автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка и исследование технологических схем и режимов безотходной ТЭС на твердом топливе

Актуальность проблемы.

В соответствии с прогнозными оценками производство первичных энергоресурсов в мире с 2010 - 2020 гг. будет характеризоваться возрастанием доли угля. Та же тенденция будет иметь место и в России, где обеспечиваемая ресурсодобывающими отраслями "газовая пауза" к этому времени будет исчерпана. Известно, что уже сегодня предпринимаются определенные меры по реанимации твердотопливной энергетики страны, предусматривающие возврат на многих реконструированных в недавном прошлом электростанциях от сжигания природного газа к предусмотренному исходными проектами твердому топливу. Обеспечение конкурентоспособности угля как энергетического топлива на современном этапе структурных изменений в энергетике, обусловленного переходом народного хозяйства России на рыночные отношения, является ключом к решению многих технических и социальных проблем.

Отечественные тепловые электростанции традиционно ориентируются на использование низкосортных рядовых углей. Зачастую в топливный баланс включаются отходы углеобогатительных предприятий. Качественные характеристики углей практически всех марок углей по ряду известных причин ухудшаются. Продолжают накапливаться экологически небезопасные твердые отходы, часто являющиеся, вместе с тем, ценным сырьем для сопутствующих производств. В данной ситуации приоритетной общеотраслевой задачей становится обеспечение комплексного использования твердого топлива, включая его органическую и минеральную части, при определяющей роли оборудования ТЭС в формировании условии

КНИГА ИМЕЕТ

В перепд. един, соедвн. >йЛв вып. автором, анизации 13 работку ■ходность ¡ристик и [ работы

Злизации решение логически чистой ТЭС на твердом топливе, которая решается с участием автора в рамках подпрограммы "Экологически чистая энергетика", федеральной целевой научно-технической программы "Разработка приоритетных направлений в области гражданского строительства", а также в соответствии с отраслевыми программами, заказами отдельных энергообъединений и энергопредприятий. Проблема имеет важное значение для многих энергосистем России и стран СИГ, эксплуатирующих или проектирующих данного рода ТЭС. '

Цель работы

Создание научных и методических основ для разработки безотходной ТЭС с комплексным использованием твердого топлива, разработка и внедрение технологических схем и режимов, повышающих уровень использования на ТЭС золошлаковых отходов.

Для реализации поставленной цели автором разработан ряд оригинальных расчетных моделей и экспериментальных методик, пронеден комплекс расчетных и экспериментальных исследований на котельных агрегатах ТП-230, ТП-100, ТПП-210, ТПП-210А, ТЭС с поперечными связями (Харьковская и Мироновская ГРЭС), конденсационных энергоблоках мощностью 200 и 300 Мвт в системах "Донбассэнерго", "Молдавэнерго", "Ростовэнерго", "Харьковэнерго", крупномасштабных опытно-промышленных установках институтов "Гинцветмет" и "МИСИС".

Научная новизна работы состоит в следующем: разработаны концепция и условия реализации безотходной ТЭС на твердом топливе с комплексным использованием твердого топлива;

• разработана модель расчета параметров сопряжения основного и утилизирующего производств безотходного энерготехнологического комплекса на твердом топливе с различными топочными устройствами применительно к стационарным и переменным режимам эксплуатации;

• экспериментально и расчетно обоснованы и предложены для использования в расчетной модели зависимые от качества топлива и тепловых нагрузок топки: приведенная зерновая характеристика; температура воспламенения угольной пыли; коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева;

• разработана и использована в расчетной модели методика расчета доли газа или мазута, требуемой для устойчивого воспламенения полидисперсного пылеугольного факела при сжигании угля ухудшенного качества;

• разработана методика и получены эмпирические зависимости для корректировки энергетических характеристик оборудования безотходной

ТЭС с учетом потерь топлива в периоды стабилизации золошлакового баланса топочных камер;

• разработаны и исследованы новые способы работы энергетического оборудования, технологические и схемные решения, обеспечивающие реализацию безотходной пылеугольной ТЭС с учетом нестационарного режима эксплуатации;

• разработан и исследован энергетический вариант безотходной технологии газификации угля в барботируемом шлаковом расплаве, получены эмпирические и расчетные характеристики процесса в барботируемой шлаковой ванне;

• на основе выполненных расчетных и экспериментальных исследований разработан комплекс научно-технической документации для проектирования, пуска и эксплуатации безотходной опытно-промышленной установки тепловой мощностью 165 Мвт, обеспечивающей практически полное использование органической и минеральной составляющих твердого топлива.

Практическая ценность работы и внедрение результатов работы

Практическая ценность и значимость диссертационной работы состоит в том, что результаты выполненных экспериментальных и расчетных исследований внедрены и используются в практике эксплуатации электростанций, сжигающих твердое топливо, заводов-изготовителей оборудования, проектных и научно-исследовательских институтов, в частности: концепция и условия реализации безотходной ТЭС с комплексным использованием твердого топлива приняты в основу разработанного институтом "Укрэнергопроект" и предприятием экологических проблем энергетики технико-экономического обоснования (ТЭО) безотходной экологически чистой ТЭС установленой мощностью 2560 Мвт на АШ;

• из разработанных способов работы энергетического оборудования, технологических и схемных решений, повышающих эффективность и уровень безотходности ТЭС на твердом топливе, использованы и внедрены: схемы и режимы горячего резервирования барабанных котлов на ЮжноСахалинской и Мироновской ГРЭС, способ работы электростанции с поперечными связями на сниженной нагрузке - на Мироновской ГРЭС; камерная топка с твердым шлакоудалени'ем для сжигания низкореакционкого топлива - на котле ТП-230 Мироновской ГРЭС; двухзонная топочная камера - в проекте модернизации котла ТП-230 Мироновской ГРЭС;

• разработки по энергетическоми варианту технологии газификации угля в барботируемом шлаковом расплаве использованы ТКЗ "Красный котельщик", ХоТЭП, РоТЭП при проектировании и создании безотходных опытно-промышленных установок (ОПУ) с комплексным использованием твердого топлива тепловой мощностью 120 МВт (Харьковская ГРЭС-2) и 165 МВт (Несветай ГРЭС); модель расчета параметров сопряжения основного и утилизирующего производств безотходного энерготехнологического комплекса на твердом топливе, приведенные характеристики угольной пыли, переменный коэффициент тепловой эффективности экранов (в том числе в зоне брызгоуноса) использованы ТКЗ "Красный котельщик" при разработке и изготовлении головного котла марки ТРГЕ-170 для ОПУ Несветай ГРЭС;

• методика расчета поправки к энергетической характеристике энергоблоков в переменных режимах эксплуатации используется электростанциями "Донбассэнерго" и Молдавской ГРЭС, сжигающими низкореакционные тощие и антрацитовые угли;

• методика расчета доли газа или мазута, требуемой для устойчивого воспламенения полидисперсного пылеугольного факела, методика экспресс-испытаний котлов на твердом топливе, специальные, средства контроля полноты выгорания угольной пыли в переменных режимах котлов используется предприятиями НИИЭПЭ, ЮгОРГРЭС, Новочеркасской ГРЭС, Несветай ГРЭС и др.

Результаты выполненных в диссертации исследований нашли применение на заводах-изготовителях при создании нового оборудования для угольных ТЭС, использованы для разработки и внедрения эксплуатационных мероприятий с целью повышения уровня безотходности ТЭС, надежности и экономичности работы оборудования.

Достоверность и обоснованность результатов работы.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечены применением современных методов постановки и проведения экспериментов, обработки их результатов, методов математического моделирования с применением ПЭВМ, ориентацией на опробованные проектными и научно-исследовательскими организациями математические модели расчетов технологических и режимных параметров оборудования ТЭС, обоснованием полученных расчетных результатов значительным объемом экспериментальных исследований на промышленном оборудовании и крупномасштабных опытно-промышленных установках, широкой апробацией разработанных методик, технических решений в практике эксплуатации действующих ТЭС, согласованностью полученных результатов с опубликованными данными других авторов, положительными отзывами и подтверждением результатов практического применения предложенных способов и схем работы оборудования угольных ТЭС в стационарных к переменных режимах.

Автор защищает:

Концепцию;

- комплексное использование твердого топлива на ТЭС с формированием основным оборудованием условий для максимального использования производственных отходов.

Методики:

- расчет параметров сопряжения основного' и утилизирующего производств безотходного энерготехнологического комплекса на твердом топливе для различных топочных устройств применительно к стационарному и переменному режимам эксплуатации;

- проведение комплекса экспериментальных работ на стендах и в промышленных условиях на установках газификации твердого топлива в барботируемом шлаковом расплаве;

- расчет поправки к энергетической характеристике оборудования безотходной ТЭС на потери топлива при стабилизации золошлакового баланса топочной камеры в переменных режимах эксплуатации;

- расчет доли газа или мазута, требуемой для устойчивого воспламенения полидисперсного пылеугольного факела при сжигании угля ухудшенного качества;

- проведение экспресс-испытаний пылеугольного котла на твердом топливе;

Программные комплексы: - расчет полноты выгорания полидисперсного факела в условиях переменного графика нагрузок котла с жидким шлакоудалением;

- расчет характеристик процесса газификации угля в барботируемом шлаковом расплаве

Способы повышения уровня комплексности, эффективности и надежности работы оборудования ТЭС на твердом топливе в целом:

- использование в схемах безотходных ТЭС технологии газификации угля в шлаковом расплаве с формированием потребительских характеристик отходов в соответствии с требованиями сопряженных производств;

- обеспечение условий для реализация безотходного производства на действующих пылеугольных ТЭС за счет внедрения специальной схемы их работы с выделением базовой и пиковой части оборудования;

- повышение надежности и экономичности пикового оборудования за счет эффективного использования режимов горячего резервирования.

Личный вклад автора. разработка и формирование специального направления - повышения эффективности ТЭС на твердом топливе за счет комплексного использования твердого топлива с одновременным обеспечением высокой экономичности и надежности работы при участии оборудования в регулировании графика электрической нагрузки, постановка конкретных задач и разработка методик и программ комплексных экспериментальных исследований, участие в разработке и внедрении новых технических и технологических решений;

• руководство и непосредственное участие в подготовке и проведении экспериментальных исследований на стендах и в промышленных условиях;

• обобщение и анализ результатов расчетных и эксперименатльных исследований и разработка на их основе научных и практических рекомендаций по организации безотходной работы и совершенствованию переменных режимов эксплуатации как отдельных агрегатов, так и ТЭС на твердом топливе в целом;

• широкое внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований на действующих ТЭС, организация широкомасштабной демонстрации перспективных технологий и технических решений на крупных опытно-промышленных установках.

Публикации по работе.

Основное содержание выполненных исследований, научных, методических и практических результатов изложено в одной монографии, 40 журнальных статьях, тезисах и докладах на конференциях и совещаниях, оп исаниях к 26 авторским свидетельствам и патентам.

Апробация работы.

Основные результаты работы, излагаемые в настоящем научном докладе, были представлены на Всесоюзных научно-технических совещаниях и конференциях: "Опыт эксплуатации конденсационных станций в пиковом режиме" (Славянск, 1979 г.); "Повышение маневренности ТЭС и АЭС (Донецк, 1982 г); "Повышение эффективности работы ТЭС в условиях снижения качества топлива" (Киев, 1983 г); "Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы паровых котлов" (Таллин, 1986 г.); "Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 1988 г.); "Проблемы энергосбережения" (Киев, 1991 г.); Седьмой Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену (Ташкент, 1991 г.); национальных конференциях с международным участием "Проблемы энергопреобразующих технологий и охрана природной среды" ( Варна Болгария, 1991, 1994 гг.); республиканских научно-технических конференциях: "Современные проблемы энергетики" (Киев, 1980г.); "Повышение экономичности, надежностии маневренности энергетического оборудования ТЭС, работающего на непроекгном и ухудшенного качества топливе." (Львов, 1984 г.); региональных научно-технических конференциях "Эффективность сжигания низкосортных донецких углей в энергетических котлах" (Горловка, 1987 г.); "Экологически чистая энергетика" (Новочеркасск, 1993, 1994 гг.); заседание НТС ОАО "НИИ экологических проблем энергетики (Ростов-на-Дону, 1997, 1998, 2000 гг.). Разработки, вошедшие в диссертацию, экспонировались на ВДНХ и были отмечены медалями. По результатам работы в соавторстве получено 26 авторских свидетельств СССР и Российской Федерации на изобретение и патентов.

Ниже изложены сущность и основные результаты выполненных автором исследований по теме диссертации.

1. КОНЦЕПЦИЯ БЕЗОТХОДНОЙ ТЭС С КОМПЛЕКСНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Положения концепции базируется на следующих исходных данных и методических подходах /29,33,40/:

• экономическая и особенно экологическая целесообразность вторичной переработки отходов твердого топлива сегодня неоспорима. Вместе с тем объем такой переработки в масштабе страны исчисляется несколькими процентами и это в значительной степенисвязано с несоответствием качества твердых отходов ТЭС и предъявляемых к ним требований в плане их утилизации;

• при определении путей решения указанных задач следует учитывать, что среди проблем, связанных с энергетическим использованием твердых горючих ископаемых, на первый план в последние годы выходят вопросы уменьшения количества вредных выбросов в окружающую природную среду, в частности, проблема значительного сокращения золошлаковых отходов;

• рост золошлаковых отходов определяет дополнительные затраты на их транспортировку, строительство и содержание золоотиаяов, являющихся сложными гидротехническими сооружениями с повышенной аварийной опасностью. С учетом потерь вследствие отчуждения из промышленного и сельскохозяйственного производства значительных площадей земли экономический ущерб от данного фактора является ощутимым. Кроме того, золоотвалы в период активной эксплуатации являются источником высокодисперсной пыли, загрязняющей значительные прощади плодородных земель и водных источников;

• в золе в количествах, представляющих практический интерес, содержатся алюминий, кремния, оксиды кальция, железа, более 50 редких и цветных металов. Установлено, что при сущестующем уровне техники целесообразно извлекать из угля следующие элементы: вг, ва, А], 81, Та, Бе, V, Мо, Т1, Ве, Аз. В качестве критерия возможности извлечения химических элементов в широкомасштабных традиционных технологиях металлургами рассматривается отношение концентраций рассматриваемого элемента в золе и в руде, из которой он добывается, а также отношение годовой массы элемента в выбрасываемой золе, к его годовой потребности;

• по данным многочисленных исследований летучая зола и шлак являются минеральным сырьем, пригодным для использования во многих отраслях народного хозяйства: при производстве строительных материалов, в дорожном строительстве. Затраты на подготовку золы к использованию в 2-7 раз меньше затрат на складирование летучей золы.

• низкая доля использования промышленностью и строительством отходов ТЭС ( твердых не более 10%) в значительной степени связана с несоответствием их характеристик требованиям, предъявляемым утилизирующими производствами: высокое содержание несгоревшего углерода; нестабильность химического и фазового состава; повышенный уровень излучения радиоактивных изотопов; присутствие канцерогенных элементов, отравляющих веществ и соединений и др.

Положения концепции базируются на следующих принципах /28, 33, 40, 41/.

1. ТЭС является структурным элементом безотходного комплекса, обеспечивающего комплексное использование угля.

2. Основное оборудование безотходной ТЭС должно формировать определенное качество твердых отходов, требуемое технологическими процессами сопряженных утилизирующих производств.

3. Отходы, в частности золошлаки, в схеме безотходного энергокомплекса являются товарной продукцией и его эффективность должна определяться качеством как основной, так и вторичной продукции.

4. Качество золошлаковых, а также других отходов как сырья для вторичного производства определяется набором соответствующих данному комплексу параметров (характеристик) сопряжения: физико-химических, тепло-технических, радиологических, фазовых, расходных и др.

Предполагаются два уровня решения задачи создания безотходной ТЭС на твердом топливе:

1. За счет модернизации действующего оборудования, внедрения специальных технологических схем и режимов работы.

2. За счет разработки и внедрения принципиально нового безотходного энергетического оборудования.

Доля золы и других твердых отходов, пригодных к практическому использованию для первого уровня реализации должна составлять не менее 50%, для второго - 80-100%.

Цели и приоритеты рассматриваемой концепции- определяются необходимостью решения задач обоих уровней. Для этого предусматривается создание необходимой научной базы, обеспечивающей преодоление научно-технических проблем реализации безотходной ТЭС с комплексным использованием твердого топлива. Экономические вопросы, связанные с выбором методов и средств реализации, к предмету исследований не относятся.

2. МОДЕЛЬ РАСЧЕТА УСЛОВИЙ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

В качестве условия (критерия) комплексного использования твердого топлива на безотходной ТЭС рассматривается равенство параметров сопряжения основного и утилизирующего производств. Параметры сопряжения для основного производства - это финишные характеристики отходов, для утилизирующего - входные технологические характеристики сырья. Набор формируемых основным оборудованием параметров определяет возможности технологического и схемного оформления безотходного энерготехнологического комплекса. Ценность входящего в комплекс оборудования, генерирующего отходы, возрастает при увеличении числа формируемых и регулируемых им параметров сопряжения.

На основе разработанной модели выполняется расчет параметров сопряжения и исследование их динамики в стационарных и переменных режимах работы ТЭС. Задача решается применительно к котельным агрегатам как структурным элементом, производящим основную массу отходов ТЭС и формирующим их качественные характеристики.

Исходя из более высоких потребительских свойств шлака в сравнении с летучей золой перспективность для безотходной ТЭС различных топочных устройств оценивалась в первую очередь по уровню коэффициента их шлакоулавливания ат. При анализе использовалась установленная на основе экспериментальных и эксплуатационных данных взаимозависимость величины а^ и толщины шлаковой пленки дпл, формирующейся на вертикальных поверхностях нагрева, которая для стационарных режимов обобщена в форме: ашл=0)245-

§(5пл-103+1) (2.1)

У топок с твердым шлакоудалением 8п = 0 и ат = 0, у камерных и циклонных топок с жидким шлакоудалением 0<<5„л<0,1 и 0<аШ1<0,6. Весь возможный диапазон значений ат - от 0 до 1 - обеспечивается набором котельного оборудования, включающим, кроме известных, новый тип топочного устройства, разработанный с участием автора - с барботируемой шлаковой ванной.

В топочном устройстве с барботируемой шлаковой ванной, рис.2.1, реализуется энергетический вариант технологии газификации угля в шлаковом расплаве. Шлаковая ванна заполнена высокотемпературным шлаком, который продувается окислителем (кислород или воздух, обогащенный кислородом) посредством расположенных на боковых стенах дутьевых фурм, а на зеркало или под зеркало расплава подаются рядовой уголь и известняк. Благодаря барботажу шлакового слоя в надфурменной зоне образуется высокотемпе

Рис. 2.1. Шлаковая ванна для газификации угля в барботируемом шлаковом расплаве.

1 - шлаковый расплав; 2 -отстойник металла; 3 -отстойник шлака; 4 - под; 5 - каналы перетока; 6 - течка загрузки угля; 7 -газоотводящий короб; 8 - дутьевые фурмы; 9 - сопла дожигания. ратурная газопеножвдкостная эмульсия, в которой уголь газифицируется, а зола ассимилируется расплавом.

В топочном устройстве данного типа может формироваться широкий набор характеристик шлака, требуемых для реализации различных вторичных производств: соответствующие физико-химические параметры; температура и вязкость жидкого шлака; регулируемый расход шлака через шлакосливные устройства; черные, цветные и тяжелые металлы могут быть сконцентрированы в небольших объемах и др.

Модель расчета характеристик отходов для камерных топок включает определение величин 5лп и Сгун для стационарных и нестационарных режимов эксплуатации. Величина содержания горючих (С'у„) является одной из определяющих в качестве летучей золы /41/. Возможности комплексного использования твердого топлива возрастают при увеличении а^ и уменьшении С'уп.

Расчет величины 8пп на вертикальных поверхностях нагрева камерной топки с жидким шлакоудалением и топки с шлаковой ванной в зоне влияния брызгоуноса унифицирован. В стационарных режимах <5ял находится из уравнения материального баланса между улавливаемой золой (шлаком) и стекаемым шлаком: пл'Ь'Зпл'Ршл (2-2)

Для поверхностей нагрева, примыкающих к барботируемой шлаковой ванне, количество набрасываемого шлака опреляется его брызгоуносом. Зависимость удельного брызгоуноса (г/м3) от количества дутья на дутьевые фурмы шлаковой ванны и диаметра фурм определена с участием автора эспериментально на опытной установке института "Гинцвегмет" /39/:

2 = 0,02где и = —. - безразмерный фактор интенсивности дутья. Ф/Р,

Относительная ошибка расчетного определения Ъ составляет ±7% в пределах изменения величин 0,5<и <2,0; 0,013<^-<0,027. Коэффициент «„„ шлаковой ванны определен как а" = 1 - (ауи + к6абун).

Экспериментальным значениям удельного брызгоуноса и запыленности соответствует а^ барботируемой шлаковой ванны, равное 0,98-0,985.

Отношение \Упп-Ь-5„п-рш,/Оп = Вшл определяет коэффициент шлакоудаления камерной топки. Как следует из (2.2), в стационарных режимах: ааш =

§шл (2.4)

Применительно к нестационарным режимам разработана модель формирования шлакового покрытия, включающего шлаковую пленку и шлаковую корку, на вертикальных экранах в переходные периоды, сопутствующие изменению режимных параметров пылеугольной камерной топки (тепловая нагрузка, качество топлива, дисперсные характеристки угольной пыли и др.) /8, 10/. В соответствии с физической моделью процесса изменение одного или нескольких режимных параметров нарушает баланс, устанавливаемый соотношением (2.1). Динамика 6„[т) при этом описывается системой уравнении: ' йЬ РшД. к - д({-л-л)

5щл 8пл +8 ): решаемых совместно с уравнениями радиационного теплообмена в однокамерных топках (ВТИ-ЭНИН). Все уравнения, кроме первого, являются квазистационарными.

Знак производной ¿5Ш /с1т определяет режим накопления (+) либо сплавления (-) шлака. Из рис. 2.2 следует, что в пределах режимного цикла "разгрузка-работа на сниженной нагрузке-набор нагрузки" пылеугольного энергоблока режим накопления (апш > g!ШI) имеет место в период работы на сниженной нагрузке, а сплавления (а™ <

§цщ ) - в период его нагружения, величина аккумулированного в топочной камере шлака составляет:

Р»-Н[% или Д01=В.Ар}(аШ1-е^)(1т (2.6)

Рис.2.2. Динамика составляющих золошлакового баланса камерной топки за цикл "разргузка-набор нагрузки" 1-нагрузка энергоблока;

2 - схшл (т);

3 - &ш|(т)

Эмпирическое выражение для определения ДС,Ш1ПК получено из материалов статистической обработки результатов расчетных исследования переходного процесса на основе его математической модели /30/:

ДО^ = 5.ф-ехр(-к-т)] (2.7)

Связь коэффициентов аппроксимации уравнения с входящими в него режимными факторами выражается соотношениями: с = я„ к = />, л<р, Числовые значения коэффициентов регрессии, для котлов с жидким шлакоудалепием на АШ: «„ =5820; «, =-348; иг =21180; А, Ч ,6.

Расчетное значение ЛС,т для котла ТП-100 паропроизводительностью 640 т/ч, сжигающего АШ с (2/;=19,3 Мдж/кг, за шесть часов работы на нагрузке 60% составило 7,5 т. Это согласуется с экспериментальными данными.

Сплавление избыточного шлака происходит при нагружении котла. Количество сплавливаемого шлака за время т, при нагружении до номинальной нагрузки равно количеству аккумулированного шлака в топке за время работы на сниженной нагрузке АО2

Переменная расходная характеристика (х,) выражена эмпирическим соотношением:

Й(}"">^ = О^0 + к-ф-АО:,(т)-ехр[-(0,05-Т,.<1.-з)2] (2:8)

Как следствие, для котла с камерной топкой, сжигающего АШ, относительный коэффициент шлакоудаления на этапе нагружения составляет:

В„(^) = г + к-ф-АС™(х)-ехр[-(0,05-т1-ф-з)2]/Ошя0 (2.9)

Полученное выражение позволяет определить текущую загрузку шлакоутилизирующей (шлакоудаляющей) системы энергоблока с камерной топкой в зависимости от глубины и длительности его разгрузки, предшествующей нагружению, а также качества сжигаемого топлива и скорости нагружения энергоблока. Эти факторы оказывают преобладающее влияние на объем накапливаемого в топочной камере избыточного шлака. Величина резко возрастает в период нагружения энергоблока, превышая в несколько раз в течение короткого периода времени ее номинальное значение, что грозит выходом из строя оборудования системы шлакоудаления энергоблока. Темпы изменения g1Ш1 зависят от режимных факторов, и в первую очередь от скорости нагружения энергоблока ф. На рис. 2.3 показан характер зависимости ё^Дт,) для трех значений скорости нагружения котла ТП-100 (ф=0,5%, 1% и 2 % в минуту). При ф=0,5%/мин максимальный уровень относительного показателя шлакоудаления для принятого варианта расчета достигает 4,1, увеличение темпа нагружения (ф=1,0%/мин) приводит к росту до 8,0, а при ф=2,0%/мин от составил 14,4. Таким образом, регулируя скорость нагружения энергоблока с жидким шлакоудалением, можно существенно влиять на загрузку шлакоутилизирующих устройств. В некоторых ситуациях перевод котла в период разгрузки на режим твердого шлакоудаления может рассматриваться как способ их защиты от перегрузки в период нагружения.

Рис. 2.3. Динамика при различной скорости нагружения энергоблока

1,2,3 - график нагружения при ф =2; 1 и 0,5 %/мин; 4,5,6,- g!Ш, при соответствующих ф нестационарных режимах жсплуатацйи является существенным недостатком камерной топки с жидким шлакоудалением как структурного элемента устройства комплексного использования твердого топлива.

Экспериментально установлено /41/, что в топке с барботируемой шлаковой ванной ¿>иа во всех режимах, включая режимы нестационарной нагрузки, сохраняется на уровне, близком к единице. Расход шлака при непрерывном графике выпуска будет пропорционален тепловой нагрузке ванны. Одновременно, благодаря большой емкости шлаковой ванны, имеется возможность организовать другой, например, циклический режим выпуска шлака, а также производить регулирование его расхода в зависимости от технологических требований утилизирующего элемента (производства).

Для расчета Су„ модель расчета 5„л дополнена блоком расчета потери тепла с механическим недожогом по методике ЦКТИ и уравнением, устанавливающим взаимосвязь между q4 и Су„ /1,10/:

1 - к ' юо юо-с;,,

Для реализации возможности расчета переменных режимов модель модифицирована автором за счет ввода в нее переменных параметров -коэффициента тепловой эффективности экранов, смоченных жидкой шлаковой пленкой у(т), и приведенной зерновой характеристики угольной пыли К*.

Коэффициент \(/(т) определяется на основе расчета коэффициента, учитывающего загрязнение экранов отложениями, геометрические и температурные параметры которых описываются приведенными выше уравнениями /9,27,32/. В разработанной программе, реализующей модель расчета переходного топочного процесса, обусловленного изменением режима эксплуатации, например, тепловой нагрузки топки, расчет у, производится для всех расчетных интервалов времени. При этом в пределах о -ю го зо ъ, мин.

Резкопеременный характер в

1-го интервала геометрические и температурные характеристики шлакового покрытия рассматриваются как постоянные.

Характеристика й* используется в модели расчета полноты выгорания угольной пыли и является зависимой от качества угля. Она получена путем замены геометрического размера угольной частицы с1 на приведенный (1*, определяемый ее органической составляющей /1,17,22/. Допуская, что структура органической части угля мало зависит от его теплоты сгорания, с достаточной степенью точности данное условие можно представить как равенство теплоты, заключенной в частицах с одинаковым приведенным размером ё*1, т. е С?(с1*|)=сопз1. Пренебрегая зависимостью плотности угля р от (ЗрИ, связь между приведенным и геометрическим диаметрами угольной частицы записывается в виде = а приведенная зерновая характеристика как:

Г = 100е"К)" (2.11)

На рис. 4.4 изображена приведенная зерновая характеристика пыли антрацитового штыба, размолотого в шаробарабанной мельнице. При ухудшении качества угля приведенная тонкость угольной пыли возрастает. Объективность и эффективность приведенных дисперсных характеристик угольной пыли обоснована исследованиями, в соответствии с которыми при их использовании обеспечивается полное совпадение расчетных и экспериментальных данных о полноте выгорания топлива при переменном качестве сжигаемого угля.

Рис. 4.4. Приведенная зерновая характеристика угольной пыли АШ 1 - при 2=1; 2-при 0=0 5 3 - при 2 =0,5 (с учетом селективного распределения минеральной части по фракциям)

В расчетной модели С}г„ использована классическая методика расчета температуры воспламенение угольных частиц Т"", которая модифицирована автором с возможностью учета влияния на эту величину качества сжигаемого угля/16,20,25,35/. Тепловыделение <3* вследствие химического реагирования на поверхности частиц записано с использованием приведенной удельной поверхности угольных частиц Р = б/р<1*. Для расчета температуры воспламенения угольной пыли предложена система уравнений ао;/(1Т=<нзт/спг

Согласно прозеденным расчетам снижение относительной теплоты сгорания АШ с 0,9 до 0,7 увеличивает Твп* примерно на 70°С.

Как следствие, разработана методика расчета расхода высокореакционных видов топлива (природный газ, мазут) для обеспечения устойчивого воспламенения угольной пыли ухудшенного по сравнению с расчетным (проектным) качества /1,20/. Для частицы пыли ухудшенного качества <Зк<От и ее воспламенение при проектной температуре газовоздушной смеси Тп,о не произойдет. Угольная частица воспламенится при температуре газовоздушной смеси в зоне воспламенения Тга), значение которой определяется из выражения:

ТГВ! = Твгш* - (2.13)

Требуемая для воспламенения величина (доля по теплу) добавки высокореакционного топлива составит: схв.р = (Тгв1 - Т„о)-сга-Ущ/ (2.14)

Система уравнений (2.12-2.14) может быть решена графоаналитическим методом.

Достоверность разработанной модели расчета СуН проверялась путем сравнения расчетных и экспериментальных характеристик переходного процесса, обусловленного сосредоточенным изменением тепловой нагрузки топочной камеры /1,2,3,7/. Опыты были проведены на промышленных котлоагрегатах типов ТП-100 и ТПП-210 при сжигании в них угля марки АШ. Для повышения точности экспериментального контроля величины с;н в переменных режимах автором были разработаны и использованы оригинальные контрольно-измерительные устройства. Среднеквадратичная погрешность описания моделью экспериментальных данных составляет 12%, что достаточно для решения широкого круга инженерных задач по повышению эффективности работы ТЭС на твердом топливе.

Динамика показателя С;'„ при нарушении стационарного режима топочной камеры определяется коэффициентом реакционной способности угля, а также видом и масштабом возмущающих режимных факторов. В качестве последних могут выступать тепловая нагрузка топки, тонкость помола угольной пыли, воздушный режим горелок, теплота сгорания угля и другие параметры, влияющие на температуру факела. По данным расчетов, например, после разгрузки котла с жидким шлакоудалением на АШ на 30% от номинальной нагрузки значение возрастает с 13% до 30% (абс.) и в течение 5 часов постепенно снижается до нового стабильного уровня - 15%. Потребительские характеристики летучей золы в этот период не удовлетворяют большинству технологий ее утилизации и соответственно неудовлетворительными в данном случае являются условия для комплексного использования угля. Влияние отмеченных факторов значительно менее выражено при сжигании в топках с жидким шлакоудалением высокореакционных углей, а также при сжигании углей всех марок в топках с твердым шлакоудалением, включая топки с циркулирующим кипящим слоем.

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ И РЕЖИМОВ БЕЗОТХОДНОЙ ТЭС

Для обеспечения условий комплексного использования твердого топлива автором разработан, исследован и внедрен ряд оригинальных технологических схем, конструктивных и режимных решений применительно к безотходной ТЭС на твердом топливе.

3.1. Схема работы полупиковой ТЭС /11,12,18,23,43,44,46,47,49,50, 51,53,54,55,57,58,59,60/.

Схема реализует следующее условие: во всех режимах обеспечивается стационарный режим эксплуатации для оборудования ТЭС, задействованного в безотходном цикле. ТЭС условно делится на базовую и пиковую части, рис. 3.1. Система специальных поперечных связей позволяет организовать в зависимости от нагрузки полиблочную схему ТЭС различной конфигурации. Число включаемых в базовую часть котлов и турбин определяется выбранным уровнем минимума нагрузки ТЭС. Котлы базовой часта оснащены топками с жидким шлакоудалением. Оптимальным вариантом является установка котлов с барботируемой шлаковой ванной, коэффициент шлакоулавливания и шлакоудаления которых близок к единице. В базовую часть электростанции включаются утилизирующие установки и производства безотходного комплекса, что обеспечивает согласованность сопрягающихся технологических и режимных характеристик основного и утилизирующего оборудования. Набор утилизирующих установок и производств определяется физико-химическими характеристиками шлака, наличием потребителей производимой продукции и технико-экономическими соображениями.

Оборудование пиковой части способно эксплуатироваться с номинальной либо нулевой (горячий резерв) нагрузкой. Системы регенерации и собственных паровых нужд, а также другое аналогичное оборудование ориентировано на независимый от внешнего графика нагрузок режим работы. Его установленная мощность может выбираться из условия работы с коэффициентом использования, равным таковому для стационарных условий эксплуатации. Перевод турбоагрегатов на период нулевой нагрузки в моторный режим или режим синхронного компенсатора повышает технологичность переменных режимов ТЭС, обеспечивает надежность и безопасность турбоустановок за счет сохранения их неизменного температурного состояния. Указанная схема работы ТЭС внедрена в промышленную эксплуатацию на Мироновской ГРЭС электрической мощностью 500 МВт.

При блочной компоновке в базовую часть ТЭС выделяется часть энергоблоков. Комплектация и режим работы базовой части аналогичны электростанции с поперечными связями. Для отдельного энергоблока пиковой части в качестве экономически и технологически эффективного на период сниженной нагрузки рассматривается способ его комплексной консервации, включающий перевод котла в горячий резерв с сохранением близкого к номинальному температурного состояния поверхностей нагрева, использование вырабатываемого в котле пара для поддержания моторного режима турбоустановки, рис. 3.2. При этом в границах отдельного энергоблока обеспечиваются те же преимущества, что и на пиковой части представленной выше ТЭС. Это подтверждено результатами внедрения и исследования способа на энергоблоках 150 Мвт Невинномысской ГРЭС.

Котлы пиковой части ТЭС оснащены топками с твердым шлакоудапением. Обеспечение эффективного сжигания в данной топке низкореакционного угля достигается за счет удлинения активной зоны горения. Разработаны различные способы и схемы горячего резервирования ("нулевой" нагрузки) котлов, исключающие их работу с переменными значениями аж и Ц„. Среди них способ поддержания близкого к номинальному температурного состояния толстостенных элементов (барабан, коллекторы) за счет подачи пара от общей паровой магистрали либо другого стороннего источника пара (реализован на котлах типа ТП-230), рис.3.3. Движущий напор для греющего пара обеспечивается благодаря организации его конденсации в барабане путем разбрызгивания низкотемпературной питательной воды. На данном принципе разработаны и другие схемы, отличающиеся источником греющего пара и схемой его подвода к толстостенным элементам котла. Другая группа технических решений, обеспечивающих горячее резервирование котельных агрегатов, основана на реализации режима микронагрузки, который заключается в организации сжигания в топке небольших количеств высокореакционного топлива, рис. 3.4.

3.2. Обеспечение номинальной мощности ТЭС /5,6,13,14,15,19,21, 48,52,56,61,62/.

Одним из условий согласованной работы структурных элементов безотходной ТЭС является отсутствие ограничений в обеспечении их номинальной мощности, а соответственно и номинальной мощности ТЭС в целом. Фактическая или располагаемая мощность элементов топливо-приготовительного, топливоподающего и шлакоудаляющего оборудования зависит от условий эксплуатации и физического состояния оборудования. Для их описания предложен набор коэффициентов, выражающих отношение фактических и исходных (или проектных) значений влияющих параметров.

Определяющими для характеристики располагаемой мощности являются комплексы: В = 1/0 ■ т}^ - относительный физический объем топлива на энергоустановку; Я, = к-Д - фактическая относительная производительность ¡-го элемента оборудования. Относительная располагаемая мощность ьго элемента ^ = В • Я,., а энергоустановки

Р рпип

Анализ эксплуатационных характеристик ТЭС показал, что на отечественных электростанциях наименьшая располагаемая мощность у пылеприготовительного оборудования - на АШ Рт =0,55-0,65. При этом снижение коэффициента р пп происходит как из-за ухудшения технического состояния оборудования, так и вследствие того, что для переменных режимов требуется угольная пыль более тонкого помола. Компенсация дефицита угольной пыли за счет включения в топливный баланс ТЭС природного газа или топочного мазута является наиболее распространенным, но не оптимальным техническим решением.

Разработаны способы и схемы повышения располагаемой мощности ограничивающих элементов ТЭС, основанные на следующих общих принципах:

-обеспечивается время работы ¡-го ограничивающего элемента пиковой части ТЭС больше времени работы основного оборудования;

-предварительная подготовка рабочего тела ¡-го ограничивающего элемента повышает его производительность;

-внедряемые технические решения обеспечивают поддержание фактической производительности ¡-го ограничивающего элемента на максимальном уровне.

На рис.3.4-3.6 приведены примеры реализации автором указанных принципов применительно к пылеприготовительному оборудованию ТЭС.

Превышение времени работы пылесистем по отношению к котельным установкам обеспечено за счет организации их автономной работы в период горячего резерва котлов. Сушильным агентом служат дымовые газы из топки, эксплуатируемой в режиме микронагрузки. Угольная пыль требуемого качества накапливается в бункерах ТЭС.

В комбинированной факельно-слоевой топке уголь из подвижной колосниковой решетки после нагрева и частичной газификации поступает в мельницу. При этом за счет термической обработки угля уменьшается его коэффициент размолоспособности и соответственно возрастает размольная

Рис.3,1, Схема работы полупикоЬоп ТЭС к^ УЦ к йжгкторан

Рис.3,2. Схема горячего резерЬироЬония энергоблока

Рис,3,3| Схепа горячего резервирования барабанного котла

Ч-С=>

Рис,3.Л . Режим пикронагрузки с оЬтонопмоя работой пылесистепы

24 18 12 6 О

4 л рпс г. о 1,5 1.3 0,

400 еое ис

Ь|:1Т . н.

Рис,3,5. ДЬухзонная система сжигания с термическая поаготоЬкоет угля к размолу

Рис,3,5, Устройство 9ля непрерывной шоробои загрузки мельницы производительность пылесистемы. Аналогичный эффект может быть получен в электромагнитной шаровой мельнице.

Для обеспечения максимальной производительности шаробарабанной мельницы требуется поддержание на оптимальном уровне ее шаровой загрузки. Задача решена с помощью устройства автоматической догрузки шаров и их постоянной сортировки. *

3.3. Корректировка энергетической характеристики энергоблока /1,10,24/.

Следствием отмеченной в разделе 2 динамики показателя полноты выгорания твердого топлива Суп при нарушении стационарного режима энергоблока является дополнительная составляющая потерь топлива на стабилизацию режима, рис. 3.7. Разработана методика ее учета в энергетических характеристиках энергоблоков. При единичном возмущении режима топочной камеры величина ДBf составляет:

ДВ? = jB(x)Aq4(T)dx = -¿B'(ql-q°4), то есть определяется разностью между текущим значением потери тепла с механическим недожогом и стационарным ее значением в конце периода стабилизации.

Hfl Ifll W ь— 1 — у

X, м Г' т

Рис. 3.7. Потеря топлива при разгрузке котла ТП-100.

1-экспериментальные значения CJ„;

2- расчетные значения ;

3- температура факела;

4- температура шлаковой пленки; АВ = AB' - потеря топлива на стабилизацию режима; 1-исходная нагрузка; II -разгрузка; III - сниженная нагрузка. в «,ч

По результатам расчетных исследований найдена многофакторная аппроксимирующая функция АН1 = /(ф). Ее значимые факторы определены по программе многокомпонентного анализа. Величина АЛ' для единичного возмущения равна:

АП> =50С(1-е") (3.2)

В общем виде зависимость й11 = /(</>) выражена в форме ДВ' =/(аг,Л^,Л*,0„р). Вклад режимных факторов в величину ЛВ' определяется выражениями: с = а0 +ахЯю +а2()рн + + а6А<р()+ 'Чй'^ы = (3.3)

Значения соответствующих коэффициентов приведены в таблице. Относительная погрешность расчета ЛВ' по сравнению с математической моделью составляет 7%.

Таблица

Относит "о в2 «3 «4 "5 "о Д ельная нагрузка К Л А ¿3 V ¿5 К Ь-,

0.3 446 Ш -248 2 П 80 0 171. 5.085 1.

1.2 -0.0016 0 -2.

0.3-0.5 14630 ш -248 21180 0 21 5.085 1.

1.3 -0.0016 0 -2.

Поправка к нормативной энергетической характеристике предложена в виде/

-¿п«. л«

Методика ее определения заключается в расчете ьых значений потери топлива АВ\ для .¡-ых возмущающих факторов и их суммировании в пределах расчетного интервала времени. При общем числе возмущений режима п поправка находится из формулы:

1к.с 1 1 . 7/л'.сЛ0Г0 II

В общем случае для ее определения требуется учет числа и уровня изменения всех входящих в регрессионное уравнение для АВ' режимных факторов (¿т.Ар.Д'.й). В целом с некоторой корректировкой объем исходной информации, контролируемой техническими отделами электростанций, для этого достаточен. В частности, на многих электростанциях, кроме традиционно учитываемых показателей и <3Р", в настоящее время ведется систематический учет числа и глубины изменений нагрузки энергетических блоков. Оперативный контроль уровня рассматриваемой поправки можно производить с помощью номограммы, рис.3.8.

На основе разработанной методики рекомендованы рациональные режимы работы для энергоблоков, включенных в технологическую схему безотходной полупиковой ТЭС на твердом топливе. Минимальная величины ЛЬ, с на них обеспечивается при соблюдении в период разгрузки условия: иас 4 ■

1 (3.6) с/г тр

Использование энергетической характеристики энергоблоков, учитывающей динамическую составляющую потерь топлива, обеспечивает выбор оптимального состава работающего оборудования, а также экономически эффективной технологии сжигания твердого топлива для пиковой части безотходной ТЭС, при которых сумма статической и

Рис.3.7. Номограмма расчета поправки Ацс для энергоблока на АШ.

Лф - относительная глубина разгрузки энергоблока; п - число разгрузок энергоблока за учетный период; - О/ =20 Мдж/кг; ' " -а" =18 Мдж/кг; щ; ~~-ф'=16 МДж/кг. динамической составляющих потерь топлива в режимах регулирования графика нагрузок минимальна.

3.4. Методика экспресс-испытаний котлов /4,31,42,45/.

Практическое обеспечение условия комплексного использования твердого топлива на безотходной ТЭС эффективно может быть достигнуто только на основе систематических теплотехнических испытаний входящих в безотходный комплекс котельных агрегатов. Их проведение является трудоемким мероприятием, сопряженным со значительными финансовыми и материальными затратами, требующим длительного нахождения специального персонала в местах повышенного риска. В связи с этим сокращение длительности испытаний решает важную практическую задачу. Предложенная методика экспресс-испытаний основана на сокращении подготовительного периода стабилизации режима котла с ЖШУ, предшествующего проведению эксперимента. При этом принято во внимание, что наиболее инерционной является составляющая стабилизационного процесса, связанная с перестройкой шлакового покрытия активной зоны топки. По длительности она на порядок и более превосходит сопутствующие динамические эффекты в процессах горения, теплообмена и т.д. Готовность котла к эксперименту устанавливается моментом стабилизации С,,, на новом стационарном уровне, т.е. с;н),-(с;и)м<е (3.7)

Условия (3.7.) определяется путем сравнения смежных результатов при пошаговом расчете переходного процесса, выполняемом с использованием описанной выше математической модели. Следствием расчетного анализа различных вариантов организации серии последовательных экспериментов (опытов) на промышленном котле, выполняемых за один рабочий цикл, является вывод, что серию следует начинать с опыта, соответствующего максимальному шлаковому «утеплению» топочной камеры. Обычно это режим минимальной тепловой нагрузки топки. Благодаря такому методическому приему подготовительный период стабилизации режима становится общим для всей выполняемой серии опытов. Подготовительные же промежутки времени между отдельными опытами серии без ущерба для их представительности сокращаются до организационно обусловленного минимума. Таким образом, общий методический прием, обеспечивающий сокращение длительности серии опытов, заключается в их реализации в порядке уменьшения термического сопротивления шлакового покрытия на поверхностях нагрева активной зоны топки.

Снижение погрешности экспериментального определения технико-экономических показателей котлов, работающих в составе безотходной ТЭС на твердом топливе, обеспечивают разработанные автором и внедренные в эксплуатацию специальные устройства для отбора проб уносов из дымовых газов котлов.

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СЖИГАНИЯ (ГАЗИФИКАЦИИ) УГЛЯ ДЛЯ БЕЗОТХОДНОЙ ТЭС

Преимущества технологии сжигания (газификации) угля в барботируемом шлаковом расплаве для базовой части ТЭС сформулированы в разделе 2. Ниже приведены результаты работ по разработке с участием автора энергетического варианта технологии и оборудования для ее реализации. Обосновывающие экспериментальные исследования выполнены на опытных установках тепловой мощностью 6 Мвт и 120 Мвт. В качестве топлива в опытах использовались угли донецкого бассейна: тощий уголь и антрацитовый штыб. Рабочий состав угля АШ: С"=46,7%; Н'~2,2.%; ^=1,4%; 0'=4,О%; N"=1,1%; »"=13%; А" =31,6%; &,'=16,61 Мдж/кг. Топливо подается в расплав без предварительной подготовки и подвергается термическому разрушению, сопровождающемуся многократным увеличением его реагирующей с окислителем поверхности. Минеральная составляющая угля делится на компоненты: легковозгоняемые, поступающие в уходящие газы; тяжелую фракцию шлака, содержащую ферросплавы (выводится через отстойник металла); гомогенизированный обезжелезистый шлак, формирующийся в надфурменной зоне (выводится через отстойник «легкого» шлака). Гидродинамика шлаковой ванны исследована на ее гидравлической модели.

Выполненные исследования, решили следующие задачи: повышение удельной производительности реакционной камеры с барботируемым шлаковым расплавом; выбор оптимального профиля реакционной камеры на основе исследования гидродинамики барботируемой шлаковой ванны; определение оптимальной схемы кессонирования шлаковой ванны по результатам исследования теплообмена между барботируемым шлаком энергетических углей и ограждающими поверхностями нагрева; исследование режима и устройств оптимальной загрузки топлива в барботируемый шлаковый расплав. Исследования обеспечили выполнение конструктивных расчетов и проектирование опытно-промышленной безотходной энергетической установки тепловой мощностью 165 МВт, оснащенной реакционной камерой рассматриваемого типа.

4.1. Повышение удельной производительности барботируемой шлаковой ванны /34,36/.

Экспериментальные исследования показали, что увеличить производительность шлаковой ванны можно за счет повышения удельной газонасыщенности барботируемого объема расплава, а также увеличения площади зеркала расплава. Условием предельной газонасыщенности является критический уровень брызгоуноса из барботируемого слоя. Газонасыщенность слоя выражена отношением общего объема дутьевого газа, находящегося в данный момент в расплаве, к объему расплава в спокойном состоянии (у6 - / . Исследования проводились с различным расположением боковых фурм - встречное или шахматное и различным диаметром фурм

•гь".

I £'¿0! - ял й я?че еьз <?♦ о,* е.е

V м/с

Рис. 4.1. Газонасыщенность барботируемого слоя расплава Ф-шахмагное расположение фурм 030мм; © - встречное - 030 мм; О - шахматное - 0 42 мм; + -встречное -0 42 мм; Ф - шахматное - 0 60 мм; * - встречное - 0 60 мм.

Рис.4.2. Удельная газовая нагрузка барботируемой ванны о-у = 0"; о-у = 20°; о-у = 40°

Относительный шаг между фурмами составлял 10-20 калибров, определяемых как отношение шага между фурмами и диаметра дутьевых фурм. Результаты исследований приведены на рис. 4.1. Из них следует вывод, что изменение схемы расположения фурм практически не влияет на газонасыщенность слоя. В то же время она растет с уменьшением диаметра фурм, что объясняется улучшением условий дробления струи на более мелкие пузырьки, скорость движения которых в расплаве снижается. Вместе с тем возможности существенного увеличения удельной производительности барботируемой шлаковой ванны за счет данных конструктивных факторов ограничены.

Дальнейшее увеличение производительности барботируемой ванны, по данным исследований, обеспечивает конструктивное изменение ее профиля. Наиболее перспективна ванна расплава, боковые стены которой выполнены с наклоном к внешней стороне. В этом случае площадь зеркала расплава увеличивается при сохранении неизменной площади поперечного сечения в зоне дутьевых фурм. По полученным экспериментальным данным, рис. 4.2, при угле наклона боковых стен у=*40° удельная газовая нагрузка барботируемой шлаковой ванны, а соответственно и ее тепловая мощность могут быть увеличены в 2 раза по сравнению с ванной, имеющей вертикальные боковые стены.

4.2. Исследование оптимального продольного профиля барботируемой шлаковой ванны /37,66/.

По результатам исследований на гидравлической модели определена эмпирическая зависимость скорости движения расплава по длине шлаковой ванны = (4.1)

Относительная ошибка выражения составляет ±7,1% в пределах значений аргументов 52,2*103 <Яе< 877,4 *103; 6,6<Атщ <3425; 0,215<у<2,15;

0,01316<%<0,02632. В (4.1) Щ, = К./К • относительная скорость движения расплава, 1У0 = Л— - приведенная скорость движения газовых пузырей, К-е = ^ ¿¡*0/о - критерий Рейнольдса, определенный по скорости истечения воздуха из фурм диаметром , Агм- УУис ,р,/аЧр„ модифицированный критерий Архимеда.

Определен оптимальный продольный профиль барботируемой шлаковой ванны. При загрузке топлива у одного из ее торцов, выгрузке шлака у другого и движении шлакотопливной массы с продольной скоростью, соответствующей выражению (4.1), оптимальный баланс между топливом и окислителем по всей длине камеры обеспечивается при уменьшающемся по ходу движения расплава расстоянии между боковыми стенами ванны и увеличивающимся в том же направлении шагом фурм, установленных на этих стенах. Оптимальное отношение расстояний между боковыми стенами у шлакового сифона и загрузочного устройства составляет >?г/.У, =0,5-0,6, а площадь сечения ванны между осями рядом расположенных фурм по всей ее длине остается величиной постоянной. Данная конструкция

Рис. 4.3. Камера барботи-руемой шлаковой ванны переменного продольного профиля. позволяет при сохранении постоянного режима барботажа уменьшить количество подаваемого окислителя по мере выгорания топлива и обеспечить восстановительный режим процесса горения и низкий выход оксидов азота по всему поперечному сечению шлаковой ванны.

4.3. Исследование теплообмена и разработка оптимальной схемы кессонирования барботируемой шлаковой ванны /38, 65/.

Исследован теплообмен между барботируемым шлаковым расплавом и ограждающими кессонными поверхностями шлаковой ванны, заполненной шлаком угля АШ. В опытах кессоны выполняли роль калориметров. Измерялся расход воды на кессон-калориметр, температура воды на входе и выходе кессона. По результатам обработки экспериментальных данных получены эмпирические зависимости для плотности теплового потока (Вт/м2) к кессонам, расположенным в зонах спокойного (без барботажа) и активного барботажа шлака, при водяном их охлаждении:

16,4./;'2 и <?Г=7,755-/;-м. (4.2)

Значения тепловых потоков, рассчитанные в соответствии с (4.2), существенно ниже, чем в случае заполнения ванны металлсодержащим штейном, рис. 4.4. Определено, что основными факторами, влияющими на коэффициент теплоотдачи между барботируемым расплавом и экранированной шлаковым гарнисажем поверхностью нагрева, являются температура расплава и скорость омывания поверхности расплавом . Последняя задается величиной газовой нагрузки расплава - скоростью, приведенной к поперечному сечению ванны (м3/м2-с)> которая однозначно связана с гидравлической характеристикой дутьевых фурм. Толщина шлакового гарнисажа на кессонных поверхностях спокойной и барботируемой зон ванны, заполненной шлаком угля АШ, составляет (м):

5е, "= •

16,4-С

7,755 ■/'■

Полученные зависимости применимы для расчета" теплообмена в системе "расплав-гарнисаж" расплава шлака угля АШ в пределах температур 1500 - 1700°С. Максимальная погрешность расчетов оценивается в 10%. С достаточной для практики точностью они могут быть использованы при оценочных тепловых расчетах барботируемых ванн, заполненных шлаком других энергетических углей. а юо I -17оо

Рис. 4.4. Плотность теплового потока через границу "расплав-гарнисаж" 1- в барботируемой зоне шлако-, вой ванны;

2 - в спокойной зоне шлаковой ванны;

3 - в спокойной зоне ванны с металлургическим штейном;

4 - в барботируемой зоне ванны с металлургическим штейном.

С учетом данных рис. 4.4 обоснована возможность использования в качестве ограждающих элементов барботируемой ванны, заполненной шлаком энергетических углей, стальных конструкций вместо медных, применяемых в подобного рода агрегатах металлургического профиля. Как результат, обеспечена возможность повышения параметров рабочей среды в системе охлаждения данного типа реакционной камеры, что позволяет включить ее в гидравлическую систему собственно котла.

4.4. Разработка новых способов и устройств дли надежной эксплуатации установки сжигания угля в шлаковом расплаве /64, 65, 66,67/.

С целью снижения пылевыноса при загрузке топлива и других шихтующих материалов разработаны и исследованы способы загрузки этих материалов под слой шлакового расплава. Исследованы устройства, использующие эффект газлифта. Загрузка топлива и мелкодисперсного шихтового материала ведется через загрузочную течку, где он увлекается опускающимся потоком расплава. Циркуляция расплава обеспечивается за счет подъемной силы из-за разности удельных весов столба жидкого расплава и его газожидкостной эмульсии в сообщающихся барботируемом и небарботируемом объемах. Для расчетного определения брызгоуноса при газлифтной загрузке топлива рекомендовано соотношение (2.3). Пылевынос определен экспериментально и составил 7-10 г на м3 дымовых газов. Еще лучшие показатели по пылевыносу обеспечивает разработанный питатель топлива, который за счет давления воздуха вытесняет топливно-шлаковую смесь под уровень расплава камеры сжигания. В питателе топливо, попадая в объем жидкого шлака, подвергается интенсивному прогреву и растрескиванию. В таком подготовленном состоянии смесь поступает под уровень расплава в реакционную камеру, где топливо интенсивно газифицируется и сгорает.

Эффект газлифта использован для увеличения продольной скорости расплава по длине шлакой ванны при поперечном расположении дутьевых фурм. Он обеспечен за счет равномерного снижения интенсивности дутья через фурмы по мере их удаления от загрузочного окна. Это позволяет организовать определенный угол наклона зеркала расплава в сторону выходного окна ванны, что усиливает циркуляцию расплава и скорость перемещения топлива в данном направлении. На том же эффекте основан разработанный способ разделения легкой и тежелой фракций шлака в газификаторе барботируемого шлакового расплава под давлением. Интенсивностью дутья регулируется высота зоны барботируемого шлака, из которой происходит его слив в смежный рабочий сосуд. При этом зона слива устанавливается из расчета предотвращения попадания в легкий шлак располагающихся на разных (по высоте) полюсах шлаковой ванны металла и несгоревшего углерода.

Благодаря изменению объема газошлаковой эмульсии в зависимости от газонасыщенности шлакового слоя решена проблемы надежного уплотнения компенсационного зазора между конструктивными элементами шлаковой ванны и топочной камеры разработанного энерготехнологического агрегата. В рабочем состоянии насыщенный газами расплав набухает и его верхний уровень располагается над указанным компенсационным зазором, обеспечивая его герметичность. При останове агрегата компенсационный зазор освобождается и конструктивные элементы агрегата имеют возможность свободно перемещаться при изменении их температурного состояния.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ: аш- коэффициент шлакоулавливания; аш - доля золы (уноса); 6„- толщина шлаковой пленки, м; а)Н- пылевынос из шлаковой ванны; аву„- брызгоунос из шлакового расплава; ко - доля брызгоуноса, уносимая дымовыми газами; коэффициент шлакоудаления; Ом- количество золы топлива, кг/с; Шда - скорость шлака в шлаковой пленке, м/с; Ь- периметр топочной камеры, м; рт - плотность шлака, кг/м3; рж - плотность жидкого шлакового расплава, кг/м3; Ъ - брызгоунос, г/м3; с!ф, с!о - диаметр фурм, м; Б - ширина шлаковой ванны, м; V- приведенная скорость газов, подсчитанная по площади зеркала барботируемой ванны, м/с; V. - объем дутья, м3/с; F -сечение зеркала шлаковой ванны, м2; а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; g - ускорение силы тяжести, м/с2; t m - температура шлаковой пленки, °С; tp - температура шлакового расплава, °С; t0 -температур истинно жидкого шлака, °С; Тп - температура на поверхности шлакового покрытия, "С; h - высота активной зоны топки, м; q - тепловой поток, кВт/м2; - теплопроводность шлака, кВт/м-К; 8Ш,- толщина шлакового покрытия экранов, м; 8 к - толщина шлаковой корки, м; AGII(C,UI-количество сплавляемого шлака, кг; ДОшш -количество аккумулированного шлака, кг; Gmo -количество шлака в топке в стационарном режиме, кг; В -расход топлива, кг/с; ß», - теплота сгорания угля (на рабочую массу), кДж/кг; Ар - зольность угля, %; Wp - влажность угля, %; W„- влажность угольной пыли, %; D = Z>0/640 - относительная номинальная паропроизводительность котла; ф - скорость набора нагрузки энергоблока, %/мин.; -содержание горючих в уносе, %; q< - потеря тепла с механическим недожогом, %; QK - теплота сгорания кокса, кДж/кг; J(r) -параметр недожога коксовых частиц в зависимости от относительного размера наиболее крупной частицы пыли; Кр - относительное содержание кокса на рабочую массу топлива, кг/кг; ц/ - коэффициент тепловой эффективности экранов; £ - коэффициент загрязнения экранов; R, - полный остаток на сите с ячейкой i-ro размера, %; b - коэффициент тонкости измельчения угольной пыли; п - коэффициент полидисперсности зернового состава угольной пыли; Твп температура воспламенение угольных частиц, °С; Qr - тепловыделение вследствие химического реагирования на поверхности частиц; кДж/кг; QT - теплообмен частиц с окружающей средой, кДж/кг; f -удельная поверхность угольных частиц, м ; Т™ -температура газовоздушной смеси, "С; ав.р - доля высокореакционного топлива; сга - теплоемкость газовоздушной смеси, кДж/м3; Vre - объем газовоздушной смеси, м3; d, d* - геометрический и приведенный размеры угольной частицы, м; Q, ff,ß -относительные коэффициенты (отношение фактических значений к проектным) соответственно качестве топлива, к.п.д. энергоустановки, мощности (производительности); к -коэффициент запаса мощности; Е - относительный расход топлива на энергоустановку; Р -относительная располагаемая мощность i-ro элемента оборудования; п -число возмущений режима работы энергоблока, шт.; Ау- относительная разгрузка энергоблока (котла); т - время стабилизации режима после разгрузки энергоблока, ч; т, - время переходного режима при нагружении энергоблока, мин; тр - время разгрузки энергоблока, ч; 6, - удельный расход топлива, кг/кВтч; ц«- кпд котла брутто, %; Дт|с - снижение к.п.д. на стабилизацию режима, %; Aqc, ДЬЭС - поправки на стабилизацию режима в энергетические характеристики котла и ТЭС; е - задаваемая величина, %; Vo

- объем шлакового расплава в спокойном состоянии, м1; V6 - объем шлакового расплава в барботируемом состоянии, м3; у - угол наклона боковых стен шлаковой ванны, - скорость движения шлакового расплава, м/с; W„CT - скорость истечения дутья из фурм, м/с; v -коэффициент кинематической вязкости, м2/с; tM - температура металла, °С; рг

- плотность газа, кг/м3; 8Г - толщина гарнисажного слоя, м; ф -газонасыщенность шлакового слоя; ю- удельная газовая нагрузка барботируемого слоя, м3/м3.