автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование эффективности сжигания низкосортного твердого топлива в паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности с двухъярусной топкой

На правах рукописи

003400=»^. •

Вавилов Виктор Иванович

Исследование эффективности сжигания низкосортного твердого топлива в паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности с двухъярусной топкой

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат 1 / ДЕК 2003

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003488927

Диссертация выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО ДВГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Катин Виктор Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Поливода Федор Анатольевич

кандидат технических наук Гусев Глеб Борисович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный технический университет»

Защита состоится «/»/!? г ий Х%.2009г. в/ Ь час_мин. на заседании

диссертационного совета ^218.005.08 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Россия, г. Москва, ул.Образцова, д. 9 стр. 9, аудитория 2516.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направить по адресу университета ученому секретарю совета.

Автореферат разослан «¿£>> /ЛР А2009

1 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.005.08. д.т.н., профессор

Е. Ю. Логинова

Общая характеристика работы

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 топлйв. 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 последующим 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 бмм);

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.

Апробация диссертационной работы.

Основные положения н результаты проведенных исследований доложены и одобрены на семи Всероссийских и Международных конференциях, а также четырех научно-технических семинарах:

научно-технической конференции творческой молодёжи, 18-19 апреля, (ДВГУПС, Хабаровск, 2006);

44-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, 25-26 января, (ДВГУПС, Хабаровск, 2006); пятой Международной научной конференции творческой молодежи, 17-19 апреля, (ДВГУПС, Хабаровск, 2007); 45-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, посвященной 70-летию университета, 24-25 октября (ДВГУПС, Хабаровск, 2007); 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, 7-9 ноября, (ДВГУПС,

Хабаровск, 2007); Международной научно-практической конференции «Техносферная и экологическая безопасность на транспорте», 21-23 ноября, (ПГУПС, СПб, 2007); Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий», (ТулГУ Москва-Тула, 2006); Международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности, «Дальневосточная весна-2007» (КнАГТУ, Комсомольск - на - Амуре, 2007).

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа изложена на 147 страницах печатного текста и состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованных источников, состоящего из 99 наименований, содержит 45 рисунков, 8 фотографий, 48 таблиц и 3 приложения.

Краткое содержание диссертации

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 бмм).

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 г- 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!.

Таблица 1

Характеристика Нерюнгринского угля марки СС

Состав угля на горючую массу, % Состав угля на сухую Состав угля на

массу, % рабочую массу, %

Сера Sr 0,40 Sc 0,28 Sp 0,30

Углерод Cr 87,00 Сс 62,64 Ср 57,60

Водород Нг 4,70 Не 3,38 Нр 3,10

Азот Nr 0,80 Nc 0,57 Np 0,50

Кислород Ог 7,10 Ос 5,11 Ор 4,70

Зола - - Ас 28,00 Ар 25,80

Влага Летучие - - - - Wp 8,00

- - - - Vp 18-22

С>=ккал/кг 8230,0 Q =ккал/кг 5925,6 <2=ккал/кг 5404, 0

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.

1 2 3

Сортамент твердого топлива: 1- уголь поступивший с* угледобывающие пдедпрняшй. .? угопь после технологической обработки б котельной. 3- сортированный уголь (ГОСТ 10617-3S)

а Ряд ! вряд; аРядЗ S Ряд4 вряд5|

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; 1325; 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 лтксимальной 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

Класс крупности, мм Результат опыта №4 Результат опыта №3 Результат опыта №2 Результат опыта № 1 Среднее значение ненормируемой фракции угля Среднее значение нормируемой фракции угля

0-6 26,00 29,00 34,00 37,00 31,55 -

6-13 21,50 25,00 18,00 11,50 - 17,25

13-25 31,50 29,50 23,00 23,00 - 25,00

25-40 27,00 26,50 24,00 28,50 - 26,50

Результат самосортировки - - - - 31,55 68,55

Таблица 3

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

Класс крупности, мм ЧГ « ?5 3 с 0 1 Л го ё л с 0 1 (Ч 3 С о в Л § В 3 С О В л и 5 « 1* я о 5 Й 2 5 а ! « 5 к » ? я I и я я « а « о Б 1 « 8 Я и г Й я О. я

и ■ а. & и о* ь и ей еп о си 8. £ и & я -е-и

0-6 69,10 64,25 62,25 63,50 65,27 -

6-13 19,75 22,25 19,00 17,00 - 19,50

13-25 ■ 5,40 7,40 8,00 7,50 - 7,07

25-40 4,75 5,10 5,75 5,00 - 5,15

Результат - - - - 65, 27 31,75

самосортировки

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 250x150мм 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.

Шурующая планка

Рис. 3. Принципиальная схема двухъярусной топки: 1 - подвижный колосник;

2- неподвижный колосник; 3- механический забрасыватель угля;

4- шлаковый бункер; 5- шурующая планка

Кипящий слой в двухъярусной топке характеризуется интенсивностью дутья, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но далеко не достигающий скорости витания крупных (с размером 25-40мм) топливных частиц. При этих условиях все частицы в слое интенсивно перемешиваются,

двигаясь колебательно вверх и вниз. Несмотря на такое движение частиц, кипящий слой имеет относительно четкую верхнюю границу. Давление воздуха под решеткой соответствует 45 - 50мм вод. ст., что способствует переходу процесса горения топлива в состояние кипящего слоя с последующей устойчивой стабилизацией давления под решеткой 35-40мм вод. ст. Такие значения параметров давления воздуха обеспечивают процесс горения в активной фазе, т.е. состояние горения низкосортного твердого топлива в кипящем слое (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость давления под решеткой и высоты слоя топлива на двухъярусной решетке при горении угля в кипящем слое

Относительно высокая и равномерная температура по высоте слоя, благоприятные гидродинамические условия, определяемые повышенной относительной скоростью газа, наличие достаточно развитой поверхности окисления мелкозернистого твердого топлива обеспечивают высокую температуру кипящего слоя (рис. 5).

Рис. 5. Изменение температуры от высоты слоя топлива в топочном пространстве двухъярусной топке при горении низкосортного угля

Во второй главе приведено описание методики теплотехнических испытаний паровых и водогрейных котлов с механической топкой и (после реконструкции) с двухъярусной топкой.

Программа балансов ых эксплуатационных испытаний котла, работавшего со слоевой механической или двухъярусной топкой, включала опыты по определению максимальной нагрузки по условиям обеспеченности котла твердым топливом, максимально длительной нагрузки по условиям шлакования поверхностей нагрева, минимальной нагрузки по условиям обеспечения устойчивого горения в топочной камере. Для получения сравнительной оценки эффективности сжигания Нерюнгринского (сильно пылящего угля) в неподвижном и кипящем слое, предварительно были проведены испытания водогрейного котла КВТС-10 с механической топкой ТЧЗМ-2 при его различных тепловых нагрузках. Результаты этих испытаний позволили установить, что при минимальной нагрузке (<3=2,8 Гкал/ч) полезно используется только 40,2% теплоты сгорания топлива, остальные 59,8% -составляют тепловые потери. Процесс горения при минимальной нагрузке неустойчив, происходит постоянно миграция кратерного горения с элементами затухания, в связи, с чем возникает необходимость в ручной шуровке слоя топлива. При номинальной нагрузке котла (<3=5,8 Гкал/ч) потери составляют 54,2% - а при максимальной ((3=9,0 Гкал/ч) - 49,37%.

На рисунке 6 представлена зависимость КПД и тепловых потерь от величины тепловой нагрузки котла КВТС-10, работающего с факельно-слоевой (ТЧЗМ-2) и двухъярусной топкой, сжигающих низкосортный Нерюнгринский уголь.

Рис. 6. Зависимость тепловых потерь и КПД котлоагрегата КВТС-10 от переменных тепловых нагрузок: 1- минимальная нагрузка котла <3= 2,8 Гкал/ч; 2- номинальная нагрузка котла 0= 5,8 Гкал/ч; 3- максимальная нагрузка котла <3= 9,0 Гкал/ч; Ряд 1 и Ряд 2 - КПД и тепловые потери котла работающего со слоевой топкой; Ряд 3 и Ряд 4- КПД и тепловые потери котла работающего с двухъярусной топкой.

Тепловой баланс работы котла КВТС-10 со слоевой топкой представлен на рисунке 7., а тепловой баланс работы котла работающего с двухъярусной топкой представлен на рисунке 8.

Рис. 7. Тепловой баланс работы котла КВТС-10 со слоевой топкой ТЧЗМ-2 при тепловой нагрузке =5,8 Гкал/ч: полезно использованное тепло (48%); - потери тепла с уходящими газами ([12%); цЗ - потери тепла от химического недожога (1%); я4 -потери тепла от механического недожога (33%); - потери тепла в окружающую среду (4%); q6 - потери тепла с физическим теплом шлака (2%)

Рис. 8. Тепловой баланс работы котла КВТС-10 с двухъярусной топкой при тепловой нагрузке 0 =5,8 Гкал/ч: ц1-полезно использованное тепло (59%); q2 - потери тепла с уходящими газами (10%); <¡3 - потери тепла от химического недожога (1%); <\А -потери тепла от механического недожога (25%); q5 - потери тепла в окружающую среду (4%); яб - потери тепла с физическим теплом шлака (1%)

В процессе эксплуатации двухъярусной топки с зажигающим поясом было установлено, что зажигающий пояс способствует снижению расхода топлива на единицу вырабатываемой тепловой энергии более чем на 3%, а также способствует дожиганию летучих газов и несгоревших пылевидных фракций угля на 13-15%.

По результатам сравнительной оценки составляющих теплового баланса работы котлоагрегата с двухъярусной и слоевой топкой было установлено, что работа котла с двухъярусной топкой и сжиганием Нерюнгринского угля в кипящем слое обеспечивает снижение расхода топлива до 15-20%.

В главе приведены результаты сравнительных анализов исследования экологической эффективности работы котлоагрегата с существующей факельной - слоевой (ТЧЗМ-2 и ТЛЗМ-2) и установленной двухъярусной топкой после реконструкции котла, .при сжигании Нерюнгринского низкосортного угля. Наибольшие затруднения у эксплуатационников вызывает решение проблемы сокращения выбросов в атмосферу оксидов азота (ЫОх), поскольку они содержатся в дымовых газах в любом интервале нагрузок котла от минимальных до максимальны); значений. Фактическая масса выбросов вредных веществ на единицу тепловой энергии при сжигании низкосортного топлива Нерюнгринского месторождения в котлах с различными топочными устройствами при максимальной тепловой нагрузке приведена в табл. 4.

Таблица 4

Величина удельных вредных выбросов, кг/Гкал, при работе котла КВТС-10с различными топками (0=9,0 Гкал/ч)

Топочное устройство Твердые частицы СО Б Ох ИОх

Двухъярусная топка 4,03 45,8 1Д 0,95

Слоевая топка (ТЧЗМ-2) 7,28 66,8 1,2 1,28

Из таблицы видно, что токсичные составляющие уходящих газов из котла работающего с двухъярусной топкой при сжигании низкосортного угля в кипящем слое уменьшаются. На рис. 9 в процентном отношении приведены зависимости содержания оксидов азота в уходящих газах при сжигании низкосортного угля Нерюнгринского месторождения:. Результаты сравнения показывают, что сжигание низкосортного угля в кипящем слое на двухъярусной решетке обеспечивает содержание оксидов азота в уходящих газах на уровне - 2,8 - 3,1%, в соответствии с качественным составом

исходного топлива, что значительно ниже (на 20-25%) массовых значений выбросов оксидов азота при сжигании твердого топлива в слоевой топке ТЧЗМ-2. На основании проведенных экспериментальных исследований работы двухъярусной топки в режиме кипящего слоя установлено, что такое горение способствует снижению концентрации кислорода в уходящих газах с 10,5% до 7%. Эти результаты служат достаточным основанием для вывода, что работа двухъярусной топки и котла в целом максимально эффективна (рис. 9).

33 40 59 60 70 >0 80

______Переменная тепловая нагрузка котла, У._

—о—Содержание сксидов азота в уходящих газах при работ« кота с двухъярусной топкой —•— Содержание с ксидов азота в уходящих газах приЬабот* котла с тапкой ТЧЗМ-2 -Л- Содержаний кислорода в уходящих газах при работ* котпа с двухъярусной топкой —о- Содержание кислорода в уходящих газах при работ» коша с топкой ТЧЗМ-2_

Рис. 9. Зависимости содержания оксидов азота и кислорода в уходящих газах от тепловой нагрузки котлов с различными топочными устройствами

В третьей главе приведена методика определения экономической эффективности от внедрения двухъярусной топки на паровых и водогрейных котлах теплоснабжающего предприятия ГУП «Коммунальные системы БАМа». В результате внедрения нового технического устройства двухъярусной топки и технологии сяшгания низкосортного твердого топлива в кипящем слое, стоимость вырабатываемой тепловой энергии существенно снижается.

Стоимость тепловой энергии в 2007г. на паровом котле снизилась на 12% и фактически составила 809,36 руб./Гкал по сравнению со стоимостью единицы тепловой энергии при обычном режиме сжигания топлива в топке ТЛЗМ-2 (919,66 руб/Гкал), сравнительные результаты представлены на рис. 10.;

для водогрейного котла КВТС-10 работающего с двухъярусной топкой стоимость единицы вырабатываемой тепловой энергии уменьшилась на 10%, и составила в 2007г. 831,12 руб./Гкал (работа котла с топкой ТЧЗМ-2, стоимость тепловой энергии составляла - 923,01 руб./Гкал), сравнительные результаты представлены на рис. 11.

930

я 920 § 910

¡5 900

"§. 890

,- 880

5 870

6 860

0 850 840

8 830

| 820

Н 810

£ 800

б 790

1 780 | 770 ° 760

750

Паровой котел КЕ-10-14с

Чч \5v4v

N V ч V

ч м, ч Хчч>

Стоимость теплэаой энергии при работе котла Стоимость тепловой энергии при работе котла со слоевой топкой, рубУГкал с двухъярусной топкой, рубУТкая

Рис. 10. Стоимость тепловой энергии до и после реконструкции котлоагрегата

Водогрейный котел КВТС-10

[Т.» СИ1И1 II .".".»»".•«%"»'«*= П и Я И 1« Ч II * » и щ <• ■ ии »я в л ми п_х ш а ■ .1 I И » ы ■ я •• я в г

.■/ИЛ'.'Л'Л'

•ул-ЛГМ Д'.ул'л". Ат'Л'Л

■ н * и а * и щ а >

■ Н ВЁ я я я « К I * в тт« п* г * м

I. -1 X «1* И

м м 4 т м о к » а а

& »ч м « К » «■ *

•*« ■!<> • «!» « и"«

л «С» " * ■ II I* * I " Х"-.*..--'.."-1' Л»*

|чУ|||У|'|г;

."Л1_____

■ - -Л*ллялр

Стоимость тепловой энергии при работе котла Стоимость тепловой энергии при работе котла со слоевой топкой, рубУПсал с двухъярусной топкой, руб./Гкал.

Рис. 11 Стоимость тепловой энергии до и после реконструкции котлоагрегата

Заключение

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 ненормпруемых 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 (Хер = 2,0 до

(Хер = 1,5 а также снижение уровня содержания кислорода (02) 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-Мс составил 2008342,4 руб. при годовой выработке тепловой энергии (¿=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 (3= 18208 Гкал., что привело к снижению стоимости единицы тепловой энергии на 10%.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Вавилов В.И. Эффективное сжигание низкосортных углей в двухъярусной топке. Журнал «Безопасность жизнедеятельности» № 6 (102) 2009., М: изд-во «Новые технологии», С. 29 - 33.

2. Вавилов В.И. Охрана атмосферного воздуха при сжигании низкосортных углей в котлах с двухъярусной топкой. Журнал «Экологические системы и приборы», июль, 2008., М: изд-во «Научтехлитиздат», - С. 22 - 26.

3. Вавилов В.И., Катин В.Д. Малоотходные технологии эксплуатации котельных установок на твердом топливе. Дальний Восток-2: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня.-2007. - №ОВ 15. -З44с.-М.: Изд-во «Мир Горной книги», - С. 311 - 317.

4. Катин В.Д., Вавилов В.И. Вольхин И.В. Экологические проблемы сжигания топлива в котельных установках предприятий железнодорожного транспорта и пути их решения. Журнал «Безопасность в техносфере», № 3/2006., М: изд-во «Русский журнал», - С. 32 - 35.

5. Катин В.Д., Вавилов В.И., Толкачев A.B., «Модернизация отопительных котлов малой и средней мощности на твердом топливе в условиях БАМа и охрана окружающей среды», Монография, Владивосток: изд-во «Дальнаука», 2008.-192с.

6. Вавилов В.И., Катин В.Д. Модернизация действующих котлоагрегатов с целью оптимизации горения и сокращения вредных выбросов в атмосферный воздух. Труды Региональной научно-технической конференции творческой молодёжи, 18 - 19 апреля, Хабаровск: изд-во ДВГУПС, 2006. - С. 163 - 167.

7. Катин В.Д., Вавилов В.И. Повышение экологической эффективности, эксплуатации котельных установок предприятий железнодорожного транспорта. Труды 44-й Всероссийской научно-практической конференции

ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, 25-26 января, Хабаровск, ДВГУПС, 2006.- С. 22 - 27.

8. Катин В.Д., Вавилов В.И. Экологические проблемы сжигания твердого топлива в котельных установках. Пятая Международная научная конференция творческой молодежи, 17-19 апреля, Хабаровск, ДВГУПС, 2007. - С. 73 - 79.

9. Катин В.Д., Вавилов В.И. Пути повышения экологичности сжигания низкосортных топлив в котлоагрегатах в условиях БАМа. Межвузовский тематический сборник научных трудов «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности решают ученые»,- Хабаровск: ДВГУПС, 2008.-С. 25-30.

10. Вавилов В.И. Теплотехнические и экологические проблемы сжигания Нерюнгринского угля в котлах средней и малой мощности. Труды 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, 7-9 ноября, Хабаровск, изд-во ДВГУПС, 2007. - С. 260 - 268.

11. Вавилов В.И., Катин В.Д. Ресурсосберегающие и малоотходные технологии эксплуатации паровых и водогрейных котлоагрегатов на предприятиях железнодорожного транспорта. Международная научно-практическая конференция «Техносферная и экологическая безопасность на транспорте», 21-23 ноября, СПб: изд-во ПГУПС, 2007. - С. 130 - 131.

12. Вавилов В.И., Катин В.Д. Повышение экологической эффективности работы котлов на твердом топливе. Доклады Всероссийской научно-технической конференции, Москва-Тула: изд-во ТулГУ, 2006.-С. 5-7.

13. Вавилов В.И., Катин В.Д. Пути повышения экологической безопасности эксплуатации котлов, работающих на угле. Материалы международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности, 7-8 июня «Дальневосточная весна-2007», Комсомольск - на - Амуре: изд-во КнАГТУ, 2007. - С. 224 - 226.

14. Вавилов В.И., Катин В.Д. Патент № 68660. Россия. Водогрейный котел. (51) МПК Р 24 Н 1/30. Опубл. 27.11.07. Бюл. № 33.

Вавилов Виктор Иванович

Исследование эффективности сжигания низкосортного твердого топлива в паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности с двухъярусной топкой

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Подписано в печать //. //. 2009г. Формат бумаги 60x84 1/16

Объем 1,5 п. л.

Тираж 80 экз. Заказ -

127994, Москва, ул. Образцова, 9 стр. 9. Типография МИИТ.

Введение

Содержание

1. Состояние проблемы эффективности использования низкосортного угля в котлах малой и средней мощности на предприятиях Дальневосточной железной дороги и ГУП «Коммунальные системы БАМа» и пути решения.

1.1. Анализ теплотехнического состояния котельного парка в условиях БАМа.

1.2. Общая характеристика твердого топлива, сжигаемого в котлах малой и средней мощности.

1.3. Особенности горения твердого топлива в кипящем-слое.

1.4. Анализ конструкций топочных устройств и методов сжигания ннзкосортного твердого топлива в паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности.

И5. Конструкция двухъярусной топки котла для сжигания низкосортного угля в кипящем слое.

Выводы по главе 1.

2. Экспериментальные исследования эффективности работы паровых и водогрейных котлов малой и средней мощности с двухъярусной топкой.

2.1. Методика. теплотехнических испытаний паровых и водогрейных котлов,, оборудованных двухъярусной топкой и факельно-слоевой ТЧЗМ-2, TJI3M-2:.

2.2. Экспериментальные исследования процесса самосортировки твердого топливаг в момент формирования слоя на колосниках двухъярусной решетки

2.3. Результаты исследований теплотехнической эффективности работы котлоагрегатов (КВТС-10 и КЕ-10-14с) с факельно-слоевой ТЧЗМ-2,

TJI3M-2 и двухъярусной топкой, установленной на котлах после реконструкции

2.3.1. Результаты исследований паровых и водогрейных котлов с факельно-слоевой топкой ТЧЗМ-2 и TJI3M-2.

2.3.2. Результаты исследований паровых и водогрейных котлов с двухъярусной топкой

2.3.3. Сравнительные результаты работы паровых и водогрейных котлов с факельно-слоевой ТЧЗМ-2, TJI3M-2 и двухъярусной топкой.

2.4. Результаты исследований экологической эффективности работы котлоагрегатов с двухъярусной топкой в условиях БАМа при сжигании низкосортного топлива.

Выводы по главе 2.

3. Технико-экономическая оценка внедрения двухъярусной топки на паровых и водогрейных котлах предприятия ГУП «Коммунальные системы БАМа».

3.1. Методика оценки экономической эффективности внедрения нового топочного устройства на теплоснабжающем предприятии ГУП

Коммунальные системы БАМа»

3.2. Расчет экономического эффекта от внедрения топочного устройства двухъярусной топки на котлах КЕ-10-14с и КВТС

Выводы по главе 3.

Повышение благосостояния страны определяется увеличением удельного потребления энергии, которому пропорционален рост удельного валового национального продукта. Без энергии не может быть ни движения, ни производства, ни самой жизни. Вся техника и продукция промышленности и сельского хозяйства есть в конечном итоге овеществленная энергия, и затраты последней определяют эффективность всего производства. В настоящее время, несмотря на высокий технический уровень, возможности повышения тепловой экономичности установок еще далеко не исчерпаны. Поэтому всевозможные эффективные теплотехнические устройства и системы управления, широко внедряемые повсюду, преследуют, по существу, одну цель - экономию энергоресурсов.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) РФ представляет собой одну из основ развития экономики современного общества. Темпы научно-технического процесса, интенсификации общественного производства, повышения технического уровня и улучшения труда в значительной мере определяются состоянием энергетики. Именно поэтому во всех странах мира уделяется большое внимание проблеме развития энергетической базы. Роль энергетики возрастает еще больше в связи с прогрессирующим истощением обычных энергетических ресурсов (нефть, газ, уголь и др.) и все более заметным, иногда уже необратимым изменением (загрязнением) окружающей среды, сопровождающим работу энергоустановок.

Естественно, что экономное и экологически чистое расходование энергии становится одной из основных задач инженерной деятельности в любой отрасли. Поэтому эффективному использованию природных ресурсов, защите окружающей среды придается в России большое значение. Об этом свидетельствует введенный с 2002 года Федеральный закон РФ «Об охране окружающей среды», который регламентирует комплекс вопросов, связанных с рациональным использованием всех видов топлива на объектах «большой» и «малой» энергетики и уменьшением вредных выбросов в атмосферу.

В соответствии с основными положениями Энергетической программы на длительную перспективу в нашей стране вводятся в строй отопительные и производственно-отопительные котельные различной тепловой мощности. Особенно быстро развивается строительство котельных в Восточной части России, где практически нет больших запасов нефти и газа, а сосредоточены огромные запасы органического топлива, как правило, низкосортного угля. В связи с этим было принято решение Правительства РФ об изменении соотношения использования жидкого и газообразного топлива к углю с положительной динамикой потребления твердого топлива на теплоснабжающих предприятиях малой и средней тепловой мощностью, именуемых «малой» энергетикой. Стоимость нефти и газа значительно опережает стоимость различных марок углей.

Динамика роста цен нефти и газа по отношению к углю представлена на диаграмме (рис. 1).

Рис. 1. Топливный рынок углеводородного топлива (Дальневосточная часть России)

Актуальность проблемы. Железнодорожный транспорт потребляет значительное количество топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в виде тепловой и электроэнергии, жидкого, твердого 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 (TJI3M-2 и ТЧЗМ-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 слоевых топочных устройствах, установленных на паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности. Эти топки не обеспечивают в полной мере эффективный процесс горения, резко падает не только КПД (до 40-55%), но и производительность котлов в целом. При этом возникают сопутствующие проблемы, вызванные увеличением выбросов ^ загрязняющих веществ в воздушный бассейн. Факельно-слоевые топки ТЧЗМ-2 и TJI3M-2 производит Кусинский машиностроительный завод, согласно паспортным рекомендациям не предусматривается их работа на низкосортном топливе 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 слоевых топок (ТЧЗМ-2 и TJI3M-2), составляющее 13-15% от общей площади зеркала горения 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 работы является разработка 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 процесса перехода горения из состояния неподвижного в состояние кипящего слоя; в определении экономической эффективности разработанной новой двухъярусной топки при внедрении на котлах ГУЛ «Коммунальные системы БАМа»; в изучении возможностей максимально широкого внедрения полученных результатов на объектах теплоснабжения ГУЛ «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 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 технического 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 активной площади 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 на низкосортных углях 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. 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 авторомk 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.

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

Апробация диссертационной работы. Основные положения и результаты проведенных исследований доложены и одобрены на семи Всероссийских и международных конференциях, а также четырех научно-технических семинарах: научно-технической конференции творческой молодёжи, 18-19 апреля, (ДВГУПС, Хабаровск, 2006); 44-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, 25-26 января, (ДВГУПС, Хабаровск,

2006); пятой Международной научной конференции творческой молодежи, 17-19 апреля, (ДВГУПС, Хабаровск, 2007);

45-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, посвященной 70-летию университета, 24-25 октября (ДВГУПС, Хабаровск, 2007); 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, 7-9 ноября, (ДВГУПС, Хабаровск, 2007);

Международной научно-практической конференции «Техносферная и экологическая безопасность на транспорте», 21-23 ноября, (ПГУПС, СПб,

2007); Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развитиянауки и технологий»^ (ТулГУ, Москва-Тула, 2006);

Международной научно-практической конференции в. области экологии и безопасности жизнедеятельности, 7-8 июня, «Дальневосточная весна-2007» (КнАГТУ, Комсомольск - на - Амуре, 2007). и

Выводы по главе 3.

Технико-экономическая оценка эффективности работы котл о агрегатов КЕ-10-14с и КВТС-10 с двухъярусной топкой на предприятии ГУП «Коммунальные системы БАМа», выполненная в соответствии с методикой, показала, что использование усовершенствованного нового топочного устройс тва (двухъяруснойтопки) при сжигании низкосортного угля в кипящем слое максимально обеспечивает высокую экономичность работы топки и котла в целом. В результате реализации технического решения на теплоснабжающем предприятии ГУП «Коммунальные системы БАМа» по разработке и внедрению нового топочного устройства (двухъярусной топки) удалось получить значительный экономический эффект при сжигании низкосортного топлива в кипящем» слое и существенно снизить затраты на производство единицы тепловой энергии. Удельные приведенные затраты на единицу тепловой энергии с различными марками котлов снизились на паровом (КЕ-10-14с) на 12%, а на водогрейном котле (КВТС-10) па 10%.

Заключение

1. Проведён анализ работы факельно-слоевых топок Кусинского машиностроительного завода типа (ТЧЗМ-2 и TJ13M-2), установленных на паровых и водогрейных котлах теплоснабжающих предприятий ДВЖД и ГУП «Коммунальные системы БАМа», использующих в качестве основного топлива низкосортный уголь Нерюнгринского месторождения.

Показано, что конструктивные элементы топок ТЧЗМ-2 и TJ13M-2 не позволяют эффективно сжигать сильно пылящий уголь Нерюнгринского месторождения. При сжигании низкосортных углей в топках ТЧЗМ-2 и TJI3M-2 образуется механический недожог, достигающий 45% и более.

2. Разработано новое топочное устройство двухъярусная топка, на конструкцию которой получен патент. Сжигание низкосортного твердого топлива Нерюнгринского месторождения на двухъярусной топке осуществляется в режиме кипящего слоя. Такая технология сжигания твердого топлива в указанной конструкции 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 оптимальное соотношение, зависимости площади зажигающего пояса (42-45%) к площади зеркала горения, наличие которого при сжигании низкосортного твердого топлива способствует снижению его расхода 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 TJI3M-2), способствует более полному сгоранию летучих продуктов, а также снижению уровня 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, цикличное ib 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 аср = 2,0 до аср = 1,5 а также снижению уровня содержания кислорода (02) в уходящих газах с 12-13% в слоевой топке, до 7-8 % в двухъярусной топке. Увеличенный объём двухъярусной топки способе [вует рациональному поддержанию температурного режима в топочном пространстве и приводит к снижению 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 па 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%.

1. Авдеева А. А., Белосельский Б.С. Контроль топлива на электростанциях. М.: Энергия, - 280с.

2. Александров В. Т. Паровые котлы средней и малой мощности. М.: Энергия, 1992. - 330с.

3. Альтшулер В. С. Современные процессы газификации твердого топлива. -М.: Недра, 1986. 283с.

4. Антонянц Г. Р., Черников В.П., Райфельд О. В. Топливно-транспортное хозяйство тепловых электростанций. М.: Энергия, 1987.-310с.

5. Александров В. Г. Паровые коглы малой и средней мощности, Л.: Энергия, 1972. С. 17 - 63., С. 66 - 70.

6. Аэродинамический расчет котельных установок. Нормативный метод. -М.: Энергия, 1971.-256с.

7. Бабкин Р. Л. Хранение угля на электростанциях. М.: Энергия, 1992.- 166с.

8. Баранов П. А. Предупреждение аварий паровых котлов. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 195с.

9. Баранов П. А., Кузнецов А. Л. Паровые и водогрейные котлы. Эксплуатация и ремонт. М.: НПО ОБТ, 2000. - 293с.

10. Белосельский Б. С. Комплексное использование топлива и новые источники энергии. М.: МЭИ, 1992. 218с.

11. Белосельский Б. С. Низкосортные энергетические топлива. М.: Энергия,1989. 134с.

12. Белосельский Б. С., Соляков В. К. Энергетическое топливо. М.: Энергия,1990. -258с.

13. Бородуля В. А., Виноградов Л. М. Сжигание твердого топлива в псевдоожиженном слое. Минск: Наука и техника, 1990. 188с.

14. Борщов Д. Я., Воликов А. Ы. Защита окружающей среды при эксплуатации котлов малой мощности. М.: Стропиздат, 1987. - 157с.

15. Борщов Д. Я. Устройство и эксплуатация отопительных котельных малой мощности, 1989.- 197с.

16. Бузников Е. Ф. Производственные и отопительные котельные. М.: Энергия, 1984. - 247с.

17. Буянов А. Б., Крылов В. И., Катин В. Д. Очистка дымовых газов. СПб.: Изд-во. ПГУПС, 1995. - 51с.

18. Вавилов В.И. Охрана атмосферного воздуха при сжигании низкосортных углей в котлах с двухъярусной топкой. Журнал «Экологические системы и приборы», июль, 2008., М: изд-во «Научтехлитиздат», С. 22 - 26.

19. Вавилов В.И., Катин В.Д. Малоотходные технологии эксплуатации котельных установок на твердом топливе. Далышй восток-2: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня.-2007. №ОВ 15. - З44с.-М.: Изд-во «Мир Горной книги», - С. 311-317.

20. Вавилов В.И. Эффективное сжигание низкосортных углей в двухъярусной топке. Журнал «Безопасность жизнедеятельность» № 6, 2009., М: изд-во «Новые технологии», С. 23 27.

21. Катип В.Д., Вавилов В.И. Вольхин И.В. Экологические проблемы сжигания топлива в котельных установках предприятий железнодорожного транспорта и пути их решения. Журнал «Безопасность в техносфере», № 3/2006., М: изд-во «Русский журнал», С. 32 - 35.

22. Катни В.Д., Вавилов В.И., Толкачев А.В., «Модернизация отопительных котлов малой и средней мощности на твердом топливе в условиях БАМа иохрана окружающей среды», Монография, Владивосток: изд-во «Дальнаука», 2008. 192с.

23. Катин В.Д., Вавилов В.И. Экологические проблемы сжигания твердого топлива в котельных установках. Пятая Международная научная конференция творческой молодежи, 17 19 апреля, Хабаровск, ДВГУГ1С, 2007. - С. 73 - 79.

24. Вавилов В.И., Катин В.Д. Повышение экологической эффективности работы котлов на твердом топливе. Доклады Всероссийской научно-технической конференции, Москва-Тула: изд-во ТулГУ, 2006. С. 5 - 7.

25. Вавилов В. И., Катин В. Д. Модернизация действующих котлоагрегатов с целью оптимизации горения и сокращения вредных выбросов в атмосферный воздух// Материалы Регион, научно технич. конф. Хабаровск: Изд-во ■ДВГУПС, 2006. - С. 163 - 166.

26. Вергазов В. С. Устройство и эксплуатация котлов: справ. М.: Стройиздат, 1991.-282с.

27. Газоочистительное оборудование: каталог. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1991.-252с.

28. Гидравлический расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. М.: Энергия, 1978. - 255с.

29. Гольстрем В. А. Справочник по экономии топливно-энергетических ресурсов. Киев: Техника, 1985. - 384с.

30. Голье трем В. А. Справочник энергетика промышленных предприятий. -Киев: Техника, 1989. 461с.

31. ГОСТ Р50831 95. Установки котельные, тепломеханическое оборудование. Общие технические требования. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 39с.

32. Гусев Ю. J1. Основы проектирования котельных установок. М.: 1983.-248е.

33. Деев J1. В., Балахничев IT. А. Котельные установки и их обслуживание.- 1990. 53с.

34. Зыков А. Д. Паровые и водогрейные котлы. М.: Энергия, 1987. - 126с.

35. Изменение № 1 СНиП П-35-76 «Котельные установки». М.: ФГУП ЦПП, 2005. - 24с.

36. Исаченко В. П., Осипова В.А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975. -488с.

37. Каталог: Котлы малой и средней мощности и топочные устройства. М.: НИИ - Эинформэнергомаш, 1978. - 45с.

38. Катин В. Д. Повышение экологической эффективности работы котельных установок // Материалы 44-й Всероссийской научно практ. конф. «Современные технологии транспорту и промышленности». В 3 т. Т. 3.- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. С. 22 - 24.

39. Катин В. Д., Вавилов В. И., Сжигание твердого топлива в котельных установках и охрана воздушного бассейна. Хабаровск: ДВГУПС, 2008. - 91с.

40. Кемельмап Д. Н., Эскин Н. Б. Наладка котельных установок: справочник.- М.: Энергоатомиздат, 1989. 364с.

41. Кнорре Г. Ф. Теория топочных процессов. М.: Энергия, 1966. - 491с.

42. Котлер В. Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. М.: Энергоатомпздат, 1987. - 144с.

43. Котлы малой производительности: каталог. М.: НИИЭинформэнергомаш, 1985.- 362с.

44. Кузнецов П. М. Удаление шлака и золы на электростанциях. М.: Энергия, 1990. - 256с.

45. Минаев Б. Н., Мокриденко Г. Г1., Левенталь Л. Я. Теплоэнергетика железнодорожного транспорта, справочно-методическое пособие, 2006.-347с., С. 152- 162.

46. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86 Л.: Гидрометеоиздат, 1987.- 86с.

47. Методические рекомендации по нормированию расхода топлива в производственно-отопительных котельных. М.: НИИТХИМ, 1992. - 67с.

48. Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ, при сжигании топлив в котлах производительностью до 30 т/ч. М.: Гидрометеоиздат, 1985. - 23с.

49. Осипов В. И., Воронина А. А. Охрана труда при эксплуатации и ремонте теплоэнергетических установок. М.: Высш. шк., 1999. - 150с.

50. Панин В. И. Обслуживание коммунальных котелы-гых и тепловых сетей. М.: Стройиздат, 1973. - 259с.

51. Парилов В. А. Испытания и наладка паровых котлов. М.: Энергия, 1996. - 242с.

52. Патент № 68660 Российская Федерация МКИ Р24Н 1/30, Водогрейный котел/В. И. Вавилов, В. Д. Катин. Опубл. 27.11.07. Бюл. № 33.

53. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. ПБ 10-574-03 / Ростехнадзор России. М., 2003. - 213с.

54. Преображенский Н. П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1988. - 390с.

55. Равич М. Б. Топливо и эффективность его использования. М.: Недра,1987.- 310с.

56. Роддатис К. Ф. Котельные установки. М.: Энергия, 1977. - 340с.

57. Роддатис К. Ф., Полтарецкнй А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоатомиздат,1989. 540с.

58. Рубан В. А., Цихарев Д. А. Горение и газификация низкосортного твердого топлива. М.: Недра, 1993. - 158с.

59. Семененко Н. А., Сидельковский Jl. Н., Юренев В. Н. Котельные установки промышленных предприятий. JI.: Госэпергоиздат, 1960. - 391с.

60. Сигал И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. -Л.: 1988.- 312с.

61. Справочник по котельным установкам: Топливо, топливоприготовление, топки и топочные процессы / под общей ред. М. И. Неуймина, Т. С. Добрякова. М.: Машиностроение, 1993. - 456с.

62. Тарасюк В. М. Эксплуатация котлов. М.: НЦ ЭНАС, 2006. - 270 с.

63. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. М.: Энергия, 1973. -295с.

64. Трембовля В. И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 7 - 335.

65. Уткин В. П., Справочник рационализатора, 1981.- С. 90-93.

66. Хзмалян Д. М. Теория топочных процессов. М.: Энергоатомиздат,1990.-266с.

67. Хзмалян Д. М., Каган Я. А. Теория горения и гопочные устройства. М: Энергия, 1976. - С. 50 - 70.

68. Хазен М. М., Матвеев Г. А., Грицевский М. Е., Казакевич Ф. П., теплотехника, 1981. С. 256 - 297.

69. Щеголев М. М., Гусев Ю. Л. Котельные установки. М.: Стройиздат,1988.-410 с.

70. Энергетическое топливо (ископаемые угли, горючие сланцы, торф, мазут и горючий газ) / Справочник. М.: Энергия, 1989. — С. 345 347.

71. Яконовский Е. А. Котельные установки малой и средней мощности. М.: Высш. ж, 1972.-268с.

72. Методические рекомендации «нормы расхода топлива на автомобильном транспорте» Утвержденные Министерством транспорта РФ, Распоряжение № АМ-23-р от 14.03.2008г.

73. Минаев Б.Н., Москалев Н.В., Полякова В. А., Агафонова И.В. Экологическое воздействие железнодорожного транспорта на окружающую среду//Труды МИИТа, вып.978. М., 2001. - С. 91-100.

74. Охрана окружающей среды и экологическая безопасность на железнодорожном транспорте: Учебное пособие под редакцией проф. Н.И. Зубрева, Н.А. Шарповой М.: УМК МПС России, 1999. - 592с.

75. Кармииский В.Д. экологические проблемы и энергосбережение. М., 2004. 591с.

76. Ведрученко В.Р. О системном подходе в исследовании проблемы загрязнения окружающей среды выбросами энергетических установок железнодорожного транспорта// Промышленная энергетика. М., 2001. № 5. С. 55 60.

77. Загвоздкпп В.К., Кривоногов Б.М. Методы контроля оксидов азота и пути их сокращения в выбросах тепловых агрегатов. М., 1990. 78с.

78. Маслов ТТ.Н., Коробов Ю.Н. Охрана окружающей среды на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1996. 238с.

79. Котлер В.Р. Оксиды в дымовых газах котлов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 142с.

80. Катин В.Д., Киселев И.Г. Экологические проблемы сжигания топлива// Перспективы развития тепловозной тяги: сб. науч. тр. СПБ.: ПГУПС, 1999. С. 21-24.

81. Цховребов Э. С. Охрана окружающей среды па железнодорожном транспорте. М.: Космосинформ, 1996. 527с.

82. Роддатис К.Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоатомиздат, 1989. 488с.

83. Лавров Н.В. Процессы горения топлива и защита окружающей среды. М.6 Металлургия, 1984. 246с.

84. Зельдович Я.Б., Садовников П.Н., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: Изд-во АН СССР, 1947. 350с.

85. Оксиды азота в продуктах сгорания топлива: Сб. науч. тр. / Под ред. И.Я. Сигала. Киев: Наукова думка. 1981. 204с.

86. Fenimore С. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames. 13-th Int. Symposium on Combustion. Pittsburg, 1981. P. 374-384.

87. Ласкорин Б.Н. Перспективы безотходной технологии в энергетической промышленности. М.: Изд-во ЭНИН, 1984. 258с.

88. Росляков П.В. Контроль вредных выбросов ТЭС в атмосферу. М.: МЭИ, 2004. 227с.

89. Katin V.D. The elaboration of low-wasted technology popping of gaseous masout fuel for boiler and kilm on Khabarovsk refineri// Fifth International young scholars Forum of the Asia. Pacifik region Cjuntries. Vladivostok, 2003. P.384 385.

90. Катин В.Д., Вольхин И.Г. Проблема охраны атмосферы от загрязнения котельными на предприятиях и перспективы их решения. Хабаровск: ДВГУПС, 2006. 99с.

91. Методика расчета природоохранных затрат предприятий железнодорожного транспорта. М.: ВНИИЖТ, 1995. 25с.

92. Bowman С. Investigation of nitric oxide formation kinetic in combustion process/ combustion Science and technology. 1982, v. 3. - P. 37-45.

93. Johnston H.S., Joust D.M. Kinetics of rapid gas reaction between ozone and nitrogen dioxide, «J. Chem. Phus»., 1989, 386, № 17, p .38-51.

94. Fenimore C.P. Formation of meeting multipleairquality ob jectives for coal-fired utility boilers// J. of the Air Poll. Control Ass. 1989, vol. 19, №1, p. 18-24.

95. ГУП «Коммунальные системы БАМа» Приложение 1

96. Утверждаю» Директор ГУП «КСБ»1. А.В. Толкачев 2008г.1. АКТоб использовании результатов кандидатской диссертационной работы Вавилова Виктора1. Ивановича

97. Замена топочного устройства (ТЧЗМ-2) на водогрейном котле КВТС-10, на двухъярусную топку. . >

98. Замена топочного устройства (TJI3M-2) на паровом котле КЕ-10-14с, на двухъярусную топку.

99. Проведение экспериментальных исследований эффективной работы двухъярусной топки при сжигании низкосортного угля.

100. Экономический эффект работы топки с водогрейным котлом КВТС-10 реально составил снижение стоимости единицы тепловой энергии на-10%.

101. Председатель Члены--------щатель комиссии Лг М- Q^^/'^^&tf ^комиссииf7/ ■-v146