Вихревой способ сжигания водоугольного топлива из шламов углеобогащения

Благодарности. Исследование было выполнено при финансовой поддержке российского Фонда Фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 20-43-420016/20.

Цитирование: Мурко, В. И. Вихревой способ сжигания водоугольного топлива из шламов углеобогащения / В. И. Мурко, В. И. Карпенок, М. П. Баранова // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2022, 15(3). С. 338–345. DOI: 10.17516/1999-494X-0400

Перспективным направлением при этом является использование технологии низкотемпературного вихревого сжигания некондиционных топлив. При использовании данной технологии для сжигания ВУТ имеются проблемы, сдерживающие ее практическое применение. В первую очередь это недостаточность теоретических данных по оценке влияния основных характеристик ВУТ (выхода летучих веществ, влажности, зольности и, соответственно, низшей теплоты сгорания топлива) на процессы воспламенения и горения, отсутствие научно обоснованных методических рекомендаций по выбору конструктивных параметров вихревых адиабатических топок (внутренние размеры и диаметр пережимного окна) для надежного сжигания топлива в зависимости от теплопроизводительности теплогенераторов малой и средней мощности, в том числе при переводе мазутных, газовых и угольных котлов со слоевыми топками на сжигание ВУТ [1–5].

Задачей работы было совершенствование технологии сжигания водоугольного топлива, приготовленного на основе тонкодисперсных отходов углеобогащения (ТДОУ), и создание теплогенераторов малой и средней мощности, работающих на этом топливе.

Экспериментальная часть

Исследовалось сжигание распыленного суспензионного водоугольного топлива в вихревых адиабатических топках. Внутренняя поверхность топок выполнена близкой к цилиндрической. При этом дутьевой воздух поступает в топочное пространство через сопла, направляющие поток тангенциально условной внутренней цилиндрической поверхности. Таким образом, поступающий в топку воздух, как и тангенциально направленный факел распыленного водоугольного топлива, организует вихревое (круговое) движение находящихся в топке горящих крупных угольных частиц и капель ВУТ. Круговое вихревое движение в топке способствует эффективному перемешиванию всех материалов, которые находятся в ее пространстве.

Известно, что для эффективного зажигания и стабильного факельного горения водоугольного топлива в топочном пространстве котла, в том числе вихревой адиабатической топке, необходимо выполнение следующих условий:

• –    качественное распыление водоугольного топлива;

• –    максимально возможный подвод высокотемпературных газов к корню распыленного факела ВУТ;

• –    достаточное время нахождения капель распыленного топлива и угольных частиц в камере сжигания [6–8].

Организация вихревого сжигания распыленного водоугольного топлива в адиабатическом или близком к нему режиме позволяет обеспечить соблюдение указанных выше условий за счет того, что подача топлива (диспергированной водоугольной суспензии) осуществляется по касательной к условной окружности внутри топки и поток горячих топочных газов непрерывно поступает к корню факела распыла. Таким образом, в момент попадания в пространство вихревой топки диспергированные частицы (как чисто угольные, так и капли) практически мгновенно вовлекаются в вихревой горячий поток. Вихревое движение газов и распыленного топлива приводит к тому, что центробежные силы удерживают частицы и капли в пространстве топки до тех пор, пока не выгорит их горючая часть. В результате выделяющаяся минеральная часть становится легкой, смещается к оси вихря и выносится из топки с дымовыми газами.

Известные работы по исследованию горения капель водоугольных суспензий основаны на моделях, в основе которых лежит обтекание горящей или нагреваемой частицы (или капли) потоком воздуха. В настоящей работе была развита модель, основанная на взаимодействии угольных частиц и капель с атмосферой топочного пространства [9].

Рассмотрение материального баланса поступающих в топку воздуха и топлива показало, что при сжигании топлива с более высоким содержанием золы концентрация водяного пара в атмосфере топки повышается и может сравняться (а для топлив с зольностью выше 70 % даже превысить) с концентрацией кислорода. На этом основании при расчетах топок учитывалось, что для сжигания ВУТ, приготовленного из ТДОУ, коэффициент избытка воздуха ( α ) должен быть существенно выше, чем для сжигания угля, содержащегося в ВУТ.

Рассмотрение рассчитанных констант равновесия возможных химических реакций и коэффициентов диффузии газов, составляющих атмосферу топочного пространства, показало, что первичной реакцией окисления углерода топлива следует признать реакцию взаимодействия углерода с водяным паром. При этом тепловая энергия, ради которой сжигается ВУТ, выделяется при сгорании водорода и монооксида углерода, а также летучих компонентов органической массы угля за пределами зоны 3.

В ходе работы для сжигания ТДОУ были разработаны и испытаны конструкции теплогенераторов малой и средней мощности. Вихревые адиабатические камеры сжигания различались по расположению оси вихревого движения газов в топочном пространстве (горизонтально и вертикально). В зависимости от теплопроизводительности котла вихревая камера либо располагается 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 теплопроизводительностью от 0,1 до 0,7 МВт (табл. 1)

На рис. 1 представлен теплогенератор для сушки зерна в пос. Краснообск Новосибирской области.

Вихревые адиабатические топки с вертикальной осью вращения были разработаны для экспериментального стенда КузГТУ (на базе котла «Теплотрон») для промышленного котла ДКВР-10-13 (ОАО «Междуречье»). В табл. 2 показаны характеристики теплогенераторов с вертикальной осью вращения.

На рис. 2 изображен вертикальный разрез топочного пространства парового котла ДКВР– 10–13ВУТ (котельная ОАО «Междуречье»).

В табл. 3 представлены состав и количество вредных выбросов в дымовых газах при сжигании опытных образцов топлива в котле КВр-0,63ВУТ, конструкция которого изображена на рис. 3 (на базе котла «Теплотрон»).

Котел (рис. 3) состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с водоохлаждаемой рубашкой 2, дверцей 3 и крышкой 4, колосниковой решетки 5 и зольника 6. Наружная поверхность цилиндрического корпуса теплоизолирована. На боковой поверхности корпуса смонтированы горелочные устройства 7 с форсунками (на рисунке не показаны) и щелевые сопла 8 для тангенциальной подачи дутьевого воздуха. Внутренняя цилиндрическая поверхность камеры сгорания над колосниковой решеткой теплоизолирована термостойким материалом 9. Для подвода и отвода жидкого теплоносителя смонтированы, соответственно, патрубки 10 и 11. Для

Таблица 1. Характеристика теплогенераторов с горизонтальной осью

Table 1. Characteristics of heat generators with a horizontal axis

Наименование показателя	Название объекта
	Стендовая установка СибГИУ	Технологи ческий комплекс шахта «Заречная»	Теплогенератор для сушки зерна, пос. Краснообск	Технологи ческий комплекс, г. Черепаново	Установка сжигания ВУТ, г. Забже, Польша
Теплопроизводитель-ность, МВт	до 0,25	0,66	0,25	0,56	0,25
Расход топлива, кг/ч	до 120	190	75	160	65
Низшая теплота сгорания ВУТ, МДж/кг	10,00 ÷14,00	12,00	11,75	12,70	13,40
Геометрические размеры топки, м
диаметр	1,15	1,40	1,30	2,00	1,35
ширина	0,70	1,05	0,90	1,30	0,93
соотношение d по / 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

Рис. 1. Теплогенератор

Fig. 1. Heat generator теплосъема оборудована система теплообмена 12 между горячими продуктами горения и теплоносителем. Корпус котла и система теплообмена связаны газоходом 13. Корпус котла с зольником и система теплообмена установлены на раме 14.

Таблица 2. Характеристика теплогенераторов с вертикальной осью

Table 2. Characteristics of heat generators with vertical axis

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

Рис. 2. Котел ДКВР 10–13ВУТ

Fig. 2. DKVR-10–13WCF boiler

Таблица 3. Состав и количество вредных выбросов при сжигании ВУТ

Table 3. Composition and amount of harmful emissions from WCF combustion

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), мг/м3	0,1·10–3	менее	0,1·10–3

Рис. 3. Конструкция котла КВр-0,63ВУТ

Fig. 3. Design of copper KVR-0,63 CWS

Заключение

Таким образом, в ходе проведенных работ:

• •    предложена физико-химическая модель горения ВУТ;

• •    получены 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 теплопроизводительности котла вихревая камера либо располагается 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 теплопроизводительностью от 0,1 до 0,7 МВт;

• •    экспериментальные исследования, испытания в опытно-промышленных и промышленных условиях теплогенераторов, работающих на ВУТ, показали их высокую техническую эффективность (мехнедожог составил не более 5 %, к.п.д. котлов 86 %), а количество

вредных выбросов в уходящих газах существенно меньше предельно допустимых значений (в 2–3 раза).