на выходе твердые, газообразные и жидкие продукты сложного состава, в большей мере предопределенного элементным составом исходного сырья. Выход и состав жидких продуктом в большой мере зависит от сырья. С ростом атомарного отношения водород/углерод значительно увеличивается доля органической массы, переходящая в жидкий продукт. Как пример: у гумусовых углей степень перехода органической массы в жидкость не превышает 20-30 %, у сапропелитовых углей и сланца она достигает 70-80 %.
Технология переработки углеводородного сырья и топлива основана на нагреве без доступа кислорода до температуры 450-550 град. С (низкотемпературный пиролиз). Если сырье просто нагревать на открытом воздухе, то оно сначала будет тлеть, а затем загорится. Если же его нагревать без доступа кислорода, то не будет условий для горения, а, соответственно под действием температуры будут происходить сложные химические процессы распада, на те основные компоненты, из которых оно было сделано, а это обычные нефтяные фракции. При этом из-за высокой температуры эти фракции сразу же и выпариваются. В этот момент эти фракции нужно выбрать и сконденсировать, получив их в обычном жидком виде, а неконденсируемый пиролизный газ и твердый остаток направляется в топку реактора, где сжигается для поддержания процесса.
Таблица 1 - Равнение характеристик по газовым выбросам котлов использующих сжигание в ЦКС и факельное
сжигание каменных и бурых углей
Наименование ЦКС Факельное
каменный бурый каменный бурый
Содержание О2, % 7 7 6 6
^х. мг/нм3 технологические методы горелки с низким ^х, каталитическая очистка < 200 < 200 800-1 300 300-500 200 500-800 200
SO2, мг/нм3 без очистки 200-400 S=1 % 200-400 S=2,5 % 800-1 300 1 200
С мокрой сероочисткой 200 200
Отношение Ca/S 2,7-1,7 2,5-1,5 1,05 1,05
CO, мг/нм3 100-200 20-30 20-50 130-180
Связывание хлора, % 20-50 20-50 90 90
Связывание фтора, % 90 90 60 60
Таблица 2 - Экспериментальные котельные установки, использующие ступенчатое сжигание
Действующие энергоблоки
Тип энергоблока К-800 К-5800 К-3800 К-2800
Мощность, МВт 800 500 300 200
Расчетный КПД, % 39,0 38,5 38,5 37
Выброс золы, мг/м3 400-1 000 400-1 000 400-1 000 400-1 000
Выбросы SO2, мг/м3 2 000 2 000 2 000 2 000
Выбросы NOx, мг/м3 700 1 100 1 100-1 300 700
Перспективные блоки
Мощность, МВт 800-1 000 550-650 350 225
Способ сжигания Пылевое Пылевое Пылевое ЦКС Пылевое ЦКС
Расчетный КПД, % 50-57 50-57 50-57 50-57 50-57 50-57
Выброс золы, мг/м3 50-100 50-100 50-100 50-100 50-100 50-100
Выбросы SO2, мг/м3 200-400 200-400 200-400 200-400 200-400 200-400
Выбросы NOx, мг/м3 200-350 200-400 400 400 400 400
Установка пиролиза «Шах» может использоваться для проведения следующих технологических процессов:
- использоваться для процесса пиролиза углеводородного сырья с максимальным выходом жидких топлив, температура пиролиза 360-550 °С;
- использоваться для процесса пиролиза углеводородного сырья с максимальным выходом газообразных топлив, температура пиролиза 750-800 °С. Для технологии получения электроэнергии или процессов получения синтез-газа;
- проведение процесса пиролиза при атмосферном давлении или в вакууме;
Рисунок 2 - Установка пиролиза «ШАХ» с плазмотронным модулем для мини-заводов высокотемпературного пиролиза
- использоваться для принудительной сушки при атмосферном давлении или в вакууме раздробленных материалов: уголь, сланцы, торф, твердые бытовые отходы, опилки, тепа, липши.
Выводы:
1. В наше время возникла реальная потребность в экологически чистых установках. Необходимо форсировать создание опытно-промышленных установок, использующих ступенчатое сжигание, сжигание в циркуляционном кипящем слое. Энергетика России стоит перед необходимостью полного перевооружения энергооборудования электростанций.
2. При внедрении мусороперерабатывающих заводов на основе сжигания в пиролизе мы сможем улудшить экологическую обстановку в стране
разгрузить и очистить мусорные полигоны, поднять экономику регионов, создав рабочие места, и получить доход от продаваемого топлива и других продуктов, полученных от переработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М. : Энергоиздат, 1982. 224 с.
2. Хайруллин И. Д., Закиров Д. Д. Положительные аспекты внедрения технологий отопления с применением тепловых насосов. 1999. № 3. С. 27-28.
3. [Электронный ресурс]. Электрон.ст. Режим доступа к странице: http://stuopedia.org/2-125656.html.
4. [Электронный ресурс]. - Электрон.ст. - Режим доступа к странице: http://teplo.guru/pechi/ piroliznye/piroliznaya-pech.html.
ANALYSIS OF FACTORS INFLUENCING THE ORGANIZATION AND ESPECIALLY FOR SOLID FUEL
COMBUSTION IN INDUSTRIAL ENVIRONMENTS
© 2015
J. J. Vlasova, bachelor L. N. Kozina, assistant professor of the chair «Energy machines and control systems» A. M. Dzyuban, associate professor of the chair «Energy machines and control systems»
P. P. Kaskaev, bachelor Togliatti State University, Togliatti (Russia)
Annotation. Solid fuels - combustibles, the main component of which is carbon. Mostly solid fuels used to produce heat and other forms of energy that are expended on obtaining mechanical work. Furthermore, of the solid fuel at its proper processing (distillation) it is possible to get more than 300 different chemical compounds. Of great importance is the processing of brown coal into valuable liquid fuels - gasoline and kerosene. Currently, the coal power industry is in many countries a preferential place in the power system and it stimulates the development and improvement of technologies of coal mining and preparable in general. Russia's energy strategy in the period up to 2020 involves a gradual increase in the share of coal in the energy balance of the country.
To assess the effectiveness of the use of fuels in steam generators important thermal characteristics of fuels are: the content and composition of mineral impurities, moisture, volatile, properties of the coke residue and the amount of the heat of combustion. In elementary composition we can pre-boiler system.
There is a huge interest in these CHP equipment designed for solid fuel combustion in a circulating fluidized bed (CFB). Created the need to make selection and disposal of wastes directly on the landfills. The advantages are obvious: a lot of huge landfills for recycling, does not require the establishment of new landfill sites (environment), do not require shipments of waste over long distances (economy), profitability and sustainability of recycling.
Keywords: solid fuel burning torch, the circulating fluidized bed pyrolysis, boiler installation.
