"Очистка газов от пыли после термолиза промбытотходов"
Российский уголь.Энергосбережение. Журнал Уголь - 2002 - №10 (http://www.rosugol.ru/jur u/2002/10/isymin.html)
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ЖАРОТРУБНО-ДЫМОГАРНЫХ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ, ОБОРУДОВАННЫХ ТОПКАМИ "ПОЛУКИПЯЩЕГО" СЛОЯ*
Р.Л.Исьемин Канд. техн. наук (Тамбовский филиал ассоциации КАРТЭК)
С.Н.Кузьмин Канд. техн. наук (Тамбовский государственный технический университет)
В.В.Коняхин Инженер (Тамбовский филиал ассоциации КАРТЭК)
Коммунальные и промышленные котельные России потребляют миллионы тонн угля в год. В настоящее время проводится политика перевода угольных котельных на природный газ. При этом постулируется достижение большого экономического и экологического эффекта от такого перевода. Между тем, элементарные расчеты показывают, что срок окупаемости затрат на перевод на природный газ котельной потребляющей, к примеру, 400 т угля в год с низшей теплотворной способностью 20 МДж/кг составляет более 5 лет без учета амортизационных затрат. С учетом же затрат на амортизацию срок окупаемости затрат приближается к сроку службы теплогенерирующего оборудования, т.е. затраты на газификацию такой небольшой котельной фактически не окупаются и уголь использовать как топливо для небольших коммунальных котельных оказывается выгоднее, чем природный газ. Однако, следует иметь ввиду, что коммунальные и промышленные котельные располагаются, как правило, в городах и поселках, где уголь значительно уступает природному газу в плане экологической безопасности. Для того, чтобы уголь, как топливо для коммунальных и промышленных котельных, был конкурентоспособным по отношению к природному газу, необходимо, помимо всего прочего, уменьшить его негативное влияние на окружающую среду.
Между тем, если для оценки этого влияния использовать обобщенный показатель вредности энергетических топлив [1, с.18-19], то оказывается, что этот показатель для природного газа равен 4,07; для углей: ирша-бородинского – 8,72; кузнецкого – 8,74; березовского – 8,75; райчихинского – 8,9; донецкого АШ – 11,07; экибастузского – 11,4; назаровскоголя – 11,76; подмосковного угля – 22,96 и т.п., т.е. применение каменного и бурого угля в качестве топлива в 2-5,5 раза экологически более вредно, чем применение природного газа.
Известную экологически безопасную технологию сжигания угля, в низкотемпературном “кипящем” слое [2,3], в общем случае вряд ли можно считать пригодной для мелких коммунальных и производственных котельных из-за: высокой стоимости оборудования; сложности, громоздкости оборудования, низкой его надежности; низкой надежности самого процесса сжигания (из-за шлакования топки при самопроизвольном изменении гидродинамической обстановки в “кипящем” слое, попадания в слой кусков топлива с низкоплавкой золой и т.п.). Положение усугубляется тем, что для котлов мощностью до 3 МВт, затраты на вспомогательное оборудование и автоматизацию процесса сжигания в 5 раз и более превосходят затраты на сам котел [4]. С другой стороны, в стране насчитывается десятки тысяч подобных котлов, которые потребляют или могли бы потреблять миллионы тонн угля в год.
Практика показала, что значительно сократить затраты на реконструкцию существующих или производство новых котлов, повысить надежность процесса сжигания твердого топлива, и сохранить высокую интенсивность процесса горения, в том числе и низкосортного топлива, и низкие выбросы загрязняющих веществ (окиси углерода, окислов серы, азота, а также золы и шлака) в атмосферу позволяет технология сжигания топлива в “полукипящем” слое.
“Полукипящим” слоем названо псевдоожижение мелких частиц в промежутках между крупными, неподвижными частицами [5]. При сжигании рядовых углей (содержащих как мелкие, с размером 0-6 мм, так и крупные, до 300 мм, куски топлива); торфобрикетов (из-за непрочности торфобрикетов в этом топливе содержится значительное количество мелочи); гранулированного торфа; не грохоченных сланцев и т.п. при определенных условиях мелочь “кипит” в промежутках между крупными, неподвижными кусками топлива. Крупные куски топлива, образуя своды, препятствуют уносу мелочи из слоя горящего топлива; с другой стороны, мелочь, интенсивно двигаясь в промежутках между крупными частицами, счищает с них шлаковую корку, интенсифицируя горение крупных частиц. Кроме того, в “полукипящем” слое коэффициент теплоотдачи от газовой среды к крупным, неподвижным частицам на порядок выше [5], чем в слое крупных неподвижных частиц в отсутствии псевдоожижения мелочи. Все это создает благоприятные условия для выжигания на 95-98 % полифракционного топлива. Кроме того, оказалось, что из-за разной скорости горения мелочи и крупных частиц, окислы азота, образующиеся при горении топлива, восстанавливаются до молекулярного азота углеродом несгоревшего топлива [6], что снижает содержание окислов азота в уходящих газах.
Определены [7] оптимальные условия для сжигания недробленого твердого топлива в “полукипящем” слое: число псевдоожижения для мелких (0-15 мм) частиц - 0,6-0,8; коэффициент избытка воздуха в слое горящего топлива - 1-1,2; напор дутьевого вентилятора не менее 3 кПа.
Технология сжигания низкосортного твердого топлива была первоначально реализована в конструкции водоохлаждаемых воздухораспределительных решеток, устанавливаемых вместо колосников в действующих котлах [8], а, позднее, в конструкции стального водогрейного жаротрубно-дымогарного котла [9].
Основным элементом конструкции котла является топочное устройство с “полукипящим” слоем горящего низкосортного твердого топлива (рис.1).
Как видно из рис.1, горение топлива идет непосредственно на непровальном водоохлаждаемом поде, а воздух для горения подаётся в виде горизонтальных струй через отверстия в водоохлаждаемых профилях.
Сжигание в “полукипящем” слое в выше описанной топке: исключает потери топлива с провалом; снижает потери топлива с уносом; снижает концентрацию окислов азота в уходящих газах; снижает выход золы и шлака (из-за более полного выгорания топлива).
Схема водогрейного жаротрубно-дымогарного котла с топкой “полукипящего” слоя представлена на рис.2, а его технические характеристики в таблице.
Техническая характеристика водогрейного жаротрубно-дымогарного котла с топкой “полукипящего” слоя
Характеристика
Марка котла
КВ – 0,7 КБ/ГС
КВ – 1,0 КБ/ГС
КВ – 1,5 КБ/ГС
Номинальная теплопроизводительность, МВт
0,7
1,0
1,5
Температура воды на выходе из котла, ?С, не выше
115
115
115
Расход условного топлива*, кг у.т./ч, не более
115
164
246
КПД котла, %, не ниже
75/91**
75/91**
75/80,5***/91**
Топливо Каменный, бурый уголь, торф, брикеты и др. с зольностью до 80 %, влажностью до 60 %, при содержании пыли до 100 %, природный газ
Обслуживание котла (подача топлива, удаление шлака)*
ручное
ручное
ручное/механизи-рованное
Размеры котла, мм* (без вентилятора)
2800х1500х2200
3200х1500х2200
3200х1500х2200
Тип дутьевого вентилятора*
ВЦ-7-42 № 3, 15
ВЦ-7-42 № 4
ВЦ-7-42 № 4
Установленная мощность электродвигателя, кВт*
3,0
5,5
7,0
Число оборотов электродвигателя, об/мин*
3000
3000
3000
Примечания. * - при работе на твердом топливе; ** - при работе на природном газе;
*** - при механизированной подаче твердого топлива
Котел (см. рис.2) содержит горизонтальный цилиндрический корпус 1, в котором размещена жаровая труба 2, оборудованная водоподъемными трубами 3. К жаровой трубе примыкает пучок коротких дымогарных труб 4, объединенных через заднюю дымовую коробку 7 с пучком длинных дымогарных труб 5, которые, в свою очередь, через переднюю дымовую коробку 8 объединены с дымоходом 6. Штуцера 9 и 10 служат для входа и выхода нагреваемой воды, а амбразура 11 - для установки на котле газовой горелки при переводе котла на сжигание природного газа. В нижней части жаровой трубы 2 размещено водоохлаждаемое воздухораспределительное устройство (на рис.2 не показано), аналогичное изображенному на рис.1.
Котел работает следующим образом. Воздух от вентилятора высокого давления нагнетается в воздухораспределительное устройство, на которое вручную или транспортером подается твердое топливо. Топливо сгорает в “полукипящем” слое, а газообразные продукты его сгорания по дымогарным трубам 4, 5 и дымоходу 6 удаляются из котла. Три хода дымовых газов обеспечивают их глубокое охлаждение циркулирующей через котел водой, а водоподъемные трубы 3 обеспечивают циркуляцию воды вокруг жаровой трубы 2, обеспечивая ее надежное охлаждение. В настоящее время в эксплуатации находятся свыше 20 таких котлов теплопроизводительностью 0,7-1,5 МВт, которые обеспечивают теплоснабжение объектов жилищно-коммунального хозяйства различных регионов России, а также объектов Московского военного округа. Применение таких котлов, например, в котельной Мучкапской районной больницы (Тамбовская обл.) позволило сократить годовой расход угля с 3000 до 2000 т, а выход золы и шлака сократился в 2-2,5 раза (т.е. значительно снизились нагрузки на окружающую среду).
В котельной Инжавинской средней школы (р.п.Инжавино Тамбовской обл.) - строительный объем здания 34000 м3 - один котел с топкой “полукипящего” слоя, номинальной теплопроизводительностью 1 МВт, заменил три котла “Универсал–6”, оборудованных колосниковой решеткой и обеспечил необходимый, ранее не достижимый, тепловой режим в здании школы, а также ликвидировал перерасход топлива. В котельной ВЧ-20514 котлы с топкой “полукипящего” слоя заменили котлы “Энергия”, которые не обеспечивали необходимый температурный режим в служебных помещениях из-за того, что на угольный склад котельной поставлялись рядовые угли различных месторождений. После установки котлов с топками “полукипящего” слоя проблема теплообеспечения снята. В котельной Кондауровского психоневрологического дома-интерната (с.Кондауровка Тамбовской обл.) котел с топкой “полукипящего” слоя, теплопроизводительностью 1 МВт, заменил три котла “Универсал-5М”, которые не обеспечивали необходимый температурный режим при работе на рядовых каменных и бурых углях. После ввода котла в эксплуатацию в начале отопительного сезона 2001-2002 гг. проблем с теплообеспечением дома-интерната не было даже при уличных морозах до -30 єС при сжигании тех же углей, что и в котлах “Универсал-5М”. Имеются и другие примеры успешного применения котлов с топками “полукипящего” слоя.
При эксплуатации котлов с топками “полукипящего” слоя отмечается образование сухих золовых отложений в дымогарных трубах, которые легко удаляются механически. В зависимости от доли мелочи, содержащейся в сжигаемом угле, необходимость очистки дымогарных труб от золовых отложений возникает 1-4 раза в отопительный сезон. Золовые отложения имеют светло-серый или светло-коричневый цвет, их химический анализ показывает малое содержание углерода (сажи) [6], а ведь именно мелкодисперсная сажа, обладающая высокими адгезионными свойствами является причиной образования прочных связанных золовых отложений. Несмотря на то, что в котлах сжигались угли, содержащие большое количество серы, коррозионных повреждений поверхности нагрева не наблюдалось. Накипные отложения также не причиняли большого беспокойства, хотя все поставленные нами котлы работают без химводоподготовки. Только в одном котле в конце четвертого сезона эксплуатации наблюдалось прогорание водоподъемной трубы. Все котлы обслуживаются вручную, хотя имеется принципиальная возможность механизации загрузки топлива и удаления золы и шлака. Однако, размеры котельных, в которых установлены котлы, отсутствие квалифицированного обслуживающего персонала и экономические проблемы организаций, эксплуатирующих наши котлы, вынуждают пока отказаться от механизации процесса сжигания угля.
Процесс сжигания в “полукипящем” слое протекает весьма устойчиво: как показал опыт, можно регулировать нагрузку котла в диапазоне 17-100 % от номинала без снижения КПД. C другой стороны, котел быстро набирает нагрузку: скорость роста температуры на выходе из котла (при часовом расходе воды через котел около 30 куб. м) составляет 15-17 єС в час (при температуре наружного воздуха около -10 єС ). Все это позволяет быстро компенсировать температурные потери в теплосети, возникающие при ручной чистке топки котла от золы и шлака, а также при нарушениях температурного режима, возникающих по вине обслуживающего персонала. Экологические же преимущества сжигания угля в “полукипящем” слое при ручном обслуживании водогрейного котла сохраняются.
Ниже приведены результаты испытания водогрейного котла с топкой “полукипящего” слоя номинальной теплопроизводительностью 1МВт, установленного в котельной Караульского детского дома (Инжавинский район Тамбовской обл.), после одного сезона эксплуатации.
В котле сжигался печорский уголь – длиннопламенный концентрат марки ДКом со следующими характеристиками: низшая теплотворная способность - 16,59 МДж/кг; зольность рабочей массы - 33 %; влажность рабочей массы - 10,5 %; содержание серы - 2,6 %, азота - 1,3 %. В ходе испытаний установлено, что потери тепла составили: с уходящими газами - 18,6 %; от механической неполноты сгорания - 2,35 %; с физическим теплом шлака - 1,36 %; в окружающую среду - 1,8 %; от химической неполноты сгорания - 0,36 %. Содержание кислорода двуокиси углерода, окиси углерода, окиси и двуокиси азота, двуокиси серы в уходящих газах за котлом определялись с помощью газоанализатора “Testo–33”. Было установлено, что содержание окиси углерода в уходящих газах колебалось в пределах 180–1343 ppm, окиси и двуокиси азота – 129-215 ppm, двуокиси серы – 13-711 ppm. Колебания химического состава уходящих газов объясняются ручной подачей топлива в топку котла, периодической шуровкой слоя горящего топлива и удаления вручную золы и шлака из топки. Однако, при изменении коэффициента избытка воздуха за котлом в пределах 1,69-1,99 содержание окислов азота (в пересчете на NO2) колеблется в узких пределах, что подтверждает факт восстановления окислов азота, образующихся при горении, до молекулярного азота углеродом топлива. Содержание окислов азота, рассчитанное к стандартным условиям (коэффициент избытка воздуха ?=1) оказалось в 1,5 раза ниже предельно допустимого значения. Значительные изменения концентрации окислов серы в уходящих газах объясняются, очевидно, попаданием или непопаданием в топку котла серосодержащих кусков породы. Низкие концентрации окиси углерода и окиси азота в дымовых газах наблюдались и при сжигании других углей: рядового полуантрацита, донецкого длиннопламенного класса “отсев”, интинского длиннопламенного угля и др. Из-за высокой температуры в “полукипящем” слое, очевидно, не происходит связывание окислов серы карбонатной частью золы топлива или, если происходит, то в незначительной степени. Однако, следует иметь в виду, что окислы азота на 40-60 % определяют токсичность продуктов сгорания угля [10].
Значительное снижение содержания окислов азота в уходящих дымовых газах при сжигании твердого топлива в “полукипящем” слое позволяет прогнозировать уменьшение суммарной вредности низкосортных топлив. При расчете указанных выше значений обобщенных показателей вредности [1, c.18-19] принималось, что содержание окислов азота в уходящих дымовых газах составляет (при ?=1): 1,4 г/м3 – при сжигании каменных углей; 1,3 г/м3 – при сжигании бурых углей и мазута; 0,8 г/м3 – при сжигании природного газа. Содержание окислов азота в уходящих дымовых газах при сжигании твердого топлива в “полукипящем” слое меньше 0,8 г/м3 (при ?=1), однако, даже приняв это значение, получим обобщенные показатели вредности для ирша-бородинского угля – 5,66 (снижение в 1,54 раза), для райчихинского угля - 5,82 (снижение в 1,53 раза), для кузнецкого угля – 6,15 (снижение в 1,42 раза), для березовского угля – 5,65 (снижение в 1,55 раза), для донецкого АШ – 8,24 (снижение в 1,34), для назаровского угля - 8,27 (снижение в 1,42 раза), для экибастузского угля – 8,61 (снижение в 1,32 раза). Эти угли оказываются более экологически чистые, чем малосернистый мазут (обобщенный показатель вредности 9,08). Другие угли также становятся более экологически чистым топливом.
В заключении отметим, что топочными устройствами с “полукипящим” слоем для сжигания угля могут быть оборудованы не только разработанные нами котлы, но и действующие котлы типа ДКВр (КЕ) паропроизводительностью до 6,5 т/ч [11] и Е-1,0-9Р. Схема котла ДКВр-2,5/13, оборудованного топкой с “полукипящим” слоем, представлена на рис.3.
Такой котел был введен в эксплуатацию на ОАО “Мучкапский мясоптицекомбинат” (Тамбовская обл.) в 1993 г. В котле сжигались разные угли, в том числе подмосковный Б2Р (поставщик - шахты “Майская”, “Ушаковская” и др). При сжигании угля Б2Р была обеспечена паропроизводительность котла 2,5-3 т/ч при давлении пара 0,8-1МПа. До реконструкции котла, на решетке РПК, вообще не удавалось поднять давление пара выше 0,1-0,2 МПа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Спейшер В. А. Огневое обезвреживание промышленных выбросов. – М.: “Энергия”, 1977. – 262 с.
Кубин М. Сжигание твёрдого топлива в кипящем слое. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 112 с.
Бородуля В. А., Виноградов Л. М., Дроздов В. Н. Славчев С. Д., Ицкович С. М., Грушецкая С. М., Чурсинова Т. Н. Экологические аспекты сжигания твёрдых топлив в псевдоожиженном слое // Проблемы тепло- и массообмена в современной технологии сжигания и газификации твёрдого топлива: Материалы Междунар. школы-семинара (Минск, 27 мая – 3 июня 1988 г.) – Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова АН БССР, 1988. – ч. 2. – с.85 – 97. Воинов А.П. Проблема надёжности котельно-топочных систем с кипящим слоем // Проблемы тепло-массообмена в современной технологии сжигания и газификации твердого топлива: Материалы Междунар. школы-семинара (Минск, 27 мая – 3 июня 1988 г.) – Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова АН БССР, 1989. – ч. 3. – с.43 – 50. Псевдоожижение. Под редакцией И. Дэвидсона и Д. Харрисона – М., “Химия”, 1974 – с. 538 – 540.
Исьемин Р. Л., Зайцева Н. А., Осипов А. Д., Акользин А. П. Образование окислов азота и связанных отложений на поверхности нагрева котлов с топками полукипящего слоя, работающих на низкосортном угле. – “Промышленная энергетика”, 1995, № 2, с. 37 – 38.
Патент РФ № 2029200 С1 F24H1/20. Способ сжигания недробленого угля в полукипящем слое. – Исьемин Р. Л., Пушкарев Л. И., Осипов А. Д., Кондуков Н. Б. – Бюл. № 5, 20.02.95 г.
Исьемин Р.Л., Коняхин В.В., Кривенцов А. В., Осипов А. Д., Зайцева Н. А., Оксюта Н. В., Федирко А. Л., Кондуков Н. Б., Акользин А. П. О переводе котлов КВ – 300, Д – 721А и “Универсал” на сжигание низкосортных углей – “Промышленная энергетика”, 1991, № 6, с. 11 – 14.
Исьемин Р.Л., Коняхин В.В., Кузьмин С. Н., Будкова Е. В. Котел для центрального отопления, работающий на низкосортном твёрдом топливе. – “Промышленная энергетика”, 2001, № 9, с. 22 –27.
Сигал И.Я. Эффективные методы снижения образования оксидов азота при сжигании топлив. // Проблемы тепло- и массобмена в современной технологии сжигания и газификации твердого топлива: Материалы Междунар. Школы-семинара (Минск, 27 мая – 3 июня 1988г. ). – Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова АН БССР, 1986 – Ч.2. – с. 141-149
Исьемин Р.Л., Осипов А.Д., Кривенцов А.В., Акользин А.П., Кондуков Н.Б. О повышении эффективности котлов типа ДКВр при сжигании низкосортного твердоготоплива – “Энергетик”, 1995, № 11, с. 15-16.