Совершенствование процесса низкотемпературного ступенчатого вихревого сжигания канско-ачинских углей

Актуальность работы обусловлена необходимостью
совершенствования технологических процессов низкотемпературного
ступенчатого вихревого сжигания топлива для котлов, работающих на
канско-ачинских углях и позволяющих снизить содержание оксидов азота в
уходящих газах. Обеспечение приоритета экологической безопасности
наряду с высокой эффективностью сжигания топлива является одним из
важнейших условий функционирования и дальнейшего развития
современной промышленной теплоэнергетики.
При сжигании органических топлив в промышленных котельных в
атмосферу городов выбрасывается большое количество вредных веществ, в
том числе, значительное количество оксидов азота. Специфика
пылеугольного сжигания связана: со сложностью регулирования факела, с
жесткой зависимостью между устойчивостью горения и режимом работы
горелочных устройств, с условиями воспламенения и выгорания топлива,
составом топлива, способом сжигания и многое другое. Эти факторы в
совокупности значительно осложняют разработку эффективного способа
подавления оксидов азота в источнике. Существующих методов расчета и
анализа их результатов недостаточно для обеспечения необходимой точности
и надежности проектирования котельного оборудования, работающего на
канско-ачинских углях, а также оценки их энергоэффективности.
Добиться снижения выбросов вредных веществ можно путём
совершенствования процесса низкотемпературного двухступенчатого
вихревого сжигания топлива с использованием эксергетического анализа для
оценки термодинамической эффективности системы в целом.
Работа выполнена в рамках приоритетного направления развития
науки, технологий и техники РФ Пр-577 «Энергосберегающие технологии»,
критические технологии «Производство электроэнергии и тепла на
органическом топливе», «Системы жизнеобеспечения и защиты человека»,
«Энергосбережение», и Программе Красноярского краевого экологического
фонда «Экологически чистая энергетика».
Объект исследований – топочные устройства промышленных
котельных средней мощности на примере энергетического котла БКЗ-75-
39ФБ.
Предмет исследований – характеристики технологического процесса
низкотемпературного ступенчатого вихревого сжигания канско-ачинских
углей.
Цель диссертационной работы – усовершенствование процесса
низкотемпературного ступенчатого вихревого сжигания канско-ачинских
углей с учетом снижения выбросов NOx в атмосферу.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены
следующие задачи:
Изучить современные методы снижения оксидов азота в
существующих топочных устройствах теплотехнологических систем;
Показать возможность усовершенствования процесса
низкотемпературного ступенчатого вихревого сжигания канско-ачинских
углей, удовлетворяющих требованиям рационального распределения долей
воздуха в топке котла и снижению выбросов NOx в атмосферу;
Определить режимы топочного процесса реконструируемого
котельного оборудования, обеспечивающие наибольшую экологическую
эффективность его работы без снижения КПД;
Обосновать предлагаемые технические и технологические решения
путем проведения экспериментальных исследований котла БКЗ 75-39ФБ при
варьировании режимных параметров (нагрузка, коэффициент избытка
воздуха, доли третичного воздуха) с оценкой его технико-экономических и
эксергетических показателей.
Основная идея диссертации. Выполнить оценку степени
совершенствования процесса ступенчатого вихревого сжигания канско-
ачинских углей в промышленных котлах средней мощности на базе
эксергетического метода В. М. Бродянского с доработкой А. Б. Богданова,
позволяющего адекватно, только по качественным показателям (температура,
степень загрузки), определять издержки производства тепла. Разработать
методику оценки проектных решений реконструкции промышленных
котельных на базе эксергетического анализа работы оборудования.
Методика исследования. Для решения поставленных задач
использованы методы регрессионного и эксергетического анализов,
проведено сравнение с результатами экспериментальных исследований.
Экспериментальные работы проведены на промышленном оборудовании
котельной ООО «КраМЗЭнерго».
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:
1. Предложена и обоснована усовершенствованная схема
низкотемпературного ступенчатого вихревого сжигания топлива,
отличающаяся рациональным распределением долей воздуха в топке котла и
позволяющая повысить экологическую эффективность работы котлоагрегатов
без снижения КПД брутто.
2. Установлена зависимость концентрации оксидов азота в дымовых
газах пылеугольных котлов средней мощности, сжигающих бурые угли, от
доли воздуха, подаваемого в топку на нижнее дутье, позволяющая
определить режимы топочного процесса котельного оборудования с
наибольшей экологической эффективностью его работы.
3. Определено оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в
топочных устройствах низкотемпературного ступенчатого вихревого
сжигания пылеугольных котлов средней мощности, при котором снижение
выбросов в атмосферу оксидов азота достигает 10 %.
4. Разработана и обоснована методика оценки проектных решений
реконструкции промышленных котельных на базе эксергетического анализа
работы оборудования, позволяющая снизить объем режимно-наладочных
испытаний котельного оборудования.
Значение для теории. Предложенная методика оценки проектных
решений реконструкции промышленных котельных, а также рекомендации
по управлению технологией процесса низкотемпературного ступенчатого
вихревого сжигания канско-ачинских углей создают теоретическую основу
для проектирования и разработки новых энергоэффективных методов и
оборудования различных теплотехнологических процессов.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что
выполненные исследования позволили научно обосновать технические
решения, внедрение которых способствуют повышению энергетической
эффективности и экологической безопасности сжигания канско-ачинских
углей в топочных устройствах промышленных котельных.
Усовершенствованный топочный процесс позволяет снизить содержание
оксидов азота в уходящих газах на 10-12 %, а также увеличить КПД котлов,
работающих на канско-ачинских углях.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы
обоснована использованием апробированных методик исследования
теплоэнергетических объектов, удовлетворительным совпадением расчетных
и экспериментальных данных, полученных на действующем котельном
оборудовании. Выводы достаточно хорошо соответствуют с результатами,
полученными другими исследователями и не противоречат физическим
закономерностям процессов.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты
теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований
докладывались и обсуждались на IV–XII Всероссийской НПК по проблемам
энергоресурсосбережения «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения
города» (Красноярск, 2011), Международной научно-технической
конференции «Бенардосовские чтения» (Иваново, 2011), Всероссийской
молодежной конференции «Химическая физика и актуальные проблемы
энергетики» (Томск, 2012), Всероссийской молодежной конференции
«Горение твердого топлива» (Томск, 2012).
Использование результатов работы осуществлено на котельной
ООО «КраМЗЭнерго», а также в учебном процессе ФГАОУ ВПО
«Сибирский федеральный университет» при разработке курсов лекций
«Котельные установки и парогенераторы», «Основы инженерного
проектирования теплотехнических установок», «Источники энергии
теплотехнологий», «Технология сжигания и переработки топлива», «Физико-
химические основы теплотехнологии» и создании учебных пособий в
Политехническом институте СФУ для студентов направления 140100 –
Теплоэнергетика и теплотехника, а также в научно-исследовательской
деятельности Факультета энергетики ПИ СФУ.
Личный вклад автора. Научные и практические результаты,
положения, выносимые на защиту, разработаны и получены автором лично.
Общая научная идея, направления и задачи исследований были
сформулированы при участии научного руководителя. Натурные
исследования проводились на котельной ООО «КраМЗЭнерго», сотрудникам
которого автор выражает свою глубокую признательность за помощь в
проведении данной работы.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15
печатных работах, из них: четыре в периодических изданиях из перечня
ВАК, три патента РФ на полезную модель, две статьи – в сборниках научных
трудов, шесть – в трудах Всероссийских и Международных научно-
технических конференций.
Структура и объём диссертации. Материалы диссертации изложены
на 137 страницах основного текста, включающих 60 рисунков и 19 таблиц.
Работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и
рекомендаций, списка использованных источников из 124 наименований и
приложения.