Технология сжигания как определяющий фактор эффективности огнетехнических объектов

Технология сжигания — определяющий фактор эффективности огнетехнических объектов.

Абдулин М.З.,

Обострившиеся топливно-энергетический, а затем и экономический кризисы заставляют человечество задуматься о развитии энергетики с точки зрения энергоэффективности технических решений и экономической целесообразности их внедрения. Для стран постсоветского пространства ситуация усугубляется тем, что оборудование физически изнашивается и морально устаревает, и уже много лет на поддержание ТЭК выделяется крайне недостаточное количество ресурсов. Руководители теплогенерирующих компаний стоят перед непростым выбором: либо менять старое оборудование на новое (например, котлы НИИСТУ, ТВГ, ДКВР и др. с незаэкранированным подом на КВГМ, ДЕ, ПТВМ и т. д. с высокой степенью экранированности), либо переходить на электрокотлы, либо закупать импортное, красиво оформленное, со сложной современной автоматикой и якобы очень эффективное оборудование, либо начать широкомасштабное внедрение альтернативных возобновляемых источников энергии (тепловые насосы, энергию ветра, солнечные коллектора, биомассу).

К сожалению, принять взвешенное решение очень трудно из-за отсутствия достоверных научно обоснованных данных о новых технологиях, подкрепленных опытом эксплуатации. На конференциях и семинарах посвященных энергоэффективности озвучивается противоречивая, часто взаимоисключающая информация, цель которой, как правило, обеспечить продвижение на энергетический рынок оборудования определенного типа. Системный анализ топливно-энергетического комплекса отсутствует не только из-за острой конкуренции, но и в виду резко снижающегося уровня профессионализма в науке, технике, производстве и эксплуатации. Рассматривая наиболее часто звучащие предложения по выходу из энергетического кризиса, необходимо отметить следующее: безусловно, замена природного газа альтернативными видами топлива на отдельных объектах целесообразна, но только для отдельных частных случаев. Например, перевод котлов с газа на сжигание опилок, являющихся бросовым отходом на деревообрабатывающих предприятиях либо отопление свинарника или птицефермы, в каком-нибудь сельскохозяйственном регионе, излишком соломы, который, возможно, имеется в остатке после заготовки кормов для скота. Однако применение этих решений для энергетики выглядит, по крайней мере, непродуманным.

Особо следует отметить программу внедрения тепловых насосов. Тепловой насос может быть весьма эффективен в ряде частных случаев, когда есть проблемы с отоплением, например, поселка или предприятия достаточно удаленного от централизованного топливоснабжения (отсутствие газопровода, отсутствие дорог для подвоза жидкого или твердого топлива) и где приходится отапливать электроэнергией. В этом случае действительно, тепловой насос может в 2−4 раза эффективней (в зависимости от реальных условий) выдавать на 1 КВт затрачиваемой электроэнергии энергию тепловую. Но говорить о том, что при этом экономится газ — нельзя, т.к. значительная часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, где в качестве топлива используется, в том числе, и природный газ, причем на производство 1 КВт электроэнергии, дошедшей до потребителя, уходит минимум 4−5 КВт энергии топлива (учитывая все потери на станциях и при транспортировке). При этом стоимость такого оборудования (тепловых насосов), а оборудование, как правило, только импортное, стоит столько, что только декларируемая окупаемость таких проектов составляет от 10 до 20 лет без учета дисконтирования. Эффективный вариант их применения — использование тепла канализационных коллекторов, охлаждающей воды и т. д. При этом существенно уменьшается тепловое загрязнение водоемов.

Кроме всего прочего, чтобы перевести масштабно значительную часть огнетехнического оборудования на альтернативное топливо потребуются колоссальные капитальные вложения, которые на сегодняшний день, да еще и в условиях экономического кризиса, просто негде взять. Также, при широком использовании, цены на любой вид альтернативного топлива вырастут до уровня цен на газ и, существующая на сегодняшний день экономическая целесообразность, будет быстро нивелирована.

В этой связи хотелось бы отметить, что в СССР проводились широкомасштабные и успешные промышленные испытания газификации угля, в том числе и подземная газификация [1]. В настоящее время наметился прогресс в восстановлении внимания к данной проблеме. Газификация угля хорошо сочетается с развитой газотранспортной системой. Также большие перспективы имеет использование шахтного метана [1].

Безусловно, рост цен на энергоносители будет продолжаться, по мере выхода мировой экономики из кризиса и дешевого топлива уже не будет. В этой связи важнейшую роль для развития экономики играют энергосберегающие технологии, которые так широко внедряются на Западе. По удельным затратам топлива на выработку тепла страны постсоветского пространства в несколько раз уступают ведущим Европейским странам. А денег на закупку нового оборудования требуется много, т.к. долгие годы оборудование не обновлялось.

Что же делать? Где выход? Выход, методом проб и ошибок, определили думающие хозяйственники. Необходимо сохранять существующую инфраструктуру (оборудование, кадры, систему обслуживания и т. д.) органичную для нашего общества и осуществлять мероприятия по повышению ее энергоэффективности. На сегодняшний день существует ряд традиционных подходов для снижения расходов энергоносителей. Это снижение потерь тепла в жилых и производственных помещениях, в сетях транспортировки тепла и электроэнергии, утилизация тепла уходящих газов, применение конденсационных установок, замена существующих технологических процессов на новые, более современные и др.

Особо остро проблемы энергосбережения затрагивают энергетические объекты жилищно-коммунального хозяйства. Развернута большая полемика о соотношении индивидуального и централизованного теплоснабжения. Причем прежде, чем выработать взвешенное научно обоснованное решение под лозунгом свобода выбора человека, допускается массовый переход на индивидуальное отопление и разрушение инфраструктуры центрального теплоснабжения. Особенно неуправляемыми эти процессы проявляются на Западной Украине — до 80% в некоторых городах. Стихийное увеличение доли индивидуального отопления неизбежно приведет к резкому проявлению всех его недостатков по сравнению с централизованным. Стоимость единицы тепла, выработанной на крупной котельной существенно ниже, чем у небольшого индивидуального котла. Возникает масса экологических проблем, связанных с высоким уровнем выбросов (СО, СО2, NОх и т. д.), приближенностью источников выбросов к жилью.

Много десятков лет в централизованном теплоснабжении складывалась система подготовки кадров для контроля и обслуживания взрывои пожароопасных объектов. При индивидуальном отоплении потребуется значительно больше специалистов (которых и так хронически не хватает при централизованном теплоснабжении) для обслуживания населения. Это становится личным делом потребителя. При нехватке денег население естественно будет экономить на этих недешевых услугах, что неизбежно приведет к созданию взрывоопасной обстановки. Не понятно, в этой связи, как будет организовано отопление чердаков, подвалов, подъездов и т. д. От этого в значительной мере зависит сохранность зданий и безопасность проживания в них граждан.

Ратуют за индивидуальное теплоснабжение не столько потому, что видят в нем высокую эффективность, а потому, что при этом планируется массовый завоз устаревшего, утратившего свою прежнюю цену, не всегда приспособленного к нашим условиям эксплуатации импортного оборудования, с оговоренными с его производителями значительными суммами благодарности тем, кто обеспечивает его массовое продвижение на нашем рынке. Те, кто выпячивает недостатки централизованного теплоснабжения, умалчивают о том, что бесконечные разговоры о необходимости повышения эффективности работы теплотехнического оборудования остаются разговорами и практически очень мало что делается в этом направлении последние 20 лет.

Тем не менее, еще существует прогрессивная научная мысль и высококлассные специалисты, разработки которых находятся на уровне лучших мировых образцов. Только на теплоэнергетическом факультете Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт» (г. Киев) существует несколько разработок, которыми могло бы гордиться любое европейское государство. Это в первую очередь новый принцип аккумулирования энергии, аналогов которому по эффективности и оригинальности подхода к физике таких процессов не знает мировая наука, разработанный выдающимся ученым д.т.н. Ерошенко В. А., вследствие чего стал возможен практически идеальный аккумулятор механической энергии. Это эффективные и наименее материалоемкие, практически из всех известных на сегодняшний день контактных водонагревателей, разработки к.т.н.

Королевича А.Я., которые успешно работают на десятках объектов Украины, России, Беларуси и Казахстана. Это уникальные утилизаторы тепла уходящих из котла продуктов сгорания на тепловых трубах разработки к.т.н. Гершуни А. Н. — технологии, которые использовались до этого только в космических аппаратах, а теперь работают на сотнях котлов национальной экономики Украины и стран ближнего зарубежья. И это, конечно, струйно-нишевая технология сжигания топлива (СНТ), разработанная на основе исследований, [5] проводимых в Лаборатории горения ТЭФ НТУУ «КПИ» и являющаяся единственной на сегодняшний день универсальной технологией сжигания газообразного топлива в различных огнетехнических устройствах (ОУ): котлах, печах, сушилах, камерах сгорания и т. д. Дальнейшим развитием и продвижением данной технологии занимается ООО «Научно-производственное объединение «Струйно-нишевая технология» (г. Киев). На сегодняшний день сфера возможного применения СНТ широка: ракетостроение, авиация, промышленность, отопление, горячее водоснабжение, сельское хозяйство и т. д.

Конструктивно современные ОУ практически перестали совершенствоваться. В настоящее время устоялись значения: диаметров экранных труб, степени экранированности топочного пространства, соотношений размеров топки, степени крутки потока воздуха в ГУ и т. д. Отдельные попытки их изменения, как правило, не приводят к положительным результатам. Например, уменьшение диаметра экранных труб (что пытаются делать некоторые котлостроительные предприятия) с одной стороны увеличило их количество и тепловоспринимающую поверхность, а с другой стороны привело к увеличению гидравлического сопротивления по тракту рабочего тела.

Основные энергоэффективные мероприятия по улучшению показателей экономичности, экологической безопасности и надежности ОУ в настоящее время связаны с организацией топочных процессов, утилизацией тепла уходящих газов, улучшением теплоизоляции, применением частотных преобразователей и т. д.

На основе огромного мирового опыта сжигания различных видов топлива для широкого спектра нужд появились сотни типов горелочных устройств (ГУ) и определились основные составляющие рабочего процесса при техническом горении: смесеобразование, поджиг, стабилизация горения, выгорание топливной смеси. Институты с мировыми именами: ЦКТИ им. И. И. Ползунова, Всероссийский теплотехнический институт, Центральный институт авиационного моторостроения, Московский авиационный институт, МВТУ им. Н. Э. Баумана, Киевский политехнический институт, Казанский авиационный институт и др. интенсивно исследовали элементы рабочего процесса ГУ, который является сложнейшим физико-химическим процессом. Единого подхода для создания технологии сжигания пока не выработано. Поэтому, на сегодняшний день, существует более 1000 типов ГУ, а общепризнанной является только одна методика расчета ГУ — методика Иванова Ю. В., которая не получила широкого распространения т.к. в ней присутствует только один бесспорный постулат о необходимости рационального распределения горючего в потоке окислителя не подкрепленный исследованиями структуры течения и смесеобразования горючего и окислителя. К сожалению, можно констатировать факт, что на сегодняшний день серьезные работы по исследованию рабочего процесса ГУ и созданию технологии сжигания — свернуты не только в странах бывшего СССР, но и за рубежом. Основной упор делается на дорогую экспериментальную доводку и мощную автоматизацию. Также неоправданно большие надежды возлагаются на математическое моделирование этого сложного процесса. Однако в ближайшем будущем трудно ожидать ощутимых успехов для создания высокоэффективной технологии сжигания с точки зрения экономичности, экологической безопасности и надежности не предвидится.

Лаборатория горения КПИ, которую создал Христич В. А., в 50-х годах прошлого столетия занимала одно из ведущих мест среди исследовательских центров. В отличие от других, исследовались и закрутка потока окислителя, и плохообтекаемые тела в качестве стабилизаторов горения, и различные варианты струйной подачи горючего. К середине 70-х годов практически все возможные аэродинамические схемы подачи горючего и окислителя были исследованы. Однако определить основные подходы к созданию технологии сжигания так и не удалось. ГУ как в лаборатории, так и во всем мире, не удовлетворяли совокупным требованиям по экономичности, экологической безопасности и надежности.

Как впоследствии оказалось в основном недостатки ГУ определяются неустойчивостью аэродинамической структуры течения. Кроме того, вопреки бытующему мнению, газ очень трудно сжечь высокоэффективно, т.к. он имеет высокую температуру воспламенения — 650−750°С, узкий диапазон горючих объемных концентраций — 5−15% и очень низкие значения нормальной скорости распространения пламени (менее 0,5 м/с). Это наряду со сложностью аэро-термо-химии данного процесса затруднило создание универсальной, высокоэффективной технологии сжигания. И только с начала 80-х годов методологически правильно построенные исследования сложных реагирующих течений в ближнем следе за системой струй в сносящем потоке позволили выявить фундаментальные закономерности рабочего процесса ГУ ранее не известные. На основе струйно-нишевой системы, объединяющей систему струй горючего в сносящем потоке окислителя и нишевую полость, расположенную ниже по потоку [2], удалось создать ГУ с устойчивой аэродинамической структурой течения горючего, окислителя и продуктов сгорания и саморегулируемостью состава топливной смеси в области стабилизации горения. В конце 80-х струйно-нишевая система смесеобразования и стабилизации пламени была защищена авторскими свидетельствами СССР.

Струйно-нишевая технология сжигания газообразного топлива основана на создании устойчивых вихревых структур, генерируемых взаимодействием системы струй горючего в сносящем потоке окислителя с циркуляционным течением за плохообтекаемым телом с учетом теплотехнических особенностей объекта, причем объем вихревых структур в сотни раз меньше, чем при применении традиционных ГУ. На основе СНТ создан типоряд горелочных устройств, которые используются практически во всех известных типах огнетехнических объектов (котлы, печи, сушила, камеры сгорания и т. д.) [7].

В начале 90-х годов СНТ успешно проходила апробацию на печах, котлах, камерах сгорания ГТУ, подогревателях и т. д. [3]. В это время проводятся интенсивные экспериментальные и аналитические исследования, подтвердившие основные постулаты технологии (рациональная раздача горючего в потоке окислителя, создание устойчивой аэродинамической структуры, автомодельность процессов смесеобразования, термическая подготовка топливной смеси, самоохлаждение ГУ и т. д.). В конце 90-х и способ, и горелочное устройство были запатентованы в Украине и странах Евразии. На сегодняшний день СНТ является единственной универсальной технологией сжигания широко апробированной на всех типах ОУ [6].

После 2000 года накоплен уникальный опыт малозатратной модернизации морально устаревшего парка огнетехнического оборудования (ЖКХ, промышленность, сельское хозяйство и т. д.) с экономией от 5 до 80% горючего, до 50% электроэнергии, увеличение межремонтного периода, снижение уровня экологического воздействия и т. д. Как заслуженный итог получено звание Лидер ТЭК Украины за лучший энергосберегающий проект 2006 г. тепловой насос энергоэффективный безопасность Коллективом НПО «СНТ» модернизировано более 40 типов котлов: от контактных водонагревателей (КВН) мощностью 50 КВт до крупных энергетических котлов производительностью около 200 т пара в час, и десятки типов печей: от мини печей для плавки базальта с расходом газа 10 м3/час до 70-ти метровых вращающихся печей и мартенов с расходом газа более 5 000 м3/час. Приведем пример малозатратной модернизации котла ДЕ₂₅ (г. Жодино Республика Беларусь) на основе СНТ.

РЕЖИМНАЯ КАРТА Из режимной карты видно, что котел в основном работает на низком давлении (горелки разжигаются при давлении газа 3−5 мм в.ст.) и в необычайно широком диапазоне нагрузок по паропроизводительности. Котел устойчиво работает в диапазоне от 1,9 до 27 т/час. Это уникальный результат, т.к. данные котлы не могут снижать производительность менее 10−14 тонн из-за возникновения опрокидывания циркуляции рабочего тела. Причем КПД котла предельно высокий — 93,7−95,3% во всем диапазоне работы. Все это достигается благодаря высочайшей равномерности температурного поля в топке котла, а также повышенному среднему уровню температуры за счет общего коэффициента избытка воздуха близкого к 1. При этих условиях обеспечивается полное сгорание газа (СО — отсутствует). Состав топливной смеси, проходящей через ГУ, близкий к стехиометрии, что при высоком качестве смесеобразования обеспечивает эмиссию NOx в пределах существующих норм. Такие результаты — показатель определяющей роли эффективной организации топочных процессов в ОУ. Проведенные исследования печей, котлов и контактных водонагревателей (рис. 1.) также подтвердили ведущую роль топочных процессов [4].

Котлы ДКВР, отработавшие по 20−40 лет и снизившие свои экологотеплотехнические показатели, после модернизации на основе СНТ, разжигаются при давлении газа 0,5−2 мм в.ст., устойчиво работают на нагрузках 5−10% от номинальной, КПД в широком диапазоне 93−96%. Котлы надежно работают в безвентиляторном режиме за счет разрежения в топке. При этом эмиссия NOx, приведенная к =1, снижается до 100 мг/нм3. Так как ГУ СНТ прямоточного типа, то в топочном пространстве отсутствуют вихри больших объемов и соответственно наброс факела на экранные трубы, поэтому по согласованию с заводом-изготовителем убираются защитные стенки около боковых экранов, что улучшает термосостояние труб и уменьшает коррозийный износ стыков труб с коллекторами. Вывод напрашивается сам собой — отечественная техника надежная, ремонтопригодная, знакомая нашему персоналу и при применении современных технологий не уступает импортному оборудованию.

На фото 1. показаны ГУ СНТ на котле ПТВМ-30. Горелки разжигаются при давлении 1−3 мм в.ст., на всех 6-ти горелках котел работает от 2 до 40 Гкал/час без отключения части ГУ. Котел может разжигаться без вентилятора и дымососа за счет самотяги трубы и при этом набирать мощность до 12−15 Гкал.

На фото 2. представлен котел ПТВМ-50. ГУ СНТ установлены в штатные амбразуры. Розжиг горелок происходит при давлении газа равном нескольким мм в.ст. Выход на режим осуществляется при работе всех 12-ти горелочных устройств. Необходимо отметить, что отключение ГУ при уменьшении мощности котла крайне нежелательно, т.к. при этом нарушается температурная равномерность в топочном пространстве и увеличивается общий на котел коэффициент избытка воздуха.

На фото 3. представлена модернизация котла ТП-170. Мощность ГУ СНТ-30 МВт, они надежно разжигаются с давления газа 4 мм в.ст.

Универсальность струйно-нишевой технологии проявляется при решении целого ряда технических и технологических проблем в энергетике. Одной из таких задач является сушка футеровки после ремонта амбразур, боровов и т. д. При этом требуется выдерживать необходимый температурный уровень и равномерность температурного поля газов, омывающих осушаемую поверхность, иначе влага вскипает внутри футеровки и нарушает ее целостность. На практике для сушки в котлы загружаются дрова в виде метровых плах. Такой регламентированный способ неудобен, объект высыхает длительное время (несколько недель) и качество сушки оставляет желать лучшего. В г. Севастополе впервые сушка котлов ПТВМ-30 осуществлена при помощи ГУ СНТ. Все 6 горелок разожглись при давлении газа 2−3 мм в.ст., что обеспечило средний температурный уровень в топке (около 100 °С) и 3 котла были высушены за 3 дня.

По сегодняшний день продолжается развитие технологии и создание новых, более совершенных горелочных устройств. В результате исследовательских работ созданы горелочные устройства МДГГ, СНГ, СНТ и, последние на сегодняшний день в этом ряду, горелочные устройства ВРАД СНТ, реализующие новую ступень развития струйно-нишевой технологии — технологию сжигания газа в газодинамических «вихревых реакторах».

Во ВРАД используется т.н. «эффект Абдулина-Дворцина», заключающийся в выделении энергии в особых вихревых областях топочного объема огнетехнического объекта, благодаря комбинации специальных конструктивных особенностей горелочного устройства, режимных факторов, при обеспечении в этих областях необходимого температурного уровня и адаптации рабочего процесса горелочного устройства к конструктивным и газодинамическим особенностям огнетехнического объекта.

ВРАД является логическим результатом исследований и развития «вихревых» технологий сжигания топлива для огнетехнических объектов с различным уровнем температур рабочего тела и объемной теплонапряженностью топочного пространства, аэродинамики объекта и т. д.

В настоящее время для эффективной модернизации ОО нужны компании, объединяющие весь комплекс работ от научных исследований до сдачи под ключ объекта с последующим сервисным обслуживанием. Примером является ООО «НПО «СНТ», которое располагает специалистами в области организации топочных процессов и обеспечивает весь цикл модернизации огнетехнического объекта (рис. 2.).

Научно-исследовательские работы проводятся в тесной связи с академической наукой. Хочется отдельно отметить огромный вклад, который вносят в развитие и продвижение СНТ ведущие ученые Института технической теплофизики НАН Украины, в особенности академик НАН У Долинский А. А. и член-корреспондент НАН У Фиалко Н.М.

• 1. Абдулин М. З., Дворцин Г. Р., Жученко А. М., Кулешов Ю. А., Милко Е. И., Тихонова О. А. Струйно-нишевая технология сжигания топлива — основа надежной работы огнетехнического оборудования // Третья Международная научно-практическая конференция «Энергоэффективность крупного промышленного региона». Сборник научных трудов. — Донецк, 2008. — С. 18−24.
• 2. Струйно-нишевая система смесеобразования и стабилизации пламени. Автореферат дис. — Киев, КПИ, 1986//Абдулин М.З.
• 3. Абдулин М. З., Дубовик В. С. Струйно-нишевая технология сжигания топлива на объектах муниципальной энергетики // Научно-технический журнал «Новости теплоснабжения» № 11. — Москва, 2004. — С. 23−28.
• 4. Абдулин М. З., Дворцин Г. Р., Жученко А. М., Кулешов Ю. А. Оптимизация топочного процесса — путь к повышению эффективности, экологической безопасности и надежности работы котлов // Научно-технический журнал «Новости теплоснабжения» № 4. — Москва, 2008. — С. 31−34.
• 5. Абдулин М. З. Применение струйно-нишевой технологии сжигания топлива в энергетических установках // Вестник НТУ «ХПИ». Сборник научных трудов. Тематический выпуск «Энергетическое и теплотехническое оборудование». — Харьков: НТУ «ХПИ». — 2005. — № 6. — С. 130−144.
• 6. Абдулин М. З. Струйно-нишевая технология сжигания топлива — решение проблем современных горелочных устройств // Журнал «Петербургский строительный рынок» № 3 — Санкт-Петербург, 2008. — С. 55−57.