Реконструкция парового котла БКЗ-75-39-440 на совместное сжигание кородревесных отходов и бурого угля

Тенденции развития современной энергетики требуют повышения экологических и экономических показателей котельных установок. Расходы на топливо при эксплуатации котельных агрегатов являются основным критерием оценки экономичности работы котла. Поэтому одним из основных способов повышения экономических показателей котельных установок является вовлечение в топливный баланс низкосортных углей или совместное сжигание низкосортных углей и твердых видов топлива из растительной биомассы [1].

Под растительной биомассой, традиционно используемой в малой и средней энергетике, понимаются отходы сельскохозяйственной деятельности, такие как лузга подсолнечника, овса, гречихи. Другим видом растительной биомассы, наиболее распространенным в энергетике нашей страны и стран ближнего зарубежья, являются отходы деревообрабатывающей промышленности.

Низкое содержание серы и азота в кородревесных отходах (КДО) снижает вредные выбросы при их сжигании и, следовательно, повышает экологические показатели котельных установок, использующих КДО как топливо [2].

Основная проблема при сжигании КДО заключается в невозможности удержания частиц в топочной камере до их полного выгорания. Существующие технологии сжигания легких парусных частиц не позволяют обеспечить низкую долю уноса частиц топлива из топочной камеры, что способствует снижению КПД котельной установки. Для решения этих задач необходимы более глубокое изучение свойств альтернативных видов топлив и поиск более эффективной схемы сжигания.

Исследование свойств альтернативных видов топлив

В лаборатории кафедры «Котло- и реакторостроение» АлтГТУ проводились эксперименты, в которых определялась динамика термического разложения топлива. Одиночные частицы топлива сжигались в специальной установке «Механотрон» (рис. 1). Данная установка позволяла фиксировать массу частицы, температуру внутри частицы и на ее поверхности, динамику сушки, выхода летучих, выгорания древесных отходов. Исследования проводились при температурах 600...900°С с различными частицами массой 0,5...1,5 г [1].

Рисунок 1 – Установка «Механотрон». Динамика термического разложения топлива: 1 – термометр; 2 – ваттер; 3 – термопара; 4 – трубчатая печь; 5 – коромысло; 6 – механотрон; 7 – графопостроитель; τ 0 – время до разогрева частицы; τ с – время сушки частицы; τ в.л. – время выхода летучих веществ из частицы топлива; τ г.к. – время горения коксового остатка; τ г – время выгорания частицы; τ г =τ с +τ в.л. +τ г.к

В ходе экспериментов на специальной установке были проведены исследования процессов на образцах древесины и получены графические зависимости изменения массы частицы от времени ее пребывания в высокотемпературной зоне (рис. 2). Работы по исследованию процессов сушки проводились на приборе «Деривaтограф» [3].

Характер горения древесины из-за выхода и горения летучих в начальной стадии воспламенения существенно отличается от стадии горения кокса. Процесс выхода летучих (пиролиз) является суммой ряда последовательно и параллельно протекающих реакций.

Т, с

Рисунок 2 - Динамика сушки частицы березы при температуре 550 ° С

В сериях опытов установлена зависимость выхода летучих от температуры бертенирования (термического разложения без доступа воздуха). График зависимости низшей теплоты сгорания от температуры бертенирования древесных отходов, полученный для каждой аналитической пробы, представлен на рисунке 3 [4].

Рисунок 3 – Зависимость теплоты сгорания древесных отходов от температуры бертенирования

Из рисунка 2 следует, что для сушки частицы древесины массой 0,2 г при температуре 550 ° С необходимо порядка 18 с, а наибольшее значение теплоты сгорания достигается при 15

температуре 260 ° С (рис. 3). Из этого следует, что для данных частиц топлива необходимо подобрать оптимальное время прибывания частиц в топочной камере, на которое влияют способ сушки и характер движения частиц в топке.

Моделирование процессов в топочной камере

Учитывая приведенные выше свойства кородревесных отходов, для эффективного их сжигания в котле БКЗ-75-39 необходимо организовать вихревую аэродинамику, которая обеспечит удержание легких парусных частиц в объеме топочной камеры до их полного выгорания.

Решить поставленную задачу возможно путем численного моделирования топочных процессов в котле БКЗ-75-39. Расчет выгорания топлива проводился в программе SigmaFlame, разработанной Институтом теплофизики СО РАН (Красноярский филиал) (рис. 4).

Рисунок 4 – Векторное поле скорости. Математическое моделирование в программе SigmaFlame

Рисунок 5 – Поле скоростей в топке котла БКЗ-75-39 при сжигании КДО

Все промежуточные расчеты анализировались, и в организацию подачи топлива и дутья вносились необходимые изменения. В результате была получена модель аэродинамики топочных процессов, необходимая для полного выгорания частиц топлива в топочном объеме. Результаты математического моделирования сжигания КДО в топке котла БКЗ-75-39 представлены на рисунке 5.

Реконструкция котла

С учетом полученных данных по свойствам кородревесных отходов и результатам математического моделирования топочных процессов в работе представлена схема реконструкции парового котла БКЗ-75-39-440 на совместное сжигание кородревесных отходов и бурого угля.

Организация вихревой аэродинамики осуществлялась путем установки воздуховодов для нижнего заднего дутья в холодную воронку и подачи топливовоздушной смеси через горелки со скоростями, необходимыми для формирования вихря (рис. 6). Нижнее дутье через холодную воронку способствует более стабильному горению и повышает степень выгорания частиц топлива (рис. 7).

Рисунок 6 – Общий вид котла БКЗ-75-39 до реконструкции. Принципиальная схема модернизации топочного устройства

Рисунок 7 – Элементы реконструкции в пределах котла БКЗ-75-39 (схема принципиальная)

Основные изменения при проведении реконструкции коснулись системы топливоподачи. Для подачи топлива (КДО) были установлены три системы пневматической загрузки. В эти системы вошли пылевые вентиляторы, трубопроводы и вспомогательное оборудование пневмосистемы. Прохождение топлива по трубопроводам и через пылевые вентиляторы позволяет измельчить частицы топлива, а транспортирующий агент обеспечивает сушку топлива.

Рисунок 8 – Система топливоподачи КДО котла БКЗ-75-39

Свойства кородревесных отходов как топлива в большой степени зависят от влажности, поэтому была реализована система сушки КДО с возможностью регулировки температуры сушильного агента. В качестве источника тепла для сушки КДО используется смесь, состоящая из горячего воздуха, воздухоподогревателя и дымовых газов. Горячий воздух попадает из воздухоподогревателя второй ступени котла как готовый сушильный и транспортирующий агент. Максимальная температура сушильного агента - 330°С, она регулируется в зависимости от влажности КДО добавкой внешнего воздуха. Дымовые газы, частично охлажденные в котле, отбираются в количестве 10-20% из газохода котла. Из-за малого содержания кислорода дымовые газы являются наиболее безопасным сушильным агентом. Отбор дымовых газов также позволяет разгрузить конвективный газоход котла. Подача дымовых газов осуществляется при помощи дымососа, их отбор выполняется с температурой 470°С до второй ступени воздухоподогревателя и с температурой 320°С после второй ступени воздухоподогревателя. Смесь дымовых газов с температурой 400°С является предельно допустимой по условиям работы дымососа.

По данной технологии был реконструирован котельный агрегат БКЗ-75-39 (ст. 9), установленный на Братской ТЭЦ-6. При проведении пусконаладочных работ применялось несколько вариантов подачи топлива (сушка и пневмотранспорт, согласно схеме (рис. 8) для подачи КДО) [5, 6]:

• -    уголь + КДО (сушка горячим воздухом);

• -    уголь+КДО (сушка горячими дымовыми газами);

• -    уголь 100% (загрузка углем по штатной схеме);

• -    уголь+КДО (загрузка КДО с углем через мельницы).

Во всех режимах работы котла наблюдалось: повышение КПД, устойчивое и стабильное горение и устойчивая вихревая аэродинамика, обрывов факела и крупномасштабных пульсаций не зарегистрировано (табл.).

Таблица

Параметры котла БКЗ-75-39 до и после реконструкции

Наименование параметра	Обозначение	Ед. измерения	Значение до реконструкции	Значение после реконструкции
Паропроизводительность	Д пе	т/ч	75	75
Давление перегретого пара	Р пе	МПа	4	4
Температура перегретого пара	t пе	°С	440	440
Температура питательной воды	t п.в.	°С	104	104
Доля угля в смеси	g угля	-	1	0,65
Доля КДО в смеси	g кдо	-	-	0,35
Теплота сгорания смеси	Qr i	кДж/кг	15290,9	12681,8
Температура горячего воздуха	t г.в.	°С	334	334
Температура уходящих газов	t ух	°С	120	120
КПД котла	η	%		91,06
Расход топлива, подаваемого в топку	В	кг/с		5,24
Расход топлива, подаваемого в топку	В	т/ч	16	18,85
Расчетный расход топлива	В р	кг/с		5,13
Расчетный расход топлива	В р	т/ч		18,48

Заключение

В результате данной работы подробно изучены свойства альтернативных видов топлива (кородревесных отходов и бурого угля), и с учетом этих данных предложена схема реконструкции котла БКЗ-75-39-440 на совместное сжигание кородревесных отходов и бурого угля. Проведено математическое моделирование топочных процессов при помощи программы «Sigma Flame». Получены как расчетные, так и эксплуатационные данные котла, из которых видно, что совместное сжигание кородревесных отходов и бурого угля в топке с вихревой аэродинамикой обеспечивает высокую степень выгорания топлива в топочной камере, что, в свою очередь, повышает экономические и экологические показатели котла.