Сжигание различного по теплофизическим характеристикам твердого топлива в низкотемпературном факеле

В процессе освоения факельной технологии сжигания топлива возникли две основные ветви ее развития: высокотемпературное горение, при котором шлак из топок выводят в жидком виде, и горение с пониженной температурой факела, при котором вывод шлака осуществляют в твердом виде. В соответствии с этим появились топки с жидким и твердым шлакоудалением. Топки с жидким шлакоудалением могут быть оборудованы несколькими камерами (предтопками) для расплавления и вывода шлака либо иметь одну камеру с летками для вывода шлака в подовом перекрытии и настенные горелки. Топки с твердым удалением шлака оснащены «холодными воронками» – экранированными скатами в поду для охлаждения удаляемых крупных частиц золы (как правило, спекшихся из более мелких частиц конгломератов) и горелками, размещаемыми на стенах.

Уже в 70–80 гг. прошлого столетия при разработках новых проектов ТЭС, рассчитанных на сжигание топлива с высоким выходом летучих

( V ^г>25–28 %), предпочтение стали отдавать топкам с твердым шлакоудалением, поскольку они имели менее проблемную технологию вывода шлака из-под холодных воронок, более эффективный теплоотвод от факела к экранам, пониженные значения температуры факела («низкотемпературное» факельное сжигание) [1, 2] в зоне активного горения и концентрации NOх в продуктах сгорания, а также умеренные тепловые потоки в направлении горелочных амбразур. Топки с жидким шлакоуда-лением, имеющие высокое тепловое напряжение и повышенный уровень температуры в зоне активного горения, по-прежнему предпочтительны для сжигания топлив с низким выходом летучих, особенно антрацитов [3].

Перевод существующих котлоагрегатов на низкотемпературное горение связан с капитальными затратами. На кафедре промышленной теплоэнергетики ЮУрГУ разработана малозатратная технология, основанная на организации рассредоточенного ввода реагентов в топку. Такой ввод мо- жет быть выполнен различными способами [4, 5]. На котлах БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2 реагентные потоки рассредотачивают через индивидуальные каналы многофункциональных горелок [6, 7], организуя прогрев, зажигание и начальное развитие экзотермических реакций в потоках топливовоздушной смеси при неполном количестве окислителя, а также последующее поддержание горения плавной приточно-диффузионной кислородной подпиткой из потоков вторичного воздуха. В сравнении с факелом обычной топливовоздушной смеси здесь темп выделения и накопления теплоты, максимальные теплосодержание и температура имеют пониженные значения, которые не достигают, в частности, значений тех же параметров, необходимых для расплавления частиц сопутствующей породы, вводимых в топку с потоками топливной пыли. Это обуславливает снижение загрязнения элементов топок и горелок, их шлакование.

При растягивании по длине l факела процесс экзотермического реагирования смещается в зону с максимальными теплонакоплением, теплосодержанием и температурой от среза горелок с l =0 до отметки l ф = 1,5-2,5 м, что достаточно для уменьшения теплового потока в направлении горелочных амбразур, снижения их теплооблучаемости, активности терморазрушений и увеличения срока службы. Помимо организации и поддержания пониженного температурного уровня в факеле горелочные устройства этого типа адаптированы к топливу переменного состава [8-10].

На схеме (см. рисунок) показано, что топочный факел, сформированный многофункциональными горелками, условно можно разделить на участки воспламенения, максимального теплосодержания и охлаждения, а в качестве основных контролируемых параметров использовать принятые в топочной технике температуру и степень выгорания топлива в зоне максимального теплосодержания Т ф , К; а ф и в выходном сечении топки Т т/ , К, а _т. Ответственным за состояние факела в топке на всех участках являются его начальные параметры, определяющие активность процесса воспламенения; последний протекает в границах участка, начинающегося от среза горелок на отметке l = 0 м, где температура Т = Т ₀, К; степень выгорания топлива а = 0, а заканчивается на отметке l = l ф , м, где температура Т = Т ф , К; степень выгорания топлива а = а ф .

Однако при переходах от одного вида топлива к другому с отличными теплофизическими характеристиками параметры факела меняются, что требует их корректировки путем перенастройки режимов работы топливопитающих систем, мельничного и тягодутьевого оборудования котлов. Подобная перенастройка осуществляется по определенному алгоритму, который в зависимости от используемого оборудования и вида топлива на различных ТЭС может иметь свои особенности.

Каждому виду топлива соответствуют собственные значения l ф; , а ф; , Т ф; .

Схема выделения зон и участков развития факела в топке с фронтальной компоновкой многофункциональных горелок:

1, 2 – фронтовая и задняя стены топки, 3 – горелки, 4 – участок воспламенения, 5 – участок максимального теплосодержания, 6 – выходное сечение участка максимального теплосодержания, 7 – участок охлаждения факела, 8 – выходное сечение топки и участка охлаждения, 9 – расчетная плоскость развития неравномерности скорости и температуры факела на участке охлаждения

При обработке результатов зондирования факела на участке воспламенения получены универсальные зависимости для всех видов топливного реагента:

, d f. dT dq^ = -   К F dl = т dl I dl J

d d ^

1 12 ^- 24 ^ ² + 12 ^ ³     T ф ^- Т 0

--:-------:-------. . .,— К-----------F m №² - 8 ^ ³ + 3 ^ ⁴)^{1 - V} m     1 ф

d ^ ,

где dq _т - поток теплоты в направлении поступления топливовоздушной смеси; ^= l/l ф - относительная длина факела, причем ^=0 на срезе горелки, а ^=1,0 на длине l=l ф ; m = 5 для пыли бурого угля и природного газа.

В развернутом виде (1) записывается следующим образом:

Теплоэнергетика

dq т = da ф (бу - 8^3 + 3^4)1 Q В о d ^ + d с ф

+dQдоп Вдоп d с - dfi Тгя1 a — lфТср d с - dс               dс ^ i =1      j

• -    d | ( 2500 W p + c p w xkt_w x W^p + c pn xA t _n x W ^p ) В о d C

• ^-    4 ( C pA ^XA t A ^X A c ) В 0 ^d с 4 ( V ^X C p V ⁺ ( 1 ^- V c ) ^X С рк ⁺ d с                    d с

+axV0xc рв

) В о xA t'd с- d^ I ф

- 1 о ) x r x В р d с (2)

Здесь A - условный коэффициент теплопро-

n водности, кВт/(м-К); Т =f(х,y,z) = if(xt,y,zi) - i=1

текущая усредненная в поперечных направлениях температура среды, К; x – текущая продольная координата факела, м; F – поперечное сечение факела, м²; Q 0 – теплота сгорания на сухую массу, кДж/кг, Q_o = Q _л • V ^c + Q k - ( 1 - V ^c ) , где Q л , Q к - теп-

лоты сгорания летучих и обеззоленного коксового остатка, кДж/кг, V^с – содержание летучих; В ₀ – расход топлива, кг/с; В _р – расчетный расход топлива, кг/с; Q доп , В доп – теплота сгорания, кДж/нм³, и расход дополнительного подсветочного топлива, нм 3 /с; а т – степень черноты; Т ср – средняя температура факела на участке воспламенения, К, может быть определена из выражения

T ср

l 2

J Tdl = l1

T 0

с2 -с,

? 2

¹¹ 5 1

+ Т ф Т ^о с / ( 6 с ² - 8 с ³ + з с ⁴ ) ¹ m d с ^с 6 1

(применительно к пылевому и газовому факелу Т ср ≈0,925 Т ф ); σ 0 = 5,7·10^–11 кВт/(м²·К⁴) – универсальная постоянная Стефана–Больцмана (коэффициент излучения абсолютно черного тела);

n ii стен стен верх верх низ низ i=1

–

условный параметр переизлучения, где Н стен , Н верх , Н низ – высота стен, ограничивающих горизонтальный участок активного горения в топке, ширина верхнего сечения участка активного горения и ширина нижнего сечения того же участка, причем Н низ определяется с учетом лучистой поверхности холодной воронки, м, Ψ стен , Ψ верх , Ψ низ – степени отвода теплоты из зоны активного горения через боковые стены, верх и низ топки, которые определяются по приближенным формулам: Ψ_стен=( Т _ср⁴– –Т стен ⁴)/ Т ср ⁴; Ψ верх =( Т ср ⁴– Т верх ⁴)/Т ср ⁴; Ψ низ =( Т ср ⁴– ^–Т низ ⁴)/ Т ср ⁴; Т стен , Т верх , Т низ – температуры стен, верхнего и нижнего сечений участка воспламенения, К; W p – рабочая влажность; с р W , с рп – средние теплоемкости воды и паров газовой смеси, кДж/(кг·К); Δ t W = Т кип – Т W , К; Δ t п = Т – Т кип , К; A c – зольность на сухую массу топлива; с рА – теп-

лоемкость золы в интервале температур Т 0 и текущей температуры факела, кДж/(кг·К); Δ t А = Т – Т 0 , К; V ⁰ – удельный объем воздуха при средней температуре факела на участке воспламенения, м³/кг; с р V , с рк , с рв – теплоемкости летучих, коксового обеззоленного остатка, воздуха в интервале температур Т 0 и Т ср , кДж/(кг·К); Δ t ^/= Т ср – Т 0 , К.

Параметр а = f ( R 90 ), где R 90 – условный показатель тонины помола пыли; в отсутствии опытных значений, полученных на котле (например, при настройке оборудования для проведения опытного сжигания топлива) может быть использована методика оценки а = f (R 90 ) на базе экспериментальных данных В.И. Бабия, Ю.Ф. Куваева для одиночных частиц [11].

На участке максимального теплосодержания принимается постоянство значений энтальпии, температуры и степени выгорания факела ( I ф _i ≈const; Т ф _i ≈const; а ф _i ≈const) по каждому из i -го вида топлива.

На участке охлаждения факел отдает свою теплоту топочным экранам; здесь же происходит дожигание топлива с изменением параметров Т ф i , К и а ф i до Т т i // , К и а т i в выходном окне топки. Эти изменения могут быть учтены балансовыми уравнениями теплоты [12], либо в первом приближении оценены экспериментальными зависимостями.

Включению в работу стандартного блока регулирования параметрами котла предваряет выбор ( i -го) топлива и соответствующей ему режимной карты. Все параметры этой карты получены опытным путем при наладке, режимных испытаниях, отрабатываются системой управления до смены другим видом топлива [9].

Выводы

• 1.    Алгоритм управления топочным факелом позволяет варьировать виды топлива без дорогостоящих перенастроек вспомогательного оборудования.

• 2.    Выбор рабочих характеристик топливопо-дачи и пылеприготовления при подаче на котел нового вида топлива осуществляется по предварительной расчетной оценке степени выгорания и нормативным параметрам факела с последующим опытным сжиганием, наладкой и режимными испытаниями котла.

• 3.    Возможный переход к горелочным устройствам и топливным системам другого типа потребует корректировки рассмотренного в статье алгоритма.