Способы сжигания водоугольного топлива

Сжигание

Горение ВУТ в вихревом предтопке

Сжигание ВУТ

Особенности сжигания ВУТ

Водоугольное топливо является жидким топливом и имеет вязкость, немного превышающую вязкость мазута: примерно 800-1000 мПа*с по сравнению с 400-440 мПа*с (до 44 мм2/с) у мазута. Соответственно, подача ВУТ в топку котла осуществляется аналогично мазуту, но через форсунки, специально разработанные для ВУТ.

ВУТ относится к низкореакционным видам топлива. Следовательно, для его воспламенения и стабильного горения требуется дополнительный объём. Обычно это решается за счёт использования вихревого способа сжигания или использования предтопков.

Вне зависимости от способа сжигания ВУТ, его подача в топку осуществляется через форсунки. На первых порах использования ВУТ существовала проблема создания горелок, которые были бы устойчивы к абразивному истиранию частицами угля, входящими в состав ВУТ. В настоящее время проблема износа решена путём изменения конструкции форсунок, когда расыл ВУТ не зависит от абразивного износа подающего канала.

На сегодня можно выделить следующие способы сжигания:

• Автономное факельное сжигание с использованием предтопков
• Комбинированное факельное сжигание с другими видами топлива: углём, газом, мазутом.

Возможно также сжигание в кипящем слое (полностью или частично), либо сжигание с газификацией ВУТ (полной или частичной).

1. Автономное факельное сжигание предтопках

Факельное сжигание ВУТ осуществляется по классической схеме: топливо подаётся под давлением через распыляющую форсунку, аналогично мазуту. Распыление ВУТ может производиться как сжатым воздухом, так и паром — выбор производится в зависимости от типа котла и условий в котельной.

Полностью самостоятельное (автономное) сжигание ВУТ позволяет иметь только один источник энергии (уголь) и, следовательно, снизить затраты на содержание топливного хозяйства. Однако, полностью автономное горение на существующих котлах, как правило, возможно при использовании предтопков.

» data-medium-file=»http://vodougol.ru/wp-content/uploads/2015/10/predtopok_energoles-300×199.png» data-large-file=»http://vodougol.ru/wp-content/uploads/2015/10/predtopok_energoles.png» loading=»lazy» src=»http://vodougol.ru/wp-content/uploads/2015/10/predtopok_energoles.png» alt=»Предтопок с горелкой для распыла пиролизного масла» width=»420″ height=»279″ srcset=»http://vodougol.ru/wp-content/uploads/2015/10/predtopok_energoles.png 420w, http://vodougol.ru/wp-content/uploads/2015/10/predtopok_energoles-300×199.png 300w, http://vodougol.ru/wp-content/uploads/2015/10/predtopok_energoles-360×239.png 360w, http://vodougol.ru/wp-content/uploads/2015/10/predtopok_energoles-262×174.png 262w» sizes=»(max-width: 420px) 100vw, 420px»/>

Предтопок ВУТ с дизельной горелкой для предварительного прогрева

При использовании предтопков удлиняется траектория факела ВУТ, особенно в начальной фазе, где происходит нагрев капель ВУТ. Это позволяет снизить объём зоны горения ВУТ.
С целью поддержания стабильного температурного режима, предтопки изготавливают теплоизолированными (адиабатическими).

При использовании факельного сжигания такие параметры ВУТ, как соотношение твёрдое/жидкое, тонина помола (грансостав), а также вязкость ВУТ должны быть как можно ближе к проектным значениям с целью сохранения стабильного воспламенения и горения ВУТ и сохранения высоких эксплуатационных характеристик котла (КПД, количество выбросов и др.).

Основным преимуществом автономного факельного сжигания является независимость от других видов топлива.

2. Совместное сжигание с другими видами топлива

Подача ВУС из фильтр-кека в сушильную печь с колосниковой решёткой для сжигания угля

Данный способ наиболее приемлем при использовании ВУТ на уже существующих объектах, особенно на угольных котлах. ВУТ подаётся в котёл через одну или несколько форсунок. В случае газомазутного котла второе топливо (газ или мазут, а также пылеуголь) подаются через другую (-ие) горелки. Точное соотношение ВУТ/газ или ВУТ/мазут определяется на стадии аэродинамического и теплового расчёта котла.

На угольных котлах со слоевым сжиганием уголь по-прежнему подаётся на колосниковую топку, а ВУТ подаётся через одну или несколько горелок, расположенных над колосниковой топкой. Наиболее оптимальное соотношение ВУТ/уголь составляет 80%/20%…70%/30%. В этом случае обеспечивается стабильное горение угля в обеих формах (ВУТ и кусоковой), при этом происходит минимизация мех.недожёга.

На угольных котлах комбинированное сжигание позволяет содержать только один склад сырья (уголь).
На мазутных и газовых котельных необходимо иметь два топливных хозяйства. Это компенсируется большей гибкостью для владельцев котла при использовании того или иного вида топлива в различное время суток, либо в связи с сезонными изменениями нагрузки. Например, при отсутствии угля котельная по-прежнему может использовать газ/мазут в качестве основного топлива.

К преимуществам комбинированного (совместного) сжигания моно отнести простоту схемы, её масштабируемость для использования на котлах малой, средней и большой мощности. Кроме того, комбинированное сжигание характеризуется минимальными сроками и стоимостью внедрения при одновременной организации стабильного горения ВУТ. Наличие второго топлива (газа, мазута, угля), выполняющего роль «подсветки», снижает требования к качеству подготовки ВУТ.

При правильной организации горения использование двух топлив позволяет добиться достаточно большого диапазона изменения мощностей котла (отношение max/min).

Сравнение экономических параметров автономного сжигания ВУТ и сжигания ВУТ с подсветкой показывает, что экономический эффект от использования обоих способов практически идентичен в горизонте планирования около 5 лет. Соответственно, выбор способа сжигания должен определяться индивидуально для каждого объекта.

Источник

Сжигание каменного угля в виде водоугольной суспензии в котлах малой мощности

Д.т.н. Л.И. Мальцев, главный научный сотрудник, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН;
И.В. Кравченко, технический директор, председатель Совета директоров ООО «Корпорация ПРОТЭН», г. Новосибирск;
к.т.н. С.И. Лазарев, начальник группы энергоаудита и энергосбережения,
Д.А.Лапин, специалист отдела оперативной аналитической работы, ОАО «СКЭК», г. Кемерово

Сложившаяся ситуация с поставками топлива

На территории Кемеровской области насчитывается более тысячи производственно-отопительных котельных малой и средней мощности, осуществляющих теплоснабжение коммунальных потребителей, объектов соцкультбыта, а также подачу тепловой энергии на производственные нужды промышленных предприятий. Как правило, котельные оснащены котлами со слоевой топкой, работающими на каменном угле.

Производство и транспортировка тепловой энергии является регулируемым видом деятельности. Тарифы на производство и передачу тепловой энергии ежегодно утверждаются регулирующим органом — Региональной энергетической комиссией. В смете затрат на производство тепловой энергии закладывается рядовой уголь, со стоимостью значительно ниже стоимости сортовых углей.

В настоящее время в сложившейся рыночной ситуации производителям каменного угля крайне невыгодно осуществлять поставку рядового угля предприятиям коммунального комплекса. Большинство производителей угля совсем отказались от поставки рядового угля, а все добываемое топливо подвергают обогащению и сортировке. Сортовой уголь продается конечным покупателям (металлургам, экспортерам и т.д.) по ценам, гораздо выше предусмотренных тарифами теплоснабжающих организаций. На нужды теплоснабжения же поставляется не рядовой уголь, а смесь образовавшихся в результате обогащения и сортировки классов топлива с преобладающим содержанием неликвидного в других отраслях промышленности «штыба» (до 80%). Оставшиеся 20% составляет, как правило, смесь классов «орех», «мелкий», «семечко». В результате вместо рядового угля теплоснабжающие организации получают уголь класса ОМСШ. Существующий в настоящее время ГОСТ Р 51586-2000 не регламентирует фракционный состав рядового угля по процентному содержанию классов угля, а лишь задает предельные параметры крупности частиц 0-200 (300) мм, что позволяет угольным компаниям продавать получившуюся смесь классов угля как рядовой.

Сжигание в слоевых топках котлов топлива с высоким содержанием «штыба» приводит к снижению КПД котельных агрегатов из-за увеличения механической и химической неполноты сгорания топлива, вследствие выноса мелкой фракции с потоком воздуха, уменьшения доступа воздуха из-за увеличенного сопротивления потоку, а также образования кратерного горения.

При механическом обезвоживании углей, а также при гидродобыче и гидротранспорте образуются высокообводненные угли мелких классов

— шламы, наиболее крупные из которых (более 0,05 мм) улавливают и выдают вместе с углями крупных классов. Тонкие частицы (менее 0,05 мм) улавливаются менее эффективно, а часто практически не улавливаются при сгущении и обезвоживании и сбрасываются либо в наружные шламовые отстойники, либо в водоемы. При сбросах в отстойники происходит накопление шламов. Количество сбросов отдельных фабрик, в зависимости от их производительности, составляет от 130 до 350 тыс. т в год, при средней зольности отходов от 26 до 60%. В результате за период эксплуатации фабрик и гидрошахт только в Кузбассе общее количество накопленных шламов составляет более 25 млн т. Из них 12,7 млн т имеют зольность менее 35% и могут быть успешно использованы как дополнительные ресурсы для получения товарного топлива [1].

Использование отходов обогатительной фабрики для приготовления водоугольного топлива и сжигания вместе с углем

Решением вышеуказанной проблемы — повышения эффективности сжигания низкосортных углей и утилизации отходов обогащения в малой теплоэнергетике — является изменение технологии сжигания угля в топках котлов. Одно из направлений — сжигание угля в виде водоугольного топлива (ВУТ). Такая технология позволяет увеличить степень сжигания органической составляющей топлива до 95%, что делает процесс гораздо эффективнее слоевого сжигания, несмотря на присутствие в ВУТ большого количества воды. Кроме того, технология приготовления и сжигания ВУТ позволяет сжигать отходы обогатительных фабрик — фильтр-кек, складируемый в шламоотвалах и загрязняющий окружающую среду.

Специалистами ОАО «СКЭК» (г. Кемерово) совместно с ООО «ПРОТЭН» и Институтом теплофизики СО РАН была предпринята попытка использовать вывозимый в отвал кек с обогатительной фабрики (ОФ) «Северная» (г. Березовский) для сжигания вместе с углем в котлах со слоевой топкой (рис. 1) котельной № 7 в пос. Барзас Кемеровской области.

Рис. 1. Котел РН-38, переведенный на сжигание ВУТ

Основным теплотехническим оборудованием котельной являются три водогрейных котла РН-38 общей установленной мощностью 1,2 Гкал/ч. Котлы оснащены ручной слоевой топкой. Для подпитки тепловой сети в котельной предусмотрена химводоподготовка Nа-катионитными фильтрами. Котельная отапливает шесть много

квартирных жилых домов и один детский сад общей подключенной нагрузкой 0,64 Гкал/ч. Протяженность тепловой сети составляет 0,3 км. Котельная работает в круглогодичном режиме.

Характеристики кека ОФ «Северная» представлены в табл. 1. Из приведенных данных видно, что по показателям: зольность, влажность, выход летучих и гранулометрическому составу кек ОФ «Северная» можно использовать в качестве водоугольного топлива с небольшой дополнительной подготовкой.

Таблица 1. Качественные характеристики кека ОФ «Северная».

Принципиальная технологическая схема сжигания ВУТ на котельной пос. Барзас в котлах с ручной слоевой топкой показана на рис. 2.

До котельной кек с ОФ «Северная» доставляется автотранспортом и разгружается в приемную емкость, где он перемешивается шнековым перемешивателем, в случае необходимости разбавляется водой, активируется в генераторе кавитации и подается в емкость хранения ВУТ. Оттуда пневматическим мембранным насосом DM 20/75 AM (производительность 75 л/мин, максимальное давление 0,8 МПа) ВУТ транспортируется к горелке котла. Для привода мембранного насоса, барботирования водоугольного топлива в емкости хранения, а также в качестве распыливающего агента в пневматической форсунке используется сжатый воздух, вырабатываемый винтовым компрессором ВК 30/10 с номинальной производительностью 3200 л/мин.

Характерные особенности ВУТ, а именно: наличие большого количества инертной жидкой фазы и минеральных компонентов в частицах крупностью от 0 до 250 мкм, а также сравнительно низкая теплота сгорания (около 2500 ккал/кг), требуют соответствующих условий для надежного воспламенения и устойчивого эффективного горения водоугольного топлива в топках котлов. Кроме этого важной характеристикой является время хранения ВУТ в емкостях, значительно зависящее от фракционного состава твердой фазы. При величине частиц не более 200 мкм время хранения достаточно длительное, в этом случае не требуется дополнительных пластифицирующих добавок. В случае с кек ОФ «Северная» крупность частиц достигает 350 мкм, что снижает сроки хранения ВУТ до двух суток. Надлежащая кавитационная обработка кека позволяет уменьшить размер частиц угля до 150-200 мкм с увеличением частиц размером до 10 мкм от 5-7% по массе до 25-30%, что увеличивает сроки хранения ВУТ до 30 суток.

Учитывая вышеизложенное, в котле РН-38 применен комбинированный способ капельнофакельного сжигания кека совместно со сжиганием небольшого количества каменного угля в слое для «подсветки» (рис. 3). Соотношение ВУТ и каменного угля в котле принято 80/20. Это позволяет стабилизировать зажигание и горение водоугольного топлива, поступающего в топку котла.

Важное место для сжигания водоугольного топлива занимает устройство для распыливания топлива — форсунка. Для распыливания водоугольного топлива используют, как правило, пневматические форсунки, в силу их относительной конструктивной и эксплуатационной простоты 2.

Форсунки должны удовлетворять ряду требований: обеспечивать надлежащий распыл топлива, создавать заданную форму капельного факела, иметь определенный диапазон возможного варьирования расхода топлива и т.д. К форсункам, используемым для сжигания ВУТ, предъявляются дополнительные требования. ВУТ представляет собой суспензию с содержанием твердой массы (угля) до 70%. При движении такой суспензии по узким каналам нередко происходит запирание каналов. Кроме того, несмотря на достаточно высокую дисперсность частиц угля и кажущуюся пластичность суспензии, ВУТ является высокоэрозионным продуктом. Отсюда следует, что конструкции форсунок для ВУТ не должны иметь узких каналов и больших скоростей движения топлива вблизи стенок.

Для распыла ВУТ в топке котла РН-38 применена пневматическая форсунка, разработанная ИТ СО РАН совместно с ООО «ТеплоПром» [4].

Кек ОФ «Северная» является отходом углеобогащения коксующихся углей. Для предотвращения заноса поверхностей нагрева спекшейся золой, а также увеличения температуры в зоне горения ВУТ для стабильного зажигания в топке котла смонтирован муфель. При горении топлива в топке котла поверхность муфеля, выполненного из шамотного кирпича, значительно раскаляется, что позволяет поддерживать необходимую для устойчивого горения ВУТ температуру, а также удалять образующуюся золу в жидком виде, предотвращая тем самым зашлаковывание поверхностей теплообмена. Схематично муфель представлен на рис. 4.

Испытания показали, что технология факельно-капельного сжигания водоугольной смеси над слоем горящего угля имеет хорошую перспективу, т.к. позволяет сжигать бросовые отходы углеподготовки с помощью подсветки слоевым сжиганием товарного угля в небольшой пропорции. В то же время эти испытания выявили и ряд новых вопросов. В частности, требуется доработка аэродинамики камеры сгорания и ее размеров, а также улучшение работы конвективной части котла.

При сжигании отходов углеобогащения по данной технологии затраты на топливо для производства тепловой энергии снижаются на 40%.

Результаты перевода на ВУТ котла КЕ 10/14

Одновременно с работой по внедрению технологии сжигания ВУТ на котельной пос. Барзас специалистами ООО «ТеплоПром» был переведен на ВУТ котел КЕ 10/14 на Мошковской районной котельной в Новосибирской области.

Котел был переоборудован по схеме (рис. 5), использованной ранее в котельной ООО «ТеплоПром» в пос. Матвеевка Новосибирской области [5, 6]. Вихревая топочная камера для сжигания водоугольной суспензии встроена внутрь котла. Сжигание ВУТ, приготовленного из кузнецких углей марки Г Д, в котле, переведенном в водогрейный режим, производится без подсветки другими видами топлива. В качестве распылителя ВУТ использована пневматическая форсунка [4]. Розжиг котла осуществляется топочным мазутом с постепенным переводом на полное сжигание ВУТ. Образовавшийся шлак в топке котла стекает в шлаковый бункер, откуда удаляется скребковым конвейером в общую систему золошлакоудаления. Топливо производится на Заводе стеновых блоков (ООО «ТеплоПром») и доставляется в Мошково автоцистернами.

В связи с повышенным содержанием влаги в ВУТ процессы воспламенения частиц угля затягиваются во времени, поэтому только организация вихревого режима течения внутри камеры сгорания позволяет решить поставленные задачи. Применяемая в котле вихревая топка обеспечивает достаточно большую продолжительность времени нахождения капель топлива в факеле, что гарантирует полноту выгорания ВУТ, а, следовательно, высокую экономичность топочного устройства. Факел заполняет весь объем камеры сгорания, благодаря чему температура в камере в высокой степени однородна и, следовательно, максимальные значения температуры в камере могут быть понижены, что приводит к сниженному выходу токсичных газовых выбросов, в частности оксидов азота.

Результаты теплотехнических испытаний котла Мошковской котельной на ВУТ показаны в табл. 2. Для сравнения здесь приведены показатели такого же котла, оборудованного традиционной слоевой топкой и действующего на одной из котельных Кемеровской области.

Таблица 2. Сводная ведомость результатов теплотехнических испытаний котла КЕ 10/14 Мошковской районной котельной, переведенного на сжигание ВУТ, приготовленного из кузнецких углей марки Г, Д, и их сравнение с результатами испытаний такого же котла со слоевым сжиганием подобных углей.

Наименование показателей	Значение при работе котла на ВУТ	Значение при работе котла со слоевой топкой
Топливо: — общая влага, %	46,9	8,26
— зольность рабочая, %	10,8	18,05
— выход летучих веществ, %	26,87	26,87
— теплота сгорания сухого беззольного топлива, ккал/кг	8427	8180
— низшая теплота сгорания, ккал/кг	4017	5970
Расход топлива, кг/ч	1216,8	610,5
Теплопроизводительность котла, Гкал/ч	2,561	2,561
Расход воды через котел, м 3 /ч	184,2	184,2
Температура воды до котла, °С	51,8	51,8
Температура воды после котла, °С	65,7	65,7
Состав продуктов горения за котлом: — С02, %	9,1	13,9
— о2, %	11,7	6,8
— СО, ppm	618,6	185,0
— NO, ppm	99,3	218,0
— N02, ppm	1,6	0
— NOx, ppm	100,9	218
— S02, ppm	103,0	81,7
Коэффициент избытка воздуха за котлом	2,26	1,48
Температура уходящих газов за котлом, °С	205,8	307,1
Температура воздуха, поступающего на горение, °С	22,2	22,2
Потери тепла с уходящими газами за котлом, %	15,0	9,7
Потери тепла из-за химической неполноты сгорания за котлом, %	0,46	0,08
Потери тепла с механическим недожогом общие, %	4,7	19,0
Потери тепла с механическим недожогом шлака, %	3,2	1,5
Потери тепла с механическим недожогом уноса, %	1,5	17,6
Потери тепла с физическим теплом шлаков, %	0,37	0,29
Потери тепла в окружающую среду нормативные, %	1,1	1,1
КПД по обратному балансу за котлом, %	83	69,8
Удельный расход натурального топлива на выработку 1 Г кал тепла, кг н.т./Г кал	300,58	238,40
Удельный расход условного топлива на выработку 1 Гкал тепла, кг н.т./Гкал	172,49	203,30

Как видим, теплотехнические испытания котла, переведенного на ВУТ, показали КПД котла на уровне 83%, даже несмотря на повышенный избыток воздуха за котлом из-за нарушения плотности обмуровки. Приведение обмуровки котла в нормативное состояние улучшит технико-экономические параметры работы котла ориентировочно до 86-87%. КПД котла с традиционной слоевой топкой оказался на уровне 70%, даже при состоянии плотности обмуровки близком к нормативному. Отметим, что данный котел со слоевой топкой имеет вполне хорошие показатели. Опыт показывает, что большинство котлов со слоевой топкой в настоящее время имеют КПД на уровне 50%.

Заключение

Проведенные работы по отработке технологии сжигания ВУТ в топках слоевых котлов позволяют сделать следующие выводы:

■ стабильное сжигание ВУТ в муфельных топках котлов возможно как с подсветкой путем слоевого сжигания угля, так и без подсветки;

■ при переводе котлов на ВУТ значительно повышаются КПД котлов и степень сжигания твердого топлива;

■ несмотря на дополнительные затраты тепла на испарение влаги, содержащейся в ВУТ, энергетическая эффективность его сжигания выше слоевого сжигания топлива.

Литература

1. Антипенко Л.А. Перспектива внедрения новой технологии выемки и обогащения шламов отстойников углеобогатительных фабрик // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Тр. Международной конференции. 1999. Кемерово. С. 82-83.

2. Пневматическая форсунка для распыливания ВУТ / Л.И. Мальцев, И.В. Кравченко, А.И. Кравченко, В.Е. Сам- борский // Сб. докл. VII Всероссийской конф. с межд.

участием «Горение твердого топлива». Новосибирск, Россия, 10-13 ноября, 2009. Ч. 2. С. 83-88.

3. Патент РФ № 2346756. Пневматическая форсунка / Л.И. Мальцев//Открытия. Изобретения. 2009. № 5.

4. Патент РФ № 2390386. Пневматическая форсунка / Л.И. Мальцев, И.В. Кравченко, А.И. Кравченко, В.Е. Сам- борский // Открытия. Изобретения. 2010. № 15.

5. Топочное устройство для сжигания водоугольного топлива / С.В. Алексеенко, Л.И. Мальцев, В.В. Саломатов, И.В. Кравченко, А.И. Кравченко, В.Е. Самборский // Сб. докл. VII Всероссийской конф. с межд. участием «Горение твердого топлива». Новосибирск, Россия. 10-13 ноября, 2009. Ч. 2. С. 4-7.

6. Патент РФ № 2389945. Топочное устройство для сжигания жидкого топлива / Л.И. Мальцев, С.В. Алексеенко, И.В. Кравченко, А.И. Кравченко, В.Е. Самборский // Открытия. Изобретения. 2010. № 14.

Источник