Модели поведения углей при разных способах его сжигания и их применение Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Энергетика

УДК 621.1

Дорфман Горячих Батухтин

Юрий Валентинович Наталья Викторовна Андрей Геннадьевич Yury Dorfman Natalia Goryachikh Audrey Batukhtin

МОДЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ УГЛЕЙ ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ ЕГО СЖИГАНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

MODELS OF CONDUCT OF COALS WITH DIFFERENT BURNING REGIMES AND THEIR APPLICATION

Рассмотрены модели поведения углей при различных способах сжигания (слоевое сжигание, сжигание углей в топках с НТКС, факельное сжигание). Представлены зависимости, определяющие изменение выбросов вредных веществ для каждого из способов сжигания углей. Рассматривается возможность значительного снижения выбросов вредных веществ при распределении нагрузки между котельными агрегатами

Ключевые слова: котельный агрегат, слоевое сжигание, низкотемпературный кипящий слой, факельное сжигание, концентрация вредных выбросов

The authors consider the conduct of coals in different burning regimes (layer burning, burning of coals in fire chambers with low temperature boiling layer, torch burning). Factors determining the change in harmful substances emission with every particular method of coal burning are also described. Proper distribution of the working load among the boiler units might result in a considerable decrease of harmful emissions

Key words.'boiler unit, layer burning, low temperature boiling layer, torch burning, concentration of harmful emissions

Статья подготовлена в рамках Федеральной целевой программы <<Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (Госконтракт М 02.740.11.0028)

Значительная доля вредных выбросов приходится на тепловые электростанции и котельные, сжигающие твёрдое топливо, преимущественно угли. Основная масса

загрязнителей приходится на крупные котлы ТЭС. Котлы средней и малой мощности, расположенные в пределах городов, отличаются низкими экологическими показателями, оборудованы недостаточно высокими дымовыми трубами, в результате чего именно они во многом определяют уровень приземной концентрации токсичных веществ.

Газоочистные сооружения, как и способы, связанные с конструктивными из-

менениями агрегата, как правило, дороги и поэтому не всегда экономически оправданы. Поэтому большее распространение получают малозатратные режимные методы снижения выбросов загрязняющих веществ. К таким способам можно отнести использование цеолитов.

В настоящее время нет универсальных моделей поведения углей и других топлив и обоснованной системы их классификации. Это, во-первых, связано с многообразием и отличием по свойствам углей разных месторождений. Во-вторых, имеются различные варианты процессов использования углей (сжигание, углеобогащение, получение кокса, производство синтетического топлива, газификация и др.) с соответствующими наборами детерминирующих характеристик топлив.

Рассмотрим котельную установку как «черный ящик», на входе которого меняются величины тепловой нагрузки и расхода воздуха, а на выходе получаем изменение количества оксидов азота, окиси углерода и избыток воздуха.

На основании экспериментальных данных получены две системы уравнений, характеризующие изменение выбросов вредных веществ:

в приращениях:

АМР = 91810 * АР~3,

Р (1) АСР = -4,873 * 1053 * Р~40'3 * АР;

в абсолютных величинах:

N = 291,8 - 45905 * Р-2,

\ср = 273,7 +1,24 * 1052 * Р-393.

Нормативные материалы по организации сжигания касаются преимущественно типовых схем слоевого и пылеугольного топочного процесса. Рекомендаций для кипящего слоя по учету влияния характеристик углей, особенностям поведения топливных частиц, эффективности выгорания и организации низкотемпературного топочного процесса с наличием больших масс инертного заполнителя практически нет. Соответственно здесь для обоснования концепции НТКС требуются специальные исследования.

Установлено, что топочное устройство кипящего слоя имеет две предельные области тепловых режимов устойчивой бес-шлаковой работы — режим автотермичес-кой газификации угля в слое (повышенная концентрация горючих веществ) и режим сжигания угля при повышенных избытках воздуха (пониженная концентрация горючих веществ).

Промежуточные области тепловых режимов устойчивой работы кипящего слоя при низких температурах возможны при принудительной организации эндотермических процессов с помощью впрыска воды или водосодержащих смесей в слой, подачи охлажденных инертных материалов в слой (рециркуляции твердых материалов), рециркуляции газообразных продуктов сгорания и т.п. Однако из перечисленных методов наибольшим эффектом будут обладать те из них, которые не только предотвратят шлакование слоя, но и приведут к перераспределению энергии между кипящим слоем и надслоевым пространством без увеличения потерь тепла с механическим недожогом.

Регулирование температуры кипящего слоя с помощью впрыска воды является таким методом. В случае использования для этих целей воды, загрязненной органическими примесями — угольными частицами, маслами, мазутами, нефтью и т.п. — может быть получен существенный дополнительный эффект, поскольку в этом случае решается и еще одна сторона экологической задачи — обезвреживание загрязненных вод. Возможность сжигания высокозольного топлива в низкотемпературном кипящем слое обусловлена устойчивостью тепловых режимов горения при малых концентрациях горючих веществ в слое. Это позволяет использовать в качестве топлива не только забалластированные угли, промпродукты, углеотходы, сланцы, но и одновременно вводить в кипящий слой известняк, доломит, мел для предотвращения выбросов в атмосферу оксидов серы. Сжигание топлива при низких температурах одновременно уменьшает концентрацию оксидов азота в дымовых газах.

Гарантия высокой полноты сгорания высокобалластового топлива при температурах 850...950 С обеспечивается увеличением времени пребывания частиц в реакционной гоне. Нижний предел температур ограничен возможным образованием оксида углерода.

Важнейшим параметром процесса горения является скорость пли длительность озоления частицы топлива. От значения этого параметра зависят величины допустимых тепловых напряжений и размеры топки, КПД процесса, температура частиц кипящего слоя. Известны работы, посвященные воспламенению, скорости горения или газификации частиц зольного угля. Практически во всех работах эксперименты проведены на частицах малых размеров, и полученные результаты можно экстраполировать в область больших размеров с достаточной осторожностью.

Определение времени сгорания частиц высокозольного топлива осложняется тем, что практически невозможно использовать известные методики, ориентированные, как правило, на малозольные пли мелкодисперсные угли.

Можно выделить следующие стадии горения частицы:

1) прогрев частиц до начала воспламенения летучих веществ;

2) горение летучих веществ в газовой фазе за пределами относительно холодной частицы;

3) разогрев коксового остатка по завершении пламенного горения летучих;

4) выгорание коксового остатка в ква-зистационарном режиме.

Очевидно, что выделение стадий для условий горения более крупных частиц в форсированном (высокоскоростном) кипящем слое инертного материала должно иметь иной характер. В частности, нельзя исключать стадию испарения влаги из крупных частиц. Кроме того, в высокоскоростном кипящем слое не наблюдается отдельных пламен при горении летучих веществ.

Закономерности выхода и горения летучих веществ после поступления топлива в кипящий слой инертного материала важны

не только для расчетных оценок, но имеют и практическое значение, поскольку от динамики этих процессов зависят избыток окислителя, температурные режимы розжига слоя и подогрева вторичного дутья, образование из азотистых соединений (входящих в состав летучих) оксидов азота и выброс их и оксидов углерода в надслоевое пространство топочного устройства. Роль летучих веществ в общем развитии процесса горения одиночной частицы топлива при низких скоростях окислителя может быть двойственной — как активизатора всего процесса за счет повышения температуры частицы при горении летучих, с одной стороны, а с другой, — как фактора, препятствующего транспорту кислорода к углеродной поверхности частицы топлива.

По иному развивается эта стадия процесса горения частицы высокозольного топлива в кипящем слое инертного материала при высокой скорости дутья. Можно предположить, что в этом случае летучие вещества будут транспортированы смесью газов от частицы в верхнюю зону кипящего слоя, и процесс их горения будет подобен процессу сгорания газа в слое инертного материала. Влияние на процесс при этом может иметь и состав летучих веществ.

Длительность сгорания частиц высокозольного топлива тс зависит от суммы длительностей следующих друг за другом стадий: т1 — испарения влаги; т2 — прогрева частицы от завершения испарения влаги до начала удаления летучих веществ; т3 — прогрева коксового остатка от завершения выделения основной массы летучих веществ до начала реагирования коксового остатка с окислителями; т — озоления коксового остатка.

Относительная продолжительность каждой стадии зависит от природы угля (степени метаморфизма, пористости, выхода летучих и т.д.) и размера частиц. Выгорание коксового остатка занимает наибольшую долю (порядка 90 %) во всем времени горения частицы и так же, как и время испарения влаги, наиболее трудно для расчета.

Существует ряд математических моде-

лей, наиболее полно описывающих горение частицы топлива в котлах малой и средней производительности с топками НТКС.

Для характеристики и всестороннего расчета работы топки котла малой и сред-

Д0 = 3,91 • В0’08

ней производительности с топкой НТКС были получены зависимости выходных параметров от входных. Данные зависимости были сведены в систему уравнений [1, 2]:

•АБ +11,31 • Р^’17 • АР2;

АБ +12,95 • Р^1 • АР2 + 0,3472 • ї

16,3

-0,72

Аї;

(3)

АС = 12740 • В-2 АБ - 983245 • Р-16’3 • АР;

2

М = 36785,8 • В-3 АБ + 2,39 • Р.

0,67

АР2;

Аа = 3,12• 10-4 • Р26’51 •АР

2 .

Полученные уравнения значительно проще традиционных универсальных формул расчёта концентраций и могут быть легко выведены из результатов испытаний. Комплексное решение описанной системы уравнений довольно сложно, поскольку очевидна сложноподчиненная зависимость одних показателей от других.

Рассматривая модель котла с факельным сжиганием как генератора вредных выбросов, можно определить обобщённую формулу расчёта концентрации оксидов серы:

С502 = 12.2 • 5

п

ат

033

+1

в 1

+1

Vво 33 ,

,(4)

где Яп — приведённая сернистость, %*кг/ МДж;

ат — коэффициент избытка воздуха в топке;

С — паровая нагрузка котла, т/ч;

С0 — номинальная паровая нагрузка данного котла, т/ч.

Расчёт концентрации оксидов азота в уходящих газах проводится по формуле

(1-ат) А

+ С,

(5)

где эмпирические коэффициенты А = 20-С/20;В = С/35;С=1,8.

Как видно из формул, зависимость эмиссии оксидов серы имеет преимущественно линейный характер, а эмиссия оксидов азота подчиняется экспоненциальному закону, что связано с тем, что выход воздушных оксидов существенным образом зависит от температуры в ядре горения. Полученные формулы отличаются прием-

лемой точностью и могут быть использованы для быстрого расчёта концентраций при изменении режимных параметров.

Таким образом, используя методику поведения углей при различных способах сжигания углей, возможно отследить выбросы вредных веществ, применяя полученную систему уравнений изменения выбросов. Значительное снижение выбросов вредных веществ возможно при распределении нагрузки между котельными агрегатами. Зная требуемую суммарную нагрузку, ее можно распределить между всеми или несколькими котельными установками, добившись минимальных суммарных выбросов вредных веществ, при этом учитывая как противоречивый характер возникновения оксидов азота и окиси углерода, так и изменение коэффициента полезного действия. В простейшем случае (например, на отопительных котельных), пользуясь ярко выраженной нелинейной зависимостью выхода оксидов азота от нагрузки, можно одинаково нагружать несколько котлов, останавливая остальные.

Если все котлы на электростанции или котельной одной марки или, по крайней мере, обладают сходными параметрами, то и приведенные зависимости у них будут сходными. Если котлы были реконструированы, то их зависимости могут значительно отличаться от соответствующих зависимостей нереконструированных агрегатов. В последнем случае имеет смысл распределять нагрузку как внутри группы котлов, так и между группами. Распределение нагрузки между котельными установками не

3

уменьшает концентрацию вредных веществ на выходе из отдельных котлов, а позволяет снизить суммарные выбросы без каких-либо дополнительных конструктивных нововведений и без изменений режима работы отдельных котлов.

В случае, если зависимость выхода оксидов азота от нагрузки линейна или близка к линейной, распределение не даст требуемого эффекта, и котлы могут работать на любом диапазоне нагрузок. Если зависимость не линейна, то в таком случае необходимо найти наилучший и наихудший с точки зрения экологизации режимы работы.

С точки зрения оптимальной экологизации требуется максимально нагружать котельный агрегат с наилучшими экологическими характеристиками. В то же время худшим режимом работы будет такой, при котором нагрузки распределены равномерно или близко к равномерному. Эта критическая точка зависит от кривизны характеристик всех котлов. Ее следует избегать.

После определения оптимального распределения нагрузки следует заняться более тонкой настройкой режима путем изменения расхода воздуха. Перед оптимизацией необходимо знать все коэффициенты для каждого котельного агрегата. Кроме того, задаётся общая нагрузка на всю станцию, котельную или часть котлов, среди которых её и следует распределить. Первым шагом определяем относительную экологичность котлов. Критерием является значение интеграла функций сравниваемых котлов, т.е.

I = 1 , (6)

N 1П*

где N и М — соответственно верхняя и нижняя границы рабочего диапазона;

^ — интервал между верхней и нижней границами рабочего диапазона соответствующего котла.

При расчёте интегралов для разных установок пределы интегрирования следует брать постоянными, что рекомендуется при максимальной разности между ними. Интервал же рассчитывается для каждого котлаиндивидуально [4].

Интегральный критерий позволяет определить знак площади результирующей функции. Чем выше значение переменной

I, тем менее экологичен котёл. Исходя из этого, котельные установки сортируются по убыванию их экологической эффективности. Далее определяем, на какое количество котлов следует распределить заданную нагрузку. При этом, согласно результатам проведённой сортировки, необходимо в первую очередь максимально нагружать котлы с меньшим значением.

Основой расчёта является распределение нагрузки между парой котлов. Предварительно задав значения для остальных агрегатов, находим нагрузку для этой расчётной пары. Зная минимальный и максимальный пределы рабочего диапазона для каждого агрегата, определяем наилучший и наихудший способы распределения по суммарному значению концентраций. Затем изменяем распределение нагрузки между данной парой и прочими котлами на определённую величину и снова рассчитываем. Все промежуточные расчётные значения фиксируются и в итоге расчёта сравниваются для определения рекомендуемого (оптимального с точки зрения экологизации) распределения и наихудшего, которого следует, по возможности, избегать.

Оценка экологического эффекта от применения данной методики может быть осуществлена на основе годовых расходов топлива, определенныхсогласно [3].

Помимо оптимизации распределения нагрузки между котлами, данные модели могут быть использованы при формировании более сложных зависимостей. Например, для определения влияния различных добавок к топливу на экологичность сжигания. Аддитивный способ снижения вредных выбросов, используемый в [5-7] для сравнительной оценки эффективности способов получения дополнительной мощности от турбоагрегатов ТЭЦ, основанный на применении цеолитсодержащего сырья забайкальских месторождений, характеризуется зависимостями, основанными на представленной модели. Для определения влияния присадки цеолитов Шивыртуйского место-

рождения на снижение концентрации N0 предложена следующая формула (7):

Ыр = (291,8 - 45905 * Р ~2 )• (1 - 0,033 • СЦ),

где С„ — доля цеолита.

Данная методика определения степени снижения вредных выбросов при применении малозатратной технологии с использованием цеолитов может быть применена

при приведении к одному экологическому эффекту различных инвестиционных проектов в энергетике. Особенно актуально это для приведения к одному экологическому эффекту проектов с использованием возобновляемых источников энергии. Для Забайкальского края это проекты использования энергии солнца в системах отопления [8-10].

Литература

1. Дорфман Ю.В., Иванов С.А. Использование природного цеолита для снижения вредных выбросов котлов с топками НТКС // Вестник международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. — Чита, 2006. — 230 с. — С. 128-130.

2. Дорфман Ю.В., Иванов С.А. Повышение эффективности работы слоевых котлов путем реконструкции с переводом на технологию НТКС // Промышленная энергетика. — 2006. — № 9.-С. 19-20.

3. Басс М.С., Батухтин А.Г., Требунских С.А. Упрощенная методика расчета нормативов удельных расходов топлива в отопительных котельных применительно к условиям Забайкальского края // Промышленная энергетика. — 2009. — №9 — С. 37-41.

4. Требунских С.А., Иванов С.А. Исследование экологических показателей котельной установки с НТКС // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. — №6,— 2004.

5. Иванов С.А., Горячих Н.В., Батухтин А.Г. Сравнительная оценка эффективности способов получения дополнительной мощности от турбоагрегатов ТЭЦ // Научно-технические ведомости СПбГТУ. - 2010. -№2,- С. 33-44.

6. Иванов С.А.., Батухтин А.Г., Горячих Н.В. Метод повышения электрической мощности турбин // Промышленная энергетика. — 2009. — №12 — С. 13-15.

7. Goryachikh N.V., Batukhtin A.G. and S.A. Ivanov. Some Methods for Making Cogeneration Stations More Maneuverable // Thermal Engineering, 2010, Vol. 57, №. 10. — P. 892-896.

8. Батухтин А.Г., Батухтин С.Г. Современные методы повышения эффективности совместной работы установок гелиоотопления и систем централизованного теплоснабжения // Научнотехнические ведомости СПбГТУ. — 2009. —№3, — С. 48-53.

9. Батухтин А.Г. Методы повышения эффективности и увеличения располагаемой мощности систем централизованного теплоснабжения // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. —2010. — №1.—С. 189-192.

10. Батухтин А.Г., Басс М.С., Батухтин С.Г. Методы повышения эффективности функционирования современных систем транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — 2009. —№2, — С. 199-202.

Коротко об авторах_____________________________________________Briefly about the authors

Дорфман Ю.В., канд. техн. наук, зам. генерального директора ОАО «ТГК-14»

Служ.тел.: (3022) 41-70-85

Научные интересы: энергетика, энергосбережение, снижение выбросов вредных веществ, котельные агрегаты, низкотемпературный кипящий слой

Yu. Dorfman, Candidate of technical sciences, «TGK-14», deputydirector

Research area: power, power conservation, decrease in emissions of harmful substances, boiler units, low temperature boiling layer

Горячих Н.В., специалист агентства по содействию, развитию и адаптации студентов ЭИ ЧитГУ Служ. тел.: (3022) 41-70-85, 39-57-22

Научные интересы: энергетика, энергосбережение, снижение выбросов вредных веществ, котельные агрегаты, экономическое сравнение способов

Батухтин А.Г., канд. техн. наук, директор технико-внедренческого парка ЧитГУ Служ.тел.: (3022) 41-70-85

Научные интересы: энергетика, энергосбережение, котельные агрегаты, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

N. Goryachikh, agency for assistance, development and adaptation of students of El ChitGU, specialist

Research area: power, power conservation, decrease in emissions of harmful substances, boiler units, economic comparison of methods

A. Batukhtin, Candidate of technical sciences, ChitGU Techno-Park, director

Research area: power, power conservation, boiler units, alternative and replenishable energy sources