Способы сжигания угольных топлив и используемые котельные установки. Выбор перспективных топочных процессов сжигания низкосортных угольных топлив. Разработка схемы установки кипящего слоя для сжигания разных видов угольных топлив, включая водоугольное.
Аннотация к работе
Непрерывный рост цен на мазут, природный газ и качественные энергетические угли заставляет многие регионы Украины переориентироваться на более широкое использование низкосортных углей и горючих отходов, запасы которых трудно исчислимы. Энергетический кризис стимулирует развитие промышленной и малой энергетики на основе дешевых местных угольных топлив и горючих отходов углеобогащения, горы которых быстро растут и представляют серьезную угрозу нашего времени. Использование дешевых углей, утилизация отходов обогащения угля и других отходов, зачастую имеющих низкую стоимость, позволит значительно снизить себестоимость энергии, решить экономические вопросы жилищно-коммунальных и промышленных предприятий. Переориентация топливного баланса на использование низкосортных местных угольных топлив и горючих отходов углеобогащения сегодня важна для многих предприятий Украины и требует разработки высокоэффективных технологий организации топочных процессов пригодных для создания нового или модернизации существующего котельно-топочного оборудования. Во-первых, необходимы огромные капиталовложения в создание новых энергетических мощностей, во-вторых, этот путь не решает проблемы изношенности устаревающего оборудования, что особенно характерно для энергетики Украины, в-третьих, рост цен на традиционные топлива не позволяет надеяться на повышение экономичности энергопроизводства, да и запасы этих топлив не безграничны.Однако, низкосортные угли, шламы и даже качественные угли в таких топках, как правило, плохо выгорают изза повышенной влажности, зольности, переизмельченности и выноса мелких частиц топлива. В котлах паропроизводительностью свыше 50 т/ч наиболее универсальным по топливам, отработанным на практике и экономичным является пылеугольный способ сжигания. В силу низкой концентрации топлива в КС, топочные процессы характеризуются малыми потерями его с отводимой из слоя золой. Благодаря значительной турбулентности обеспечивается хорошее перемешивание воздуха, топлива и золы, создаются оптимальные условия для сжигания топлива и связывания серы и других вредных веществ золой или известняком. Большая масса горячих частиц удерживает в слое много тепла, сохраняет постоянную температуру и нивелирует неравномерности концентрации и качества вводимых частиц топлива.В работе рассмотрены перспективы использования низкосортных угольных топлив в топливно-энергетических системах Украины. Освещен основной подход выбора перспективных топочных процессов сжигания низкосортных угольных топлив.
Введение
Непрерывный рост цен на мазут, природный газ и качественные энергетические угли заставляет многие регионы Украины переориентироваться на более широкое использование низкосортных углей и горючих отходов, запасы которых трудно исчислимы. Проблемы энергетики и экологии актуальны и жизненно важны для всех отраслевых структур нашей страны. Энергетический кризис стимулирует развитие промышленной и малой энергетики на основе дешевых местных угольных топлив и горючих отходов углеобогащения, горы которых быстро растут и представляют серьезную угрозу нашего времени. Использование дешевых углей, утилизация отходов обогащения угля и других отходов, зачастую имеющих низкую стоимость, позволит значительно снизить себестоимость энергии, решить экономические вопросы жилищно-коммунальных и промышленных предприятий.
Сжигание низкосортных топлив сдерживается изза сложности организации устойчивого топочного процесса. Они, как правило, не горят на колосниковых решетках и в других типовых топках. Более того, в коммунальной энергетике Украины с большим количеством низкоэффективных слоевых котлов накапливаются горы шлака, также являющегося фактически горючим отходом.
Переориентация топливного баланса на использование низкосортных местных угольных топлив и горючих отходов углеобогащения сегодня важна для многих предприятий Украины и требует разработки высокоэффективных технологий организации топочных процессов пригодных для создания нового или модернизации существующего котельно-топочного оборудования.
Актуальной теме, разработке высокоэффективных топочных процессов и, прежде всего, низкотемпературных, традиционно уделялось и уделяется большое внимание как зарубежными, так и отечественными учеными и институтами [1].
Постановка проблемы. На сегодняшний день все острее и острее встает проблема экономичности выработки энергии. В условиях постоянного роста цен на топливо, увеличения энергопотребления и жесткой конкуренции необходимо искать пути повышения эффективности производства различных видов энергии.
Принципиально возможно 2 пути. Первый, экстенсивный, заключается в увеличении объемов производства энергии путем увеличения количества энергоустановок. Этот путь имеет ряд очевидных недостатков. Во-первых, необходимы огромные капиталовложения в создание новых энергетических мощностей, во-вторых, этот путь не решает проблемы изношенности устаревающего оборудования, что особенно характерно для энергетики Украины, в-третьих, рост цен на традиционные топлива не позволяет надеяться на повышение экономичности энергопроизводства, да и запасы этих топлив не безграничны. Второй путь заключается в модернизации существующего энергетического оборудования, в результате чего будет повышаться его эффективность и внедряться новые виды топлива [2].
Этот путь привлекателен, прежде всего, тем, что не требует огромных капиталовложений. Кроме того, он позволит улучшить не только экономические показатели работы энергооборудования, но и иные характеристики. Речь, прежде всего, идет об экологической составляющей работы энергопредприятий. Все дело в том, что в последние годы законодательство в сфере экологии ужесточается, что вынуждает задуматься о повышении экологичности оборудования.
Анализ последних исследований и публикаций. Фундаментальные исследования в области развития технологий сжигания угольных топлив, в том числе и низкосортных, принадлежат таким известным ученым как: В. Е. Зайденварг, К. Н. Трубецкой, В. И. Мурко, И. Х. Нехороший. Особый вклад в развитие технологий водоугольного топлива внес Г. Н. Делягин.
При выполнении работы были проанализированы и исследованы разработки НПО ЦКТИ, ученых Н.С. Рассудова, В.В. Манцева и др. Основную веху исследования утилизации нетрадиционных видов топлив в котлах с кипящим слоем закрепил Е.М. Пузырев и Г.П. Пронь.
Цель статьи. Целью работы является анализ высокоэффективных технологий сжигания низкосортных угольных топлив и отходов углеобогащения, а также поиск эффективных решений создания нового и модернизации существущего котельно-топочного оборудования. угольных топливо котельный сжигание
Вывод
По проектным проработкам проблемы использования низкосортных топлив и отходов в большинстве случаев могут быть разрешены заменой только топочных устройств. Это, включая реконструкцию котла, главным образом, за счет возможности использования имеющейся строительной части и оборудования, в 3-8 раз дешевле установки нового оборудования. По имеющимся на сегодня заказам для предприятий более предпочтительна именно модернизация котлов с использованием высокоэффективных топок и сохранением инфраструктуры котельной.
Анализ существующих способов сжигания и котельных установок должен основываться не только на рассмотрении эффективности выгорания топлива. Выбор перспективных топочных процессов должен так же учитывать экономические, экологические и эксплуатационные показатели.
Способ слоевого сжигания угля на колосниковых решетках является самым распространенным, надежным и простым по технологии. На сегодня для промышленных и коммунальных котельных это практически единственный способ сжигания твердого топлива. Однако, низкосортные угли, шламы и даже качественные угли в таких топках, как правило, плохо выгорают изза повышенной влажности, зольности, переизмельченности и выноса мелких частиц топлива.
В котлах паропроизводительностью свыше 50 т/ч наиболее универсальным по топливам, отработанным на практике и экономичным является пылеугольный способ сжигания. Его недостатками являются: большие затраты энергии на сушку и размол, сложность системы топливоподготовки, значительные капитальные и эксплуатационные затраты, взрывоопасность.
В целом традиционные, слоевые и пылеугольные топочные процессы, в значительной мере исчерпали свой моральный ресурс и не могут быть приняты за основу при разработке новой котельно-топочной техники.
В развитых зарубежных странах, с 70-х годов прошлого века широкое развитие получили новые технологии организации топочных процессов с использованием классического кипящего слоя (КС) и циркуляционного кипящего слоя (ЦКС), загруженного потоками частиц [3].
В силу низкой концентрации топлива в КС, топочные процессы характеризуются малыми потерями его с отводимой из слоя золой.
Благодаря значительной турбулентности обеспечивается хорошее перемешивание воздуха, топлива и золы, создаются оптимальные условия для сжигания топлива и связывания серы и других вредных веществ золой или известняком. Большая масса горячих частиц удерживает в слое много тепла, сохраняет постоянную температуру и нивелирует неравномерности концентрации и качества вводимых частиц топлива. Использование топочного процесса по схеме классического КС выявило ряд других недостатков. Горение топлива сопровождается высокими (до 15-20%) потерями горючих с уносом, лавинообразным спеканием (агломерация) частиц слоя. Скорости псевдоожижения малы и, соответственно, мало тепловое напряжение сечения топки, диапазон регулирования узкий. Важным требованием организации КС является необходимость обеспечения заданного размера подаваемых в топку частиц, особенно каменного угля и антрацитов, а также необходимость предстартового прогрева частиц слоя.
Котлы ЦКС и КС сжигают как различные отходы углеобогащения, местные топлива, каменные угли, так и низкореакционные топлива - антрациты, а также тощие и низкосортные угли. В принципе они универсальны (всеядны) по топливам. Однако каждый из котлов КС и даже большинство котлов по схемам ЦКС пригодны только для сжигания расчетного топлива.
В настоящее время нет универсальных моделей поведения углей и других топлив и обоснованной системы их классификации. Это, во-первых, связано с многообразием и отличием по свойствам углей разных месторождений. Во-вторых, имеются различные варианты процессов использования углей (сжигание, углеобогащение, получение кокса, производство синтетического топлива, газификация и др.) с соответствующими наборами детерминирующих характеристик топлив.
Нормативные материалы по организации сжигания касаются преимущественно типовых схем слоевого и пылеугольного топочного процесса. Рекомендаций для кипящего слоя по учету влияния характеристик углей, особенностям поведения топливных частиц, эффективности выгорания и организации низкотемпературного топочного процесса с наличием больших масс инертного заполнителя практически нет, соответственно здесь для обоснования концепции низкотемпературного кипящего слоя (НТКС) требуются специальные исследования.
С целью подробного исследования поведения топливных частиц в кипящем слое, в том числе для изучения механизма образования уноса, была предложена схема установки кипящего слоя (рис.). Камера сгорания универсальна, имеет большой диапазон регулирования режимных параметров, позволяет использовать частицы материала слоя и топлива с широкими диапазонами изменения размеров, менять высоту слоя, сжигать различные угли и топлива.
Перспективной представляется возможность совместного сжигания в кипящем слое водоугольного топлива (ВУТ) и мелкодисперсного каменного угля типа «семечка», который выполняет функцию инертного материала и одновременно надежно «подсвечивает» водоугольное топливо [4].
Данный способ сжигания при его освоении и отработке на наш взгляд открывает перспективу использования в качестве третьего топлива обводненных шламов, которые в настоящее время занимают огромные площади и наносят большой ущерб экологии прилегающих территорий. При этом обводненные шламы должны подаваться в топку на режимах работы, близких к максимальной теплоотдаче при максимальной теплонапряженности кипящего слоя. Предложенная схема установки кипящего слоя может включать ряд дополнительных узлов, например форсунку для подачи ВУТ в кипящий слой.
К положительным характеристикам способа можно отнести низкую чувствительность к грансоставу ВУТ, возможность использования всякого рода шламов и других отходов угольной промышленности, также невысокие требования к распыливающей форсунке, которая по конструкции несравненно проще горелки для факельного сжигания. Разработанная нашим коллективом форсунка для подачи ВУТ в кипящий слой находится на стадии патентования.В работе рассмотрены перспективы использования низкосортных угольных топлив в топливно-энергетических системах Украины. Выполнен анализ существующих способов сжигания угольных топлив и используемых котельных установок. Освещен основной подход выбора перспективных топочных процессов сжигания низкосортных угольных топлив.
Приведенные материалы позволяют сделать вывод о том, что существуют реальные предпосылки для использования технологий кипящего слоя с целью сжигания низкосортных угольных топлив и отходов угольной промышленности в энергетических установках.
Предложенная схема установки кипящего слоя является универсальной и позволяет осуществлять процесс сжигания практически любых видов угольных топлив, включая водоугольное топливо.
Предложен способ совместного сжигания ВУТ и мелкодисперсного каменного угля, который при его освоении и отработке, открывает перспективу использования в качестве третьего топлива обводненных шламов.
Список литературы
1. Экология и промышленность. Ежеквартальный научно-производственный журнал. №2 (35) 2013. г. Харьков.
2. Ежемесячный научно-технический и производственно-экономический журнал «Уголь». 12-2012.(1041) г. Москва.
3. Иванов С.А., Дорфман Ю.В. Экологическая целесообразность внедрения топок с низкотемпературным кипящим слоем. - Вестник международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности Чита, 2004. - 260 с. - С. 172-176.
4. Чернецька-Білецька Н.Б., Кущенко О.В., Шворнікова Г.М., Капустін Д.О., Баранов І.О., Крайнюк А.О. Опис до патенту на корисну модель. Спосіб спалювання водовугільного палива. Номер заявки: u 2013 15337. 12.05.2014.
References
1. Ecology and industry. Quarterly Journal of Research and Production. №2 (35), 2013. Kharkiv.
2. Monthly scientific-technical and industrial-economic magazine «Coal». 12-2012. (1041) Moscow.
3. Ivanov S, Dorfman Y. Environmental feasibility of inserts with the low- Turnu fluidized bed. - Journal of the International Academy of Ecology and Life Safety Chita, 2004. - 260 p. - р. 172-176.
4. Chemetskaya-Beletskaya N, Kushchenko А Shvomikova G, Kapustin D, Baranov I, Kraynyuk А. Description patent for utility model. Method combustion of coal-water fuel. Application Number: u 2013 15337. 12/05/2014.
Чернецька-Білецька Н.Б. - д.т.н., проф., зав. кафедри «Логістичне управління та безпека руху на транспорті» СНУ ім. В. Даля.
Баранов І. О. - аспірант кафедри «Логістичне управління та безпека руху на транспорті» СНУ ім. В. Даля. e-mail: baranov_90@inbox.ru
Мірошникова М.В. - аспірант кафедри «Логістичне управління та безпека руху на транспорті» СНУ ім. В. Даля.