Размещено на http://www.allbest.ru/

Тамбовский государственный технический университет; Е.М. Бандура, ООО «Интауголь-Локо»

Каким требованиям должен удовлетворять современный водогрейный котел с ручной топкой на твердом топливе

Р.Л. Исьемин, С.Н. Кузьмин, В.В. Коняхин,

А.В. Михалев, Е.В. Будкова

Требования к водогрейным котлам

Прежде всего, отметим, что вступивший в действие стандарт ГОСТ 30735-2001 [1] дал «право на жизнь» водогрейным котлам с ручными топками теплопроизводительностью до 800 кВт, в которых сжигается твердое топливо. Ранее действующий стандарт для вновь разрабатываемых котлов допускал применение только механических топок [2]. Появление на рынке все новых конструкций и производителей водогрейных котлов с ручными топками на твердом топливе свидетельствует о постоянном интересе потребителей к этому виду оборудования.

При формировании требований к водогрейным котлам с ручными топками на твердом топливе будем исходить из того, что в котельных, в которых устанавливаются котлы теплопроизводительностью до 0,8 МВт, как правило, отсутствует квалифицированное руководство, квалифицированный персонал и достаточная ремонтно-наладочная база. Отсюда вытекает первое требование - котлы должны иметь простую и надежную в эксплуатации конструкцию. Вывод их на номинальную теплопроизводительность и номинальный КПД не должен сопровождаться сложными пуско-наладочными работами.

Второе требование к котлам вытекает из пригодности к сжиганию тех видов (сортов и марок) твердого топлива, которое фактически поставляется на отопительные котельные. Согласно [1], в качестве твердого топлива в котлах допускается использовать древесину (дрова, щепа, опилки, брикетированные древесные отходы), торф (фрезерный, кусковой, брикеты), бурый уголь, каменный уголь, антрацит. Остановим свое внимание на котлах, в топках которых сжигается каменный уголь и антрацит. Как правило, эти котлы оборудуются плиточными колосниками с долей живого сечения 12-18% [3] и брусчатыми колосниками с долей живого сечения 8% [4]. Проведенные Академией коммунального хозяйства исследования [5] показали, что обеспечить паспортный КПД котлов (67-75%), работающих на каменном угле и антраците, возможно, если зольность сухой массы антрацитов будет не выше 16%, а каменных углей - не выше 18%, причем влажность этих углей должна быть не более 8%, а содержание мелочи (частиц топлива размером менее 13 мм) - не более 20%. Однако, анализ показывает [5], что зольность сухой массы углей, поставляемых на угольные склады отопительных котельных, колеблется от 14 до 38% для каменных углей и до 20% для антрацитов. Нередки случаи поставки углей с зольностью до 45%, влажностью до 40% при содержании мелочи (0-6 мм) до 80% [5]. Т.е. фактически на отопительные котельные поставляются рядовые угли или угольные отходы (например, отсевы и штыбы). В таких условиях обеспечить КПД котла в 67-75% невозможно. Согласно [1], при работе на рядовом угле вместо грохоченого теплопроизводительность котла может снижаться до 85% от номинальной. Кроме того, в последние годы обозначился дефицит энергетических углей вообще и поставки грохоченых углей стали еще более проблематичными. Для решения проблемы предлагается [6] проводить дробление и грохочение углей в самих котельных, при этом мелкие фракции топлива (от 0 до 13 мм) предлагается сжигать в котлах с топками кипящего слоя, а грохоченые угли - в котлах с механическими или ручными топками. Однако, установка дробилок и грохотов в каждой котельной, а также специального котла для сжигания отсева резко увеличит капитальные и эксплуатационные затраты по такой котельной, потребует квалифицированного обслуживающего персонала. Единственным выходом из создавшегося положения является принятие рядовых каменных и бурых углей в качестве расчетного топлива для водогрейных котлов с ручными топками. Это второе требование, которое, на наш взгляд, должно предъявляться к современным водогрейным котлам с ручными топками.

Третье требование вытекает из того, что большинство котельных, в которых применяются котлы с ручными топками, не имеют системы водоподготовки или эта система работает не эффективно. Отсюда третье требование к водогрейным котлам - устойчивая работа в системах с прямым разбором теплоносителя и с большими его потерями.

Наконец, четвертое требование - высокая заводская готовность вновь изготавливаемых водогрейных котлов с ручными топками. Желательно, чтобы в котельные поступали котлы с заводской съемной обмуровкой, т.к. это резко сокращает время и денежные затраты на монтаж котлов. Из-за некачественного монтажа обмуровки срок ее службы часто не превышает одного отопительного сезона, что приводит к дополнительным потерям теплоты в окружающую среду и ухудшает санитарно-гигиенические условия труда в котельной.

Обзор рынка котлов с ручными топками

Проанализируем теперь парк выпускаемых водогрейных котлов с ручными топками в России и других странах СНГ и Балтии и выясним, выпускаются ли котлы, удовлетворяющие всем четырем требованиям.

Начнем с требования № 4. Водогрейные котлы, работающие на угле, выпускаемые ЗАО «Житомирремпищемаш», латышской фирмой АО «Комфорт», белорусской фирмой АО «Белтоппром», Ковровским заводом котельно-топочного и сушильного оборудования ЗАО «Союз», ООО «Ижевский котельный завод» и ряд других типов котлов снабжаются заводской теплоизоляцией (съемной или несъемной). Большинство выпускаемых котлов имеет водотрубную конструкцию, достаточно простую для изготовления (выполняется требование № 1), но не очень надежную, на наш взгляд, при работе в системах без водоподготовки с большим объемом подпитки (требование № 3 не выполняется). Действительно, для того, чтобы в пучке параллельных труб поддерживать заданную скорость воды, необходимо шайбировать каждую трубу или секции из труб, что неизбежно усложняет конструкцию котла. Конструкция котла усложняется еще и из-за необходимости удаления из каждой секции котла воздуха при пуске котла и в процессе его эксплуатации.

В плане работы водотрубных котлов в системах без водоподготовки выгодно отличаются котлы, выпускаемые ООО «Ижевский котельный завод». В этих котлах осуществляется поперечная циркуляция воды в трубах диаметром 159-219 мм. Применение труб большого диаметра, исключение из конструкции котла коллекторов, вращение воды поперек трубы обеспечивает выведение из потока не только взвешенных частиц, но и растворенных в воде газов, которые удаляются из системы автоматическим воздухоотводчиком. Однако, для сжигания угля в котлах

ООО «Ижевский котельный завод» до недавнего времени устанавливалась обычная плитчатая чугунная колосниковая решетка, т.е. эти котлы были предназначены для сжигания грохоченых углей. Эффективное использование водогрейных котлов других известных конструкций также возможно только при сжигании грохоченных углей (требование № 2 не выполняется).

В настоящее время выпускаются также котлы с водоохлаждаемой уголковой решеткой. Имеющийся у нас опыт эксплуатации таких решеток показывает, что отверстия для прохода воздуха в решетке подвержены забиванию мелкими кусочками угля, при сжигании некоторых видов топлива (антрацитовый штыб, заштыбленный рядовой антрацит класса «семечко» и др.) срок службы уголков не превышает 2-3 недель, при недостаточном напоре дутьевого воздуха наблюдается «кратерное» горение угля вблизи отверстий для прохода воздуха.

На наш взгляд, наиболее полно удовлетворяет сформулированным выше требованиям разработанный Ассоциацией КАРТЭК и Тамбовским государственным техническим университетом стальной горизонтальный жаротрубно-дымогарный водогрейный котел (выпускаются три типоразмера: КВр-0,3 АК, КВр-0,5 АК и КВр-0,8 АК). Эти котлы имеют простую конструкцию в виде вставленных друг в друга цилиндров, причем внутренний цилиндр представляет собой жаровую трубу, в нижней части которой расположена топка специальной конструкции [7].

Уголь в топке горит либо в плотном интенсивно продуваемом слое (если уголь очень влажный, как шлам или слой содержит большие куски топлива), либо в псевдоожиженном (кипящем) слое (если уголь мелкозернистый, как штыб) с внутренней циркуляцией топлива в слое. Температура в слое горящего топлива достигает 2000 ^ОС. Это позволяет практически полностью выжигать такие высокозольные и низкореакционные виды топлива, как антрацитовый штыб. Из-за шлакования слоя топлива псевдоожижение при сжигании штыбов носит периодический характер, однако это не снижает эффективности процесса горения. Более того, образующаяся под кипящим слоем штыба шлаковая подушка стабилизирует процесс горения и обеспечивает устойчивое воспламенение свежей порции топлива. При сжигании в плотном интенсивно продуваемом слое каждый кусок топлива омывается с высокой скоростью воздушным потоком, что предполагает высокую скорость горения топлива, а в промежутках между крупными кусками топлива мелкие кусочки начинают «кипеть», что повышает температуру горения всего слоя топлива в целом, стабилизирует процесс горения влажного и высокозольного топлива и обеспечивает высокую степень его выгорания.

Конструкция котлов предполагает их устойчивую работу в системах без водоподготовки с большим объемом подпитки, т.к. выпадающий из воды шлам накапливается в нижней части жаровой трубы, откуда удаляется продувкой, а тупиковые участки в водяном контуре котлов отсутствуют.

Сравнительные испытания

котел водогрейный топка водотрубный

Ниже сопоставлены результаты испытаний на рядовом угле котла КВр-0,5 АК и водогрейного котла КВ-1,44К с топкой, имеющей чугунные колосники для сжигания угля в плотном слое.

В декабре 2004 г. Региональная комиссия по тарифам Костромской области, Костромской филиал ФГУ «Госэнергонадзор», ООО «Инта-уголь-Локо» и Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) при участии специалистов ООО «Галичжилсервис» провели эксплуатационные испытания котла КВр-0,5 АК (результаты испытаний приведены в таблице). В этой же таблице представлены результаты испытаний котла КВ-1,44К, которые были проведены в котельной школы № 3 г. Галича в марте 2004 г. (без участия ТГТУ и ООО «Интауголь-Локо»).

При испытаниях котла КВр-0,5 АК сжигался длиннопламенный рядовой (ДР) уголь (низшая теплотворная способность- 19,48 МДж/кг, влажность - 16%, зольность - 19%, выход летучих веществ - 43%) и угольный шлам (низшая теплотворная способность - 16,62 МДж/кг, влажность - 16,3%, зольность - 35,9%, выход летучих веществ - 40,5%). При испытании котла КВ-1,44К сжигался рядовой каменный уголь с низшей теплотворной способностью 21,35 МДж/кг, кусковой торф и дрова (в таблицу включены только результаты испытаний на каменном угле).

Как видно из таблицы КПД котла КВр-0,5 АК соответствовал или превышал требования ГОСТа и ТУ как при сжигании каменного рядового угля, так и при сжигании угольного шлама, а КПД котла КВ-1,44К был ниже требуемых значений. В ходе испытаний теплопроизводительность котла КВр-0,5 АК на 13-30% превосходила номинальную теплопроизводительность, а максимально достигнутая на рядовом угле теплопроизводительность котла КВ-1,44К составляла только 50% от номинала (по техническим условиям на котел КВ-1,44К его производительность при работе на низкосортном угле может составлять до 60% от номинальной). Дальнейший рост теплопроизводительности котла КВ-1,44К будет сопровождаться, очевидно, увеличением температуры уходящих газов, ростом потерь теплоты с уходящими газами и снижением КПД котла. Для котла КВр-0,5 АК приближение теплопроизводительности к номинальной означает снижение температуры уходящих газов, снижение потерь теплоты с ними и повышение КПД котла.

Оказалось, что именно потери теплоты с уходящими газами были определяющими при работе котла КВ-1,44К, хотя этот котел имеет площадь радиационной поверхности нагрева 25,7 м², конвективной части 54,3 м², объем топки 5,06 м³. Однако, большая площадь поверхности нагрева котла КВ-1,44К и большой объем его топки нивелируются низкой скоростью движения дымовых газов, особенно, если тепло-производительность котла составляет всего 50% от номинальной (аэродинамическое сопротивление котла при испытаниях составило 15-19 Па вместо 820 Па по ТУ 4931 -001 -54459143-2001). В процессе теплопередачи от дымовых газов к циркулирующей в котле воде лимитирующей стадией является теплоотдача от дымовых газов к трубам котла, а не от труб к воде. Поэтому, уменьшение скорости движения газов в котле значительно снижает интенсивность теплоотдачи от дымовых газов к трубам котла и это снижение не может быть компенсировано ростом интенсивности теплообмена от труб к воде за счет эффекта вращения водяного потока.

В топке с псевдоожиженным или интенсивно продуваемым слоем топлива обеспечивается не только эффективное выжигание топлива и практически полное завершение процесса горения в объеме топки, но и интенсивная теплоотдача от слоя горящего топлива к охлаждаемым водой поверхностям топки. Причем жаротрубная конструкция котла обеспечивает автоматическое увеличение скорости движения воды в охлаждаемых элементах топки (за счет естественной конвекции) и интенсификацию процесса теплообмена в топке при возрастании мощности котла и теплового напряжения топочного объема. За счет высокой скорости движения газов вдоль конвективной поверхности нагрева котла также обеспечивается высокая интенсивность теплообмена. Все это в целом дает относительно низкие температуры уходящих газов за котлом и обеспечивает экономичную работу котла даже на угольном шламе.

Результаты испытаний водогрейных котлов двух различных конструкций показывают, что только полное выполнение сформулированных в настоящей работе требований к котлам обеспечивает производство эффективного котельного оборудования, выполнение же только части требований, даже при применении передовых конверсионных технологий, не дает возможности потребителю получить значимый экономический эффект.

Литература

1. Межгосударственный стандарт ГОСТ 30735-2001 «Котлы отопительные водогрейные теплопроизводительностью от 0,1 до 4,0 МВт. Общие технические условия».

2. ГОСТ 10617-83 «Котлы отопительные теплопроизводительностью от 0,1 до 3,15 МВт. Общие технические условия».

3. Вергазов В.С. Устройство и эксплуатация котлов. Вопросы и ответы. Справочник. М.: Стройиздат, 1991. 271 с.

4. Веретенников В.В. Результаты испытаний котла Е-1-9 2Т при работе на нерасчетном твердом топливе // Промышленная энергетика. 1990. №4. С. 41-43.

5. Борщов Д.Я. Чугунные и стальные отопительные котлы. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1992. 250 с.

6. Мазур В.В., Кузнецов В.А., Иванов Ю.М., Сахаров Ю.Д. Разработка комплексной программы совершенствования отопительных котлов на твердом топливе // Проблемы тепло- и массообмена в современной технологии сжигания и газификации твердого топлива: Материалы международной школы-семинара (Минск, 27 мая - 3 июня 1988г.). Минск: ИТМО им. А. В. Лыкова АН БССР, 1989. Ч. 3. С. 51-58.

7. Положительное решение Евразийского патентного ведомства по заявке № 200301099/30 «Горизонтальный цилиндрический жаротрубно-дымогарный котел с топкой кипящего слоя».

Размещено на Allbest.ru