Факультет энергомеханики и автоматизации.
Кафедра горной электротехники и автоматики
группа ГЭА-96 Степанцов Ю.А.
руководитель доц. к.т.н. Гавриленко Б.В.
Магистерская диссертация на тему:"Регулирование тепловой производительности котлоагрегата, оборудованного топкой низкотемпературного кипящего слоя".
Угольная промышленность потребляет огромное количество энергетических ресурсов. Только на отопление, санитарно-бытовые нужды и нагрев воздуха, подаваемого в шахту, ежегодно расходуется около 10 млн. т. топлива. Поэтому очень важной и одной из первостепенных задач для угольной промышленности является экономия топлива, расходуемого для собственных нужд шахты. Экономия только 1% топлива позволяет три-четыре дня в году работать на сэкономленных ресурсах. Кроме того в настоящий момент наблюдается объективная и закономерная тенденция роста средней зольности добываемого угля, что обусловлено постоянным ухудшение горно-геологических условий с ростом глубины горных работ, сокращением запасов малозольных пластов несоответствие выемочной техники мощности разрабатываемых пластов и т. д. В связи с этим наблюдается дефицит качественных малозольных углей и накопление на складах шахт высокозольных углей марки Т, АРШ, АШ и шламов из-за отсутствия сбыта. Учитывая вышесказанное, весьма актуальной стала задача внедрения в эксплуатацию топочных устройств, предназначенных для сжигания низкосортных высокозольных углей и отходов углеобогащения. Прогрессивным методом сжигания низкосортных и высокозольных (до 80%) топлив, является сжигание в низкотемпературном псевдоожиженом (кипящем) слое. Данный метод сжигания топлива отличается высоким уровнем смешения топлива и окислителя, повышенным по сравнению со слоевыми топками временем пребывания топлива в зоне горения, интенсивным теплоотводом к поверхностям нагрева, отсутствием движущихся частей в топочном объёме, возможностью сжигания в одном агрегате топлив различного состава и качества, пониженным до 1-5% содержанием топлива в слое. Данный метод сжигания облегчает воспламенение топлива, препятствует спеканию топливных частиц и шлакованию конвективных поверхностей нагрева.
Однако наряду с явными преимуществами использования котлов с топками низкотемпературного кипящего слоя (далее НТКС), многолетний опыт их эксплуатации показал и их явные недостатки. Главным недостатком является сложность регулирования производительности котла, что обусловлено узким диапазоном рабочих температур топки НТКС, так как при увеличении температуры кипящего слоя выше 900-9500С происходит шлакование слоя, что является аварийной ситуацией и вызывает необходимость остановки котла. При понижении температуры слоя до 7500С горение становится неустойчивым и и возможно его прекращение, вызывающее необходимость повторного запуска котла, что сопряжено с временными и трудовыми затратами. В ручном режиме качественное управление процессом сжигания топлива в топке НТКС невозможно, а существующая система автоматизации топки, выполненная на базе регулятора Р25 уже морально устарела, поэтому возникла необходимость в разработке новой системы автоматизации, построеной с использованием современной элементной базы (программируемых микроконтроллеров) и позволяющей осуществить технические решения, недоступные при использовании регуляторов Р25.
Процесс сжигания топлива в топках
низкотемпературного кипящего слоя
Топливо в топках НТКС сжигается в псевдоожиженом слое, что способствует существенному улучшению доступа кислорода к топливу в процессе горения, и как следствие интенсификации горения и теплоотдачи к поверхностям нагрева, а также более полному сгоранию топлива. Данные факторы позволяют уменьшить объём топочного пространства, а следовательно и металлоёмкость котлов, способствуют экономии 1-5% топлива.
Псевдоожиженный (кипящий) слой представляет собой совокупность полидисперсных частиц, через которые продувается ожижающий воздух с определённой скоростью, достаточной для ожижения и не превышающей скорость уноса частиц топлива из топки. При этом частицы топлива находятся во взвешенном состоянии и интенсивно перемешиваются по объёму топки, благодаря чему улучшается поступление воздуха ко всем частицам топлива и интенсифицируется процесс горения.
Схема, поясняющая работу топки низкотемпературного кипящего слоя, представлена на рисунке 1.
Дутьевой воздух для ожижения слоя подаётся в топку через воздухораспределительную решётку при помощи высоконапорного дутьевого вентилятора ВМЦ-6 со скоростью достаточной для кипения слоя (2,5-4 м/с). Коэффициент избытка воздуха, подаваемого в топку на 1кг угля составляет 1,2-1,6 теоретически необходимого для сгорания топлива.
Топливо в топку подаётся из топливного бункера при помощи забрасывателя барабанного типа ЗП-600. Причём фракционный состав топлива не должен превышать 13 мм, что следует из условий псевдоожижения слоя. Требуемый фракционный состав топлива обеспечивается посредством применения дробилки или узла отсева на стадии топливоподготовки и в угольный бункер поступает топливо с фракцией до 13 мм.
Зола из зольного бункера удаляется на конвейер золоудаления при помощи разгрузчика качающегося типа, состоящие из стола с отверстиями для просыпания золы, кривошипно-шатунного механизма, редуктора и электродвигателя.
На устойчивую и безаварийную работу топки низкотемпературного кипящего слоя оказывают влияние такие характеристики и свойства твёрдого топлива, как влажность, зольность, плавкость золы, фракционный состав, выход летучих.
Влажность углей оказывает незначительное влияние на процесс сжигания их в кипящем слое. Однако из условий обеспечения работоспособности забрасывателя допустимая влажность не должна превышать 10-12%. Кроме того, при повышенной влажности усложняется заброс топлива из-за залипания его в бункере. Перспективным направлением в плане повышения надёжности работы котлоагрегатов является разработка забрасывателей, обеспечивающих равномерный заброс топлива с влажностью до 25%.
Зольность сжигаемых углей может находится в пределах от 15 до 80%. Значение зольности ниже 15% может привести к уменьшению количества инертного наполнителя и, следовательно, к нарушению процесса сжигания в кипящем слое.
Плавкость золы оказывает значительное влияние на устойчивость работы топки с низкотемпературным кипящим слоем, т. к. от температуры начала размягчения золы зависит допустимая температура в слое по её верхнему пределу регулирования.
Фракционный состав топлива из условий обеспечения псевдоожижения слоя не должен превышать 13 мм. Однако, при большом количестве мелких фракций (0-1 мм) увеличиваются потери тепла с механическим недожогом в уносе.
Выход летучих оказывает влияние на температуру воспламенения топлива. Высокий выход летучих обеспечивает более низкую температуру воспламенения угля, снижая расход жидкого топлива во время розжига. При розжиге на тощих углях, шламах углеобогащения и антраитах (температура воспламенения от 600 до 800 С) целесообразно при достижении температуры 450-550 С производить подачу небольших количеств углей марок Д или Г с температурой воспламенения от 400 до 500 С.
Одно из преимуществ топок кипящего слоя состоит в том, что их можно использовать для сжигания многих видов топлив для производства тепла или как устройства для уничтожения горючих отходов, в некоторых случаях с полезным использованием тепла и во всех случаях с упрощением проблемы вредных выбросов.
Такими топливами могут быть все виды углей, отходы процессов переработки углей, угольно-водяные суспензии, нефтяные, сланцевые масла, шламы нефтепереработки, торф, древесина, щепа, опилки, газ, бытовые отходы, лакокрасочные отходы, отходы топливного происхождения, изношенные автомобильные покрышки (измельченные).
Однако для каждого топлива топка требует специального проектирования.
Полагают, что на эффективность сжигания топлив в топках кипящего слоя влияют следующие факторы: коэффициент избытка воздуха, температура в слое, скорость ожижающего воздуха, время пребывания частиц угля (отношение глубины кипящего слоя к высоте надслоевого пространства, кратность рециркуляции летучей золы), фракционный состав угля.
Коэффициент избытка воздуха оказывает сильное влияние на полноту сгорания, когда отсутствует рециркуляция летучей золы. Полнота сгорания может изменяться от 85% при избытке воздуха 5% до 95% при избытке 25%.
Температура в слое-также важный фактор, влияющий на эффективность сгорания. Однако, как указано выше, эта температура должна быть ограничена пределом 9500 С.Увеличение температуры от 8000 до 9000 С ведет к повышению эффективности сгорания примерно на 3%при избытке воздуха 25%.
Повышение скорости ожижающего воздуха, как следует ожидать, увеличивает унос несгоревших частиц углерода из зоны горения. Кроме того, увеличивается турбулентность в слое, улучшая перемешивание топлива по всему объему. Для нормальных рабочих условий влияние скорости ожижения незначительно.
Общее время пребывания угольных частиц в зоне горения (при достаточно высокой температуре) существенно для эффективности сгорания. Время пребывания зависит от толщины (высоты) кипящего слоя и отношения толщины слоя к высоте свободного пространства топки. Чтобы повысить время пребывания и тем самым улучшить эффективность сгорания, предпочитают увеличивать высоту свободного пространства, а не толщину слоя. Того же результата можно достичь, установив циклонную камеру сгорания за свободной зоной, что широко практикуется в Китае. Альтернативной является применение системы рециркуляции уноса с возвратом летучей золы с недогоревшим углеродом в кипящем слое. Так как возвращенные частицы кокса после короткого подогрева в кипящем слое должны сгорать в надслоевом пространстве, температура в нем должна поддерживаться на достаточно высоком уровне, чтобы обеспечить определенную степень дожигания углерода.
Фракционный состав угля важен только для некоторых типов углей, когда не используется рециркуляция золы. Влияние фракционного состава угля на эффективность сгорания зависит от поведения различных угольных частиц в кипящем слое.
Температуру в топке кипящего слоя необходимо регулировать в рабочих пределах, которые определяются характеристиками топлива и требованиями связывания серы. Температура должна быть достаточно высокой для того, чтобы поддержать горение топлива, но не настолько, чтобы происходило оплавление золы. Обычный диапазон температур 800-9500 С. Оптимальная температура для связывания серы близка к 8500 С. Скорость сгорания высококачественных углей в кипящем слое составляет около 1,5 МВт/м2 (площади слоя) при избытке воздуха 25% и скорость ожижающего агента 2,5м/с.
Около половины выделяемого тепла расходуется на повышение температуры воздуха и топлива, подаваемых в слой, а другая половина поглощается тепловоспринимающими трубами, погруженными в кипящий слой.
Когда требуется снизить нагрузку, необходимо одновременно снижать расход угля ивоздуха для поддержания эффективной работы топки во всем диапазоне регулирования. Вместе с этим изменением нагрузки в той же пропорции должен уменьшаться тепловой поток к погруженным трубам. За счет изменения температуры слоя можно достичь лишь сравнительно небольшого уменьшения нагрузки. Гораздо больший диапазон регулирования возможен при делении слоя на несколько сегментов, которые в зависимости от требуемой нагрузки могут быть во взвешенном или неподвижном состояниях При использовании этого метода регулирования количества инертного материала в кипящем слое остается постоянным. Недостаток метода состоит в том, что динамический отклик зависит от теплоемкости слоя и, следовательно, будет несколько замедленным.
Метод регулирования нагрузки, основанный на использовании взаимосвязи между степенью расширения кипящего слоя и скоростью ожижения для изменения высоты слоя и, таким образом, погруженной величены тепловоспринимающей поверхности, обеспечивает возможность получения широкого диапазона регулирования нагрузки с коротким переходным процессом, так как тепловой поток к погруженным трубам примерно в 4 раза превышает тепловой поток к трубам, находящимся над кипящим слоем.
При регулировании нагрузки изменением высоты кипящего слоя охлаждаемые трубы размещаются таким образом, чтобы их контакт с кипящим слоем постепенно увеличивался по мере изменения скорости ожижающего воздуха и чтобы тепловосприятие их было согласовано с изменением нагрузки. Так как температура в слое не изменяется, длительность переходного периода мала (скорость изменения нагрузки5% в 1мин). Данный способ позволяет обеспечить диапазон изменения нагрузки3/1. Он используется в большинстве котлов с топками кипящего слоя, использованными в последние годы.
P. S.
Остальная часть работы
пока не готова.