Совершенствование технологии сжигания водоугольного топлива в теплогенераторах малой и средней мощности

Во введении обоснована актуальность темы, определяющая цель и задачи ис- следования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первом разделе представлен литературный обзор и анализ основных характе- ристик и технологий сжигания ВУТ, приготовленного из угольных шламов и тонко- дисперсных отходов углеобогащения. Проанализированы характеристики ТДОУ обо- гатительных фабрик России и ВУТ, получаемого на их основе, по основным парамет- рам: стадии метаморфизма угля, максимальной крупности угольных частиц, массовой доле твердой фазы, зольности, структурно-реологическим характеристикам. Установ- лена статическая стабильность получаемых опытных партий ВУТ. Проанализированы существующие физико-математические модели процессов распыления, воспламенения и горения водоугольного топлива в высокотемпературном газовом потоке. Рассмот- рены существующие способы сжигания ВУТ и конструкции котельных агрегатов ма- лой и средней мощности. Установлено, что наиболее эффективное и стабильное горе- ние водоугольного топлива, забалластированного влагой и минеральными компонен- тами, осуществляется при применении вихревых адиабатических топок. Термодинами- ческий и химический анализ процесса воспламенения и горения ВУТ, а также числен-
ное моделирование указанных процессов позволяет глубже понять исследуемые про- цессы и оценить качество принимаемых конструктивных решений при существенно меньших затратах времени и средств. Выполненный анализ состояния существующих проблем при сжигании ВУТ подтвердил актуальность выбранной темы, позволил сфор- мулировать цель и задачи диссертационной работы.
Второй раздел посвящен исследованию процесса горения ВУТ в вихревой топке. За основу физико-математической модели процесса принята модель, предложенная д.т.н. Мурко В.И. и развитая в работах его учеников. Согласно данной модели в процессе пнев- момеханического распыления и подачи распыленной струи ВУТ в топочное пространство происходит дробление образующихся в каналах форсунки капель топлива на более мел- кие за счет воздействия сил трения окружающей среды, которые стремятся расплющить летящие капли. Одновременно за счет указанных сил происходит срыв жидких пленок с тонкими угольными частицами с поверхностей крупных частиц.
Таким образом, при существенной полидисперсности угольных частиц в ВУТ (0–300 (500) мкм), в топочный объем попадают как капли ВУТ с тонкими угольными ча- стицами, так и чисто угольные «крупные» частицы (более 90 (100) мкм), количество ко- торых достигает 25 и более %. В результате при анализе процесса горения распыленного ВУТ в топочном объеме рассматривается двухкомпонентная система: капли ВУТ с тон- кими угольными частицами и чисто угольные частицы крупностью более 90(100) мкм.
Для определения наиболее вероятных реакций, протекающих при горении ча- стиц ВУТ, была рассмотрена физико-химическая модель взаимодействия капель и ча- стиц распыленного топлива с окислителями, находящимися в пространстве топки, а также на основании термодинамического подхода были рассчитаны константы равно- весия возможных реакций горения углерода и продуктов его неполного горения.
На основании сравнения значений констант равновесия реакций и коэффициен- тов диффузии различных газов в топочном пространстве определено, что наиболее ве- роятной реакцией окисления углерода является эндотермическая реакция окисления углерода водяным паром. При этом тепло в зону реакции подводится из зоны 3, где сгорают газообразные летучие, выделяющиеся из угля, и продукты окисления углерода водяным паром – монооксид углерода (СО) и водород (Н2).
Согласно этой модели уже через доли секунды после попадания диспергирован- ного водоугольного топлива в пространство топки его частицы прогреваются и их структуру можно представить, как изображено на рисунке 1. Капли, содержащие воду и мелкие угольные частицы (рисунок 1а), подсыхают на поверхности. Несмотря на то, что срединная зона капли (зона 1) может еще содержать жидкую воду, оболочка (по- верхность) состоит из сухого угля с водяным паром между частицами угля или даже без него, если капля высохла и зона 1 исчезла. Чисто угольные частицы (рисунок 1б) изначально не имеют в глубине жидкой воды и практически содержат только зону 2.

8
аб
Зона 1 – совокупность частиц твердой фазы и воды для капли ВУТ, зона 2 – совокупность высохших частиц твердой фазы и водяного пара, зона 3 – область вокруг высохшей капли или угольной частицы, в которой протекают основные реакции горения, зона 4 – область, удаленная от поверхности высох- ших капель и частиц твердой фазы (пространство топки)
Рисунок 1 – Расположение зон в модели горения диспергированных капель ВУТ (а) и угольных частиц (б)
При моделировании процессов, происходящих на поверхности частиц и в непо- средственной близости от поверхности, то есть в зоне 3, рассматривались возможные реакции (таблица 2). В таблицах 1,2 приведены коэффициенты диффузии компонентов газовой смеси и рассчитанные константы равновесия реакций, протекающих при горе- нии топлива.
Таблица 1 – Коэффициенты диффузии компонентов газовой смеси
Газ СО2 СО О2 Н2О D0, см2/с 0,097 0,175 0,18 0,277
Таблица 2 – Константы равновесия реакций, протекающих при горении топлива
Температура, K для реакций
2С + О2 = 2СО
2 С + СО2 = 2СО С + Н2О = СО + Н2 2СО + О2 = 2СО2 2Н2 + О2 = 2Н2О
700 1,21024
1,0510-5 3,710-4 1,991011 8,511030
900 4,01020
8,910-3 8,610-2 3,13106 5,481022
1100 1300
1,31018
4,710-1 8,0
3,31016 1,05 20,7
2,5103 19,07
1,191018
7,731013
При анализе данных таблиц 1 и 2, можно заключить, что вероятность окисления углерода кислородом ничтожно мала, поскольку кислород, диффундирующий к по- верхности частицы угля, срабатывается «на ближних подступах» к поверхности при
окислении выделившихся из угля летучих, а также водорода и монооксида углерода, которые образуются при окислении углерода водяным паром.
Рассмотрение состава газовой фазы в пространстве топки проводилось с учетом качества топлива, в частности, с учетом зольности твердой фазы (угля) в суспензии.
Очевидно, что при повышении зольности углей количество воздуха, необходи- мого для сгорания одного килограмма угля, уменьшается, поскольку с увеличением зольности уменьшается содержание органической массы. При этом количество воды в составе суспензии не изменяется, поскольку текучесть суспензии определяется (при рассмотрении угля или отходов его обогащения одной марки) соотношением количеств твердой и жидкой фаз. В таблице 3 приведено количество образующихся газов при сжигании 1м3 суспензии, приготовленной из углей с различной зольностью при содер- жании твердой фазы в суспензии 52 % и коэффициенте избытка воздуха α=1. При этом количество водяного пара постоянно и составляет 647 нм3
Таблица 3 – Количество необходимого воздуха и образующихся газов при сжигании 1 м3 ВУТ
Зольность, %
0
10
20
30
40
50
60
70
Необходимое количество воздуха, нм3
7800
7020
6240
5460
4680
3900
3120
2574
Общее количество газов, нм3 8447
7667
6887
6107
5327
4547
3767
3221
Расчетные значения параметров, приведенные в таблице 3, соответствуют гипо- тетическим условиям, когда поступающие в топочное пространство материалы уже прогрелись, топливо диспергировано, вода превратилась в пар, все компоненты пере- мешаны между собой, но не смешаны с продуктами горения. Наряду с необходимым количеством воздуха были рассчитаны концентрации кислорода и водяного пара, ко- торые соответствуют тем же условиям, что и данные таблицы 3 (рисунок 2), из которых следует, что концентрация водяного пара в атмосфере топочного пространства превы- сит значение половины концентрации кислорода при сжигании суспензий из угля с зольностью 20 %. При сжигании водоугольных суспензий с более высокими значени- ями зольности концентрация водяного пара оказывается ещё больше (при Аd = 50 % и выше), а концентрации кислорода и водяного пара становятся близкими. Рассмотрение даже гипотетических условий показывает, что концентрация кислорода в смеси еще до начала горения снижается. В реальных условиях, когда распыленное топливо и воздух
перемешиваются с атмосферой топочного пространства, где процессы горения топ- лива, поступившего в топку ранее, в значительной степени уже протекли, концентра- ция кислорода оказывается пониженной настолько, что сгорают только летучие, выде- лившиеся из угля.
25
15
5
10 20 30 40 50 60 70
Ash content, %
oxygen water vapor
Рисунок 2 – Зависимость содержания кислорода и водяного пара в газовой фазе топки от зольности топлива.
Поэтому при сжигании топлива, приготовленного из ТДОУ, мы рекомендуем по- вышать коэффициент избытка воздуха (α) до значений не 1,4, как принято при сжига- нии пылеугольного топлива, а до 2,6–3,2. Для исследования механизма горения было проведено численное моделирование процесса горения при распылении ВУТ в вихре- вую адиабатическую топку. Численное моделирование и расчет были реализованы с использованием программного модуля ANSYS FLUENT. На рисунках 3 и 4 приведены сравнения изменения температуры и содержания летучих веществ в угольной частице и капле ВУТ в зависимости от длины пути частицы и капли соответственно. Анализ представленных на рисунке 3 данных показывает, что в отличие от плавного увеличе- ния температуры угольной частицы (particle 1) при ее движении температура капли ВУТ (particle 2) после повышения до температуры испарения жидкой фазы остается постоянной на протяжении всего процесса испарения. Затем начинаются процессы го- рения твердой фазы капли ВУТ с выделением теплоты, и наблюдается резкое повыше- ние температуры.
Из рисунка 4 видно, что содержание летучих веществ для угольной частицы (particle 1) в начале процесса остается неизменным и уменьшается только при нагреве частицы до температуры выделения летучих веществ. Для капель ВУТ (particle 2) наблюдается увеличение содержания летучих веществ за счет испарения воды. В про-
Volumetric concentration, %
цессе испарения температура твердой фазы капли ВУТ повышается, и содержание ле- тучих веществ достигает аналогичного значения для твердой угольной частицы. Ста- бильность процесса сохраняется в течение значительно меньшего времени за счет по- вышения температуры твердой фазы капли ВУТ в процессе испарения воды.
Рисунок 3 – Сравнение изменения темпера- туры угольной частицы (particle 1) и капли ВУТ (particle 2) в зависимости от длины пути частицы и капли
Рисунок 4 – Сравнение изменения содержа- ния летучих веществ в угольной частице (particle 1) и капле ВУТ (particle 2) в зависи- мости от длины пути частицы и капли
На рисунке 5 представлены результаты численного эксперимента. Анализ траекторий частиц показывает, что они имеют форму спиралей. При этом выявлено, что время нахождения горящих частиц и капель ВУТ в вихревой топке пропорционально
их диаметру,
что позволяет
обеспечить
их эффективное выгорание. Таким образом, организация сжигания ВУТ в вихревой топке позволяет обеспечить повышенное время удержания горящих частиц топли-ва в топочном пространстве. Оптимальный уровень температур составляет
800–1250 С.
Рисунок 5 – Траектории частиц топлива
На рисунке 6 представлены результаты расчетов концентрации кислорода O2 в направлении к задней стенке топки. Анализ полученных результатов показывает, что к выходу топки наблюдается снижение концентрации O2.

гдеLх– Lстр –
аб
Рисунок 6 – Концентрация O2 в сечении горелки (а), у задней стенки топки (б)
В разделе 3 представлено обоснова- ние выбора конструктивных параметров вихревых адиабатических топок для сжига- ния ВУТ.При разработке конструкции вих- ревых камер для сжигания ВУТ устанавли- вается, что ось струи распыленного топлива должна быть касательной к условной окружности топки. Диаметр условной окружности (рисунок 7) определяется из со- отношения:
Dусл  Dтdпо , 2
Рисунок 7 – Поперечное сечение внутренней поверхности вихревой топки
Lстр Lx,
длина хорды поперечного сечения вихревой топки на расстоянии h от
оси топки;
(1)
Длина хорды Lx в вихревой камере определяется из соотношения:
длина факела распыла, определяемая из эксперимента. Ширина топки выбирается из условия:
где ф –
где Gгаз –
b2Lx tgф , (3) 2
угол раскрытия распыленной струи ВУТ. При работе наших форсунок ф не превышает 30. Объем топки определяется из выражения:
Vт Gгазtгор,
объемный расход газов, образующихся при сжигании ВУТ, м3/с;
(2)
(4)

где Qт –
tгор – время горения распыленного ВУТ в топке, составляющее не менее 3– 5 секунд.
Для удобства сравнения различных топочных устройств вычисляется удельная теплопроизводительность по формуле:
qт  Qт , Vт
(5)
теплопроизводительность топки, МВт.
Для разработанных адиабатических вихревых камер сгорания ВУТ данный по-
казатель колеблется от 0,28 до 0,35 МВт/м3. При этом большее значение принимается для ВУТ малой зольности, а меньшее для водо-угольного топлива с зольностью более 25–27 %. Соотношение dпо /Dт было определено экспериментально и для топок малой и средней производительности составляет dпо /Dт = 0,25–0,3, что практически в два раза меньше аналогичного показателя для вихревых топочных устройств, в которых сжига- ется мазут или природный газ.
В четвертом разделе представлены результаты разработки конструкций теплоге- нераторов малой и средней мощности. Вихревые адиабатические камеры сжигания разли- чаются по расположению оси вихревого движения газов в топочном пространстве (гори- зонтально и вертикально). В зависимости от теплопроизводительности котла вихревая ка- мера располагается либо рядом с котлом (котел является котлом-утилизатором), либо встраивается в топочное пространство котла. Адиабатические вихревые топочные камеры с горизонтальной осью вращения топочных газов были разработаны для котлов с тепло- производительностью от 0,1 до 0,7МВт (таблица 4). На рисунке 8 представлен теплогене- ратор для сушки зерна пос. Краснообск, Новосибирской области.
Рисунок 8 – Теплогенератор для сушки зерна

Таблица 4 – Характеристика теплогенераторов с горизонтальной осью
Наименование показателя
Теплопроизводитель-
ность, МВт
Расход топлива, кг/ч
Низшая теплота сгора-
ния ВУТ, МДж/кг Геометрические размеры топки, м
Название объекта
0,66 0,25
190 75 12,00 11,75
0,56 0,25 160 65
Стендовая установка СибГИУ
Технологиче- ский комплекс шахта «Зареч- ная»
Теплогене- ратор для сушки зерна, пос. Краснообск
Технологиче- ский ком- плекс,
г. Черепаново
Установка сжигания ВУТ, г. Забже, Польша
до 0,25
до 120 10,00 ÷14,00
12,70
13,40
диаметр 1,15 1,40 1,30 ширина 0,70 1,05 0,90 соотношение dпо /D 0,20 0,25 0,18
Теплонапряжение 0,35 0,39 0,21 объема топки, МВт/м3
2,00 1,35 1,30 0,93 0,19 0,22 0,28 0,21
Вихревые адиабатические топки с вертикальной осью вращения были разрабо- таны для экспериментального стенда КузГТУ (на базе котла «Теплотрон»), для про- мышленного котла ДКВР-10-13 (ОАО «Междуречье»). В таблице 5 представлены ха- рактеристики теплогенераторов с вертикальной осью вихря.
Таблица 5 – Характеристика теплогенераторов с вертикальной осью
Наименование показателя
Теплопроизводительность, МВт
Расход топлива, кг/ч
Низшая теплота сгорания ВУТ, МДж/кг Геометрические размеры топки, м
диаметр
высота соотношение dпо /D
Теплонапряжение объема топки, МВт/м3
Название объекта Технологический ком-
КВр-0,63ВУТ
0,65
200 ÷ 470 12,15 – 14,25
1,40 2,00 0,28 0,21
плекс ОАО «Междуре- чье»
4,5
1200 ÷ 1400 11,72- 13,59
2,60 3,00 0,36 0,23
Вертикальный разрез топочного пространства представлен на рисунке 9. Фото парового котла ДКВР-10-13ВУТ (котельная ОАО «Междуречье») представлено на ри- сунке 10.
Рисунок 9 – Вертикальный разрез топочного пространства котла ДКВР-10-13
Рисунок 10 – Котел ДКВР 10-13 ВУТ
Определены состав и количество вредных выбросов в дымовых газах при сжи- гании опытных образцов топлива в котле КВр-0,63ВУТ (на базе котла «Теплотрон») (табл. 6).

Таблица 6 – Состав и количество вредных выбросов при сжигании ВУТ
Исходное сырье ПДК*
Пыль, мг/м3 250 СО, мг/м3 375 NOx, мг/м3 750
SO2, мг/м3 1200 ПАУ (бенз(а)пирен), мг/м3 0,1·10-3
ВУТ «ОФ
ш. Комсомолец»
не более 170 не более 75 не более 250 не более 200
ВУТ «ОФ ш. имени С.М. Кирова»
не более 200 не более 75 не более 230 не более 200
менее 0,1·10-3
* – нормативы удельных выбросов в атмосферу твердых частиц, окиси углерода, оксидов азота и серы, бенз(а)пирена.
В разделе 5 представлены результаты разработки бизнес-плана создания ПТК ВУТ для внедрения теплогенераторов малой и средней мощности производительно- стью 1,6 (1,4) МВт (Гкал/ч) и 11,6 (10) МВт (Гкал/ч). Экономический эффект при за- мене угля на ВУТ составляет от 2,56 до 18,21 млн. руб./сезон.
В таблице 7 приведены технико-экономические показатели проекта. Таблица 7– Технико-экономические показатели ПТК ВУТ.
No Наименование показателей п/п
1. Вид топлива
2. Режим работы
3. Производство тепловой энергии, МВтч
4. КПД работы котельной установки
5. Низшая теплота сгорания топлива,
Гкал/т
6. Капитальные затраты, тыс. руб.
7. Расход топлива, т/МВт
8. Стоимость топлива, руб./т
9. Экономический эффект при замене угля
на ВУТ, тыс.руб./сезон
10. Срок окупаемости капитальных вложе-
Значение
Q = 1,6 (1,4) МВт (Гкал/ч)
Q = 11,6 (10) МВт ( Гкал/ч)
Уголь ВУТ Отопительный сезон
10 524 0,6 0,85
5,300 3,300
10 000 0,36 0,44 1500 500
2 560 3,9
Уголь ВУТ 75 168
0,6 5,300
0,36 1500
0,85 3,300
35 000 0,44
500 18 210
2,7
ний, год
Помимо расчетных показателей экономической эффективности, проект расши-
ряет возможности сферы использования водоугольного топлива. А также оптимизи- рует экологические затраты предприятий за загрязнение окружающей природной среды от процессов доставки, хранения, погрузки- разгрузки угля; за загрязнение окру- жающей природной среды при сжигании топлива в котельных.
Экологический эффект от использования водоугольного топлива:
 экологически безопасное топливо на всех стадиях произ- водства, транспортирования и использования;
 позволяет в 1,5-3,5 раза снизить вредные выбросы в атмосферу (пыли,
оксидов азота, бенз(а)пирена, двуокиси серы);
 позволяет эффективно использовать образующуюся при сжигании ле-
тучую золу.
В приложениях представлены Акты испытаний котельных установок после пе-
ревода их на ВУТ и дипломы, подтверждающие призовые места за участие в выставках.
Заключение
1. Определено влияние зольности и выхода летучих на: состав газовой фазы в атмосфере топки, режим сжигания и температуру в топочном пространстве, необходи- мые для устойчивого горения суспензионного топлива.
2. На основании анализа предложенной модели, а также численных расчетов уста- новлено, что процесс горения различных по структуре частиц (капли ВУТ и угольные частицы) в адиабатической топке становится идентичным уже по истечении нескольких долей секунды, при этом температурный режим стабильного горения ВУТ устанавлива- ется в границах 850–1100С в зависимости от выхода летучих веществ, при этом, время нахождения в топке капель ВУТ и угольных частиц должно быть не менее 3–5 с.
3. Найдены зависимости параметров сжигания ВУТ из угольных шламов и ТДОУ характеристик топлива; разработана методика расчета геометрических размеров вихревых адиабатических камер сгорания малой и средней мощности с учетом их теп- лопроизводительности и качества ВУТ.
4. Предложены конструкции теплогенераторов малой и средней мощности с го- ризонтальной и вертикальной осью вращения в вихревой топочной камере и разрабо- таны технологические режимы их работы; показана их высокая эффективность (меха- нический недожог составил не более 5 %, КПД котлов не менее 86 %), а количество вредных выбросов в уходящих газах существенно меньше предельно допустимых зна- чений (в 2,1–3,0 раза); определена технико-экономическая эффективность применения теплогенераторов малой и средней мощности, работающих на ВУТ различного каче- ства, в разных отраслях промышленности.
5. Разработан бизнес-плана создания ПТК ВУТ на основе теплогенераторов ма- лой и средней мощности производительностью 1,6 (1,4) МВт (Гкал/ч) и 11,6 (10) МВт (Гкал/ч). Экономический эффект при замене угля на ВУТ составляет от 2,56 до 18,21 млн. руб./сезон.