Совершенствование технологии сжигания водоугольного топлива в теплогенераторах малой и средней мощности

1.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
СЖИГАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО
ТОПЛИВА В ТЕПЛОГЕНЕРАТОРАХ
МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ
Карпенок Виктор Иванович
Научный руководитель:
д.т.н., профессор
Мурко Василий Иванович

2.

2
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Совершенствование технологии сжигания
водоугольного топлива в теплогенераторах малой и
средней мощности, работающих на водоугольном
топливе, на основе угольных шламов и
тонкодисперсных отходов углеобогащения.

3.

3
РЕШЕННЫЕ ЗАДАЧИ
Проведен термодинамический анализ процессов
воспламенения и горения водоугольного топлива в вихревой
адиабатической камере сгорания;
Выполнено численное моделирование процесса сжигания
распыленного водоугольного топлива в адиабатической
вихревой топке;
Определена взаимосвязь теплопроизводительности вихревой
топки с её размерами и диаметром газовыпускного окна при
сжигании ВУТ различного качества;
Созданы конструкции теплогенераторов малой и средней
мощности: с вертикальной и горизонтальной осью вихревой топки;
Определена технико-экономическая эффективность
применения теплогенераторов малой и средней мощности,
работающих на ВУТ различного качества, в разных отраслях
промышленности.

4.

4
ОСНОВНЫЕ
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ
НА ЗАЩИТУ
установлено, что зольность и выход летучих веществ ВУТ
оказывает влияние на состав газовой фазы в атмосфере топки
и на процессы горения частиц;
установлено, что механизм горения различных по структуре
частиц (распыленные капли и чисто угольные частицы) в
вихревой топке становится идентичным уже по истечении
нескольких долей секунды, при этом температурный режим
стабильного горения ВУТ устанавливается в границах 850 –
1100 С в зависимости от выхода летучих веществ.
Время нахождения в топке капель ВУТ и образующихся при
распылении ВУТ угольных частиц должно быть не менее 3 – 5
секунд.

5.

5
ОСНОВНЫЕ
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ
НА ЗАЩИТУ
установлена взаимосвязь конструктивных параметров
топки, теплопроизводительности и характеристик
топлива;
конструкции теплогенераторов малой и средней мощности.

6.

6
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА
СЖИГАНИЯ ВУТ
Проанализированы существующие физико-математические модели
процессов распыления, воспламенения и горения водоугольного
топлива в высокотемпературном газовом потоке. Рассмотрены
существующие способы сжигания ВУТ и конструкции котельных
агрегатов малой и средней мощности. Установлено, что наиболее
эффективное и стабильное горение водоугольного топлива,
забалластированного влагой и минеральными компонентами,
осуществляется при применении вихревых адиабатических топок.

7.

7
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ
ТОПЛИВА

8.

8
ИССЛЕДОВАНИЕ
МЕХАНИЗМА ГОРЕНИЯ ВУТ
В ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ
Предложена физико-химическая модель горения ВУТ и на её
основе проведен термодинамический анализ.
а
б
Расположение зон в модели горения диспергированных капель
ВУТ (а) и угольных частиц (б).

9.

9
ИССЛЕДОВАНИЕ
МЕХАНИЗМА ГОРЕНИЯ ВУТ В
ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ
2С + О2 = 2СО+221040 Дж,
С + СО2 = 2СО 172470 Дж,
С + Н2О = СО + Н2 130560 Дж,
2СО + О2 = 2СО2+565980 Дж,
2Н2 + О2 = 2Н2О+48216 Дж.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Рассматривая химические реакции (1-5), протекание которых
возможно в зоне 3 и на границе зон 3 и 2 (то есть на поверхности
частицы или высохшей капли), следует отметить, что первые три –
гетерогенные и могут протекать на поверхности частиц, а реакции (4)
и (5) – гомогенные. Протекание реакций (4) и (5) возможно в зоне 3 или
ещё дальше от поверхности частиц.

10.

10
ИССЛЕДОВАНИЕ
МЕХАНИЗМА ГОРЕНИЯ ВУТ В
ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ
Константы равновесия реакций, протекающих при
горении топлива
Температура, К
700
900
1100
1300
2С + О2 = 2СО
1,2 1024
4,0 1020
1,3 1018
3,3 1016
С + СО2 = 2СО
1,05 10-5
8,9 10-3
4,7 10-1
8,0
С + Н2О = СО + Н2
3,7 10-4
8,6 10-2
1,05
20,7
2СО + О2 = 2СО2
1,99 1011
3,13 106
2,5 103
19,07
2Н2 + О2 = 2Н2О
8,51 1030
5,48 1022
1,19 101
7,73 1013
реакция
8

11.

11
ИССЛЕДОВАНИЕ
МЕХАНИЗМА ГОРЕНИЯ ВУТ В
ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ
Коэффициенты диффузии компонентов газовой
смеси
газ
СО2
СО
О2
Н2 О
D0, cм2/с
0,097
0,175
0,18
0,277

12.

12
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ВУТ В
ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ
Количество необходимого воздуха и образующихся газов
при сжигании 1 м3 ВУТ
зольность, %
необходимое количество
воздуха, нм3
общее количество
газов, нм3
0
7800
8447
10
7020
7667
20
6240
6887
30
5460
6107
40
4680
5327
50
3900
4547
60
3120
3767
70
2574
3221

13.

13
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ВУТ В
ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ
Зависимость содержания кислорода и водяного пара в газовой
фазе топки от зольности топлива
Volumetric concentration, %
25
20
15
oxygen
water vapor
10
5
0
10
20
30
40
50
Ash content, %
60
70

14.

14
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ВУТ В
ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ
Изменение температуры угольной
частицы (particle 1) и капли ВУТ
(particle 2) в зависимости от длины
пути частицы и капли.
Изменение содержания летучих
веществ в угольной частице (particle
1) и капле ВУТ (particle 2) в зависимости от длины пути частицы и
капли.

15.

15
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ВУТ В
ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ
На рисунке представлены
вычисленные траектории
частиц топлива.
Анализ траекторий частиц
показывает, что они имеют
форму спиралей.
Траектории частиц топлива

16.

16
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ВУТ В
ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ
Концентрация O2 в сечении
горелки
Концентрация O2 у задней
стенки топки

17.

17
РАЗРАБОТКА
КОНСТРУКЦИЙ
ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ
Ось струи распыленного топлива должна быть касательной к условной окружности топки. Диаметр условной окружности
(рисунок) определяется из соотношения:
D ò d ïî
D óñë
,
2
Поперечное сечение внутренней
поверхности вихревой топки.
(6)

18.

РАЗРАБОТКА
КОНСТРУКЦИЙ
ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ
18
Длина распыленной струи ВУТ в вихревой камере определяется
из соотношения:
Lñòð Lx ,
(7)
где Lх – длина хорды поперечного сечения вихревой топки на расстоянии h
от оси топки, определяемая из соотношений:
Lõ
2h
,
tg
2h
arcsin ,
D
h d ïî
D d ïî
,
4
(8)
где dпо – диаметр пережимного окна,
D - внутренний диаметр вихревой топки.
Ширина топки выбирается из условия:
b 2Lx tg
ô
2
,
где ф – угол распыления распыленной струи ВУТ.
(9)

19.

19
РЕЗУЛЬТАТЫ
РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИЙ
ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ МАЛОЙ И
СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ
Вихревые адиабатические камеры сжигания
различаются по расположению оси вихревого
движения газов в топочном пространстве
(горизонтально и вертикально).
В зависимости от условий на объекте реконструкции
котла вихревая камера располагается либо рядом с
котлом (котел является котлом-утилизатором), либо
встраивается в топочное пространство котла.

20.

20
Название объекта
Стендовая
установка
СибГИУ
Технологический
комплекс
шахта
«Заречная»
Теплогенератор для
сушки
зерна, пос.
Краснообск
Технологический
комплекс,
г.Черепаново
Установка
сжигания ВУТ,
г. Забже,
Польша
Теплопроизводительность,
МВт
до 0,25
0,66
0,25
0,56
0,25
Расход топлива, кг/ч
до 120
190
75
160
65
10,00
÷14,00
12,00
11,75
12,70
13,40
диаметр
1,15
1,40
1,30
2,00
1,35
ширина
0,70
1,05
0,90
1,30
0,93
соотношение dпо /D
0,20
0,25
0,18
0,19
0,22
Теплонапряжение объема
топки, МВт/м3
0,35
0,39
0,21
0,28
0,21
Наименование
показателя
Низшая теплота сгорания
ВУТ, МДж/кг
Геометрические размеры
топки, м
Характеристика теплогенераторов с горизонтальной
вихревой камерой

21.

Созданные теплогенераторы
с горизонтальной вихревой
камерой
21
Стендовая установка
СибГИУ
Технологический комплекс
шахта «Заречная»
Патент на ПМ RU 105417
Патент на ПМ RU 147336
Теплогенератор для
сушки зерна, пос. Краснообск

22.

22
Созданные теплогенераторы
с горизонтальной вихревой
камерой
28-29.03.2017г.
Институт Химической
Переработки Угля, совместно с
компанией «НПЦ
СИБЭКОТЕХНИКА» провел
успешные испытания сжигания
водоугольного топлива на
пилотной установке мощностью 0,5
МВт в г. Забже
Технологический комплекс
по сжиганию водоугольного
топлива в г.Черепаново
(Новосибирская обл.)

23.

23
Характеристика теплогенераторов с вертикальной
вихревой камерой
Название объекта
КВр-0,63ВУТ
Технологический
комплекс ОАО
«Междуречье»
0,65
4,5
200 ÷ 470
1200 ÷ 1400
0,86
0,87
12,15 - 14,25
11,72- 13,59
диаметр
1,40
2,60
высота
2,00
3,00
соотношение dпо /D
0,28
0,36
0,21
0,23
Наименование показателя
Теплопроизводительность, МВт
Расход топлива, кг/ч
К.П.Д,
Низшая теплота сгорания ВУТ,
МДж/кг
Геометрические размеры топки, м
Теплонапряжение объема топки,
МВт/м3

24.

24
Созданные
теплогенераторы
с вертикальной вихревой
камерой
Патент на ПМ RU 177021
КВр-0,63ВУТ
Патент на ПМ RU 93032
Форсуночный узел на котле ДКВР-10-13
Схема реконструкции котла ДКВР-10-13

25.

25
Состав и количество
вредных выбросов в дымовых газах при сжигании
опытных образцов топлива в котле КВр-0,63ВУТ
(на базе котла «Теплотрон»).
Исходное
сырье
ПДК*
ВУТ
«ОФ ш.
Комсомолец»
ВУТ
«ОФ ш. имени
С.М. Кирова»
Пыль, мг/м3
250
не более 170
не более 200
СО, мг/м3
375
не более 75
не более 75
NOx, мг/м3
750
не более 250
не более 230
SO2, мг/м3
1200
не более 200
не более 200
ПАУ (бенз(а)пирен),
мкг/м3
1,0·10-3
менее 0,5·10-3
менее 0,5·10-3
*– нормативы удельных выбросов в атмосферу твердых частиц,
окиси углерода, оксидов азота и серы, бенз(а)пирена

26.

26
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ
ОБОСНОВАНИЕ
Разработан бизнес-плана создания ПТК ВУТ для
внедрения теплогенераторов малой и средней
мощности производительностью 1,6 (1,4) МВт
(Гкал/ч) и 11,6 (10) МВт (Гкал/ч). В таблице
приведены основные технико-экономические
показатели проекта.

27.

27
№
п/п
Значение
Наименование показателей
Q= 1,6 (1,4)
МВт (Гкал/ч)
Уголь
ВУТ
Q= 11,6 (10)МВт
( Гкал/ч)
1.
Вид топлива
Уголь
ВУТ
2.
Режим работы
3.
Производство тепловой энергии,
МВт ч
4.
К.П.Д. работы котельной
установки
5.
Низшая теплота сгорания топлива,
Гкал/т
6.
Капитальные затраты, тыс. руб.
7.
Расход топлива, т/МВт ч
0,36
0,44
0,36
0,44
8.
Стоимость топлива, руб./т
1500
500
1500
500
9.
Экономический эффект при замене
угля на ВУТ, тыс.руб./сезон
10.
Срок окупаемости капитальных
вложений, год
Отопительный сезон
10 524
75 168
0,6
0,85
0,6
0,85
5,300
3,300
5,300
3,300
10 000
35 000
2 560
18 210
3,9
2,7
Основные технико-экономические показатели проекта

28.

28
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И
РЕЗУЛЬТАТЫ
На основании выполненных анализов модели горения, а
также численных расчетов процессов воспламенения и
горения водоугольного топлива в вихревой адиабатической
камере сгорания, установлено, что по истечении малого
промежутка времени (доли секунды) горение капель и
угольных частиц становится идентичным;
Разработана методика расчета геометрических размеров
вихревых адиабатических камер сгорания малой и средней
мощности с учетом их теплопроизводительности и качества
ВУТ;
Разработаны конструкции теплогенераторов малой и средней
мощности с горизонтальной и вертикальной вихревыми
топочными камерами;

29.

29
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Экспериментальные исследования, испытания в опытнопромышленных и промышленных условиях теплогенераторов,
работающих на ВУТ, показали их высокую техническую
эффективность (мехнедожог составил не более 5%, к.п.д. котлов
не менее 86%), а количество вредных выбросов в уходящих газах
существенно меньше предельно допустимых значений (в 2,1 3,0
раза).
Разработан бизнес-плана создания ПТК ВУТ на основе
теплогенераторов малой 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.

30.

Спасибо за внимание!