Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Донбасская государственная академия

Донбасская государственная академия

СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

Редько Игорь Александрович

УДК 66.096.5

ПОВЫШЕНИЯ теплотехнического И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ при сжигании низкосортных топлив в кипящем слое отопительных КОТЛОВ

05.23.03 Вентиляция, освещение и теплогазоснабжения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Макеевка 2004

Актуальность темы исследования.

Работа выполнена в Национальном техническом университете "Харьковский политехнический институт" Министерства образования и науки Украины.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рухлинський Владимир

Васильевич, Белгородский государственный технологический университет

заведующий кафедрой "Энергетика теплотехнологии»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Строй Анатолий Федорович

Полтавский национальный технический университет им.Ю. Кондратюка

заведующий кафедрой "Теплогазоснабжение и вентиляция»

кандидат технических наук, доцент Лукьянов Александр Васильевич

Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка,

доцент кафедры "Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция".

Ведущая организация: Харьковская национальная академия городского хозяйства

Министерства образования и науки Украины, кафедра «Эксплуатация

газовых и тепловых сетей ".

Защита состоится 27 мая 2004г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 12.085.01 Донбасской государственной академии строительства и архитектуры по адресу: 86123, Донецкая обл. Макеевка, ул. Державина, 2, первый учебный корпус, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донбасской государственной

академии строительства и архитектуры (86123, Донецкая обл. Г. Макеевка, ул.Державина, 2)

Автореферат разослан 26 апр 2004г.

Ученый секретарь

ученого совета Югов А.М..

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В наше время, отопительных котельные обеспечиваются рядовым углем с повышенным (до 60%) содержанием мелких фракций и золы, не соответствует требованиям слоевого сжигания. Из-за повышенной зольность твердого топлива уменьшается надежность работы котлов, случается шлакованию, ухудшается процесс горения в топке, уменьшается КПД и теплопроизводительность. Сжигание низкосортного топлива связано с выбросами в окружающую среду вредных веществ (оксидов азота, серы, пыли).

Использование водоугольных суспензий, которые являются смесью угля с водой (влажность W = 28 ... 50%, теплота сгорания Q = 8 ... 16МДж / кг), может быть использовано вместо жидкого топлива в больших теплогенераторах без их реконструкции.

В этих условиях для котлов невысокой мощности является технология сжигания в низкотемпературном кипящем слое (КШ), разработка, внедрение которой является важным и актуальным народно-хозяйственным задачам.

Следует отметить, что существенным резервом эффективности угольной отрасли является производство высококачественного топлива путем глубокого обогащения горной массы и повышения степени извлечения горючей массы за счет переработки вторичных ресурсов (переработка угольных мулов, шламов, породных отвалов). При этом уровень качества продукции должен быть дифференцированный для каждой марки угля и ориентирован на конкретного потребителя. По предварительным подсчетам, такой подход позволит при использовании угля дополнительно получить до 20% теплоты.

Уголь является важным фактором в обеспечении энергобезопасности, может быть конкурентно способным и стать экологически приемлемым источником энергии при условии применения современных технологий. Поэтому угля рассматривается как составная часть стратегии обеспечения устойчивого развития энергетики в мире.

Предыдущие исследования показали экономическую целесообразность создания на базе Верхне-Днепровского буроугольного месторождения топливно-энергетического комплекса в составеразреза мощностью 4,6млн.т в год и ТЭС мощностью 600МВт и предприятий по утилизации отходов с полученных стройматериалов и других продуктов.

Использование потенциала бурого угля позволило бы существенно улучшить топливообеспечения теплоэлектростанций. Реконструкция блоков крупных теплоэлектростанций под сжигание бурого угля, а также технологии подготовки угля - наиболее привлекательный путь обеспечения станций отечественным топливом.

Св Связь работы с научными программами, планами, темами

Диссертация выполнялась в соответствии с госбюджетных тем НТУ "ХПИ" М 3014 "Разработка новых концептуальных методов и подходов к созданию высокоэффективного и теплоэнергетического оборудования на основе системного анализа и интенсификации теплотехнологий" (№ госрегистрации 0100U001672, 2000-2002гг.), НТУ "ХПИ" М 3015 "Разработка, развитие и совершенствование теории и способов имитационного моделирования и натурно-имитационных экспериментов для создания перспективных энергогенерирующих комплексов" (№ госрегистрации 0103U001505, 2003-2005гг).

Цель работы

Экспериментальное и теоретическое обоснование методов повышения технологической и экологической эффективности при сжигании низкосортного топлива в кипящем слое отапливает ющих котлов.

Задачи исследования:

- экспериментально исследовать теплообменные и гидродинамические процессы в

условиях пульсационной подачи воздуха в кипящий слой;

- теоретически и экспериментально обосновать режимы устойчивого сжигания отходов вуглезбагачування и низкореакционных высокозольных угля в кипящем слое;

- исследовать механизм формирования выноса частиц из кипящего слоя;

- изучить влияние режимных параметров на уменьшение выбросов оксида азота

- разработать инженерные меры для снижения вредных выбросов (пылевых частиц, оксида азота).

Объект исследования

Процессы горения твердого топлива в кипящем слое при специальных условиях (подача воды в слой, ступенчатая подача воздухя, Пульсационная подача воздуха и т.д.).

Предмет исследования

Теплотехнические и экологические характеристики процессов сжигания низкосортных топлив в отопительных котлах.

Научная новизна полученных результатов

- экспериментально и теоретически обоснованы границы устойчивого сжигания водоугольных суспензий донецкого угля в кипящем слое отопительных котлов;

- экспериментально доказано влияние фракционного состава и его изменений на уровень механического недожога, указано, что укрупнение выноса уменьшает недопал к нормативному;

- определен уровень выбросов оксида азота для различных технологических и экологических мероприятий.

Практическое значение полученных результатов

- Разработаны рекомендации по режимов сжигания низкосортных твердых топлив и водоугольных суспензий в низкотемпературном кипящем слое; указано границы устойчивого горения отходов вуглезбагачування влажностью 30-55% в кипящем слое; показана возможность снижения выбросов вредных веществ оксидов азота, серы, пылевых частиц; экспериментально доказано рациональность использования специальных экологических мероприятий (ступенчатая подача воздуха, Пульсационная подача воздуха, подача воды в слой).

Апробация результатов диссертации

Основные результаты работы докладывались на международных научно-технических конференциях:

- VIII Всеукраинская научная конференция "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" (Донецк, 1998г.); Первая областная конференция молодых ученых (Харьков, 2003.) Научные конференции НТУ "ХПИ" и ХДТУБА (Харьков, 1995-2003р.) Международная научно-практическая конференция "Экология: образование, наука, промышленность, здоровья я" (Белгород, 2004г.).

Личный вклад соискателя

Результаты, которые отражены в диссертационной работе, получены соискателем самостоятельно. Автором разработаны методики экспериментального исследования процессов сжигания низкосортных топлив в кипящем слое в лабораторных условиях и промышленных установках.Предложены и исследованы технические мероприятия по уменьшению выбросов вредных веществ. Разработаны рекомендации по их реализации.

Опубликованные работы

По теме диссертационной работы опубликовано восемь научных работ в профессиональных изданиях.

Структура и об объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы.

Общий объем работы составляет 116 страниц, 98 рисунков, 21 таблицу, список использованных источников из 151 наименования.

Основное содержание ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы: сформулирована цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов; приведены данные об апробации работы и публикации результатов диссертации.

В первом разделе представлен обзор литературных данных, сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Во всех промышленно развитых странах большое значение уделяется вниманию сжигания низкосортного твердого топлива. При этом предъявляются жесткие требования к уменьшению уровня загрязнения окружающей среды из-за работы энергетических установок. Одним из наиболее перспективных направлений является сжигание твердого топлива в низкотемпературном кипящем слое.

Основная масса добытого в Украине угля характеризуется высокой зольностью и содержанием серы. Исходя из этого увеличить топливную базу ТЭС, ТЭЦ отопительных котлов возможно за счет использования низкокалорийных отходов вуглезбагачування и бурого высоковлажных угля.

В настоящее время в отстойниках и шлаконакоплювачах обогатительных фабрик накоплено более 130млн.т отходов углеобогащения. Из них в 15 млн.т представлены шламами с зольностью на сухую массу Аd & lt; 45%; до 60 млн.т- мулошламамы с Аd? 45-60%, остальные Аd? 60-75%. В Львовско-Волынском бассейне находится 9млн.т мулошламив, остальные в Донбассе. Влажность на рабочую массу Wр равна 20-30% содержание серы на сухую массу Sdt = 1,2-2,6%. Сухих отходов обогащения в отвалах шахт и обогащувальня фабрик накоплено около 3млрд.т.

Более 5млрд.т бурого угля залегает в Днепропетровском бассейне, из них разрабатывается (Олександрийский район) 100млн.т. Малая глубина залегания дает возможность открытого добычи и обеспечения низкой себестоимости. Но этот уголь отличается влажностью до 56% при Аd = 15-30% и высоким содержанием серы Sdt = 4,0-4,5%. Сжигание низкосортного угля возможно в топках с кипящим слоем, но эта проблема изучена недостаточно.

Во втором разделе рассмотрены методики и схемы экспериментальных установок.

Эксперименты по определению эффективности сжигания низкосортных топлив проводились на экспериментальной установке, имела следующий вид: трубчатая камера сжигания высотой 1200мм и диаметром 200мм. Воздух необходим для горения подавалось через воздухоразделительные решетку колпачкового типа. На установке предусмотрено подачу топлива в слой и в надслоевого пространство. Для удаления вынесенных из слоя частиц, дымовые газы направляются в циклон диаметром 300 и высотой 920мм. Предусмотрена возможность визуального наблюдения за процессами горения через кварцевое стекло. Зриджуване воздуха подавалось на газораспределительную решетку вентилятором ВВД-5. На воздуховоде установлен электромагнитный клапан, который регулирует пульсационные воздушные потоки. Замер температуры происходило с помощью термопар (ТХК, ТХА).

Анализ продуктов сгорания осуществлялся газоанализатором ГХП-3М. Коэффициент избытка воздуха считался по азотной формуле.

В ходе эксперимента отбирались пробы выноса золы из циклона, а также пробы материала слоя. Для получения фракционного состава топлива проводился ситовой анализ проб. Для определения концентрации горючих в пробах проводилось пофракционно выжигания горючих по стандартной методике.

Потери через механический недожог вычислялись по формуле:

,% (1)

где М масса выноса, который отобран из циклона за фиксированный интервал времени, кг; СГ концентрация горючих в выноса,%; Qг- теплотом Хартли второго порядка.

В результате обработки данных были получены следующее регрессионное уравнение:

maxпш = 390-12,7 · Х2-56,7 · Х3-58,7 · Х4 + 25,0 · Х22-92,0 · Х32-8,9 · Х2 · Х4 + 57,2 · Х2 · Х3 +

+ 29,6 · Х4 · Х3 (6)

где; ; ; ;

Сравнивая значения КТВ, полученных по регрессивной зависимости, и аналогичные, полученные в процессе полного факторного эксперимента, выявлено идентичность результатов.

В третьем разделе рассмотрены вопросы организации эффективного сжигания низкосортного топлива в кипящем слое.

Возможность реализации эффективных режимов сжигания топлива в кипящем слое обоснованно не только конструкцией топки кипящего слоя, но и свойствами топлива. Основными характеристиками свойств топлива является влага и минеральные добавки. Устойчивое горение топлива в кипящем слое возможно в узком диапазоне температур. Выполнены расчеты теоретической температуры горения при разной влажности и зольности топлива. Расчеты выполнялись при значении коэффициента избытка воздуха 1,2. Теплота сгорания горючей массы топлива принята 31,4МДж / кг, q3-5%; q4-4%; q5-3%. Полученная величина теоретической температуры горения tг сравнивалась с оптимальной, с точки зрения процесса горения топлива.

Устойчивая работа котла в диапазоне температур 850-950оС при сжигании обводненного топлива из беззольном твердой частью возможна при влажности не более 75%. На практике влажность водоугольных суспензий выбирается в условиях их транспортировки и не превышает 50%. Таким образом, важным фактором для процесса горения становится содержание минеральных добавок в твердой части ВВС. По этой влажности (Wр = 50%) сжигание ВВС без подогрева воздуха возможно при зольности А d не более 60%.

Сжигание угля марки А проходит устойчиво в широком диапазоне изменения влажности и зольности (Wр & lt; 30% Аd & lt; 60%), бурого угля с влажностью 10%; при повышении влажности до 30% значения предельной зольности снижается до 45-50%. Отходы вуглезбагачування могут сжигаться с допустимой зольностью Аd& Lt; 40-45%. Эти выводы согласуются с данными УПИ, где были выполнены расчеты предельных значений Wr и Аd сибирского угля, но при других обстоятельствах. Температура кипящего слоя принималась 900оС, что объясняет отклонения графика предельных значений А и Wг в сторону более больших значений.

В работе развивается научное положение о значительном влиянии состава летучих и отношение состава углерода и летучих в топливе. Уголь с высоким содержанием летучих больше подходит для сжигания в КШ. Доказано что по эффективности сжигания донецкий уголь можно разделить на: донецкий Г, К (промпродукт), Т, АШ.

Экологические средства, направленные на снижение оксидов серы и азота (ступенчатая и пульсирующая подача воздуха и воды в пласт, добавки - ловушки серы и другие) вызывают определенные изменения гидродинамики кипящего слоя и эффективности процессов тепло - и массообмена.

Анализ результатов экспериментальных и теоретических работ, выполненных разными авторами показал, что пульсации потока зриджуваного агента приводят к интенсификации процесса горения и увеличивают скорость горения при послойном сжигании в 2-2,3 раза. Полученная экономия топлива 10-30%, расходы ожижаючого агента на 30% меньше, чем стационарного псевдоожижения.

Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости воздуха в пульсирующем слое (ПЖ) имеет такой же характер, как и для стационарного кипящего слоя: сначала увеличивается и доходит до максимального значения, а дальше остается постоянным (рис.1). Особенностью пульсирующего слоя является то, что максимальное значение max достигается при меньших скоростях воздуха, что характерно для высоких температур кипящего слоя. Максимальные значения коэффициента теплоотдачи в пульсирующем слое на 20-30% выше, чем в стационарном кипящем слое. С уменьшением диаметра частиц коэффициент теплоотдачи увеличивается на 30-50%.

На рис.2,3 представлены результаты исследований зависимости коэффициента теплоотдачи от частоты и скважности пульсаций. Как видно, коэффициент теплоотдачи для гладкойтрубы мало зависит от частоты пульсации. Если при? = 0,5Гц- max = 600Вт / м 2, то при? = 2,0Гц- max = 670Вт / м 2. При дальнейшем увеличении частоты пульсации до 10 Гц, коэффициент теплоотдачи уменьшается до 620-630Вт / м 2. Таким образом, при пульсационной подачи воздуха в кипящий слой с частотой до 1,0-2,0 Гц коэффициент теплоотдачи увеличивается на 10-15%, при дальнейшем увеличении частоты пульсации интенсивность теплообмена кипящего слоя с поверхности практически не отличаются от стационарного кипящего слоя. < / p>

Наибольшая эффективность пульсации наблюдается при значениях скважности потока 0,25-0,35. Так при = 0,8 значение max = 240-260Вт / м 2 для оребренных труб. С увеличением скорости воздуха влияние скважности на интенсивность теплообмена уменьшается. Коэффициент теплоотдачи в кипящем слое max определяем:

Nuорmax = Nuоmax + Zрп · 0,9 (7)

где, Zрп- коэффициент эффективности ребра, отнесенный к полной ребристой поверхности; - коэффициент оребрения поверхности теплообмена, Nuорmax, Nuоmax- критерий Нусельта для оребренных и гладких труб.

Коэффициент эффективности ребра ZРП определяем по оmax (максимальный коэффициент теплоотдачи гладкой трубы) в предположений постоянства по высоте ребра

Zрп = (Zp + Fp + Fop) / (Fop + Fp) (9)

Максимальное значение коэффициента теплоотдачи гладкой трубы оmax

Nuomax = 0,85Аr0,19 + 0,006Аr0,5 · Pr0,33 (10)

Исследовалась зависимость коэффициента теплоотдачи высокотемпературного пульсирующего и стационарного кипящего слоя от температуры слоя. Результаты показывают, что зависимости коэффициента теплоотдачи для пульсирующего и стационарного кипящего слоя практически одинаковы. При увеличении температуры слоя от 850-1100оС при сжигании различных топлив значение коэффициента теплоотдачи увеличивается на 5-10%.

Таким образом, теплообмен гладких и оребренных труб в высокотемпературном пульсирующем слое характеризуется достижением максимальных значений коэффициента теплоотдачи при более низких значениях средней скорости воздуха,чем для стационарного кипящего слоя. При этом значение max на 20-30% выше, чем в стационарном кипящем слое. Наблюдается увеличение max на 10-15% от частоты пульсации в диапазоне 1,0-2,0 Гц, с уменьшением скважности к 0,25-0,30 max увеличивается на 30-35%, с уменьшением диаметра частиц max увеличивается на 30- 50%. Повышение температуры слоя на 200 ° проводит к повышению max на 25-30%. Результаты полученные при сжигании различных топлив (высоковлажных бурый уголь, донецкий уголь марки А, Г, природного газа).

Гидродинамические характеристики высокотемпературного пульсирующего слоя измерялись при сжигании в слое различных топлив размером частиц dт = 1-5мм. Наблюдалось периодическое повышение перепада давления кипящего слоя и высоты слоя. Высота вспышки увеличивалась с увеличением скважности и снижением частоты пульсации. Так, для кипящего слоя

Загрузка...

Страницы: 1 2 3