автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.01, диссертация на тему:Разработка и освоение унифицированного топочного устройства для утилизации древесных отходов и гидролизного лигнина

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ ОД

на правах рукописи УДК 621.181.7:662.642.2

КУБЫШКИН Игорь Борисович

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ УНИФИЦИРОВАННОГО ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ И ГИДРОЛИЗНОГО ЛИГНИНА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

Специальность 05.04.01 - Котлы, парогенераторы , и камеры сгорания

Санкт-Петербург 1994

\

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техниче ком университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ЮЛ. Рундыгин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Г.П. Алаев

кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.Ф. Филонов

Ведущая организация: АО "Белэнергомаш" (г. Белгород)

Защита состоится " V " 1994 г. в /6 ч. на заседай)'

специализированного совета К 063.38.23 в Санкт-Петербургском госуда| ственном техническом университете по адресу. „

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая," 29 в ауд. <у *'

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотп Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

доктор технических наук, профессор А. С. Ласкин

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Народнохозяйственное значение комплексного использования древесного сырья определяется не только экономическими интересами, но и значением лесов в охране окружающей среды. Существенные резервы по повышению эффективности лесоперерабатывающих отраслей промышленности скрыты в улучшении использования различных отходов переработки древесины, таких, например, как гидролизный лигнин и древесная кора.

Несмотря на широкие потенциальные возможности применения, значительная часть данных отходов до сих пор вывозится в отвалы, нанося существенный вред био- и гидросфере. На данном этапе наиболее целесообразным, экономически оправданным и технически осуществимым является сжигание коры и гидролизного лигнина в топках котельных агрегатов для получения технологического пара. Но до последнего времени отсутствовало серийное надежное и экономичное котельно-топочное оборудование для использования данных видов топлива, относящихся к числу наиболее трудноиспользуемых. Как показывает опыт энергетического использования гидролизного лигнина и древесных отходов, возникающие при этом проблемы связаны, в основном, с высокой влажностью данных топлив, изменяющейся в широком диапазоне значений. К тому же, несмотря на близкие теплотехнические свойства данных топлив, для сжигания коры и пшролизного лигнина применяются различные методы организации топочного процесса, что значительно усложняет энергетическое использование данных отходов в пределах одного предприятия вследствие расширения парка оборудования.

Для решения указанных проблем требуется разработка, научное обоснование и расчетно-экспериментальная проверка принципов организации нового высокоэффективного топочного процесса для энергетического использования древесной коры и пшролизного лигнина. Данная работа выполнялась в соответствии с Комплексной научно-технической программой ГКНТ СССР № 520 (раздел 0.01.11, задание 01.05Т) и является составной частью целого комплекса работ, выполняемых на кафедре "Реакторо- и парогенераторостроения" Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное обоснование основ построения унифицированного топочного процесса для сжигания гидролизного лигнина и отходов окорки древесины и разработка на этой основе рекомендаций для серийного производства современного котеяьно-топочного оборудования дня данных видов топлива.

Научная новизна.

1. Экспериментально исследованы особенности работы основных сушс-ствущих типов топочных устройств, применяемых при -л<ср1сшчески.ч использовании гидролизного лигнина и коры, выявлены факторы, ведущие к снижению надежности и экономичности их работы.

2. В результате лабораторных исследований получены данные по суммарной кинетике выхода летучих при термическом разложении шлролпзного лигнина, коры и древесных отходов в воздухе и в аиле, а также данные по теплоемкости указанных топлив.

3. Предложена математическая модель для расчета газовых течении в вихревой зоне топки. На ее основе разработан расчетный комплекс, пошо-ляющий проводить анализ процесса воспламенения частиц нолифракчион-ного высоковлажного топлива при различных начальных условиях и выбрать для него наиболее эффективную схему организации топочного процесса.

4. На основе результатов математического моделирования, лабораторных и промышленных исследований разработаны рекомендации по организации эффективного сжигания гидролизного лигнина и отходов окорки древесины.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны принципы подготовки гидролизного лигнина и древесных отходов и организации топочного процесса, позволяющие шачительно повысить эффективность их использования в качестве энергетическою топлива и унифицировать топочные устройства на основе низкотемпературного вихревого (НТВ) метода сжигания топлив.

2. На базе математической модели аэродинамики вихревой зоны топки создан расчетный комплекс, позволяющий проводи 1ь оптимизацию конструкции и режимов работы НТВ топки, а также анализ влияния различных факторов на развитие топочного процесса при сжигании различных топлив.

3. Доказана эффективность НТВ сжигания немологого гидролизного лигнина, коры и древесных отходов и опробованы вихревые топочные устройства для данных топлив. Создан и введен в постоянную эксплуатацию котел Е-50-24К с НТВ топкой и безмельничной системой подачи гидролизного лигнина. Межведомственной комиссией этот котел принят в качестве базового при производстве нового котельного оборудования для данного вида топлива.

4. Выявлены возможности дальнейшего совершенствования топочного процесса и разработаны рекомендации, позволяющие повысить эффективность работы существующего оборудования для энергетического использования гидролизного лигнина и древесных отходов путем его модернизации. Данные

гкомендацни применены при реконструкции двух котлов на Онежском шролнзном. двух - на Братском биолесохимическом и одного - на Архан-¡льском гилроли:шо-дрожжевом заводах.

Надежность и достоверность полученных результатов обеспечиваются рнмепенисм апробированных методик экспериментачьных исследований, соименной контрольно-измерительной аппаратуры и электронно-вычисли-:льнон техники и подтверждается удовлетворительным совпадением расчет-ых данных с экспериментальными данными автора и других исследователей.

Лп-гор заIцищает

- математическую модель аэродинамики вихревой зоны топки и создании на ее базе расчетный комплекс для оптимизации конструктивного оформ-чшя и режимов работы НТВ тонок;

- результаты расчетного анализа и экспериментальных исследований точных процессов;

- выбранные на базе анализа расчетно-экспернментальных данных принты организации эффективного сжигания немолотого гидролизного лигнина отходов окорки древесины;

- предложенные на этой основе системы подготовки и подачи топлива, юсоб организации топочного процесса и устройства для его реализации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы 'кладывались и обсуждались:

- на Республиканской научно-технической конференции "Научно-техни-ские проблемы энергомашиностроения и пути их решения",- С.-Петербург, 1ябрь 1992 г.;

- на I Международной конференции по использованию биомасс,- Бир-нгтон (США), август-сентябрь 1993 г.;

- на V Европейской конференции по вопросам турбулентности,- Сиена ¡талия), июль 1994 г.;

- на семинарах кафедры РиПГС СПбГТУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 1ечатных работ и получено 3 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четы-< глав, заключения, списка литературы' и приложений. Объем диссерта-

ционной работы: 93 страницы машинописного текста, 35 рисунков, 14 таблиц, 12 страниц списка литературы, включающего 126 наименований. Общий объем диссертации - 180 страниц.

На всех этапах работы над диссертацией большую помощь при организации исследований оказывал ведущий научный сотрудник, к.т.н. Ф.З.Финкер.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Показано, что в настоящее время наиболее рациональной схемой утилизации гидролизного лигнина и древесных отходов является сжигание их в качестве энергетического топлива. Отмечено, что этот путь осложнен отсутствием современного котель-' но-топочного оборудования, позволяющего эффективно сжигать данные вилы топлива. Кратко сформулирована основная цель работы и задачи, требующие решения для ее достижения.

В первой главе проведен анализ имеющихся литературных данных по ресурсам, физико-химическим и теплотехническим свойствам гидролизного лигнина и древесных отходов, а также рассмотрены наиболее распространенные схемы и особенности работы существующего оборудования для энергетического использования данных топлив, отмечены его достоинства и недостатки.

Показано, что отсутствие надежного и экономичного котелыю-гопоч-ного оборудования приводит к тому, что только на крупных предприятиях лесоперерабатывающих отраслей промышленности ежегодно не находит применения и вывозится в отвалы значительные объемы вышеназванных отходов, тепловой эквивалент которых превышает 1,5 млн.т.у.т. При этом практически все эти отходы пригодны для энергетического использования.

На основании анализа физических и теплотехнических свойств гидролизного лигнина и отходов окорки древесины сделан вывод о близости данных характеристик указанных материалов. Существенная разница имеется только в дисперсном составе отходов окорки и гидролизного лигнина. Огмечено, что данные отходы должны быть отнесены к низкосортным высоковлажным топ-ливам. В то же время, высокое содержание летучих и низкие температуры начала их выхода делают данные топлива взрывоопасными. А с учетом непредсказуемости изменения свойств указанных отходов (в первую очередь, влажности) их следует отнести к наиболее трудноиспользуемым топливам.

Во второй главе отмечено, что имеющийся опыт использования подоб-ых низкосортных тошшв показывает, что обеспечение устойчивого воспламе-ения в рамках сжигания их в пылевидном состоянии в прямоточном факеле дет по пути все большего усложнения систем топливоприготовления и конс-руктивного оформления топочных камер. При этом решения зачастую проти-оречивы и порождают новые проблемы. Не лучше обстоит дело и при использовании слоевых методов организации топочного процесса. Поэтому в по-гседние годы все больше внимания уделяется разработке и освоению новых пособов подготовки и сжигания низкосортных топлив. При этом наибольшие ерспективы имеют методы, основанные на многократной циркуляции частиц.

Несмотря на ряд преимуществ топок с кипящим слоем, их применение граничено, поскольку в таких топках пока велики потери теплоты от механи-еского недожога топлива, имеются трудности с равномерным распределением эплива и воздуха по зеркалу слоя; для этих топок требуется установка высоко-апорных вентиляторов.

Решению задачи повышения эффективности энергетического исполь-звания отходов окорки древесины и гидролизного лигнина в наибольшей гепени отвечает низкотемпературный вихревой (НТВ) способ сжигания, азработанный на кафедре "Реакторо- и парогенераторостроения" СПбГТУ, 1пыт применения данного способа при сжигании таких топлив, как сланцы, эрф и бурые угли показал возможность существенного снижения требований подготовке топлива. При этом за счет многократной циркуляции горящих оксовых частиц обеспечивается надежное воспламенение топлива при сни-:ении температурного уровня в топочной камере. Кроме того, простота конс-руктивных решений при внедрении данного способа сжигания топлива позво-яет резко снизить затраты на модернизацию действующих котлоагрегатов.

На основании анализа имеющихся литературных данных о современном эстояник задачи, связанной с поиском новых высокоэффективных методов рганизации сжигания низкосортных топлив, а также положительного опыта ромышленного опробования НТВ технологии при энергетическом исполь-эвании широкого спектра топлив, в том числе и гидролизного лигнина, ратко сформулированы основные принципы создания современного унифи-ированного котельно-топочного оборудования для утилизации высокоалаж-ых древесных отходов и гидролизного лигнина:

- топочный процесс при организации сжигания таких топлив должен гроиться на базе НТВ способа сжигания, который, помимо других преиму-

1еств, позволяет, за счет значительной массы горящего кокса, циркулнру-

о

ющего в вихревой зоне топки, стабилизировать воспламенение аэросмеси I горение факела при колебаниях влажности топлива, поступающего в топку;

- при организации НТВ сжигания указанных топлив целесообразно осу ществлягь низкоскоростной ввод нижнего дутья с применением воздушно-кас кадных классификаторов, что обусловлено, помимо опасности возникновении при повышенной скорости потока нижнего дутья проблем, связанных с абра зивным износом топочных экранов, высокой парусностью частиц коры и гид ролизного лигнина (особенно коксовых частиц таких топлив), что может пр! высокой скорости нижнего дутья привести к резкому возрастанию потерь теп лоты от механического недожога топлива в уносе;

- фракционный состав гидролизного лигнина, образующегося на оте чественных предприятиях микробиологической и гидролизной промышлен ности, позволяет рекомендовать для данного вида отходов применение без мельничной системы подачи топлива (БСПТ). Указанная система являете) практически полностью взрывобезопасной, значительно повышает надежной: котельной установки, а также простоту ремонта и обслуживания оборудования

- при энергетическом использовании тошшв, имеющих значительн( более грубый фракционный состав, чем гидролизный лигнин, например, отхо ды окорки древесины, в случае отсутствия возможности более тонкого измель чения отходов, топочная камера котлоагрегата, использующего указанный вщ топлива, должна дополнительно оснащаться устройством для предварительно] термической подготовки исходного топливного материала.

В третьей главе представлены результаты аналитических исследований позволяющих обосновать пути реализации предложенного топочного процес са, дающего возможность повысить эффективность использования высоко влажных древесных отходов и гидролизного лигнина в качестве энергети ческого топлива, а также выполнить оптимизацию конструктивных и режим ных параметров топочного устройства для реализации указанного процесса.

Отмечено, что при организации сжигания вышеназванных промышлен

ных отходов, относящихся к разряду наиболее трудноиспользуемых топлив, н

первый план выходит проблема, связанная с поиском решений, способствую

щих стабилизации воспламенения данных высоковлажкых топлив. Показано

что из разработанных ранее математических моделей воспламенения горелоч

ной струи в топке котла наиболее полно физику процессов при горени )

влажных топлив учитывает модель, разработанная Рундыгиным Ю.А., исполь зованная затем Поповым АЛ. для создания программы расчета условий вое пяаменения гидролизного лигнина, поступающего в топку.

Данная модель, описывающая поведение частиц полифракционного оплива в условиях неизотермического двухфазового потока на начальном частке горелочной струи, позволяет учитывать наличие крупных топливных астиц (£И >> 0,1), что характерно для условий сжигания немолотого топлива, также присутствие дополнительного количества горящих коксовых частиц, [оступающих из вихревой зоны топки (например, при НТВ способе органи-апии топочного процесса). Указанная модель позволяет достаточно наглядно [сследовать влияние различных факторов на условия воспламенения топлива в орелочной струе.

Однако, отсутствие четких данных о взаимосвязи обменных процессов в •орелочной струе на ее начальном участке с динамикой течений во всем то-ючном объеме не позволяет в рамках указанной модели оценить конкретное шияние различных конструктивных и режимных параметров на условия вос-тламенения топлива.

Для решения задачи, связанной с оптимизацией конструктивного оформления и режимов работы НТВ топок при сжигании высоковлажных тогогав предложен расчетный комплекс, в который в качестве одного из элементов входит вышеназванная модель. Другим важным элементом указанного расчетного комплекса является разработанная при участии автора математическая модель аэродинамики вихревой зоны топки.

При построении модели приняты следующие допущения:

1. Топочные газы считаем несжимаемой жидкостью, поскольку при характерных для сжигания топлив в открытых камерных топках с сухим шлако-удалением параметрах газовых течений (скорость газа - не более 100 м/с и максимальная температура в топке - не выше 1800 К) соответствующие числа Маха не превышают 0,12.

2. Активное перемешивание топочных газов при организации вихревого процесса сжигания топлива позволило нам газовые течения в нижней части топки в первом приближении считать изотермическими.

3. Задача расчета аэродинамики топки решена в двухмерной постановке, что вполне допустимо с учетом особенностей газовых течений в НТВ топках.

Для описания такого газового течения, являющегося турбулентным, плоским и существенно дозвуковым, при изотермическом моделировании можно воспользоваться моделью несжимаемой жидкости в виде уравнений Рейнольдса. Для замыкания этих уравнений была использована общепринятая гипотеза Буссинеска, а также допущение, что "О ( » 'О, где ^ и ( - молекулярная и турбулентная вязкости газа соответственно. В качестве модели турбулентности использована модель постоянной эффективной вязкости *^эфф ~

^ + = = Const, (так называемой эффективно вязкой жидкости).

В результате получена система уравнений, аналогичная системе уравне ний Навье-Стокса для несжимаемой жидкости, которая для двумерной системы координат совместно с уравнением неразрывности имеет следующий вид:

Л а, I/ /у

Jx dy - U'

где U и V - проекции осредненной скорости турбулентного движения на ■ сси координат X и Y соответствен но; jU. эфф + • ^J* • = Const -

эффективный коэффициент вязкости;Jit и - соответственно коэффициенты молекулярной и турбулентной вязкости; Р = (Р + 2/ЗК)/р - функция давления; Р - давление газа; К - кинетическая энергия турбулентных пульсаций; р -плотность газа.

Поскольку при движении газов в вихревых топочных камерах основная часть энергии тратится на перестройку потока и лишь незначительная - на потери от трения на стенках, в настоящей работе на ограждающих поверхностях приняты граничные условия "проскальзывания":

-Oi (2)

г

где криволинейный контур стенок топочной камеры (см. рис. 1); V,, и \ - нормальная и касательная (к стенке топки) составляющие скорости газа.

На выходе потока из расчетной области заданы "мягкие" граничные условия: g g 2V п

дХ ~Ui dX~U' ' при х = 0 (0 < у <L); (3)

Система (1) была решена численно. Для получения дискретных аналогов дифференциальных уравнений применен метод Патанкара-Споддинга (метод контрольного объема). Полученные в результате дискретизации алгебраические уравнения решены с применением неявной схемы с использованием трех-диагонального матричного алгоритма (метода прогонки). Для повышения устойчивости системы использована разностная аппроксимация Леонардо.

На основе вышеописанной математической модели была разработана FORTRAN

-программа для реализации на ПЭВМ типа IBM PC, Тестовые расчеты показали удовлетворительное совпадение расчетных данных, полученных с помощью данной программы, с результатами а»радинамических замеров

Vn

X Эп

N. £, Б и \Л/ - соответственно северная, восточная, южная и западная стороны расчетной области; Хн, и Ун| - координаты окон для ввода верхней и нижней струй соответственно; Ув и Ун - началь-ные скорости ввода верхней и нижней струй соответственно; и - глубина топочной камеры; Н - размер расчетной области по оси X; о( в, н и О^ск " Углы наклона верхней и нижней струй в месте их ввода в топку и скатов холодной воронки соответственно.

а - аЗрофоитамная топка; й - НТВ топка котла БКЗ-75-ЗЭфсл. W1 = 33,9 м/с,- Щ - 7 Л»/с; Wз - 6.2 м/с; Щ - 3,1 Щц Щ = 1,0.«/с; УУиД - 46,0 м/с." .

на натурных образцах (рис. 2) при величине Кеэфф = 500...1000.

С целью изучения поведения частиц полифракционного топлива в топочной камере в настоящей работе применен метод Лагранжа, который предполагает расчет индивидуальных траекторий движения и термических преобразований твердых частиц различных размеров с последующим суммированием по фракциям. Обратное влияние дисперсной фазы на несущую (в данном случае газовую) в указанном методе может учитываться через соответствующие источниковые члены, определяющие межфазный обмен массой, импульсом и энергией. Однако, как правило, такое влияние можно исключить, если объемная концентрация дисперсной фазы в потоке < 0,005, что имеет место при камерном сжигании топлив.

Для анализа траекторий движения топливных частиц в топке котла с целью оценки степени загрузки вихревой зоны горящим топливным материалом и потерь теплоты от механического недожога топлива в расчетный комплекс в качестве еще одного элемента включена программа расчета траекторий движения топливных частиц в топочной камере, основанная на решении уравнения движения тела неправильной формы в потоке газа.

Из сил, действующих на частицу, учтены только силы аэродинамического сопротивления, гравитации и Архимеда, поскольку остальные силы (Магнуса - Жуковского и др.) малы по сравнению с ними. При этом рассматриваются не инертные, а реагирующие (горящие) частицы топлива. Зависимости изменения плотности и размеров топливных частиц получены с помощью программы, разработанной Парамоновым А.П. на основе предложенной им модели горения одиночной частицы топлива в потоке газа.

В результате получен расчетный комплекс, позволяющий исследовать влияние различных конструктивных и режимных факторов на условия воспламенения и полноту выгорания топлива с последующей оптимизацией топочного процесса. Количественная оценка загрузки вихревой зоны топки горящим и негорящим топливным материалом производится суммированием таких частиц по фракциям с учетом изменения их массы во времени. Момент воспламенения топливной частицы, на основании результатов экспериментальных исследований, связан с количеством выделившихся летучих веществ. Потери теплоты от механического недожога топлива ^4) оценивались пофракцион-ным суммированием частиц топлива, покинувших пределы расчетной области (топку), с учетом их выгорания.

С целью обеспечения надежных исходных данных, необходимых при решении задачи о воспламенении гореяочной струи, проведены дополнительные исследопния некоторых характеристик гидролизного лигнина и отходов

окорки. Так, по результатам этих исследований для расчетов приняты следующие значения суммарных кажущихся констант выхода летучих при горении в воздухе (энергия активации Е, предэкспоненциальный множитель к0 и порядок реакции п):

- для гидролизного лигнина:

Е = 12,64 • ЮЗ кДж/кмоль, к0 =» 4,04 • Ю'З с"1, п = 0,35;

- для древесной коры:

Е = 32,36 • ЮЗ кДж/кмоль, к,, = 1,42 • 102 с"1, п = 1,5.

Расчеты были проведены для топки котла Е-75-40К и безмельничной системы подачи топлива. Исходная влажность гидролизного лигнина и коры принималась равной 60% и 70%. Гранулометрический состав топлива соответствовал средним характеристикам немолотого лигнина. Всего было выполнено 12 вариантов расчетов. Результаты расчетов аэродинамики и траекторий движения частиц топлива могли быть получены как в виде численных значений, так и в графическом виде (последний вариант показан на рис. 3).

Для удобства анализа, результаты расчетов процессов в струе топливо-воздушной смеси представлены в виде графика, показанного на рис. 4. Из последнего видно, что увеличение скорости (и импульса) нижнего дутья приводит (в определенных пределах) к значительному росту Тг, а следовательно, улучшению условий воспламенения топлива. Однако, одновременно с этим резко возрастают потери q4. Таким образом, для любых конкретных условий (влажность исходного топлива, его фракционный состав и т. п.) можно выбрать оптимальный вариант организации НТВ топочного процесса при устойчивом воспламенени топлива и минимуме потерь q4.

В результате расчетных исследований получены режимные характеристики работы НТВ топки котла Е-75-40К (и аналогичных, например, котла Е-50-24К), обеспечивающие при устойчивом воспламенении свежего топлива минимум потерь тепла от выноса из топки недогоревшего топлива. Даже для случая начальной влажности топлива 70% найден такой оптимальный режим. При этом скорость аэросмеси в горелках находится на уровне 25 м/с, а скорость потока нижнего дутья должна составлять около 20 м/с. Доля воздуха, идущего на нижнее дутье, составляет около 40% от общего его количества.

В этом случае обеспечивается устойчивое воспламенение, а потеря q4 составит около 3,3%. При влажности исходного топлива 60% скорость потока нижнего дутья может быть снижена до 12...14 м/с при сохранении начальной скорости потока аэросмеси. Это позволяет снизить потери 44 до уровня 1,5%.

Рис 3. Примеры графического представлений результатов расчетов аэродинамики толки (а. б и в) и траекторий движения частиц (г, д и е)

а - вариант I (WHfl = 13.3 м/с); б - вариант II (WHn = 17,7 м/с); в - вариант III (WHfl = 23,5 м/с); г - вариант II (d4 = 0,6. 10'3 м); д - вариант И (d4 = 1,25 10"3 м); е - вариант II (d4 = 3.0-10"3 м).

« "„(."/с

Рис. 4 Зависимость температуры газовой фазы в конце начального участка горелочной струи и величины потерь теплоты от механического недожога топлива для НТВ топки котла Е-75-40К от начальной скорости ввода нижнего дутья

V"

!Э

а • при различных значениях исходной влажности гидролизного лигнина; б - при различном фракционном составе гидролизного лигнина;

П.«

г'-.г «о п

78

м

72

70

. У.

Рис. 5. Зависимость технико-экономических Рис. 6. Зависимость технико-экономических показателей работы котла Е-50-24К показателей работы котла КМ-75-40

от его нагрузки от его нагрузки

а - потери теплоты от механического недожога топлива; б - коэффициент полезного действия котла брутто.

а - потери теплоты от механического недожога топлива; б - коэффициент полезного действия котла брутто.

I серия опытов; * - II серия.

о - до рекоистукции; • - после.

В четвертой главе приведены результаты опытно-промышленного опробования схем НТВ сжигания гидролизного лигнина и древесных отходов, разработанных на базе сформулированных в настоящей работе принципов организации нового топочного процесса. При разработке конструкций конкретных топочных устройств и режимов их работы использовались рекомендации, выработанные на основании результатов расчетных исследований с применением упомянутого выше расчетного комплекса. Сочетание лабораторно-анали-тических исследований с экспериментами на реальных объектах позволило ускорить достижение требуемых результатов.

Показано, что применение предложенных схем сжигания гилролизною лигнина и отходов окорки древесины значительно повышает надежность и экономичность работы котельно-топочного оборудования, снижает его взрыво-опасность, а так же эксплуатационные, расходы на его обслуживание и ремонт. Резко улучшается экологическая обстановка как за счет снижения вредных выбросов котельных установок (количества N0* и эоловых частиц), так и в связи с увеличением объемов утилизации данных промышленных отходов. Данные балансовых испытании котла Е-50-24К при НТВ сжигании немолотого гидролизного лигнина показали, что при обеспечении расчетных режимов работы топки обеспечивается устойчивое воспламенение и экономичное сжигание данного топливного материала в широком диапазоне изменении влажности. В опытах указанная величина колебалась в пределах от 55,8 до 64,2%. При этом во второй серии балансовых испытаний (после устранения ряда дефектов конструкции) потери тепла от мехнедожога топлива находились на уровне 2,0...3,0% (что хорошо согласуется с данными расчетных исследований), а к.пд. котла брутто был в диапазоне от 85,25 до 87,81% (см. рис. 5), т.е. несколько выше, чем для котлов типа Е-75-40К, оснащенных громоздкими системами пылеприготовления с мельницами-вентиляторами.

Все это позволило межведомственной комиссии принять ладный котел в постоянную эксплуатацию, а также утвердить его конструкцию в качестве базовой для производства серийного котельно-топочного оборудования для энергетического использования гидролизного лигнина.

При организации НТВ -сжигания отходов окорки древесины, когда отсутствует возможность их дополнительного измельчения, предложена комбинированная, слое-факельная схема организации топочного процесса. При этом слоевая решетка выполняет задачу подготовки и воспламенения высоковлажного топлива, а основное горение переносится в вихревую зону топки. Вихревая зона, в свою очередь, способствует интенсификации процессов, протекающих в слое, как за счет мощного лучистого потока, так и вследствие

смарашш горящих коксовых частиц на слой. Опыт работы двух котлов типа ^N1-75-40. переведенных на указанную слое-факельную схему организации жигании отходов окорки, подтверждает эффективность таких решений.

По сравнению с работой данных котлов до реконструкции на 35...40К шпилась температура уходящих газов, благодаря чему к.п.д. котла вырос на ,5...4,0% (рис. 6). А главное, максимальный расход коры на один котел вырос 2,2 кг/с ло 6,5...7,0 кг/с. Эго позволило с помощью одного котла утилизи-оваи. практически всю кору, образующуюся на предприятии (ПО "Свето-прск"). Аналогичные данные получены ранее на таком же котле ТЭС ПО Усть-Илимскми ЛПК". Таким образом, слое-факельная технология сжигания (лыив может успешно применяться при модернизации котлов типа КМ-75-40 целью повышения их технико-экономических показателей.

На основании результатов указанных, опытно-промышленных исследо-ашш даны некоторые рекомендации по оптимизации параметров топочного роиесса и аиданию унифицированного топочного оборудования. Представле-1.1 результаты успешною промышленного опробования унифицированной эпкн на ГЭС концерна "Братский ЛПК", в которой в качестве топлива может спо.чьюи.пься гидролизный лигнин, кора и ряд других древесных отходов. 1ромышленные испытания данного котлоагрегата показали, что его к.п.д. при жигании как гидролизного лигнина, так и древесных отходов находился на ровне 78,0...84,9 %, а потери Ц4 как правило не превышали 3,0 %.

Н заключении представлены основные выводы по работе:

1. Обзор и анализ литературы выявил, что в рамках сжигания гидролиз-ого лшнина и отходов окорки древесины в прямоточном факеле или в слое е существует простых и надежных способов эффективного сжигания таких мсокоялажных топлив. Наиболее перспективны для этих целей низкотемпера-,рнг„е топочные устройства с многократной циркуляцией частиц. Ряд преи-ушеезв выдвигает на данном этапе на первый план при сжигании таких топив низкотемпературный вихревой способ организации топочного процесса.

2. Опыт перевода котла Е-75-40 К на НТВ способ сжигания немолотого шролнзного лигнина показал, что при этом удается ликвидировать шлакова-ие юпочных экранов, потери тепла с провалом топлива, стабилизируется вос-гсаменение топлива и повышается экономичность всего процесса. Это позволю сформулировать основные принципы построения высокоэффективного точного процесса для энергетического использования гидролизного лигнина схожих с ним по свойствам топлив, в том числе и древесных отходов.

3. Создан расчетный комплекс, включающий следующие программы

расчета: аэродинамики вихревой зоны топочной камеры; траекторий движешь частиц топлива в топке; горения одиночной влажной топливной частицы; 6ло> интегрирования (суммирования) но фракциям; условий воспламенения свеже го топлива в потоке аэросмеси, выходящим из горелки. Настоящий комплекс позволяет оперативно проводить анализ вариантов организации топочногс процесса с целью его оптимизации.

4. Расчетно-теоретический анализ НТВ способа сжигания немолотогс гидролизного лигнина и древесных отходов, проведенный при помощи указанного в п.З расчетного комплекса, выявил роль отдельных факторов и позволил сформулировать требования к организации процесса"в целом. Для каждогс конкретного состава и характеристик исходного топлива (вплоть до исходной влажности 70 %) получены оптимальные конструктивные и режимные параметры работы топки.

5. Результаты расчетного анализа были использованы при выполнении проектов реконструкции ряда котельных агрегатов, в том числе котла Е-50-24К Кедайнского биохимзавода, что позволило значительно ускорить достижение требуемых результатов.

6. Проведенное опытно-промышленное сжигание немолотого гидролизного лигнина на котле Е-50-24 К доказало возможность организации надежного и экономичного процесса в НТВ топке и выявило высокую работоспособность безмельничной системы топливоподачи. К.п.д. котла находился на уровне 85...88 %. В результате данная схема утверждена межведомственно!! комиссией в качестве базовой для производства серийного котельно-топочного оборудования для сжигания гидролизного лигнина.

7. Из результатов работы следует, что возможно надежное НТВ сжигание немолотого гидролизного лигнина, коры и других высоковлажных древесных отходов. Причем для всех этих и аналогичных топлив необходимо использовать унифицированное котельно-топочное оборудование, что подтвердил положительный опыт работы котла Е-75-40 К концерна "Братский ЛПК", в топке которого сжигается целая гамма указанных отходов.

8. При.сжигании топлива более грубого фракционного состава (например, кора), когда отсутствует возможность его до-полнительного измельчения, рекомендуется применение комбинированной, слое-факельной схемы организации топочного процесса. При том слоевая часть выполняет роль устройств для предварительной термическом подготовки топлива, а основное горение протекает в вихревой топочной камере. При этом к.п.д. котла КМ-75-40, переведет;.но на указанную схему организации сжигания топлива, повысился на 3,5...4,0%. А максимальный расход коры на котел вырос более, чем в 2,5 раза.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Финкер Ф.З., Степаненко С.А., Кубышкин И.Б., Дульнева JI.T. Организация встречно-поточной сушки топлива в системах пылеприготовленкя с мельницами-вентиляторами. / В кн.; Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприягиях и ТЭС. - Л.: ЛТИ ЦБП, 1988. -с. 90-95.

2. Шестаков С.М., Любов В.К., Артюхов С.П., Опякин Ю.К., Кубышкин И. Б. Некоторые результаты исследования теплоемкости твердых топлив. / В кн.: Актуальные проблемы комплексного использования лесных ресурсов на Европейском Севере. - Архангельск: АЛТИ, 1989. - с. 189-192.

3. Руидыгин Ю.А., Кортиков H.H., Смирнов Ю.А., Кубышкин И.Б. Пакет программ для численного моделирования аэродинамики вихревых топок с произвольной геометрией и графическим представлением результатов для ЭВМ типа IBM PC. / В кн.: Научно-технические проблемы энергомашиностроения и пути их решения. Тезисы докладов Республиканской научко-техннческой конференции, 26-27 ноября 1992 г. - С-Пб.: СПбГТУ, 1992. -с. 66-67. I

4. Финкер Ф.З., Чамин В.А., Кубышкин И.Б. и др. Перевод котяа КМ-75-40 на слое-факсльный метод сжигания отходов окорки древесины. -Целлюлоза, бумага и картон. Экспресс-информация. - М.: ВНИПИЭИлес-пром, 1990, № 21. - с. 22-25.

5. Рундыгин Ю А., Финкер Ф.З., Чамин В.А., Кубышкин И.Б. Освоение головного котла для энергетического использования гидролизного лигнина с НТВ топкой ЛПИ. / В кн.: Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприягиях и ТЭС. - Л.: ЛТИ ЦБП, 1990. - с. 58-61.

6. Fincker F.Z., Zysin L.V., Kubyshkin l.B. The experience of burning the higlr-moistured wastes of biomass conversion. / First Biomass Conference Of The Americas, August 30-September 2, 1993. - Burlington (Vermont, USA), 1993, v. 1. -p. 789-796.

I

Подписано к печати J^-tä^4 Тирах 100 экз.

Заказ 5Л4.

Отпечатано на ротапринте ИПЦ СПбГТУ '

195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.