Топочные процессы при сжигании шлакующих канско-ачинских углей
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 172
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7638-4549-5
Артикул: 813849.01.99
Исследованы топочные процессы в котельных агрегатах с твердым шлакоудалением; влияние теплофизических характеристик пристенного газового слоя у экранов на условия образования золошлаковых отложений; методика технической диагностики и работа системы контроля и управления топочным режимом.
Предназначена научным и инженерно-техническим работникам, специализирующимся в области исследования, проектирования и эксплуатации котельных агрегатов тепловых электростанций, аспирантам и студентам теплоэнергетических специальностей высших учебных заведений.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Оглавление 1 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Сибирский федеральный университет А. П. Скуратов, С. Г. Козлов ТОПОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СЖИГАНИИ ШЛАКУЮЩИХ КАНСКО-АЧИНСКИХ УГЛЕЙ Монография Красноярск СФУ 2021
Оглавление
2
УДК 621.311.22:662.642
ББК 31.55
С467
Р е ц е н з е н т ы:
А. С. Заворин, доктор технических наук, профессор, руководитель
НОЦ Инженерной школы энергетики Национального исследовательского
Томского политехнического университета;
С. Г. Степанов, доктор технических наук, начальник управления
инновационных технологий переработки угля АО «СУЭК-Красноярск»
Скуратов, А. П.
С467 Топочные процессы при сжигании шлакующих канско-ачинских
углей : монография / А. П. Скуратов, С. Г. Козлов. – Красноярск :
Сиб. федер. ун-т, 2021. – 172 с.
ISBN 978-5-7638-4549-5
Исследованы топочные процессы в котельных агрегатах с твердым шлакоудалением;
влияние теплофизических характеристик пристенного газового слоя
у экранов на условия образования золошлаковых отложений; методика технической
диагностики и работа системы контроля и управления топочным режимом.
Предназначена научным и инженерно-техническим работникам, специализирующимся
в области исследования, проектирования и эксплуатации котельных
агрегатов тепловых электростанций, аспирантам и студентам теплоэнергетических
специальностей высших учебных заведений.
Электронный вариант издания см.:
http://catalog.sfu-kras.ru
УДК 621.311.22:662.642
ББК 31.55
ISBN 978-5-7638-4549-5 © Сибирский федеральный
университет, 2021
Оглавление 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................. 5 Г л а в а 1. ПРОБЛЕМЫ СЖИГАНИЯ ШЛАКУЮЩИХ УГЛЕЙ ............................................................. 7 1.1. Свойства и особенности поведения минеральной части бурых канско-ачинских углей в топочном процессе ..................... 7 1.2. Шлакующие и загрязняющие свойства углей.................... 11 1.3. Камерные топки паровых котлов на шлакующих углях ........................................................... 18 1.4. Практика работы котлов при сжигании шлакующих углей ....................................... 20 Г л а в а 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИСТЕННОГО ГАЗОВОГО СЛОЯ ТОПОЧНЫХ КАМЕР КОТЛОАГРЕГАТОВ ......................... 26 2.1. Объекты исследования ........................................................ 26 2.2. Методика эксперимента и оборудование .......................... 31 2.3. Исследование газового слоя у топочных экранов при сжигании канско-ачинских углей ............................... 36 2.3.1. Опытное сжигание угля в котле ПК-10Ш ............... 36 2.3.2. Опытное сжигание угля в котле Б-50-14-250 ......... 44 2.3.3. Опытное сжигание угля в котле БКЗ-210-140Ф ............................................... 54 2.3.4. Опытное сжигание угля в котле Е-500 .................... 66 2.3.5. Опытное сжигание угля в котле П-67 ..................... 86 2.4. Результаты экспериментов .................................................. 97 Г л а в а 3. РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ ТОПОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ ................................................... 101 3.1. Принятый алгоритм решения зональных уравнений теплообмена ................................ 102 3.2. Алгоритм расчета выгорания и движения факела ......... 108 3.3. Моделирование движения твердой фазы ........................ 115
Оглавление 4 3.4. Анализ теплообмена в топке котла БКЗ-210-140Ф ........ 118 3.4.1. Расчет теплообмена в топочном объеме ............... 118 3.4.2. Расчет теплообмена в пристенном газовом слое топки .................................................. 124 Г л а в а 4. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ТОПОЧНОГО ПРОЦЕССА ПРИ СЖИГАНИИ КАНСКО-АЧИНСКИХ УГЛЕЙ.......... 132 4.1. Условия бесшлаковочной организации топочного процесса .......................................................... 132 4.2. Номограмма бесшлаковочного режима работы топки котла БКЗ-210-140Ф .............................................. 134 4.3. Усовершенствование конструкций топок ....................... 135 Г л а в а 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ ТОПОЧНЫМ ПРОЦЕССОМ ................................................... 140 5.1. Вопросы достижения эксплуатационной надежности промышленных высокотемпературных установок ........ 140 5.2. Метод технической диагностики топок паровых котлов ........................................................ 142 5.3. Система технической диагностики и управления работой котлов ............................................ 148 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 156 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................. 157
Предисловие 5 ПРЕДИСЛОВИЕ В ближайшие десятилетия перспективы развития крупной отечественной энергетики связаны согласно прогнозам с использованием органического топлива. При этом производство электрической и тепловой энергии в восточных регионах страны будет осуществляться преимущественно на основе твердого угольного топлива. Так, в Сибирском регионе предстоит дальнейшее широкое использование на тепловых электростанциях крупных месторождений бурых углей Канско-Ачинского бассейна – Бородинского, Березовского и Назаровского. Создание экономичных и надежных котельных агрегатов, использующих канско-ачинские угли (КАУ), связано с известными трудностями. Они определяются главным образом необходимостью обеспечения бес- шлаковочных условий работы радиационных и конвективных поверхностей нагрева и уменьшения вредных выбросов оксидов азота и серы. Кроме того, котельные агрегаты должны обеспечивать устойчивый процесс горения при изменении в широких пределах их нагрузки и состава сжигаемого топлива. В конце 60-х годов ХХ века, в связи со строительством Канско- Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК), развернулись широкомасштабные исследования минеральной части КАУ и их шлакую- щих свойств при высоко- и низкотемпературном сжигании. Исследования проводились как в лабораторных условиях, так и на крупных огневых стендах ВТИ, УралВТИ, СибВТИ, ЭНИН, ТалПИ, ТомПИ, КГТУ, в которых активное участие принимали Э. П. Дик, Ю. Л. Маршак, Э. С. Карасина, А. Н. Алехнович, В. В. Богомолов, М. Я. Процайло, М. С. Пронин, Б. В. Цедров, В. Н. Верзаков, А. А. Отс, И. К. Лебедев, А. С. Заворин, И. С. Де- ринг, В. А. Дубровский, С. А. Михайленко. Результаты опытов выявили перспективность применения для бурых КАУ низкотемпературного сжигания в топках с твердым шлакоудалением. В дальнейшем широкомасштабные исследования и освоение сжигания КАУ продолжились на промышленных объектах, в том числе на головных котлах Е-500 и П-67 с тангенциальной конструкцией топочной камеры. В условиях повышения требований к надежности, маневренности, экономичности котлов и необходимости сжигания топлив переменного состава с разнообразными теплофизическими и химическими свойствами,
Предисловие 6 смеси топлив переменных пропорций возникают сложные задачи в вопросах оптимальной организации топочных процессов. Важность и сложность этих задач обусловлены тем, что топочная камера является элементом котла, в наибольшей степени определяющим его работоспособность во всех основных аспектах – температурный режим металла радиационных и конвективных поверхностей нагрева, интенсивность коррозии, шлакование, загрязнение, образование вредных выбросов, показатели маневренности и экономичности. Закономерности протекающих в топочном устройстве процессов выявляются при выполнении детальных экспериментальных и расчетных исследований. При этом используемые на этапах проектирования, анализа тепловой работы, построения и функционирования систем управления количественные математические модели должны базироваться на надежных методах расчета теплообмена, позволяющих определять поля интегральных и локальных энергетических характеристик с учетом реальной обстановки в рабочем объеме и динамики протекающих процессов. Основное внимание в настоящей монографии посвящено вопросам повышения бесшлаковочной мощности, надежности и длительности непрерывной работы котельных агрегатов, сжигающих КАУ. Рассмотрены физико-химические свойства минеральной части КАУ и особенности ее поведения при сжигании в топке котельного агрегата. Показано, что высокие шлакующие свойства КАУ являются одним из важнейших факторов, определяющих условия образования золошлаковых отложений на топочных экранах и влияющих на выбор топочного устройства и компоновку поверхностей нагрева. Значительное место здесь уделено результатам экспериментальных исследований топочных процессов на промышленных энергетических котлах различных конструкций и их анализу. Приведена оценка влияния аэродинамики топки, уровня тепловых потоков и температуры в пристенном газовом слое у экранов на свойства первичных отложений и скорость их образования на топочных экранах. Даны рекомендации по бесшлаковочной организации топочного процесса. В данной монографии проанализированы и обобщены результаты экспериментальных исследований по математическому моделированию топочных процессов, методике построения зональных математических моделей и результатам расчета теплообмена в топках; приведен алгоритм системы технической диагностики, контроля и управления топочным процессом. * * * Авторы выражают искреннюю благодарность докторам технических наук А. С. Заворину и С. Г. Степанову за большой труд по рецензированию монографии и ценные замечания.
1.1. Свойства и особенности поведения минеральной части канско-ачинских углей в топочном процессе 7 Г л а в а 1 ПРОБЛЕМЫ СЖИГАНИЯ ШЛАКУЮЩИХ УГЛЕЙ 1.1. Свойства и особенности поведения минеральной части канско-ачинских углей в топочном процессе Свойства минеральной части КАУ и особенности ее поведения в котельном агрегате являются одним из важных факторов, определяющих выбор топочного устройства и компоновку поверхностей нагрева. В табл. 1.1 приведены средние характеристики товарного угля самых крупных месторождений Канско-Ачинского бассейна (Бородинского, Березовского и Назаровского) 1. Угли этих месторождений имеют малую зольность, высокие влажность и выход летучих. По сравнению с другими отечественными углями канско-ачинские имеют лучшие экологические показатели [2]. Однако различия в минеральной части этих углей обусловливают существенные различия их шлакующих свойств, плавкостных характеристик шлака. Это является основной причиной того, что в пылеугольных топках котлов, приспособленных для сжигания, например, бородинского угля практически невозможно обеспечить надежное, по условиям шлакования, сжигание березовского угля. Поэтому особенности минеральной части углей необходимо учитывать для оценки пригодности использования конкретной технологии сжигания по условиям шлакования и выхода жидкого шлака. Минеральная часть углей представляет собой совокупность минеральных элементов в составе органических соединений и совокупность внешних минералов. В энергетике принято деление минеральной части на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя минеральная часть при размоле не отделяется и представляет собой минеральные элементы органических соединений и тонкодисперсные минеральные примеси в углистом веществе [3]. Внутренняя минеральная часть характеризует внутреннюю зольность. Внешняя минеральная часть представлена минералами горных пород, попавших в топливо при разработке месторождения. Их доля в общем количестве примесей зависит от геологии пласта и способа его добычи [4].
Г л а в а 1. Проблемы сжигания шлакующих углей 8 Таблица 1.1 Характеристики углей Бородинского, Березовского и Назаровского месторождений Наименование Значение Уголь Бородинский Березовский Назаровский Влага, Wr, % 33,0 35,5 38,5 Зольность, Ad, % 10,5 7,0 12,0 Зольность, Ar, % 7,0 4,5 7,4 Выход летучих, Vdaf, % 45,2 48,0 48,0 Теплота сгорания низшая, Qr i, кДж/кг (ккал/кг) 15920 (3800) 15080 (3600) 12900 (3080) Содержание серы, Sd, % 0,30 0,31 0,81 Химический состав золы, %: оксид кремния SiO2 52,8 29,1 25,5 оксид алюминия Al2O3 11,8 14,0 12,2 оксид железа Fe2O3 5,5 8,7 17,6 оксид кальция CaO 22,1 41,1 38,1 оксид магния MgO 3,7 4,1 3,5 оксид калия K2O 0,3 0,5 0,1 оксид натрия Na2O 0,2 0,8 0,3 оксид титана Тi2O 0,8 0,6 0,4 Температурные характеристики золы, оC: начала деформации ta 1170 (1120–1420) 1260 (1080–>1500) 1140 (1030–1350) плавления tb 1250 (1150–1460) 1310 (1130–>1500) 1350 (1130–1550) жидкоплавкого состояния tc 1280 (1160–1480) 1340 (1140–1600) 1390 (1160–1550) Отличительной особенностью КАУ является повышенное содержание в минеральной части оксида кальция (СаО), особенно в малозольном березовском угле, – до 60 %. Установлено, что химический состав золы КАУ имеет ярко выраженную зависимость от зольности угля. С уменьшением зольности повышается содержание СаО, а содержание оксида кремния ( SiO2) снижается. Эта закономерность характерна для всех месторождений Канско-Ачинского бассейна (рис. 1.1) и обусловлена различным происхождением указанных компонентов [5–7]. Оксиды кальция, магния и большинство оксидов железа сосредоточены преимущественно в органической массе и образуют внутреннюю минеральную часть. Внешняя минеральная часть на 70…80 % состоит из кислых компонентов (в основном двуокиси кремния) 7–10. С уменьшением зольности содержание внешней минеральной массы сокращается. Например, для низкозольного березовского угля с зольностью Аd = 4…5 % внутренняя минеральная масса составляет около 90 % от всей минеральной части 9.
1.1. С В к кати что об 1 – 4 – Д однако и прак угля А 2,5…2 Свойства и осо В органи ионному о бусловлив Рис. 1.1 – СаО – бор – SiO2 – на Для разны о для кон ктически н Аd = 5… 2,7 % для Ри обенности по ческой м обмену. Э вает их ра 1. Изменен в родинский азаровский ых место нкретного не зависит …15 % со березовск ис. 1.2. Зави березовс оведения мин массе КАУ Эти групп авномерно ие содержа золе канск й; 2 – СаО ; 5 – SiO2 орождений о месторо т от зольно одержание кого угля исимость с ского угля: неральной ча У содерж ы насыще ое распре ания оксид ко-ачинских О – березов 2 – березов й концен ождения о ости (рис. е оксида я и 2,2…2 содержания 1 – в золе; асти канско-ач жатся акти ены катио еделение п да кремния х углей [5] вский; 3 вский; 6 нтрация эт она измен . 1.2). В св кальция 2,6 % для я кальция о 2 – в топл чинских углей ивные гру онами кал по органи и оксидака : – СаО – на – SiO2 –бор тих элеме няется в вязи с этим я в топл бородинс от зольност иве [11] й в топочном уппы, скл льция и м ической ч альция азаровский родинский ентов раз узких пр м при зол ливе сост ского угля ти процессе 9 лонные магния, части. ; . злична, ределах льности тавляет я [11].
Г л а в а 1. Проблемы сжигания шлакующих углей 10 Канско-ачинские угли относятся к малосернистым (Sd = 0,30…0,81 %). При содержании серы 0,2…0,4 % она почти полностью входит в состав органической части топлива. Избыток серы сверх указанного значения обусловлен в основном пиритом (FeS2), 70…90 % которого находится в органической массе топлива, остальная часть присутствует в составе внешних минеральных включений. Сульфатная сера при концентрации 0,05…0,08 % распределена по органической массе, а избыточное количество – во внешней минеральной части [12]. При размоле топлива внешняя минеральная масса отделяется от внутренней, что приводит к раздельному попаданию в топку кислых компонентов ( внешние минеральные примеси) и основных, содержащихся в органической массе топлива. Различный состав внутренней и внешней минеральных частей является причиной существенной зависимости поведения ее компонентов в топке от организации топочного процесса. Наиболее отчетливо это проявляется при низко- и высокотемпературном сжигании. При низкотемпературном сжигании практически отсутствует взаимодействие между внутренними и внешними компонентами минеральной части. С одной стороны, непрореагировавшие компоненты остаются весьма тугоплавкими, не вызывают шлакования и оказывают абразивное воздействие на образующиеся загрязнения. С другой стороны, это может приводить к селективному выделению отдельных компонентов на поверхностях нагрева, образованию легкоплавких эвтектик. Например, в опытных сжиганиях березовского угля в топках с твердым шлакоудалением на экранных трубах были обнаружены прочные первичные медленно растущие отложения с содержанием оксидов железа до 80 %. С увеличением их толщины содержание оксидов железа снижалось. Эти отложения имели высокую прочность, были сильно просульфа- тизированы и содержали до 45 % Fe2О3 и до 20 % СаО. Вторичные отложения имели состав близкий к летучей золе 13–17. Прочные отложения на топочных экранах образовываются и при сжигании бородинского и назаровского углей. При высокотемпературном сжигании назаровского, бородинского и высокозольного березовского углей (7 % Аd 12 %) проплавляется значительная масса золы, создаются благоприятные условия для связывания основных и кислых компонентов, удаления в шлак легкоплавких эвтектик, способных вызывать шлакование топочных экранов. При таком способе сжигания в летучей золе почти отсутствуют крупные фракции, способные оказывать абразивное воздействие на отложения. Поэтому образуются рыхлые первичные отложения из мелкодисперсных фракций летучей золы. С течением времени этот слой может уплотняться в результате спекания, сопровождающегося процессами сульфатизации и кристаллизации.
1.2. Шлакующие и загрязняющие свойства углей 11 Кроме шлакования поверхностей нагрева важным условием надежности работы топок с жидким шлакоудалением является обеспечение бесперебойного выхода жидкого шлака. Это также обусловлено составом и свойствами минеральной части угля. Например, при увеличении зольности бородинского и назаровского угля свыше 12 % появляются серьезные затруднения с выходом жидкого шлака 18; 19. При снижении зольности березовского угля поведение его минеральной части и процесс загрязнения поверхностей нагрева резко изменяются. Так, с понижением зольности топлива на сухую массу от 8 до 5 % коэффициент шлакоулавливания снижается от 30 до 10 % 20; 21. Выход жидкого шлака не прекращается, хотя количество его существенно снижается. Это является одной из закономерностей поведения минеральной части березовского угля и объясняется уменьшением кварцевых частиц внешней золы при постоянном содержании СаО в органической массе топлива. Ввиду недостатка кислых компонентов основные оксиды остаются несвязанными в алюмосиликаты и не удаляются в шлак. Значительная часть СаО остается в свободном виде, что и является причиной образования прочных сульфатносвязанных отложений на поверхностях нагрева. При этом в уносе общее содержание СаО повышается от 34 до 50 %, а его содержание в свободном виде – от 12 до 23 % 18. Таким образом, при выборе топочных устройств для сжигания КАУ необходимо учитывать особенности и поведение их минеральной части в топочном процессе. 1.2. Шлакующие и загрязняющие свойства углей Твердыми топливами, обладающими повышенными шлакующими свойствами, являются канско-ачинские, экибастузские и некоторые подмосковные угли, отдельные месторождения торфа и эстонские сланцы. Опыт эксплуатации котлов и результаты исследований показали, что особенно высокой шлакующей способностью обладают КАУ. Это проявляется в образовании золошлаковых отложений на радиационных, полу- радиационных и конвективных поверхностях нагрева, что может приводить к снижению КПД брутто котлов, ограничению их тепловой нагрузки и аварийным остановам. Процесс образования отложений на трубах начинается с появления медленно растущего первичного слоя, температура поверхности которого повышается по мере увеличения его толщины. При достижении некоторой толщины и при достаточно высокой температуре газов на нем начинают интенсивно осаждаться частицы, находящиеся в полурасплавленном состоянии, формируя так называемые вторичные отложения. Этот процесс
Г л а в а 1. Проблемы сжигания шлакующих углей 12 и является собственно шлакованием [3]. Температуру газов, выше которой наблюдается образование вторичных отложений, принято называть температурой начала шлакования tшл. При этой температуре стекловидные частицы золы с вязкостью не более 10 кПа·с склонны к налипанию на загрязненную трубную поверхность. Чем ниже значение tшл, тем более шлакующим является топливо. В зарубежной практике образование отложений подразделяют на шлакование (slagging) и загрязнение (fouling). Под шлакованием понимается образование отложений на поверхностях нагрева в топке, а под загрязнением – вне неё. Для оценки шлакующих и загрязняющих свойств топлив используется методика фирмы «Бабкок-Вилькокс» [22]. В нашей стране к шлакованию относят процессы образования отложений при температурных условиях выше tшл, а к загрязнению – при более низких [23]. Отложения, отнесенные к загрязнению, подразделяются, в зависимости от определяющих компонентов и схемы образования, на железистые, сульфатно-кальциевые, на базе активных щелочей и мелкодисперсные ( рыхлые). Первичный слой образуется в результате селективного выделения отдельных компонентов на поверхность труб либо в результате оседания на трубах тонкодисперсных фракций летучей золы с химическим составом близким среднему. В первом случае образуются прочные первичные отложения, обогащенные определенными компонентами и имеющими высокую степень сцепления с поверхностью труб, во втором – рыхлые, сыпучие, как правило, имеющие слабую связь с трубами. Прочные первичные отложения подразделяются преимущественно на три группы: 1. Отложения с высокой концентрацией оксидов железа (до 80 % в пересчете на Fe2О3). Причиной их образования является попадание на поверхность труб легкоплавкой эвтектики FeO-FeS, которая является продуктом неполного окисления пирита и имеет температуру плавления 920 °С [24]. Кроме того, высокожелезистые отложения образуются и на базе сидерита (Fe2CО3) [25; 26]. 2. Отложения с высокой концентрацией сульфата кальция (до 70 %). Типичным примером топлив, при сжигании которых образуются такие отложения на поверхностях нагрева на выходе из топки, являются КАУ и прибалтийские горючие сланцы. Первичное закрепление частиц и упрочнение связей может проходить по разным схемам: ● в зоне высоких температур частицы закрепляются за счет липких свойств с последующей сульфатизацией различных кальцийсодержащих соединений;