Технология сжигания топливной смеси в гравитационно-рециркуляционной вихревой топке

Технология сжигания топливной смеси в гравитационно-рециркуляционной вихревой топке

Ю.О. Афанасьев, Кузбасский государственный

технический университет, Кемерово,

А.Р. Богомолов, Институт теплофизики

им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск

Представлены конструкция нового топочного устройства — гравитационно-рециркуляционной вихревой топки (ГРВТ) и результаты экспериментального исследования процессов горения измельченной топливной смеси в данном аппарате. Показаны дериватограммы образцов топлива и приведен анализ зольного остатка при сжигании древесно-угольной смеси. Отмечено, что сгорание древесно-угольной смеси в ГРВТ, в отличие от угля, сопровождается образованием не только мелкой золы, но и шлака. сжигание горение вихревой топка Вихревые технологии сжигания твердого топлива являются самыми молодыми и перспективными в области малой и большой энергетики, металлургии и химической технологии. Исследование новых конструкций вихревых топочных устройств проводится многими коллективами ученых в России и за рубежом [1].

Гравитационно-рециркуляционная вихревая топка (ГРВТ), предназначенная для работы на высокозольном твердом топливе была разработана и изготовлена по программе «Энергосбережение СО РАН» [2]. При разработке конструкции аппарата был использован принцип работы циклонного сепаратора — классификатора измельченного твердого материала. Эти особенности аппарата ГРВТ позволяют организовать оптимальный процесс горения топлива при минимальных выбросах токсичных веществ в атмосферу.

Перед изготовлением полупромышленного образца были проведены исследования аэродинамики движения измельченного угля на «холодной» прозрачной модели ГРВТ [3]. Были определены скорости первичного и вторичного воздуха при которых было отмечено существование устойчивых зон рециркуляции топлива в потоке воздуха.

На рис. 1 показана схема изготовленного полупромышленного аппарата ГРВТ и траектории частиц топлива в объеме. Топливо и первичный воздух подают в первую ступень 3 (D₁ = 200 мм; L₁ = 240 мм), через кольцевой канал перемешивания топлива и окислителя 4 (сечение А-А). В кольцевом канале топливо расходом М смешивается с первичным воздухом расходом V₁ и тангенциально поступает в камеру сгорания первой ступени через прямоугольные сопла. Первая ступень содержит две горелки 12 и 13 для разогрева ВЦР в начальном процессе розжига и «подсветки» при работе. Размер второй ступени ВЦР 5 увеличен относительно первой (D₂ = 260 мм; L₂ = 330 мм), а третья ступень 6 (D₃ = 360 мм; L₃ = 370 мм) снабжена тангенциальными регулируемыми каналами подвода вторичного воздуха (см. рис. 1. сечение Б-Б). Параметр закрутки вторичного воздуха определяется положением заслонок 9. Верхняя, четвертая ступень аппарата 10 (D₄ = 500 мм; L₂ = 100 мм) предусмотрена для улавливания мелких частиц золы. При работе ГРВТ происходит разделение частиц топлива по размерам и массе и избирательное сгорание на полках ступеней аппарата, кроме того, в области второй и третьей ступени возникает центральная зона рециркуляции топлива I, подобная циркулирующему кипящему слою (ЦКС) и обладающая всеми его преимуществами.

Изготовленный аппарат ГРВТ был размещен в помещении насосного отделения газогенераторной станции завода полукоксования г. Ленинск-Кузнецкий (рис. 2). Фото экспериментальной установки ГРВТ, оснащенной необходимым оборудованием, показана на рис. 3.

Воздух в первую ступень аппарата ГРВТ подается из напорного трубопровода газодувки 1 через регулятор расхода 2. Подача вторичного воздуха осуществляется через регуляторы расхода 3, 4 и теплообменник 5. Теплообменник служит для подогрева вторичного воздуха. Для улучшения режима розжига установлена труба 6 с регулятором расхода 7, с помощью которой подогретый воздух поступает в первую ступень реактора. Заданный расход топлива М (см. рис. 1, сечение А-А), подаваемого в ГРВТ, обеспечивает шнековый дозатор 8. Для разогрева и розжига ГРВТ предусмотрены две пропановые горелки.

Экспериментальные исследования процессов горения проводили с использованием анализа результатов ранее проведенных опытов по разогреву и розжигу ГРВТ [4]. Разогрев проводили пропановыми горелками с общим расходом пропана 0.7−0.9 кг/ч до температуры объема на уровне второй ступени 700−750 °С. Затем в топку подавали твердое топливо расходом М = 8−20 кг/ч. В качестве измельченного твердого топлива использовали уголь марки Д фракцией 0−1 мм и древесно-угольную смесь. При выходе установки ГРВТ в стационарный режим проводились измерения расходов и температур топлива, окислителя и дымовых газов, а также профили температур в объеме реактора.

Данные технического анализа топлива приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Образец.
Уголь.	7.3.	18.2.	43.1.
Опилки.	6.0.	1.0.	81.3.

где W^a — содержание влаги в топливе, A^d — зольность топлива, V^daf — содержание летучих, выделяющихся при горении.

Были проведены предварительные термогравиметрические анализы используемого топлива на дериватографе Q-1500 D. Дериватограммы образцов топлива отмечают в них наличие влаги, выделяющейся до 230−245 С (см. рис. 4 и 5). На диаграммах сплошной линией обозначено изменение температуры исследуемого образца (Т). Штрихпунктирная линия ДТГ показывает скорость изменения веса исследуемого топлива.

На рис. 4 показаны результаты термогравиметрии угля марки Д. Масса навески в тигеле составляла 384 мг. Кривые изменения веса (ТГ), изменения содержания тепла (ДТА) и визуальные наблюдения свидетельствуют о том, что интенсивное выделение влаги происходит при 105 °C, уголь загорается при 245 С, первый максимум фиксируется при 346 С, потеря массы незначительная (~ 2%). При повышении температуры до 435 С наблюдается второй максимум, для которого потеря массы составляет около 8.1%. Затем идет догорание в тонком слое и остаток (зола) составляет 69.8 мг.

На рис. 5 показаны результаты термогравиметрического анализа смеси угля марки Д и древесных опилок в составе 10:1 по весу. Масса навески в тигеле составляла 266 мг. Совместное сжигание показало, что основное выделение влаги происходит при 90 °C, смесь начинает интенсивно терять массу после 237 С (загорание). Первый максимум потери массы при 335 С и составляет около 9.0%. Второй максимум горения 432 С (12.0%). Конечным продуктом является сплавленный, спекшийся остаток — шлак весом 47 мг.

Образование шлака можно связать с наличием в его составе элементов-плавней (K, Na), попадающих из древесных остатков. Наличие сферических частиц, образовывавшихся из расплавов солей было ранее зафиксировано в работах отечественных и зарубежных авторов.

НТВ технология сжигания твердого топлива предполагает низкие температуры горения в объеме аппарата, чтобы избежать повышенного образования окислов азота в дымовых газах. Для того чтобы определить оптимальную температуру (наименьшую для полного сгорания топлива) по ступеням реактора исследовали низкотемпературный режим работы ГРВТ, для чего температуру в объеме третьей ступени ГРВТ поддерживали не более 900 °C при избытке воздуха б = 1.5−2.2. На горение подавали только первичный воздух температурой 210−215 °С объемным расходом 358 м³/час. Для этих условий были проведены измерения профилей температур при горении измельченного угля марки Д фракцией 0−1 мм и древесно-угольной смеси массовым расходом 18.9 и 12.8 кг/час, которые представлены на рисунке 6.

Измерения профилей температур в объеме 2-ой и 3-й ступени проводили изогнутой на нижнем конце ХА термопарой длиной 790 мм путем поворота вокруг основной оси и перемещения в осевом направлении. Профили температур на рис. 6, а показывают что, распределение горения топлива (уголь марки Д фракцией 0−1 мм) по всему объему ГРВТ (исключая холодную воронку на первой ступени) и активная внутри топочная циркуляция газовых потоков выравнивают температурные поля.

Топливная смесь содержала 9.1% (масс.) древесных опилок фракцией 0−2.5 мм. Горение в ГРВТ древесно-угольной смеси сопровождалось снижением температуры во второй ступени аппарата (см. рис. 6, б), что можно объяснить возникновением в её нижней части и на полке области газификации. В отличии от горения угольной крошки в процессе которого образовывалась мелкая зола, горение древесно-угольной смеси сопровождалось появлением кусков шлака-друза в бункере, что подтверждает результаты предварительных анализов.

Исследования методом трансмиссионной электронной микроскопии (сканирующая) показали, что образец шлака-друза неоднороден (рис. 8), напоминает друзы с внутренними полостями, образованными удаляющимися газами Результаты элементного анализа методом обратного рассеяния электронов двух кусков шлака, сведенные в табл. 2, подтвердили полноту выгорания углерода.

Таблица 2.

При сравнении результатов термогравиметрических анализов (рис. 4, 5) и температур сгорания топлива в ГРВТ (рис. 6) отмечено, что частицы топлива интенсивно теряют массу еще на уровне первой ступени реактора и траектории горящих частиц топлива уже не соответствуют движению частиц на «холодной» модели [3]. Начальная закрутка воздушно топливной смеси также снижается при горении. Однако визуальные наблюдения позволили установить возникновение центральной зоны рециркуляции горящего топлива в области третьей ступени реактора.

По плану исследований были проведены опыты по сжиганию измельченного высокозольного угля марки ДГОК (А^d =35%) при подаче только первичного воздуха (в первую ступень) и при подаче дополнительного, вторичного воздуха в третью ступень реактора. Основные режимные параметры экспериментов сведены в табл. 3.

Таблица 3.

На рис. 9, а показано распределение температур в поперечных сечениях ГРВТ с подачей только первичного воздуха. В конце опыта по количеству зольного остатка был измерен КПД ГРВТ, который был невысок и составлял 0.72, хотя температура горения на уровне третьей ступени составляла порядка 1000 °C.

На рис. 9, б показано распределение температур в поперечных сечениях ГРВТ с подачей вторичного воздуха. При некотором снижении температуры в области третьей ступени, интенсивность горения в реакторе увеличилась и КПД ГРВТ составил 0.83. Вместе с тем несколько увеличился унос золы с дымовыми газами. Подвод вторичного воздуха в третью ступень позволил устранить зоны обедненные кислородом в верхней части ГРВТ.

Для установления причины малоэффективной работы реактора была проведена серия аэродинамических опытов, в которых визуально и с помощью видеосъемки изучалось движение потоков угольной крошки без горения. Для этого была изготовлена верхняя крышка из прозрачного органического стекла, которую установили вместо стальной верхней крышки ГРВТ. Было сделано необходимое освещение внутреннего объема аппарата, не изменяющее аэродинамику движения угольных частиц.

Наблюдения показали, что начальная закрутка (S = 3.4) и скорость воздушно угольной смеси недостаточна для подъема крупных угольных частиц и часть их падает сразу в бункер золы. Кроме того, при подаче только первичного воздуха (в составе воздушно-угольной смеси) часть крупных частиц топлива оседает на полках второй и третьей ступени. При подаче вторичного воздуха в соотношении V₁/ V₂ = 0.4−0.5 все топливо циркулирует в области второй и третьей ступени и не осаждается на полках.

Была произведена реконструкция первой ступени ГРВТ. Лопатки каналов тангенциального ввода воздушно-угольной смеси в первой ступени были подогнуты на 5 мм (10 мм ширина исходного канала) с целью увеличения параметра закрутки (S = 7.6) и входной скорости смеси. Это позволило предотвратить падение крупных частиц топлива в бункер, что подтвердили визуальные опыты.

Результаты проведенных экспериментов позволяют сделать следующие выводы.

• 1. В исследованном диапазоне технологических параметров гравитационно-рециркуляционная вихревая топка показала свою работоспособность при сжигании измельченного твердого высокозольного топлива. Подвод вторичного воздуха в третью ступень повышает КПД топки.
• 2. Сгорание древесно-угольной смеси в ГРВТ, в отличие от угля, сопровождается образованием не только мелкой золы, но и шлака. Появление шлака можно объяснить наличием в его составе элементов-плавней (K, Na), попадающих из древесных остатков.

В заключение необходимо отметить, что здесь приведены первые опыты испытания нового аппарата — гравитационно-рециркуляционной вихревой топки. Опыты по сжиганию высокозольных топлив и возобновляемых источников энергии (биомассы) будут продолжаться и возможно дальнейшее изменение конструкции аппарата ГРВТ.

Исследования процессов горения измельченного твердого топлива в гравитационно-рециркуляционной вихревой топке проводятся при поддержке гранта РФФИ №-07−08−96 030.

• 1. Пугач, Л. И. Нетрадиционная энергетика — возобновляемые источники, использование биомассы, термическая подготовка, экологическая безопасность: Учеб. пособие / Л. И. Пугач, Ф. А. Серант, Д. Ф. Серант. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. 347 с.
• 2. Афанасьев, Ю. О. Разработка конструкции гравитационно-рециркуляционной вихревой топки / Ю. О. Афанасьев, П. Т. Петрик, Г. С. Пермякова, В. С. Кочетков // Вестник КузГТУ. Кемерово, 2006. № 6.2. C. 120−122.
• 3. Афанасьев, Ю. О. Исследование гидродинамики гравитационно-рециркуляционной вихревой топки (ГРВТ) / Ю. О. Афанасьев, П. Т. Петрик, Г. С. Пермякова, В. В. Устьянцев // Вестник КузГТУ. Кемерово, 2006. № 2. C. 62−67.
• 4. Петрик, П. Т. Отработка режимов розжига высокотемпературного циклонного реактора / П. Т. Петрик, Ю. О. Афанасьев, А. Р. Богомолов, Г. С. Козлова // Сб. тр. Х Межд. н-практ. конференции: химия — ХХI век: новые технологии, новые продукты. Кемерово, 2008. С. 25−28.