Актуальность проблемы.

Железнодорожный транспорт потребляет значительное количество топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в виде тепловой и электроэнергии, твердого, жидкого и газообразного топлива. Для выработки тепловой энергии в целях теплоснабжения в отрасли используется котельно-печное топливо. Объём потребления в 2006г. всех видов котельно-печного топлива в условном исчислении составил более 3586,7 тыс. т у. т. из которых 2004,6 тыс. т у. т. (более 55%) потребляют котельные в виде местного низкосортного твердого топлива. Однако, отказаться от использования низкосортного твердого топлива, переводя котельные на более высококачественные его виды, не представляется возможным. Более того, в связи с наметившимися тенденциями в ТЭК России все большее значение приобретает ориентация теплоэнергетики на использование дешевых и легкодоступных низкосортных местных топлив. Отметим, что на северных Дальневосточных территориях России эксплуатируются сотни котельных малой и средней тепловой мощности, техническое состояние которых не соответствует современным требованиям к уровню развития теплоэнергетики. Большинство таких котельных укомплектовано котлоагрегатами, работающими с факельно-слоевыми топочными устройствами (ТЧЗМ-2 и ТЛЗМ-2) Кусинского машиностроительного завода, на которых регламентировано сжигать сортированные угли (в основном бурые) с большим выходом летучих. Фактически сжигают низкосортные угли (в основном каменные) в факельно-слоевых топочных устройствах, установленных на паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности. Эти топки не обеспечивают в полной мере эффективный процесс горения, при этом резко падает не только КПД (до 40-55%), но и производительность котлов в целом. Кроме того, возникают сопутствующие проблемы, вызванные увеличением выбросов загрязняющих веществ в воздушный бассейн. Факельно-слоевые топки (ТЧЗМ-2 и ТЛЗМ-2), которые производит Кусинский машиностроительный завод, согласно паспортным рекомендациям не предусматривают сжигание низкосортное твердое топливо по следующим конструктивным признакам:

топки сконструированы таким образом, что после монтажных работ котла и топки, пространство топочной камеры максимально экранировано вследствие отсутствия зажигающего пояса, что не позволяет эффективно сжигать частицы топлива, находящиеся во взвешенном состоянии в газовоздушном потоке;

живое сечение колосникового полотна топок (ТЧЗМ-2 и ТЛЗМ-2), составляющее 13-15% от общей площади для низкосортных углей Нерюнгринского бассейна, является завышенным (на основании экспериментальных исследований автором диссертации установлено, что оптимальная площадь живого сечения должна составлять менее 7 %);

в факельно-слоевых топках не предусмотрено выполнение механической операции шурования слоя топлива, что приводит к увеличению механического недожога и потерь теплоты со шлаком.

При указанных условиях сжигание низкосортного твердого топлива в слоевых топках котлоагрегатов приводит к его перерасходу и, как следствие, повышению затрат теплоснабжающих предприятий на производство тепловой энергии. В то же время технические решения, связанные с изменением конструкции топочных устройств, обеспечивающие уменьшение удельного расхода топлива, не должны приводить к увеличению вредных выбросов в окружающую среду.

Целью диссертационной работы является разработка новой конструкции топочного устройства и исследование эффективности его работы при сжигании низкосортных твердых топлив Дальневосточного региона РФ в паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности.

Для реализации поставленной цели были определены и решены задачи исследований, которые заключались:

в разработке, создании и внедрении новой конструкции двухъярусной топки; в исследовании влияния особенностей конструкции новой двухъярусной топки на снижение механического недожога (уменьшение удельного расхода топлива на единицу тепловой энергии и изменение величины КПД котлоагрегата);

в исследовании влияния конструкции колосниковой решетки двухъярусной топки на аэродинамическую устойчивость слоя, равномерность распределения гидродинамического сопротивления по всей площади зеркала горения и перехода процесса горения из состояния неподвижного (плотного слоя) в состояние кипящего слоя; в определении экономической эффективности разработанной новой двухъярусной топки при внедрении на котлах ГУП "Коммунальные системы БАМа"; в изучении возможностей максимально широкого внедрения полученных результатов на объектах теплоснабжения ГУП "Коммунальные системы БАМа" и в котельных предприятий ДВЖД, использующих низкосортное твердое топливо Нерюнгринского и других месторождений Дальнего Востока.

Методы исследований.

В ходе решения поставленных задач использовался комплексный подход, основанный на экспериментальных исследованиях фракционного состава твердого топлива в момент формирования кипящего слоя на двухъярусной колосниковой решетке. Обобщение данных научно-технической литературы по проблемам исследования, а также обработка результатов экспериментальных исследований проводились при номинальном и максимальном режимах работы топочного устройства с применением методов математической статистики. Определение КПД по прямому и обратному балансу котла проводилось при сжигании низкосортного твердого топлива с различным фракционным составом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

в организации топочного процесса, обеспечивающего гравитационную самосортировку твердого топлива в момент формирования кипящего слоя на двухъярусной решетке, что расширяет диапазон эффективного сжигания низкосортного топлива в области ненормируемых пылевидных фракций (с размером менее 6мм);

в разработке принципиально нового топочного устройства (двухъярусной топки) с нестандартными элементами в конструкции, что обеспечивает снижение расхода топлива на выработку единицы тепловой энергии;

в получении оптимальных значений отношения площади зажигающего пояса к площади зеркала горения, в результате этого процесс горения в топочном пространстве интенсифицируется, что способствует снижению как химической, так и механической неполноты сгорания, которая приводит к существенному сокращению выбросов твердых частиц в окружающую среду.

Достоверность научных результатов исследования подтверждается:

согласованием полученных результатов экспериментальных исследований с данными других работ; практикой опытной эксплуатации двухъярусной топки в котлах малой и средней мощности, работающей с низкосортными углями на предприятии ГУП "Коммунальные системы БАМа".

Практическая ценность работы.

Результаты экспериментальных исследований были использованы для анализа эффективности процессов сжигания твердого топлива в кипящем слое, а также для расчета и конструирования котлоагрегатов малой и средней тепловой мощности, работающих на низкосортном топливе с большим содержанием пылевидных фракций Нерюнгринского и других месторождений Дальнего Востока. Основные теоретические положения и практические результаты используются в учебном процессе кафедры "Безопасность жизнедеятельности" и кафедры "Тепловозы и тепловые двигатели" ДВГУПС г. Хабаровск. Конструкция двухъярусной топки, предложенная автором диссертации, была внедрена на котлах КВТС-10 и КЕ-10-14с теплоснабжающего предприятия ГУП "Коммунальные системы БАМа". Для соответствующего типа котла при сжигании в кипящем слое низкосортного твердого топлива в двухъярусной топке была разработана режимная карта для его эффективной эксплуатации.

Положения, выносимые автором на защиту.

Конструкция нового устройства двухъярусной топки для эффективного сжигания низкосортного угля Нерюнгринского месторождения, отличающегося повышенным содержанием мелкой фракции и влаги. Результаты сравнительного анализа эффективности сжигания твердого топлива в слоевой топке и двухъярусной топке, обеспечивающей гравитационную самосортировку топлива в момент формирования кипящего слоя.

Личный вклад автора диссертации заключается:

в разработке и создании нового топочного устройства - двухъярусной топки, позволяющей максимально эффективно сжигать в кипящем слое низкосортное твердое топливо и в получении результатов по уменьшению количества вредных выбросов при работе котла;

в постановке и получении результатов экспериментальных исследований, связанных с работой двухъярусной топки в режиме кипящего слоя с шурующей планкой и зажигающим поясом в составе оборудования котлоагрегатов различных типов; во внедрении на предприятии ГУП "Коммунальные системы БАМа" прогрессивной технологии сжигания низкосортного твердого топлива в кипящем слое.

Публикации.

Основные положения диссертационной работы представлены в 14 печатных работах, в том числе 1 монографии, 12 статьях и 1 патенте на полезную модель.

Во введении обоснована актуальность проблемы, связанной с повышением эффективности сжигания низкосортного твердого топлива в топочных устройствах котлов малой и средней мощности. Теплоснабжающие предприятия, расположенные на территории БАМа и Дальнего Востока, используют местное топливо - уголь, в составе которого более 50% ненормируемой мелкой фракции (с размером менее 6мм).

В основном паровые и водогрейные котлоагрегаты малой и средней мощности укомплектованы факельно-слоевыми топками ТЧЗМ-2 и ТЛЗМ-2 Кусинского Машиностроительного завода, которые предназначены для сжигания углей, сортированных (в основном бурых) и с большим выходом летучих. Фактически в слоевых топках котлов сжигают твердое низкосортное местное топливо (в основном каменный уголь Нерюнгринского месторождения) с малым выходом летучих и большим содержанием пылевых фракций, что не способствует эффективному процессу горения и снижению вредных выбросов в атмосферу. Слоевое сжигание низкосортного твердого топлива в котлоагрегатах малой и средней мощности приводит к его перерасходу и, как следствие, к увеличению затрат на производство тепловой энергии.

Первая глава содержит обзор технического и технологического состояния эксплуатируемых водогрейных и паровых котлов малой и средней мощности на теплоснабжающих предприятиях ГУП "Коммунальные системы БАМа" и ДВЖД. В этой главе дан анализ котельного парка предприятий Дальневосточной железной дороги, жилищно-коммунального хозяйства Амурской области и ГУП "Коммунальные системы БАМа", состояния теплотехнического оборудования и условий его эксплуатации. Эффективность работы теплоснабжающих предприятий в суровых климатических условиях БАМа и Дальнего Востока зависит не только от технического состояния эксплуатируемого оборудования, но и от качества используемого твердого топлива, уровня эксплуатации и административно - географического расположения Дальневосточного региона. Необходимо отметить, что эксплуатация объектов теплоснабжения в особых условиях БАМа, приравненных к территориям Крайнего Севера, определяется следующими факторами:

сокращением потребления тепловой энергии в современных условиях существования различных отраслей производства в районах Дальнего Востока, при которых коэффициент использования котельного оборудования предприятиями БАМа снизился до значения 0,31 и менее;

неразвитостью транспортной инфраструктуры территорий Дальнего Востока; суровыми климатическими условиями (отопительный период длится более 240 дней в году); предельным снижением ресурса теплотехнического оборудования (обновление основных фондов оборудования не производилось в течение 20 последних лет);

отсутствием профильных специалистов по обслуживанию котельного оборудования (из-за оттока людских ресурсов с территорий БАМа и Дальнего Востока); поставкой некачественных углей, сжигание которых приводит к увеличению затрат на производство тепловой энергии.

Согласно статистическим исследованиям и анализу работы теплоснабжающих предприятий средний уровень КПД паровых котлоагрегатов за 2006 - 2008г. не превышал 56%, а для водогрейных котлов - 48%.

Котельный парк теплоснабжающих предприятий территорий БАМа и ДВЖД использует для своей работы низкосортный уголь Нерюнгринского месторождения, сжигание которого в слоевых топках сопряжено со сверхнормативными тепловыми потерями и, в первую очередь, с механическим недожогом, значение которого достигает 45% и более. Использование углей Нерюнгринского месторождения в зоне БАМа и прилегающих территорий осуществляется с начала 70-х годов прошлого столетия. Интенсивной эксплуатации Нерюнгринского месторождения углей на внутреннем рынке РФ послужило строительство БАМа. Приход транспортной сети в регион и начало строительства жилых поселков с развитой инфраструктурой повлекли за собой интенсивное развитие объектов теплоснабжения.

Характеристика твердого топлива, сжигаемого предприятиями ДВЖД и ГУП "Коммунальные системы БАМа", приведена в таблице 1.

Таблица 1. Характеристика Нерюнгринского угля марки СС

На диаграмме (рис.1.) приведены результаты ситового анализа гранулометрического состава Нерюнгринского угля, поступающего в котельные от угледобывающих предприятий. Полученные результаты по определению фракционного состава угля, позволяют сделать вывод, что Нерюнгринский несортированный уголь не отвечает требованиям качества твердого топлива для сжигания его в слоевой топке.

Рис.1. Результаты ситового анализа гранулометрического состава Нерюнгринского угля: Ряд 1 - класс крупности, менее 6мм; Ряд 2 - класс крупности, 6-13мм; Ряд 3 - класс крупности, 13-25мм; Ряд 4 - класс крупности, 25-40мм; Ряд 5 - класс крупности, более 40мм.

В первой главе описана схема разработанного автором диссертации топочного устройства - двухъярусной топки; по принципу действия этой топки, приведены результаты исследования процесса разделения угля по фракциям в момент формирования слоя на колосниковом полотне. Благодаря нестандартной конструкции топочного устройства значительно увеличивается КПД котла за счет повышения как химической, так и механической полноты сгорания низкосортного твердого топлива, что можно объяснить:

во-первых, при равномерном гидродинамическом сопротивлении слоя топлива на двухъярусной колосниковой решетке отсутствуют предпосылки к кратерному горению низкосортного угля;

во-вторых, гравитационная самосортировка твердого топлива по фракционному составу на нормируемые классы (с размером частиц 6-13; 13-25; 25-40мм) и ненормируемый класс (с размером менее 6мм) в процессе формирования слоя топлива на решетке происходит достаточно эффективно;

в-третьих, топка оснащена шурующей планкой, которая выполняет цикличные операции, перемешивая и равномерно распределяя топливо по всей площади горения, (эта операция не предусмотрена конструкцией слоевой топки ТЧЗМ-2 и ТЛЗМ-2);

в-четвертых, зажигающий пояс в двухъярусной топке максимально способствует интенсификации топочного процесса;

в-пятых, топочное пространство двухъярусной топки увеличено в объеме, за счёт устройства зажигающего пояса, что способствует более полному сгоранию летучих газов и пылевидных фракций угля в топочном пространстве;

в-шестых, процесс сжигания твердого топлива в топке по мере увеличения тепловой нагрузки от минимальной до номинальной и максимальной переходит в состояние кипящего слоя, что обеспечивает максимальную эффективность работы топочного устройства и котла в целом.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований, процесса распределения (самосортировки) фракций низкосортного угля по каждому элементу колосниковой решетки, (подвижный и неподвижный колосник), итоговые значения, которых представлены в таблице 2. и 3.

Таблица 2. Итоговые результаты распределения фракций угля (%) в момент формирования слоя на подвижном колоснике

Таблица 3. Итоговые результаты распределения фракций угля (%) в момент формирования слоя на неподвижном колоснике

Результаты распределения фракций угля в момент формирования кипящего слоя на колосниках (подвижном и неподвижном) приведены на диаграмме рис.2.

Рис.2. Результаты распределения фракций угля по колосникам:

Ряд 1 - ненормируемый класс крупности, менее 6мм; Ряд 2 - нормируемый класс крупности, 6-40мм., на двухъярусной решетке в процессе формирования кипящего слоя

Низкосортный уголь разделяется по фракциям (самосортируются) в момент формирования слоя на решетке, за счет гравитации и нестандартной конструкции топки, что обеспечивает размеры и удельный вес частиц топлива размером более 6мм. Колосники с размерами 250х150мм расположены в двух уровнях и в шахматном порядке (разность отметок уровня колосников 200мм). Более крупные частицы угля группируются в нишах (нижнее положение подвижных колосников - рабочее), мелкая фракция на неподвижных колосниках (в колосниках нет каналов для дутьевого воздуха, что позволяет мелкой фракции в основном формироваться на их поверхности). Подача угля в топку осуществляется механическим устройством марки (ПМЗ-600) по продольной схеме с высоты более одного метра в противоток восходящим топочным газам. Подвижные колосники перемещаются в вертикальной плоскости вверх и вниз при прохождении шурующей планки (в соответствии с режимной картой). Как показали, опыты по разделению фракций угля в кипящем слое сопротивление активной площади горения распределяется равномерно по колосниковой решетке двухъярусной топки, что исключает предпосылки для появления кратерного горения.

На рис.3. представлена принципиальная схема и принцип работы двухъярусной топки.

1. Проведён анализ работы факельно-слоевых топок Кусинского машиностроительного завода типа (ТЧЗМ-2 и ТЛЗМ-2), установленных на паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности теплоснабжающих предприятий ДВЖД и ГУП "Коммунальные системы БАМа", использующих в качестве основного топлива низкосортный уголь Нерюнгринского месторождения.

Показано, что конструктивные параметры топок ТЧЗМ-2 и ТЛЗМ-2 не позволяют эффективно сжигать сильно пылящий уголь Нерюнгринского месторождения.

При сжигании низкосортных углей в топках ТЧЗМ-2 и ТЛЗМ-2 образуется механический недожог, достигающий величины 45% и более.

2. Разработано новое топочное устройство двухъярусная топка, на которую получен патент. Сжигание низкосортного твердого топлива Нерюнгринского месторождения на двухъярусной топке осуществляется в режиме кипящего слоя. Такая технология сжигания твердого топлива обеспечивает уменьшение механического недожога в среднем на 40-45% и повышение КПД парового котла на 10-13%, а водогрейного на 8-10%.

3. В конструкции двухъярусной топки предусмотрено устройство зажигающего пояса. На основании экспериментальных исследований получено соотношение оптимальной зависимости площади зажигающего пояса (42-45%) к площади зеркала горения, наличие которого при сжигании низкосортного твердого топлива способствует снижению его расхода не менее чем на 3% и дожиганию твердых частиц в газовоздушном потоке на 13-15%.

4. Установлено, что увеличение объёма топочной камеры за счёт устройства зажигающего пояса, предусмотренное конструкцией двухъярусной топки (по сравнению с объёмом топок ТЧЗМ-2 и ТЛЗМ-2), способствует более полному сгоранию летучих продуктов в топочных газах, а также снижению выбросов пылевидных фракций угля на 4 - 7%.

5. Показано, что конструкция двухъярусной топки при работе на низкосортном твердом топливе обеспечивает процесс самосортировки угля при разделении фракционного состава топлива по элементам подвижных и неподвижных колосников на нормируемую и ненормируемую фракцию с эффективностью разделения, составляющей 30 - 40%.

6. Установлено, что новая конструкция двухъярусной топки за счёт гравитационной самосортировки топлива обеспечивает расширение диапазона эффективного сжигания низкосортных углей на область ненормируемых пылевидных фракций размером до 3 - 4мм.

7. Обоснована максимальная эффективность работы двухъярусной топки при наличии шурующей планки, цикличность перемешивания которой оказывает положительное влияние на условия сжигания низкосортных твердых топлив.

8. Показано, что конструкция двухъярусной топки обеспечивает снижение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах за котлом с бср = 2,0 до бср = 1,5 а также снижение уровня содержания кислорода (О₂) с 12-13% в слоевой топке (ТЧЗМ-2), до 7-8 % в двухъярусной топке. Увеличенный объём двухъярусной топки способствует поддержанию необходимого рационального температурного режима в топочном пространстве, что приводит к сокращению выбросов оксидов азота на 20 - 25%.

9. Экономический эффект от внедрения двухъярусной топки в паровом котле КЕ-10-14с составил 2008342,4 руб. при годовой выработке тепловой энергии Q=18208 Гкал. При этом стоимость единицы тепловой энергии понизилась на 12%. Аналогично для водогрейного котла КВТС-10 годовой экономический эффект составил 1673133 руб. при годовой выработке тепловой энергии Q=18208 Гкал., что привело к снижению стоимости единицы тепловой энергии на 10%.

Список работ, опубликованных по теме диссертации