Размещено на http://allbest.ru

Котлоагрегаты малой мощности с топками высокотемпературного кипящего слоя в коммунальной энергетике

Введение

В настоящее время около 32% тепловой энергии в Российской Федерации производится на крупных ТЭЦ, остальная часть приходится на выработку теплоты от промышленных и муниципальных котельных, число которых превышает 68 тыс., с ежегодной выработкой около 600 млн Гкал тепловой энергии.

Доля тепловой энергии от котельных с единичной мощностью менее 10 Гкал/ч (назовем их котельными малой мощности) составляет 10-20% от всего производства тепла. Именно от этой группы котельных осуществляется в большей степени теплоснабжение небольших муниципальных образований в регионах РФ. Значительная часть котельных малой мощности на обширных территориях Урала, Сибири и Дальнего Востока страны работает на каменных и бурых углях с широким диапазоном основных характеристик (фракционного состава, теплотворной способности и зольности).

Подавляющая часть угольных котельных малой мощности укомплектована чугунными секционными котлами и стальными сварными котлами единичной мощностью до 1 Гкал/ч с ручным обслуживанием. Работа таких котельных характеризуется низким эксплуатационным КПД (30-40%), неудовлетворительными экологическими показателями с содержанием в дымовых газах вредных окислов, золовых и сажестых частиц, существенно превышающих предельно допустимые концентрации, а также тяжелыми антисанитарными условиями работы эксплуатационного персонала в условиях запыленных и загазованных помещений.

Наиболее крупные общероссийские месторождения - Кузнецкий и Канско-Ачинский бассейны - расположены на юге центральной Сибири. Угольной зоной является вся южная Сибирь и Дальний Восток. Энергетические угли Урала, европейских бассейнов и месторождений имеют ограниченные возможности для роста добычи ввиду истощения запасов и высокой стоимости добычи.

Угли, используемые в настоящее время в энергетике России, отличаются различными качественными характеристиками, определяющими энергетическую, экологическую и экономическую эффективность их использования. Зольность потребляемых углей колеблется от 8,7 до 51,7%, влажность от 8,1 до 50,2%, теплота сгорания - от 1900 до 6000 ккал/кг. Более 24% от общего объема потребляемых углей имеет зольность свыше 40%, около 19% - теплоту сгорания ниже 3000 ккал/кг.

В перспективе не следует ожидать значительного улучшения качества угля, т.к. большую часть прироста добычи энергетических углей намечается обеспечить за счет открытой добычи.

Учитывая социальное значение теплоснабжения в сфере ЖКХ и наличие огромного парка угольных котельных малой мощности, исключительную роль в решении проблемы эффективного теплоснабжения составляет формирование принципиальной концепции реконструкции. Такая концепция может быть сформирована на основе глубокого и всестороннего анализа состава и характеристик существующих котельных, способов сжигания твердого топлива и номенклатуры котлоагрегатов, серийно выпускаемых отечественными котлостроительными заводами.

1.Обзор котельного оборудования и технологий сжигания угольного топлива

Угольные котлы малой мощности, выпускаемые отечественными котлостроительными заводами, можно условно разделить на три группы в зависимости от тепловой мощности и типа топочных устройств.

Первая группа включает угольные котлы с ручными топками единичной мощностью до 300-500 кВт. Номенклатура таких котлов представлена рядом отечественных котлостроительных заводов (КВр-0,2 КБ, КВ-0,25-90Н,КВр-0,29 КБ, КВС-0,4-95Р, КВ-0,4-95Н, КВр-0,46 КБ-Н, КВр-0,5 и др.). Эффективность работы таких котлов относительно невысока и характеризуется КПД 60-70%, но только на сортированных каменных углях с малой зольностью, влажностью и высокой теплотой сгорания.

Вторая группа включает котлы с механическими топками (с шурующей планкой, подвижной горизонтальной колосниковой решеткой, наклонной переталкивающей решеткой и др.). Отечественными котлостроительными заводами представлена достаточно широкая номенклатура таких котлов (КВ-Р-0,63-95, УСШВ-1-14СП, КВр-0,715, КВм-1,16КсТЩП, КВ-Р-2,0-95(ТЛП), КЕВ-2,5-14-115-СО, КВ-Р-1,6-95 (ТЗП-РПК), КВ-Р-1,5-95Н, КВ-1,25-95 ОШп, КРZ-800, КWZ-1000-W и др.). Использование котлов с механическими топками в совокупности с устройством механизированного угольного склада и механизированными системами углеподачи и шлакозолоудаления, газоочистки может существенно повысить технико-экономические, экологические показатели, а также санитарно-гигиенические условия работы эксплуатационного персонала. Так, по данным заводов-изготовителей КПД таких котлов может достигать 80% и более на высококачественных сортированных углях. Однако при работе котлов с механическими топками на бурых и каменных углях низкого качества (зольность и влажность - более 20-30%, теплотворная способность - не более 3000-4000 ккал/кг, крупность кусков - от 1 до 40-50 мм), КПД не сможет превышать 65-70%.

Это объясняется химическим составом угля и природой его горения. В отличие от газа и жидкого топлива, горящего в объеме гомогенно, горение угля является поверхностным (гетерогенным). Эффективность такого горения в существенной степени зависит от полноты омывания поверхности куска угля окислителем (кислородом из воздуха). При слоевом сжигании кусок угля лежит на подвижном или неподвижном основании и поверхность соприкосновения имеет плохой доступ к кислороду. Кроме того, часть поверхности куска угля соприкасается с соседним куском. Все это обуславливает неполный контакт поверхности куска угля с кислородом, а значит не достаточную эффективность процесса окисления (горения).

Вторым фактором, усложняющим процесс гетерогенного горения, является то, что уголь состоит из горючих элементов (углерода, водорода, серы) и негорючего балласта (в основном глинозем, кремнезем), являющегося источником образования золы и шлака. Горючие составляющие и негорючий балласт равномерно распределены по объему куска угля и, вследствие этого, при горении на поверхности куска образуется корочка шлака и золы, препятствующая доступу кислорода к несгоревшим горючим элементам внутри куска.

Изложенные факторы предопределяют наличие значительного до 30-40% механического недожога. Относительное перемешивание угля в ручных топках с помощью шуровки или в механических топках является недостаточным для полного выгорания горючих в угле, поэтому уже во второй половине прошлого века стала находить широкое применение технология сжигания твердого топлива в «кипящем слое». Ее сущность состоит в том, что кусок угля горит не на поверхности, а во взвешенном, псевдосжиженном состоянии, создаваемом потоком воздуха. Поднимаясь под напором воздуха и опускаясь вниз под действием силы тяжести, кусочек угля постоянно витает в топочном пространстве. При этом вся поверхность куска эффективно омывается кислородом, а образующаяся при горении корочка шлака сбивается за счет трения кусков друг о друга.

Котлы, использующие данную технологию, относятся к третьей группе котлов малой мощности.

В теплоэнергетике получили распространение несколько разновидностей технологий горения топлива в «кипящем слое» (циркулирующий, низкотемпературный, высокотемпературный и др.). Анализ современных разработок по созданию котлоагрегатов с «кипящим слоем» и опыт их внедрения в области теплоснабжения показал, что наиболее адаптивной применительно к условиям коммунальной энергетики является технология высокотемпературного кипящего слоя [1-3]. Котлы, реализующие такую технологию, обладая всеми достоинствами «кипящего слоя» (высокая степень выгорания горючих, хорошая маневренность и пусковые характеристики), одновременно характеризуются простотой конструкции, надежностью, долговечностью, ремонтопригодностью, удобством управления.

Испытания котлоагрегатов с топкой высокотемпературного «кипящего слоя»

З сегодняшний день автору известен лишь один типоразмер котла с топкой высокотемпературного «кипящего слоя» малой мощности, пригодного для строительства и реконструкции угольных котельных в коммунальной энергетике. Таким типоразмером является котлоагрегат КВП-1,74 ВТКС сконструированный специалистами ООО «Тепломех» совместно с сотрудниками Военного инженерно-технического университета. Первые такие котлы были изготовлены и смонтированы в угольной котельной в пос. Горская Ленинградской обл. В декабре 2008 г. завершено строительство котельной с котлами КВП-1,74 ВТКС (6 шт.), механизированными угольным складом, системами углеподачи и шлакозолоудаления скребкового типа и системой газоочистки (рис. 1 -3).

Испытания показали устойчивую, надежную работу котлоагрегатов и вспомогательного оборудования с КПД 82% и более, с выбросами вредных веществ в атмосферу в пределах ПДК.

Котел состоит из трубной системы в тепловой изоляции, выполненной из съемных панелей, топочного устройства с узкой подвижной колосниковой решеткой прямого хода, зонами первичного и вторичного дутья, бункера и эжектора возврата уноса, скребкового питателя. Привод подвижной решетки и питателя осуществляется от мотор-редукторов с частотными преобразователями. Регулирование зон первичного и вторичного воздуха осуществляется исполнительными однооборотными электрическими механизмами (МЭО). Управление котлоагрегата осуществляется в дистанционном режиме со щита, на который выведены органы управления частотными преобразователями, МЭО, вентилятором и дымососом, а также контрольно-измерительные приборы и аварийная сигнализация. Внешний вид котлоагрегата приведен на рис. 4.

В котельной выполнены пуско-наладочные работы, теплобалансовые испытания, комплексные испытания, а также комплекс экспериментальных исследований горения различных сортов каменных и бурых углей на статических и динамических режимах. Испытания показали высокую эффективность процесса горения различных видов топлива в топочном устройстве ВТКС на статических режимах, высокую маневренность.

В частности, исследования топочных процессов на статических режимах проводились на двух марках каменных углей (№1 и № 2) с теплотворной способностью 4900 и 5350 ккал/кг, влажностью 15 и 7,2%, зольностью 10,2 и 20,6%, соответственно, и буром угле с теплотворной способностью 3570 ккал/кг, влажностью 28% и зольностью 7,8%.

В результате проведенных испытаний на эксплуатационных нагрузках, в диапазоне 0,64-1,51 Гкал/ч был подтвержден устойчивый процесс горения при выбранных коэффициентах избытка воздуха, величины которых для указанных ранее нагрузок за котлом составляют б=1,51 -1,69. Потери тепла с уходящими газами q2, от химической неполноты сгорания q3, от механического недожога q4, от наружного охлаждения q5, с физическим теплом шлаков q6 составили: q2=10,55-13,66%; q3=1,26-0,43%; q4=8,5-3,9%; q5=5,47-3,19%; q6=0,33-0,4%.

Величина КПД при работе котла в эксплуатационных диапазонах нагрузок колеблется в пределах 72-82%. Зависимость КПД от нагрузки для испытуемых углей представлена на рис. 5.

Значительная разница в значении КПД между каменным и бурым углем (около 4%) объясняется тем, что влажность бурого угля составляет 28%, а влажность каменного угля - 7,2-15%. Повышенная влажность бурого угля предопределяет увеличение расхода продуктов сгорания и, как следствие, существенный рост потерь теплоты q2 с уходящими газами (рис. 6).

Экспериментальные исследования переходных процессов в котле КВП-1,74-ВТКС проводились при сжигании Хакасского каменного угля калорийностью 5300 ккал/кг, зольностью 13,4%, влажностью 12,5% и фракционным составом 5-25 мм, получаемым путем дробления топлива в дробилках.

При исследованиях переходных режимов были применены следующие возмущающие воздействия: увеличение и уменьшение расхода топлива; увеличение и уменьшение расхода воздуха, подаваемого в топку котла. Данные по переходным процессам при увеличении расхода топлива представлены на рис. 7.

З основе анализа результатов экспериментальных исследований были определены динамические параметры объекта, которые могут быть использованы при разработке системы автоматического управления котла. Испытания на динамических режимах также показали возможность быстрого штатного и аварийного пуска и останова котлоагрегата, а также высокие маневренные характеристики при переходе с режима на режим. Хорошая управляемость котла на переходных режимах при дистанционном управлении является предпосылкой для его надежной работы в автоматическом режиме с использованием комплектного устройства управления топочными процессами [4].

Заключение

угольный котел кипящий слой

Приведенный анализ состояния угольных котлов малой мощности, выпускаемых отечественной промышленностью, в сочетании с анализом основных характеристик существующих угольных котельных малой мощности (тепловая мощность, габариты и состояние здания, наличие систем механизации, газоочистки и др.) позволил определить следующие направления реконструкции:

1. в котельных мощностью до 1 МВт представляется целесообразной замена существующих изношенных котлов устаревших конструкций на котлоагрегаты первой группы с ручными топками;

2. в котельных мощностью 1-2 МВт рациональными могут стать решения по замене существующих котлов на котлы с механическими топками второй группы;

3. в котельных мощностью более 2 МВт предпочтительными представляются решения по установке котлоагрегатов с топками высокотемпературного кипящего слоя.

Реконструкция угольных котельных по второму и третьему направлениям должна сопровождаться строительством механизированного угольного склада с мостовым краном, грейферным ковшом, дробильным отделением, установкой механизированных систем углеподачи, шлакозолоудаления, газоочистки. Тепловые схемы предпочтительно выполнять двухконтурными с двумя группами теплообменников на отопление и ГВС и обязательной системой водоподготовки.

Предложенные варианты реконструкции котельных характеризуются следующими ориентировочными величинами единовременных капитальных затрат на 1 МВт установленной мощности в текущих ценах: первый вариант -1-2 млн руб./МВт, второй вариант - 3-6 млн руб./МВт, третий вариант - 5-7 млн руб./МВт. Приведенные значения капитальных затрат могут быть скорректированы в зависимости от состояния и габаритов существующих зданий реконструируемых котельных, степени механизации и автоматизации технологических процессов.

Реконструкция угольных котельных малой мощности по технологии высокотемпературного «кипящего слоя» может стать одним из кардинальных направлений повышения эффективности теплоснабжения муниципальных и ведомственных образований Российской Федерации с использованием рядовых не сортированных влажных низкокалорийных, высокозольных углей без какого-либо предварительного обогащения.

Литература

1. Смирнов А.В., Рода И.С., Проскуряков Д.А. Принципиальные проектные решения и практический опыт реконструкции угольных котельных малой мощности по технологии высокотемпературного кипящего слоя// Инженерные системы. 2007. № 4 (31).

2. Смирнов А.В., Юферев Ю.В., ЮфереваЛ.М., Овчаров И.В. Изготовление и монтаж котлоагрегатов малой мощности «КВП-1,74-ВТКС»//Стройпрофиль. 2004. №5(35).

3. СмирновА.В., РодаИ.С., КарповМ.А., БондаревА.В. Практический опыт проектирования, строительства и реконструкции угольных котельных малой мощности по технологии высокотемпературного кипящего слоя // Инженерные системы. 2006. № 4 (25).

4. Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Кныш С.А., Карпов М.А., Бондарев А.В., Овчаров И.В. Система автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла малой мощности. Патентна полезную модель № 49603 от 02.03.2005 г.

Размещено на Allbest.ru