Энергосберегающий теплообменный модуль ТОМ-1, работающий на низкосортных углях

О.Ю. КАЙДАНОВИЧ, ст. преподаватель,

Карагандинский государственный технический университет, кафедра «Энергетика»

Ключевые слова: модуль, котел, топливо, сжигание, топка, ресурсосбережение, слой, решетка, кольцо, уголь.

Решение задач энерго- и ресурсосбережения жилищно-коммунального хозяйства и промышленного сектора с внедрением экономически выгодных научно-технических разработок во все времена являлось актуальной проблемой. Достижение экономических выгод сжигания низкосортных углей, с учетом социальных, финансовых ограничений, требований по охране окружающей среды, безопасности жизнедеятельности, должно быть направлено на создание энергосберегающих конструкций отопительных котлов с более высоким коэффициентом полезного действия и эффективными технологиями сжигания местного твердого топлива.

Для эффективного сжигания низкосортного кузнецкого угля, а также борлинского, куучекинского, шубаркольского углей, по предложению Воронова Е.Н., разработан и апробирован отопительный цилиндрический теплообменный модуль ТОМ - 1 [1], представленный на рисунке 1.

Экономичность и надежность работы отопительных котлов принято оценивать количественными и качественными характеристиками, которые зависят от типа топочного устройства, марки и сорта топлива и способа его сжигания. К количественным характеристикам относятся тепловая мощность топочного устройства, тепловая мощность объема котла и видимая тепловая мощность колосниковой решетки или зеркала горения. К качественным характеристикам относятся размеры потерь теплоты химического и механического недожога топлива, значение коэффициента избытка воздуха в топочном устройстве и коэффициента полезного действия отопительного котла.

Мощность слоевых топок зависит от активной площади колосниковой решетки, т.е. части поверхности слоя на решетке, а интенсивность ее работы определяется видимой тепловой мощностью колосниковой решетки и тепловой мощностью топочного объема.

1 - корпус; 2 - конусообразное топочное устройство; 3 - загрузочное кольцо; 4 - под топочного устройства; 5 - коллектор дымовых газов; 6 - нижний модуль нагревательных элементов с диаметром трубок d_тр=60Ч4,5мм; 7 - средний модуль нагревательных элементов с диаметром трубок d_тр=52Ч3,5мм; 8 - верхний модуль нагревательных элементов с диаметром трубок d_тр=42Ч3,5мм; 9 - сборно-распределительные водяные коллекторы («водяная рубашка»); 10 - циклон газоочистки; 11 - выход дымовых газов

Рисунок 1 - Общий вид теплообменного модуля Воронова Е.Н.

воронов модуль теплообменный

Тепловое напряжение решетки зависит от ее конструкции и сорта сжигаемого топлива.

Отличительной особенностью теплообменного модуля ТОМ-1 является конусообразная топка с колосниковой неподвижной непровальной решеткой и загрузочным кольцом для слоевого сжигания полифракционного угля в плотном зажатом слое и конструкция теплообменных модулей нагревательных трубных элементов со сборно-распределительными водяными коллекторами в виде «водяной рубашки», выполняющие также и роль обмуровки котла. В качестве тепловой изоляции используется корунд толщиной 15 мм вместо шамотного кирпича.

Уголь Кузнецкого месторождения характеризуется довольно высоким выходом летучих веществ, поэтому отнесен к марке СС, а по размеру куска к марке Р - рядовой, т.е. полифракционный состав - размер куска от угольной пыли до глыбы, поэтому пылевидный метод сжигания угля такой марки, как показала практика, является наиболее экономичным [2]. Конструкционные особенности топки Воронова Е.Н. и усовершенствование организации топочного процесса слоевого сжигания позволяют сжигать полифракционный уголь также и в слое.

Для обеспечения полноты сгорания при сжигании угля с большим выходом летучих веществ одной подачи первичного воздуха из пода топки недостаточно, приходится подавать поверх насыпного горящего слоя воздух вторичного дутья (рисунок 2) с обеспечением постоянной величины насыпного слоя.

Высота насыпного слоя зависит от размеров кусков и влажности топлива, чем крупнее куски и больше влажность топлива, тем насыпной слой должен быть толще. При слоевом сжигании высота насыпного слоя топлива невелика и обычно не превышает высоты кислородной зоны и для цилиндрических топок составляет 1,0-1,2 м, в конусообразной топке Воронова Е.Н. высота насыпного слоя составляет 0,6 м при равной теплопроизводительности.

В слоевых устройствах обычно сжигаются сравнительно крупные куски угля. Высокая адиабатность слоевых процессов способствует развитию в слое высоких температур, а горение протекает в диффузионной области, что отчетливо подтверждается сильной зависимостью скорости выгорания от интенсивности подвода дутья. Сокращение диффузионного сопротивления слоя и перевод в кинетическую область интенсифицирует горение. Слоевой процесс при сжатом слое с подачей вторичного дутья с одной стороны прижимает топливо к колосниковой решетке не только под действием веса насыпного слоя, но и дутьевого воздуха, а колосниковая решетка препятствует нарушению аэродинамической устойчивости при увеличении вторичного дутья. Поэтому конусообразная топка уменьшает площадь колосниковой решетки, по сравнению с цилиндрической, тем самым способствует аэродинамической устойчивости слоя. Отношение площадей колосниковой решетки и зеркала горения цилиндрической топки равно 1, оптимальное значение отношения площадей для конусообразной топки Воронова Е.Н., определенное экспериментально для теплообменных модулей разной производительности, равно 0,5. Живое сечение решетки, то есть отношение всех зазоров в колосниковой решетке, через которые поступает первичный воздух в слой, ко всей площади решетки, выраженное в процентах, равняется 12-18%.

При зажатом плотном слое на колосниковой решетке, под действием собственного веса возрастание форсировки горения верхнего слоя увеличивает фильтрацию воздуха внутрь слоя и способствует выносу из слоя более крупных кусков, которые полностью не успевают прогореть. Это приводит к резкому увеличению механического недожога и затрудняет сжигание полифракционных топлив, содержащих значительное количество мелких частиц, препятствуют повышению зеркала горения, чтобы наиболее полно использовать слоевое горение. Такой режим характеризуется резким снижением экономичности сжигания полифракционных топлив за счет возрастания уноса, во избежание этого режима, в конструкции теплообменного модуля предложено «верхнее зажигание» насыпного слоя и загрузочное кольцо.

При «верхнем зажигании» загруженное топливо зажигается сверху под действием тепла излучаемого пламени горящих в топочном пространстве летучих веществ, топливо зажигается под действием тепла, передаваемого теплопроводностью от верхних слоев к нижним. Попав на поверхность слоя, куски топлива начинают интенсивно прогреваться с сопровождением интенсивного выделения влаги, а по мере нарастания температуры начинается распад нестойких органических соединений с выделением летучих веществ. Для топлив, имеющих большой выход летучих, эта стадия приводит к изменению физических свойств и структуры коксового остатка, куски становятся пористыми, изменяется их внутренняя поверхность и размер пор. Поток летучих веществ активно вступает во взаимодействие с кислородом воздуха встречного потока вторичного дутья, что препятствует взаимодействию кислорода с коксовым остатком, для этого в конструкции топочного устройства предусмотрены взрыхлители с ручным управлением для периодического взрыхления. Прогрев кусков до температуры 1050-1100°С приводит к полному выделению летучих веществ и завершению процесса коксования.

Рисунок 2 - Конусообразная топка Воронова Е.Н.

«Верхнее зажигание» не требует охлаждения колосниковой решетки, поскольку при нижней подаче дутья и «нижнем зажигании» элементы колосниковой решетки находятся в зоне высоких температур.

Водогрейные котлы различают по теплопроизводительности и температуре получаемой воды. Теплопроизводительность теплообменных модулей ТОМ-1 при сжигании углей кузнецкого, борлинского, шубаркольского, куучекинского бассейнов со вторичным дутьем, запущенных в производство 81, 105 и 160 кВт, без вторичного дутья 61, 79 и 120 кВт.

Основными факторами, обеспечивающими экономичность сжигания топлива, являются, прежде всего, вид сжигаемого топлива, а также температурный режим и концентрация кислорода в факеле. На температуру горения влияют теплопроизводительность, избыток воздуха в топке и температура получаемой горячей воды и тепловое напряжение зеркала горения. Численная величина зеркала горения модуля 96ч106 кВт/м².

При питании котлов жесткой водой происходит постепенное накапливание минеральных примесей, и после наступления состояния насыщения они начинают выпадать в виде кристаллов. Центрами кристаллизации служат шероховатости на поверхности нагревательных трубок, а также взвешенные и коллоидные частицы, находящиеся в котловой воде. Вещества, которые кристаллизуются на поверхностях трубок в виде плотных отложений, образуют накипь, а вещества, которые кристаллизуются в объеме котловой воды, образуют взвешенные вещества - шлам. Чтобы предотвратить образование накипей на поверхностях трубок и исключить угрозу повреждения трубок, а также предотвратить коррозийные процессы металла труб кроме того, каждый миллиметр отложения накипи дает до 1,5-2% перерасхода топлива из-за снижения коэффициента теплопередачи металлической стенки), при эксплуатации водогрейных котлов организуют специальный водный режим. Для отопительных котлов требуется докотловая обработка с применением катионитового метода или внутрикотловая, с периодической шламовой продувкой, то есть установкой дополнительного оборудования, требующего значительных капиталовложений. Решение проблемы накипеобразователей в тепловом модуле Воронова В.Е. осуществлено за счет секционирования нагревательных трубных элементов с горизонтальным расположением трубных элементов с уклоном 12-13 градусов и убывающим диаметром трубных элементов в секциях (рисунок 3). Циркуляция воды в модуле прямоточная, температура при выходе из модуля 90°С и входе 35°С (индивидуальные котлы рассчитываются на температуру при выходе из котла 95°С и входе 70°С с вертикальным расположением труб). В котлах со слабонаклонными трубами при прямоточной циркуляции в условиях развития конвективного тепловосприятия идут на понижение диаметров трубок с целью повышения скорости движения воды в трубках, поэтому средняя и верхняя секции конвективные выполнены с диаметром трубок в средней секции - d_тр=52Ч3,5мм и верхней - d_тр=42Ч3,5мм.

Теплота, воспринимаемая нижним модулем, определяется как разность между лучистым потоком зеркала горения и потоком переизлучения в средний модуль. Прямое излучение от зеркала горения топки обеспечивает интенсивное загрязнение передних рядов трубок нижнего модуля, повышает температуру загрязнения и может привести к пережогу трубок. Во избежание этого, в конструкции теплообменного модуля предусмотрено загрузочное кольцо.

1 - нагревательный трубный элемент;

2 - сборнораспределительный коллектор

Рисунок 3 - Вид теплообменного модуля нагревательных трубных элементов

При ручном обслуживании топок редко удается выдержать расчетные значения. Топка с ручным обслуживанием характеризуется периодичностью режимов работы, трудностью регулирования подачи воздуха, наличием прорыва первичного воздуха в периоды загрузки свежего топлива. В начале загрузки топлива и при его прогреве теплота практически не выделяется. В период дожигания топлива теплота выделяется в минимальном количестве, в период горения летучих веществ и коксового остатка наблюдается максимальное тепловыделение. Такая периодичность процесса горения топлива в топке с ручным управлением влечет за собой изменение тепловой мощности котла и ее экономичности. После подачи на догорающий слой свежего топлива, его прогрева и подсушки наступает период интенсивного выделения летучих веществ, причем для полного сгорания требуется большое количество воздуха. Величина коэффициента избытка воздуха определяется температурой дымовых газов, которая должна находиться в установленном пределе. Нижний предел определяется из условий устойчивости процесса горения. Чрезмерно низкая температура дымовых газов снижает общий уровень температуры в теплообменном модуле, затрудняет розжиг, а при незначительных случайных изменениях режима горения приведет к погасанию. Верхний предел ограничивается необходимостью предотвращения шлакования передних рядов трубок секции теплообменного модуля расплавленными золовыми частицами. Поэтому в отопительном котле такой конструкции температура уходящих газов значительно ниже, чем в существующих и составляет 190-210°С.

Конструктивные особенности теплообменного модуля ТОМ-1 позволяют использовать его как самостоятельную автономную установку с очень удобной возможностью создания системы обогрева, включающую в себя сеть из последовательно соединенных модулей. Обслуживание, подключение модуля не требует больших трудозатрат. Конструкция топочного устройства разработана таким образом, чтобы максимально облегчить ее очистку от золы и шлака. Уникальность и простота конструкции модуля ТОМ-1 позволяет выпускать их с различной теплопроизводительностью, изменяя диаметр модуля при равной высоте. Монтаж отопительных модулей производится по секциям в соответствии со стандартами, принятыми для монтажа отопительного оборудования. Отработанная технология, современные инструменты, квалификация и опыт монтажных организаций позволяют произвести эту операцию быстро, качественно и безопасно.