Розробка та дослідження потужних подових щілинних пальників для водогрійних баштових котлів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут газу

УДК: 621.18.045:662.951.2

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка та дослідження потужних подових щілинних пальників для водогрійних баштових котлів

Сміхула Анатолій Володимирович

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі захисту атмосферного повітря від забруднення Інституту газу Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Сігал Ісаак Якович, завідувач відділом захисту атмосферного повітря від забруднення Інституту газу НАН України.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Кєсова Любов Олександрівна, професор кафедри ТЕУ Т і АЕС Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

- кандидат технічних наук, П'яних Костянтин Євгенійович, старший науковий співробітник Інституту газу НАН України.

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України

Захист відбудеться 26 квітня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.255.01 в Інституті газу НАН України за адресою: 03113, м. Київ, вул. Дегтярівська, 39, тел. 456-03-24

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту газу НАН України (03113, м. Київ, вул. Дегтярівська, 39)

Автореферат розісланий 24березня 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Б.К. Ільєнко

Анотації

Сміхула Анатолій Володимирович - Розробка та дослідження потужних подових щілинних пальників для водогрійних баштових котлів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика - Інститут газу НАН України, Київ 2007.

Дисертація має мету підвищення ефективності роботи потужних баштових водогрійних котлів ПТВМ-50, ПТВМ-100 з покращенням їх екологічних та економічних показників, шляхом установки щілинних подових пальників, що були розроблені та досліджені. Під час роботи були створені лабораторні установки для дослідження стабілізації полум'я турбулентних струменів природного газу та дослідження горіння природного газу на поверхні щілини. Визначені умови стабілізації полум'я турбулентних струменів газу на поверхні щілини. Обґрунтовані нові рішення по модернізації існуючих потужних котлів баштового типу, розроблені перспективні рішення пальникових пристроїв. Досліджені характеристики граничних режимів роботи щілинних пальників. Визначено вихід оксиду вуглецю (CO) при спалюванні газу в щілинних пальниках, концентрації оксидів азоту (NO_x) при одностадійному та двостадійному спалюванні природного газу в модернізованих баштових котлах. Розроблені рекомендації по конструюванню щілинних пальників, великої потужності, впроваджені подові пальники потужністю 26 МВт і 12 МВт.

Ключові слова: котел водогрійний, щілинний пальник, стабілізація, удар струменя, горіння

Смихула Анатолий Владимирович - Разработка и исследование мощных подовых щелевых горелок для водогрейных башенных котлов. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика - Институт газа НАН Украины, Киев 2007.

Диссертация имеет целью повысить эффективность работы мощных башенных водогрейных котлов ПТВМ-50, ПТВМ-100 с улучшением их экологических и экономических показателей, путем установки щелевых подовых горелок большой мощности, которые были разработаны и исследованы. Созданы лабораторные установки для исследования стабилизации пламени турбулентных струй природного газа и исследования горения природного газа на поверхности щели.

Приведены конструктивные особенности водогрейных котлов ПТВМ-50, ПТВМ-100, преимущества и недостатки конкурентных проектов, намечены пути решения поставленной автором диссертационной задачи.

Определены условия и особенности стабилизации пламени турбулентной струи и группы струй газа на поверхности щели в зависимости от скорости истечения газа, угла атаки струи, диаметра и шага сопловых отверстий, ширины и высоты щели и др.

Для проведения экспериментальных исследований, кроме огнеупорного кирпича, в качестве подвижной стенки использован специальный материал - мулито-кремнезёмистая волокнистая плита, которая быстро разогревается и дает визуализацию процесса горения (тепловой след), или отпечаток на поверхности стенки. При ударе аэрированной струи газа о стенку под углом атаки , струя массой M_х растекается по поверхности, причем часть массы струи направлена вверх, а часть массы двигается вдоль стенки сверху вниз. Впервые показано, что при ударе 3-го рода и горении струи природного газа, которая вытекает в неподвижный воздух, струя создает на поверхности два тепловых отпечатка эллиптической формы. Экстремум соотношения площадей s_g/s₀, наблюдается на расстоянии L/d₀ = 38 что, связано с присоединением стехиометрического количества воздуха. Установлено, что площадь на стенке, которую занимает эллиптический след газовоздушной смеси до горения, слабо зависит от угла под которым турбулентная струя встречается с вертикальной стенкой.

Для каждого угла встречи газовой турбулентной струи со стенкой независимо от диаметра соплового отверстия установлена зависимость отношения малой и большой полуосей эллипса.

Показано, что максимум температур имеет место на расстоянии 0,2·_фр от стенки, а экстремум образования NO_x имеет место на расстоянии 0,5·_фр.

Расстояние до стенки должно быть не более чем 30 калибров сопел, а соотношение скоростей газа и воздуха - W_г/W_п>15. Минимальный шаг отверстий s/d₀ рекомендовано принимать из условия непересечения струй газа до удара о вертикальную поверхность. Рекомендован по отрыву факела угол атаки для группы струй. Перекрытия струй на поверхности щели влияет через коэффициент А на длину факела более существенно по сравнению с числом Re. С ростом степени перекрытия струй коэффициент А увеличивается.

Минимальную высоту щели рекомендовано определять таким образом, чтобы эллиптический след s_g полностью находился на стенке.

Исследованы экологические и теплотехнические показатели разработанных горелок, испытаны методы снижения оксидов азота, оксида углерода, приведены расчеты предложенных вариантов модернизации и реконструкции котельных агрегатов башенной компоновки. Спроектировано и рассчитано 2 типоразмера горелочных устройств для котлов Q/l = 4,4 МВт/м, и Q/l = 3,9 МВт/м. В подовых щелевых горелках температурный уровень в зоне горения меньше, чем в вихревых фронтовых горелках, в связи с тем, что пламя стабилизировано на поверхности щели канала, стенка которого имеет температуру ниже температуры факела. Определены концентрации оксидов азота (NO_x) при одностадийном и двухстадийном сжигании природного газа в модернизируемых башенных котлах.

Исследованы характеристики предельных режимов работы щелевых горелок. Разработаны рекомендации по конструированию щелевых горелок, большой мощности.

Приведены результаты измерений, сравнения лабораторных испытаний и экспериментов на промышленных объектах, приведены испытания котлов, модернизируемых дополнительной мощной подовой горелкой в холодной воронке на примере котла ПТВМ-100МП Дарницкой ТЭЦ и котла ПТВМ-50МП "Житомиртеплокоммунэнерго".

Ключевые слова: котел водогрейный, щелевая горелка, стабилизация, удар струи, горение

Smikhula Anatoliy Volodimirovich. Development and research of power bottom slot burners for tower hot water boilers. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Engineering Science degree in specialty 05.14.06 - Technical Thermal Physics and Industrial Heat Power Engineering. - The Gas Institute, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv 2007.

Dissertation object is efficiency increase of powerful tower hot water boilers of PTWM-50, PTWM-100 with the improvement of ecological and economic indexes by setting of developed bottom slot burner. The laboratory-scale installation was created for research of flame stabilization of natural gas turbulent jets and research of natural gas combustion at the slot. The conditions of turbulent gas jets flame stabilizing at the slot surface of burner are investigated. New decisions for modernizations of existent powerful hot boiler of tower type are proved, perspective decisions for burner replacement are developed. The limits modes of the slot burners reduces are investigated. The output of carbon oxide for natural gas combustion in the slot burners and nitrogen oxide concentrations under one- and two-stage natural gas combustion in the improvement hot water boilers were determined. Recommendations for the slot burners designing for power burners are developed, power bottom burners by capacity 26 MWt, 12 MWt are made and introduced.

Keywords: hot water boiler, slot burner, stabilization, impinging jet, combustion

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Особливістю теплоенергетичної галузі України і країн СНД, є наявність значної кількості потужних водогрійних котлів баштової компоновки ПТВМ-50, ПТВМ-100, що працюють на природному газі в районних котельнях, ТЕЦ і опалюють житлові масиви великих міст (Київ, Москва, Харків, Дніпропетровськ та ін.), а також використовуються на потужних підприємствах. Запроектовані для спалювання мазуту водогрійні котли типу ПТВМ-50, ПТВМ-100, майже всі вичерпали строк свого ресурсу експлуатації та внаслідок конструктивних особливостей мають низькі теплотехнічні та екологічні показники при спалюванні природного газу. Встановлена потужність означених котлів сягає більше 10 ГВт. Заміна цих котлів пов'язана із значними витратами. Тому актуальною задачею є маловитратна модернізація цих котлів з продовженням ресурсу експлуатації та доведенням їх еколого-теплотехнічних показників до сучасних вимог.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась за відомчою тематикою Інституту газу НАН України в рамках науково-дослідної роботи - "Розробка методів підвищення ефективності спалювання природного газу стосовно до потужних водогрійних котлів з метою зниження витрат палива, викидів в атмосферу та продовження їх ресурсу" (№ держреестрації 0102U002957).

Мета роботи і задачі дослідження. Мета роботи - розробка та дослідження потужних подових щілинних пальників для водогрійних баштових котлів ПТВМ-50, ПТВМ-100 для забезпечення їх маловитратної модернізації з покращенням екологічних і теплотехнічних показників та продовженням ресурсу їх експлуатації.

Для реалізації мети поставлені такі задачі:

- створення експериментальної установки для дослідження стабілізації полум'я турбулентних струменів природного газу та дослідження горіння природного газу на поверхні щілини;

- вивчення умов стабілізації турбулентних струменів природного газу на вертикальній стінці в залежності від швидкості витоку газу, кута атаки струменів, діаметра та крока соплових отворів;

- дослідження розроблених потужних щілинних подових пальників на моделі та в промислових умовах з визначенням теплотехнічних та екологічних показників;

- розробка конструкцій щілинних пальників великої потужності, їх перевірка на діючих котлах та розробка водогрійних котлів з подовим розташуванням пальників.

Наукова новизна отриманих результатів:

· обґрунтовані нові рішення по модернізації існуючих котлів баштового типу, розроблені перспективні рішення по заміні цих котлів та пальникових пристроїв;

· визначені умови стабілізації полум'я турбулентних струменів газу на поверхні щілини;

· досліджені характеристики граничних режимів роботи подових щілинних пальників (діаметр соплових отворів, крок отворів, ширина та висота щілини та ін.)

· визначено вихід оксиду вуглецю (CO) при спалюванні газу в щілинних подових пальниках, концентрації оксидів азоту (NO_x) при одностадійному та двостадійному спалюванні природного газу в баштових котлах ПТВМ-50, ПТВМ-100.

Практичне значення отриманих результатів:

· розробка нових пальникових пристроїв;

· розробка нових схем модернізації та реконструкції існуючих котлів;

· розробка нових типів котельних агрегатів;

Особистий внесок здобувача:

· проведення лабораторних досліджень;.

· обробка отриманих експериментальних даних з побудовою графічних та математичних залежностей;

· випробування розроблених пальникових пристроїв.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації докладені на наступних міжнародних і республіканських науково-технічних конференціях і семінарах: Енергозбереження в Україні: законодавство, теорія, практика. Перша, (друга) міжнародна науково-практична конференція, м. Київ 2003, 15-16 квітня (2004, 26-28 квітня); Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики. ХIV, (XV) Конференция стран СНГ с международным участием. Севастополь, 14-17 июня 2004 г. (13-16 июня 2005 год,); Повышение эффективности использования органических топлив в энергетике и промышленности. Научно-технический семинар, 30 ноября 2004 года (30 ноября 2005 года), г. Киев, КПИ; Встановлення пріоритетів розвитку та впровадження перспективних науково-технічних досліджень у сфері охорони довкілля в Україні, робочий семінар, 11-13 вересня, Київ-Дніпропетровськ 2005; Изменение климата и бизнес, международная конференция, сентябрь 2005 года, г. Киев.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано дев'ять друкованих праць: шість статей в спеціалізованих наукових журналах України; отримано Патент України.

Структура та обсяг роботи.

Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків, її загальний обсяг 162 сторінки і включає 18 таблиць, 48 рисунків і 4 додатки. Список використаних джерел із 140 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, визначена мета та задачі дослідження, наведена інформація про використання одержаних результатів та особистий внесок здобувача.

У першому розділі наведені конструктивні особливості водогрійних котлів ПТВМ-50, ПТВМ-100, переваги та недоліки конкурентних проектів, намічені шляхи вирішення поставленої автором дисертації задачі.

Основними напрямками модернізації та реконструкції потужних баштових котлів ПТВМ-50, ПТВМ-100 є:

1. Зменшення кількості пальникових пристроїв та покращення їх технічних та екологічних характеристик.

2. Підвищення ефективності використання поверхонь нагріву нижньої частини топкової камери та холодної воронки.

3. Зменшення локальних теплових потоків в топковій камері і у першому по ходу газів конвективному пучку.

4. Забезпечення стабільної та економічної роботи котлів ПТВМ-50, ПТВМ-100 на понижених навантаженнях.

5. Покращення техніко-економічних та екологічних показників котельного агрегату.

6. Продовження ресурсу існуючих котлів ПТВМ-50, ПТВМ-100 на 8-14 років.

У другому розділі визначені умови та особливості стабілізації полум'я турбулентного струменя та групи струменів газу на поверхні щілини в залежності від швидкості витоку газу, кута атаки струменя, діаметра та кроку соплових отворів, ширини та висоти щілини та ін.

Проведені дослідження горіння турбулентних струменів природного газу (склад мережного газу м. Києва, табл.1) із стабілізацією горіння на вертикальній стінці.

Таблиця 1 Склад мережного природного газу

Компонент	Вміст, %	Компонент	Вміст, %	Компонент	Вміст, %
CO2	1,12	C3H8	0,93	neo-C5H12	0,01
N2	2,20	n-C4H10	0,08	C6H14	0,01
CH4	92,74	i-C4H10	0,10
C2H6	2,79	i-C5H12	0,02

Відповідно до складу природного газу кисневий індекс складає 2,014 (чистий метан 2,0), густина газу при нормальних умовах (101,3 кПа, 0°С) с_газу=0,78 кг/нм ³, нижча теплота згоряння газу 46,6 МДж/кг (чистий метан 50 МДж/кг), теоретична температура горіння стехіометричної суміші T_b=2200 К та термодинамічно рівноважний вміст оксидів азоту у продуктах згоряння [NO_x]_b=1800 ppm (3600 мг/м ³).

Для проведення експериментальних досліджень крім вогнетривкої цегли в якості рухомої стінки використано спеціальний матеріал - муліто-кремнеземисту волокнисту плиту, яка швидко розігрівається і дає візуалізацію процесу горіння (тепловий слід), або відбиток на поверхні стінки.

Досліджено такі випадки витікання газового струменя:

1) в нерухоме повітря під кутом (W_пов = 0);

2) в потік повітря (W_пов= 0..3 м/с) під кутом атаки ( = 15°..90°).

Газ підведено колектором діаметром 76 мм, колектор має симетричні отвори обладнані профільованими соплами (при дослідженні одиничного струменя угвинчується одне сопло, а інші заглушені) змінного діаметру (1; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,5 мм) рис.1а під кутом = 15°, 30°, 45°, 60°, 90°, а_щ =100...180 мм.

Взагалі можуть бути такі випадки зіткнення газового струменя масою M_х зі стінкою рис.1б-д:

б) дотик передньої межі струменя до стінки каналу.

в) удар передньої межі і меншої частини маси струменя об стінку каналу (удар 1-го роду).

г) удар передньої межі і більшої частини маси струменя об стінку каналу (удар 2-го роду).

д) повний удар маси струменя об стінку каналу (удар 3-го роду).



Рис.1. Схема дослідження турбулентного газового струменя: 1- рухома вертикальна стінка; 2 - зона стабілізації полум'я; 3 - турбулентний газовий струмінь; 4 - профільоване газове сопло; 5 - газовий колектор; 6 - повітря від вентилятора; 7 - вісь струменя; 8 - передня межа струменя; 9 - задня межа струменя.

Існує дві концепції побудови щілинних подових пальників. Одна концепція, запропонована в Інституті газу м. Київ, (Сігал, 1958-1961), яка розрахована на дотик газового струменя до стінки. Інша концепція створена у Куйбишевському політехнічному інституті (Міхеєв, 1966) і розрахована на удар струменя об стінку. Але сам удар струменя і його вплив на стабілізацію горіння залишалися до останнього часу не вивченими через відсутність відповідної техніки експерименту.

При ударі аерованого струменя газу об стінку під кутом атаки струмінь масою M_х розтікається по поверхні, причому частина маси струменя спрямована вгору, а частина маси рухається вздовж стінки зверху вниз. Коли знизу подається повітря з певною швидкістю, то загальмований потік газоповітряної суміші, що рухається уздовж стінки вниз, залучається потоком повітря, контури фронту горіння деформуються і зміщуються вверх. Якщо при цьому має місце горіння, то діють також спрямовані знизу нагору конвективні потоки.

Досліджені наступні залежності:

площа теплового сліду струменя -

s_g = f(d₀; W_г; L/d₀; ), (1)

висота щілини -

h_щ = f(d₀; L/d₀; ), (2)

довжина факелу -

L_ф = f(d₀; L/d₀; W_г/ W_п), (3)

де d₀ - діаметр отворів газових профільованих сопел;

W_г - швидкість витоку газу;

L/d₀ - поточна відстань вздовж траєкторії руху струменя у калібрах сопла;

- кут, під яким спрямовано газовий струмінь до стінки;

W_п - швидкість повітря у зазорі між стінкою та газовим колектором.

При ударі 3-го роду та горінні струменя природного газу, що витікає в нерухоме повітря і стабілізується на стінці, утворюються два теплових сліди (відбитка), що з невеликою похибкою є еліпсами. Обидва еліпси є основами фігур наближених до еліптичних циліндрів рис.2.



Рис.2. Типовий вигляд теплового сліду (відбитку) від горіння газового струменя на стінці:

Встановлено, що площа на стінці, яку займає еліптичний слід газоповітряної суміші до горіння, слабо залежить від кута, під яким турбулентний струмінь зустрічається з вертикальною стінкою. Якщо L/d₀=const; W_г=const; d₀=const; (досліди проведені при W_п = 0 м/с), то площі s_g еліптичних відбитків струменя газоповітряної суміші практично однакові:

s_g1(=15°) s _{g2 (=30°)} s _{g3 (=45°)} s _{g4 (=60°)} s _{g5 (=90°)} (4)

При зустрічі газового струменя з стінкою на відстані L/d₀ 38 спостерігається екстремум відносно s_g/s₀.

Ріку та Сполдінг (1961) та Абрамович (1974) провели досліди затопленого турбулентного струменя та визначили приєднану масу струменя G/G₀ в залежності від відношення густин n = с_пов/с_газу (с_пов - густина повітря). Так, затоплений необмежений турбулентний струмінь при n 1,7 на відстані L/d₀=38 має G/G₀=17, а для стехіометричного горіння необхідно щоб було G/G₀=16,9. Якщо струмінь пройде більше 38 калібрів сопла, він приєднає масу повітря більше стехіометричної, що небажано через надмірний надлишок повітря. На рис.3 показано, що екстремум s_g/s₀ близький до стехіометрії. котел водогрійний пальник турбулентний

На ділянці L/d₀<38 спостерігається значний розкид точок. При збільшенні швидкості витікання газу відношення s_g/s₀ зменшується, (рис.3). Для L/d₀>38 площа еліптичного сліду s_g газоповітряної суміші не залежить від швидкості газу, (рис.4).

Лабораторні дослідження показали, що в прийнятих межах швидкості повітря 0<m<0,05 (m = W_п/W_г) на зрізі сопла середня концентрація природного газу на основній ділянці струменя для L/d₀<38 слабо залежить від швидкості повітря, (рис.5).

Концентрації компонентів при L/d₀=const і використанні сопел d₀ = 1,6 - 3,5, в характерних точках J,1,2 (рис.1а) співпадають (з незначною похибкою).



Для кожного кута зустрічі газового турбулентного струменя зі стінкою незалежно від діаметру соплового отвору встановлено залежність відношення малої і великої напівосей еліпса b/a, (рис.6).

На рис.7 зображено зміну температури та концентрації оксидів азоту по нормалі до стінки, рис.1а точки 1,2. Максимум температур має місце на відстані 0,2·_фр від стінки (наприклад для сопла 1,6 мм _фр = 15 мм), а екстремум утворення NO_x має місце на відстані 0,5·_фр.

Стійка робота потужного подового щілинного пальника досягається при ударі газового струменя, о стінку (Міхеев, 1966). Оптимальні техніко-економічні показники пальника досягаються, коли розрахована за формулою Іванова (1954) далекобійність струменя більша або рівна відстані від сопла до стінки каналу. Але, відстань до стінки повинна бути не більше ніж 30 калібрів сопел, а співвідношення швидкостей газу і повітря - W_г/W_п>15. Мінімальний крок отворів s/d₀ доцільно брати з умови не перетину струменів газу до удару об вертикальну поверхню.

Ширину щілини розраховуємо таким чином, щоб:

15< L/d₀<30, а крок отворів s/d₀>6 (5)

Слід приймати кут атаки мінімальним, оскільки це буде сприяти зменшенню висоти факела, кроку сопел s/d₀ до граничного (за формулою 5) і збільшенню потужності пальника. Це також протидіє перегріву газового колектору і виходу пальника з ладу.

Рекомендований по відриву факелу, кут атаки для групи струменів приймається за емпіричним співвідношенням (перевірено для W_г=84 - 170 м/с, W_г/W_пов>15) :

a° = 60° - 9·d₀, (6)

де d₀=1,6-3,5 мм.

Знаючи коефіцієнт стиснення еліпсу k та його площу s_g, можемо визначити велику та малу вісь еліпса:

, b=ak, (7)

Крок розташування сопел впливає на перекриття площ еліптичних слідів s_g і, відповідно, на довжину факелу.

Коефіцієнт перекриття слідів при ударі 3-го роду (рис.1д):

(8)

Для L/d₀<38, висота факела знаходиться по формулі:

, (9)

де за нашими даними для потужних подових щілинних пальників коефіцієнт А = 4.

Слід зауважити, що перекриття струменів на поверхні щілини впливає через коефіцієнт А на довжину факела більш суттєво в порівнянні з числом Re. З ростом ступеня перекриття струменів коефіцієнт А збільшується.

Мінімальну висоту щілини рекомендовано визначати таким чином, щоб еліптичний слід s_g повністю вміщувався на стінці.

На основі отриманих залежностей 5-9 розроблені рекомендації по конструюванню щілинних подових пальників великої потужності.

З метою визначення впливу температури стінки на умови стабілізації полум'я проведені досліди горіння турбулентного струменя газу на металічній водоохолоджуваній вертикальній поверхні для різних діаметрів сопел 1,6-3,5 мм під кутами = 15°..90°. Встановлено, що у випадку водохолоджуваної поверхні полум'я стабілізується (перевірено для W_г<200 м/с, W_п = 0), причому площа s_g яку займає газоповітряна суміш до горіння наближається до площі з розігрітою стінкою. Це дало змоги зробити припущення, що стабілізація полум'я відбувається за рахунок зрівняння швидкостей турбулентного горіння та швидкості руху газоповітряної суміші.

У третьому розділі з'ясовані екологічні та теплотехнічні показники розроблених пальників, випробувані методи зниження оксидів азоту, оксиду вуглецю, приведено розрахунки запропонованих варіантів модернізації та реконструкції котельних агрегатів баштової компоновки, а також котельний агрегат нового типу (Патент України на винахід UA 66064 c2 від 15.11.2005 Бюл.№11).

Спроектовано та розраховано 2 типорозміри пальникових пристроїв для котлів ПТВМ-100 (ТВГ-100) та ПТВМ-50 (ТВГ-50), проведено випробування пальникового пристрою на лабораторному стенді рис.9. Питома (на погонний метр газового колектора) теплова потужність щілинного подового пальника для котла ПТВМ-100 (ТВГ-100) сягає: Q/l = 4,4 МВт/м (460 нм ³/мгод), для котла ПТВМ-50 (ТВГ-50) - Q/l = 3,9 МВт/м (400 нм ³/мгод) (щілинні подові пальники, що використовувались до цього у котлах, мали питому потужність тепловиділення пальника ТВГ-8 - 0,85 МВт/м; КВГ-7,56 - 0,92 МВт/м; КВГ-4,65 - 0,9 МВт/м).

Випробування подових пальників в лабораторних та промислових умовах показало відносно низький рівень виходу оксидів азоту в порівнянні з вихровими пальниками такої ж потужності. В подових пальниках температурний рівень в зоні горіння дещо менше, в порівнянні з фронтовими вихровими пальниками, в зв'язку з тим, що полум'я стабілізоване на поверхні щілини каналу, стінка якого має температуру нижчу за температуру факелу (діапазон температур на щілинах пальників у модернізованих котлах від 900°С до 1100°С).

Конструкція котлів ПТВМ-100МП та ПТВМ-50МП, модернізованих подовими пальниками, дозволяє застосувати механізм двостадійного спалювання природного газу (рис.10). Вихід оксидів азоту (NO_x) в модернізованих котлах при двостадійному спалюванні та без нього приведено в табл.2. При наявності додаткового подового пальника перехід на стадійне спалювання дає можливість знизити NO_x приблизно на 35%.

В результаті досліджень встановлено, що рекомендований в розділі 2 (формула 5) діапазон відстані (15<L/d₀<30), яку проходить газовий струмінь є оптимальним для конструювання подових щілинних пальників даного типу. Якщо 15>L/d₀, у факелі з'являється значна кількість частинок сажі. Одночасно газовий колектор розігрівається до значних температур, що можуть перевищити допустиму для даного металу норму. При L/d₀>30, стабілізація полум'я може бути порушена. Можливе підвищення виходу СО коли струмені газу перекриваються до удару об стінку (неправильно обраний крок сопел), або якщо буде обрана відстань до стінки менше 15>L/d₀.

Малозатратна модернізація котлів ПТВМ-100, ПТВМ-50 з встановленням додаткового потужного подового пальника (20% потужності котла) дозволяє знизити температури на виході з топки за рахунок підвищення ефективності поверхонь нагріву в нижній частині топки (більше 15%)

F_М=F+F_п

(F_п - неефективно працююча поверхня поду) Критерій Больцмана (Bo) при цьому зменшується. Під час роботи додаткового подового пальника разом з основними пальниками, аеродинамічна вісь основних пальників відхиляється вниз (встановлено по трекам частинок сажі). Таким чином хвостова частина факелів віддаляється від конвективного пакету (рис.11а), що сприяє підвищенню ресурсу котла.

Повна реконструкція топки (рис.11б) дозволяє не тільки збільшити площу ефективних поверхонь нагріву, а і віддалити геометричний максимум температур від першого конвективного пакету, що значно подовжить його ресурс за рахунок збільшення параметра М=0,54-0,2х_п, (х_п=0 - відносний рівень розташування пальників, М - параметр, що враховує максимум температур). Безрозмірна температура на виході з топки:

,

таким чином додатково зменшиться.



У четвертому розділі наведені результати вимірювань, порівняння лабораторних випробувань та експериментів на промислових об'єктах, приведені дані випробувань котлів, модернізованих додатковим потужним подовими пальником у холодній воронці на прикладі котла ПТВМ-100МП Дарницької ТЕЦ та котла ПТВМ-50МП "Житомиртеплокомуненерго".

Висновки

1. Для забезпечення маловитратної модернізації баштових водогрійних котлів з покращенням їх екологічних та теплотехнічних показників, продовження ресурсу їх експлуатації можуть бути використані потужні подові щілинні пальники.

2. Встановлено, що стійка робота потужного подового щілинного пальника досягається при ударі газового струменя об стінку. Оптимальними відстанями до стінки є діапазон 15<L/d₀<30.

3. На підставі лабораторних досліджень удару та стабілізації окремого газового струменя або ряду газових струменів на поверхні щілини припущено, що стабілізація горіння відбувається за рахунок урівноваження швидкості руху газово-повітряної суміші та швидкості турбулентного горіння. Температура стінки впливає на стабілізацію горіння несуттєво.

4. Вперше показано, що стабілізований на стінці струмінь природного газу створює на її поверхні два теплових відбитки еліптичної форми. Екстремум співвідношення площ s_g/s₀, спостерігається на відстані L/d₀ =38 що, вірогідно пов'язано з приєднанням стехіометричної кількості повітря.

5. Максимальна температура при горінні природного газу у щілині зареєстрована на відстані 0,2·_фр. Максимум утворення оксидів азоту спостерігається на відстані 0,5·_фр від стінки. В щілинних пальниках температурний рівень в зоні горіння значно менше в зв'язку з тим, що полум'я стабілізоване на поверхні, температура якої не перевищує 1100 °С, що значно нижче характерної температури горіння. Середній вихід NO_x при спалюванні природного газу в подових пальниках склав 58 мг/м ³ (двостадійне спалювання) та 90 мг/м ³ (одностадійне горіння) б=1,0.

6. Особливостями аеродинаміки та теплообміну топки з подовим розташуванням пальників є зменшення локальних теплових потоків по висоті топки та вирівнювання температурного поля на вході у конвективну частину котла. Температурна нерівномірність в вихідному перетині топки при використанні подових пальників також менша. Середня температура на вході в конвективні пакети на 30-50 К менше у порівнянні з вихровими пальниками, що розміщені на бокових стінах.

7. В потужних щілинних пальниках можливий підвищений вихід оксиду вуглецю (СО) тільки при неправильно вибраному кроку сопел (s/d₀<6), або якщо 15>L/d₀.

8. Розроблено, випробувано та впроваджено щілинні подові пальники потужністю 26 МВт та 12 МВт і малозатратні методи модернізації потужних баштових котлів водогрійних котлів ПТВМ-50, ПТВМ-100, шляхом встановлення пальників в холодній воронці котлів.

9. Розроблено та запатентовано новий тип водогрійного котла, оснащеного подовими пальниками великої потужності.

Перелік опублікованих робіт за темою дисертації

1. Сигал И.Я., Смихула А.В. Выброс СО при сжигании природного газа в топках котлов // Экотехнологии и ресурсосбережение - 2003. - №4. - С.40-43.

2. Сігал І.Я., Домбровська Е.П., Сміхула А.В., Білодід В.Д., Лавренцов Є.М., Шишовський А.О., Колчев В.О. Аналіз стану котельного господарства України з метою модернізації, продовження ресурсу чи заміни котлів малої і середньої потужностей // Экотехнологии и ресурсосбережение. -2003. - №6. - С. 76-79.

3. Сігал І.Я., Домбровська Е.П., Шишовський А.О., Сміхула А.В. Котельне господарство України та методи його модернізації //Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Енергозбереження в Україні" - 2003. - С. 42-45.

4. Сигал И.Я., Домбровская Э.П., Смихула А.В. К вопросу о модернизации котельного хозяйства Украины // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2004. - №3. - С. 66-69.

5. Сігал І.Я., Сміхула А.В. Розрахунок втрат теплоти від хімічної неповноти згоряння при спалюванні природного газу в топках котлів // Технічна електродинаміка. - 2004. - №3. - С. 82-83.

6. Сигал И.Я., Дубоший О.М., Смихула А.В. Снижение выбросов оксидов азота котлами электростанций // Энергетика и электрификация. - 2005. - №1. - С. 31-35.

7. Сигал И.Я., Смихула А.В. Модернизация мощных водогрейных котлов ТЭЦ и котельных. // Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики: Тр ХIV конференции стран СНГ с международным участием, г. Севастополь, 14 - 17 июня, 2004 г. - С. 75-78.

8. Сигал И.Я., Смихула А.В. Выброс СО при сжигании природного газа в котлах крупных котельных и ТЭЦ // Отопление водоснабжение вентиляция. - 2006. - №1. - С. 41-43.

9. Сигал И.Я., Смихула А.В. Модернизация существующих водогрейных котлов. // Металлургическая теплотехника: Сб. научн. тр. в 2-х книгах. Кн. 2-я. - Дніпропетровськ. : Пороги, - 2005. - С. 311-319.

10. Патент України на винахід UA 66064 c2 від 15.11.2005 Бюл. №11. Водогрійний котел баштового типу / І.Я. Сігал, О.М. Дубошій, Е.П. Домбровська, А.В. Марковський, А.В. Сміхула, П.І. Берещук, М.І. Плетінка, В.П. Куць, В.О. Колчев.

Размещено на Allbest.ru

...