автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка, исследование и оптимизация схем сжигания энергетических топлив в прямоточно-вихревом факеле в паровых котлах

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМ СЖИГАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТОПЛИВ В ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВОМ ФАКЕЛЕ В ПАРОВЫХ КОТЛАХ

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 3 ДПР 2014

Москва-2014 005546616

005546616

Работа выполнена на кафедре Котельных установок и экологии энергетики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор, зам. зав. каф. Котельных установок и экологии энергетики ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Прохоров Вадим Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кафедры Котельных установок и парогенераторов ФГБОУ ВПО «КГЭУ», г. Казань Таймаров Михаил Александрович

кандидат технических наук, главный специалист тепломеханического отдела ЗАО Фирма «ТЭПИНЖЕНИРИНГ», г. Москва Медведицков Александр Николаевич

Ведущая организация:

ОАО «Мосэнерго», г. Москва

Защита состоится «28» мая 2014 г. в 14 час. 00 мин. в Малом актовом зале на заседании диссертационного совета Д 212.157.07 в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» и на сайте: www.mpei.ru,

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « 2£» лга/Та 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.07

к.т.н., доцент Ильина И.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Стратегия развития энергетики России предусматривает значительное увеличение генерирующих мощностей ТЭС. Так, в период до 2030 г., для обеспечения прогнозируемого энергопотребления необходимо увеличение производства электрической энергии в 1,7-2,1 раза по сравнению с 2008 г. Существующие темпы ввода нового оборудования в значительной мере отстают от необходимых.

Широко распространенная практика применения вихревых горелок имеет свои недостатки, к которым можно отнести следующие: вихревые горелки, являясь горелками индивидуального действия, требуют повышенного внимания к организации их совместной работы для обеспечения эффективности сжигания топлив при малых избытках воздуха; горение органических топлив в этих горелках начинается в глубине амбразур, что приводит к постепенному обгоранию и короблению лопаточного аппарата и топливораздающих устройств. На многих пылеугольных котлах при использовании вихревых горелок из-за неустойчивого горения угольной пыли при снижении паропроизводительности подсветка газом или мазутом начинается на нагрузках в 70-80 % от номинальных.

Неудовлетворительное состояние атмосферного воздуха в крупных городах и промышленных центрах заставляет все большее внимание уделять вопросу снижения вредных выбросов от оборудования ТЭС и котельных. Эксплуатация котлов, работающих в режиме жидкого шлакоудаления (ЖШУ), сопряжена со значительными выбросами N0,. У большинства котлов этого типа, концентрация оксидов азота в дымовых газах составляет 1200. ..1800 мг/м3, что в 2,5-4 раза превышает концентрации NO* при твердом шлакоудалении (ТШУ). Поэтому важной задачей является проработка возможности перевода существующих котлов с жидким шлакоудалением на удаление шлака в твердом состоянии при нормативном уровне механического недожога топлива. Однако без модернизации процессов горения за счет реконструкции топочно-горелочных устройств и конструкции топочной камеры это является невозможным.

В условиях старения энергетического оборудования и ужесточения экологических нормативов все большую актуальность приобретают вопросы модернизации, организации рациональной работы, повышения надежности, снижения затрат на обслуживание паровых котлов путем внедрения новых малозатратных технологий сжигания органических топлив. К этим технологиям в полной мере относится сжигание топлив в прямоточно-вихревом факеле (ПВФ).

В данной работе предлагаются способы рациональной организации процессов сжигания природного газа, каменного угля и мазута на различных типах паровых

котлов в условиях прямоточно-вихревого факела (в и-образном факеле при встречно-смещенной компоновке горелок и сопл, с тангенциально направленными горелками и в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов), что позволит относительно малозатратными методами решить актуальные вопросы их эксплуатации. Рассматриваются вопросы модернизации котельных агрегатов следующих типов: ТГМП-314, ТП-87 и К-50-14-250, т.е. котлов различных мощностей и типоразмеров, эксплуатируемых на значительном количестве энергетических объектов страны.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является оптимизация сжигания газа, мазута и твердого топлива путем усовершенствования аэродинамики прямоточно-вихревого факела за счет взаимного размещения горелок и сопл на двух противоположных стенах при сопутствующей организации внутритопочной аэродинамики для различных типов паровых котлов.

Научная новизна

В работе показано, что прямоточные горелки и сопла при оптимизации аэродинамики топочного объема могут быть применены на всех типах паровых котлов и всех видах органических топлив. В ряде случаев применение ПВФ при сжигании низкореакционной угольной пыли может позволить отказаться от режима жидкого шлакоудаления и перевести котел на ТШУ при нормативном уровне мехнедожога.

Разработана методика экспериментального определения эжекционной способности прямоточных струй для физических моделей топок котлов.

Разработаны новые схемы организации ПВФ для котлов разных типоразмеров, отличающиеся своей простотой и надежностью, что должно способствовать более широкому внедрению технологий сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле как при реконструкции существующих котлов, так и при проектировании новых.

Достоверность работы

Достоверность результатов достигалась за счет использования апробированных методик исследований на физических моделях при анализе аэродинамики схем сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле (ПВФ) и подтверждена результатами промышленных испытаний реконструированных по разработанным рекомендациям котлов. В расчетах применялись закономерности, являющиеся либо фундаментальными, либо применение которых регламентировано общепринятыми нормативными материалами. При проведении испытаний реконструированных котлов использовались приборы, прошедшие своевременную поверку.

Практическая значимость

Применение ПВФ позволяет значительно снизить выбросы N0* при сжигании всех видов органических топлив, повысить надежность работы системы экранных труб,

снизить затраты на ремонт топочно-горелочных устройств, снизить расходы электроэнергии на тягу и дутье, значительно расширить маневренный диапазон пылеугольных котлов за счет стабилизации пламени и снизить их минимально допустимую нагрузку (по условию устойчивого горения) без подсветки факела высокореакционным топливом.

Разработанная в диссертации технология ступенчатого сжигании угля в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов (ВГТФ) внедрена на четырех паровых котлах К-50-14-250 производственно-отопительной котельной г. Таштагол. В результате реконструкции котлов были получены результаты, подтверждающие высокую эффективность предложенных схем (что отражено в акте о внедрении разработок). Разработанные технологии и рекомендации по реконструкции котлов ТП-87 и ТГМП-314 с организацией сжигания топлив в ПВФ переданы заказчикам (по котлу ТП-87 выполняется рабочее проектирование).

Результаты работы и основные положения по разработке схем ступенчатого сжигания топлив в ПВФ используются в учебном процессе для студентов, обучающихся по специальности «Тепловые электрические станции». Схемы установки топочно-горелочных устройств используются в качестве примеров и иллюстративного материала при изучении студентами внутритопочной аэродинамики.

Личный вклад автора

Личный вклад автора заключается в разработке схем сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле для разных типов паровых котлов, работающих на различных топливах, в проведении исследований на физических моделях топок котлов, разработке и применении методики по определению эжекционнной способности топливных струй на физических моделях, в непосредственном участии в пуско-наладочных испытаниях на реконструированных по указанным разработкам котлах и в составлении режимных карт.

Положения, выносимые на защиту

Автор защищает: основные принципы и положения по разработке и оптимизации, схем сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле в условиях ступенчатого подвода окислителя; разработанные технологические решения по переводу котлов на высокоэффективное сжигание топлив в ПВФ; результаты исследований на физических моделях внутритопочной аэродинамики и промышленных испытаний реконструированных котлов.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были доложены на Четвертой международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (г. Москва, МЭИ, 2011 г.), на Национальной конференции «Повышение

эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» - ИТАЭ-80 (г. Москва, МЭИ, 2012 г.), на Восемнадцатой и Девятнадцатой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ, 2012 и 2013 гг.) и на двух заседаниях кафедры Котельных установок и экологии энергетики «НИУ «МЭИ» в 2013 и 2014 гг.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы отражены в 8 печатных трудах, четыре из которых входят в утвержденный перечень ВАК, а остальные являются тезисами к докладам на конференциях. По разработкам получен патент на изобретение и свидетельство о государственной регистрации базы данных.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников с 97 наименованиями и трех приложений. Объем основной части работы составляет 182 страницы машинописного текста, объем приложений - 15 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации приводится обоснование актуальности темы диссертации, анализ перспектив развития энергетики России, подчеркивается важность модернизации существующего оборудования (в частности котельных агрегатов).

В первой главе выполнен обзор литературы по теме диссертации, в котором отмечено, что подавляющее большинство эксплуатируемых котлов снабжены горелками вихревого типа. На этих котлах имеют место повышенное образование МОх, низкая надежность работы экранных труб и конвективных поверхностей нагрева, малый диапазон маневренности и недостаточные показатели экономичности. Показана определяющая роль аэродинамической организации топочных процессов на эффективность работы котлов при сжигании всех видов энергетических топлив. Таким образом, проблемы повышения надежности, маневренности, экологической безопасности и экономичности работы котлов являются актуальными. Прямоточные горелки имеют следующие значительные преимущества по сравнению с вихревыми: при их использовании образуется меньшее количество оксидов азота; они имеют значительно более простую конструкцию и более высокую степень ремонтопригодности; отличаются меньшим аэродинамическим сопротивлением; компоновка прямоточных горелок и сопл оказывает большое влияние на аэродинамику

факела. Показана важность и правомерность стендовых исследований топочной аэродинамики в изотермических условиях на физических моделях, благодаря которым появляется возможность научно обоснованно разработать рекомендации по оптимизации процесса сжигания различных топлив. Основное соотношение, используемое при расчете изотермических моделей, имеет вид:

Здесь т - масштаб моделирования основных геометрических размеров топки; Я - сечение горелки, либо сопла на котле; £ - проходное сечение горелки, либо сопла на модели; - плотность струи на выходе из горелки, либо сопла на котле; рт! - осредненная по температуре плотность продуктов сгорания в топке на уровне верхних образующих прямоточных горелок, либо сопл.

Важным преимуществом прямоточных горелок и сопл является возможность повышения начальных скоростей истечения струй с целью увеличения степени перемешивания реагентов и принудительного подвода их хвостовых масс к корням свежих горелочных струй противоположных стен.

Во второй главе представлены результаты разработки, исследований и внедрения технологии ступенчатого сжигании кузнецкого угля марки ГР-ГРОК в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов (ВГТФ) для котлов К-50-14-250 производственно-отопительной котельной г. Таштагол. Технология реализуется за счет установки на боковых стенах топки по встречно-смещенной схеме четырех наклоненных вниз прямоточных горелок, четырех сопл вторичного и четырех сопл третичного воздуха. На рис. 1 представлены схемы размещения прямоточных горелок и сопл для котла № 1 (а) и № 2 (б). Различия в компоновках и конструкциях топочно-горелочных устройств были обусловлены поиском оптимальных решений для повышения надежности, экологической безопасности и экономичности работы котлов. По каждой из предложенных схем сжигания топлив разрабатывались и изготавливались физические модели, на которых проводились экспериментальные исследования. В качестве примера на рис. 2 приведены результаты искровых продувок тлеющими опилками модели котла № 2, по которым можно судить о траекториях движения топливных струй, а также струй вторичного и третичного дутья. По разработанным техническим решениям были реконструированы четыре котла данного типа.

На реконструированных котлах №№ 2, 3, 4 и 5 горелки отличаются формой выходных сечений, отметками размещения и углами наклона вниз (рис. 1 (б) и 3). Сопла вторичного воздуха на всех котлах установлены ниже горелок, имеют различные

(1)

углы наклона вниз и выполнены цилиндрическими. При растопках котлов они играют роль мазутных горелок. Сопла третичного воздуха на этих котлах также выполнены цилиндрическими и отличаются отметками их размещения и углами наклона вниз.

а) б)

Рис. 1. Схема установки прямоточных горелок (Г), сопл вторичного воздуха (СВВ) и сопл третичного воздуха (СТВ) на котле К-50-14-250 (цифрами указаны номера горелок и сопл)

а) б) в)

Рис. 2. Характер движения струй Г 3 (а), СВВ 3 (б) и СТВ 3 (в) при искровых продувках (вид через фронтовую стенку модели котла № 2)

Аэродинамика струй горелок на всех реконструированных котлах характеризуется наличием трех тангенциальных горизонтальных факелов в проекциях

на горизонтальное сечение топки, причем соседние факелы вращаются в противоположных направлениях. В вертикальных плоскостях установки горелок их струи и струи вторичного и третичного воздуха направлены тангенциально к вертикальным условным окружностям, образуя вертикальные факельные образования (зоны перемешивания). На котлах №№ 2 и 3 в каждой плоскости установки горелок таких вертикальных тангенциальных образований два, в них продукты сгорания вращаются в противоположные стороны, а на котлах №№ 5 и 4 указанных тангенциальных образований только одно, которое генерируется за счет взаимодействия горелочной струи и струи третичного воздуха. В соседних вертикальных плоскостях установки горелок в зонах тангенциального перемешивания реагентов вращение продуктов сгорания осуществляется в противоположные стороны.

Копш № 3 Котел № 4 Котвп № 5

СТВ1 Г1

Г4 " " 1 " " 1 СВВ1 СТВ4

0ВВ4 — 1

СГВ2 . - 1 - . Г2

ГЯ . 1 . . СВВ2 СТВЗ

сввз --1 ..

Рис. 3, Схемы установки прямоточных горелок и сопл на котлах К-50-14-250

Аэродинамические особенности факела, разработанные с помощью исследований на физических моделях, обеспечивают: рассредоточение ядра факела по ширине, глубине и высоте топки; высокую степень перемешивания реагентов, что обусловлено встречным характером взаимного движения соседних струй, а также продуктов сгорания в соседних вертикальных вихревых образованиях; интенсивный принудительный подвод топочных газов к корням горелочных струй, т.е. осуществление раннего зажигания угольной пыли; защиту боковых экранов топки от динамического давления факелов горелок противоположных стен за счет динамического воздействия на них свежих струй ответных горелок и сопл; использование для горения значительного количества подсосанного в нижние части

топок холодного воздуха в свежие струи горелок и сопл за счет эжекции (по оценкам, проведенным при наладочных испытаниях, величина присосов холодного воздуха на участке топка - котельный пучок на котлах К-50-14-250 составляет 30-35 %).

Следует отметить, что в результате реконструкции котел № 3 стал иметь

уникально-низкую для котлов с ТИГУ величину мехнедожога (не более 0,5 % во всем

эксплуатационном диапазоне нагрузок), что связано с оптимальной компоновкой на

этом котле горелок, сопл вторичного и третичного дутья. На рис. 4 в графическом виде

представлены результаты промышленных испытаний котла № 3.

"СЩГЛ-- гсУ'Т-

Гкал

Гун,

•

«орг

7«.»«

Ьу.Ъ г»

ч С

ЧЛй

Яг Я*

ш

Ч4 Г в

а)

б)

40 тл*

Рис. 4. Основные результаты испытаний котла К-50-14-250 (ст. № 3): а) - содержание горючих веществ в золе уноса (Гу„) в зависимости от избытка организованного воздуха в топке (аорг); б) - экспериментальные данные работы котла в зависимости от паровой нагрузки (£>)

Наилучшие показатели по удельным выбросам оксидов азота на номинальной нагрузке имеют реконструированные котлы №№ 4 и 5 (N0* = 370 и 430 мг/м3 соответственно) в режимах с полным закрытием шиберов перед центральными каналами СВВ. Величина снижения концентраций N0* при закрытии шиберов составляет 75-140 мг/м3 и относится к снижению генерации топливных оксидов азота, поскольку, по данным пирометрии факела, в зоне зажигания температура на 200-220 °С выше, чем в центральной зоне топки (в традиционных топках с вихревыми горелками разница температур обратная). В то же время величины температур газов в зоне зажигания не превышают 1450-1470 °С, т.е. они несколько ниже уровня, характерного для начала образования термических N0*. Отмеченное снижение генерации топливных N0* при уменьшении концентрации кислорода в зоне слияния горелочных струй и струй вторичного воздуха показывает, что процесс образования топливных МОх

является растянутым по времени и по траектории топливной струи. На первом из реконструированных котлов - котле № 2 удельный выброс оксидов азота был снижен с 800-850 мг/м3 до 460-465 мг/м3.

Расчетно-экспериментальная оценка величины принудительной эжекции топочных газов в корни горелочных струй, разработанная автором диссертации, показала, что в условиях аэродинамики ВГТФ интенсивность эжекции в несколько раз выше, чем в затопленных осесимметричных струях с эквивалентным радиусом. Для определения эжекционной способности струй на моделях котлов № 2 и № 1 определялись температурные и скоростные поля струи в пяти сечениях и на выходе из амбразуры при электроподогреве истекающих из горелок потоков. На рис. 5 приведены тепловые границы струи, полученные при проходах термопары, на рис. 6 представлен относительный массовый прирост расхода струи (на этих рисунках ось ОХ направлена по горизонту вдоль фронтовой стенки, ОУ - направлена вертикально, ОХ - направлена горизонтально по боковой стенке, ¿экв - эквивалентный диаметр амбразуры горелки в выходном сечении; I - расстояние от устья горелки по оси струи, отнесенное к эквивалентному диаметру амбразуры, х,у,г- текущие координаты).

гШ,„ гШт

а) б)

Рис. 5, Тепловые границы струи горелки № 3, полученные на физической модели топки котла № 1 (а) и № 2 (б) на различных расстояниях от амбразуры при электрическом подогреве потоков:

а) 1 - I = 1,053; 2-1 = 2,105; 3 - ( = 3,158; 4- Г = 4,211; 5 - Г = 5,264;

б) 1- I = 1,311; 2- Т = 2,622; 3- Г=3,933;4- 1=5,244; 5- 1 = 6,5

Относительное количество эжектируемых топочных газов на начальном участке движения топливовоздушной струи определялось по следующему соотношению:

Я2 • [уун + 0,258 • (йт - УУ„)] а(/е —--1,

(2)

где й - относительный радиус эквивалентной струи; IV - продольная составляющая скорости, отнесенная к скорости на оси струи в начальном ее сечении (индексами "т" и "н" обозначены величины, относящиеся к оси струи в текущем сечении и наружной границе пограничного слоя соответственно); - коэффициент неравномерности скорости для выходного сечения сопла. Все эти величины были определены экспериментальным путем на физических моделях в пяти сечениях струи и на выходе из амбразуры.

до.

А л

У / у

/1 У /

/ У

/ / <1

/ 'V

¿£1

Рис. 6, Относительный массовый прирост расхода струи: 1 - для горелочной струи котла № 2; 2 - для горелочной струи котла № 1 (схема без третичного дутья); 3 - для затопленной осесимметричной струи эквивалентного радиуса

По результатам экспериментальных исследований был сделан вывод о значительном влиянии схемных решений (компоновок прямоточных горелок и сопл вторичного и третичного дутья) на увеличение массы струи за счет эжекции. Так, из рис. 6 видно, что для схемы, внедренной на котле К-50-14-250 ст. № 2, темп прироста массы горелочных струй в 1,1-2,4 раза выше, чем для рекомендованной к внедрению на котле № 1. Поэтому при разработке проекта реконструкции котла № 1 было принято решение вернуться к схеме с третичным дутьем.

В натурных тепловых испытаниях (с участием автора диссертации) на котлах №№ 2, 3, 4, 5 были определены оптимальные режимы сжигания топлив, на основании которых были разработаны режимные карты работы котлов. Повышение эффективности, маневренности и экологической безопасности на реконструированных котлах, а также снижение расхода мазута на подсветку факела за счет более устойчивого горения угольной пыли, подтверждено актом о внедрении.

В третьей главе для котла ТП-87 разработана технология ступенчатого сжигания кузнецкого угля марок ГР, ГРОК и др. в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов (ВГТФ) при переводе котлоагрегата с жидкого шлакоудаления на твердое (рис. 7), которая хорошо себя зарекомендовала на реконструированных котлах К-50-14-250 котельной г. Таштагол. Применительно к топке котла ТП-87, теплонапряжение поперечного сечения которой в два раза больше, чем на котле К-50-14-250, технология ступенчатого сжигания в системе ВГТФ претерпела изменения, направленные на обеспечение бесшлаковочной работы топочных экранов в зоне активного горения угольной пыли. Кроме того, эти изменения были обусловлены и тем, что котлы ТП-87 снабжены системой пылеприготовления с промбункером и подачей пыли высокой концентрации под давлением (ПВКд).

Рис. 7. Компоновочная схема горелок и сопл на котле ТП-87 с ТШУ: а) - на верхней проекции компоновка приведена в нечетных сечениях; б) - на верхней проекции компоновка приведена в четных сечениях

В соответствии с рис. 7 на фронтальной и задней стенах топки рекомендуется установить: 12 горизонтально направленных прямоточных пылеугольных горелок -

сопл первичного воздуха СП, размещенных в шахматном порядке непосредственно над и под соплами вторичного воздуха СВ и являющихся газомазутными растопочными горелками; 12 комбинированных сопл КС, размещенных над СП и СВ первого и второго ярусов; 6 верхних спаренных сопл третичного воздуха СТ, установленных в шахматном порядке; 6 нижних спаренных сопл третичного воздуха СТ, установленных в шахматном порядке с наклоном вниз. Угол установки четырех крайних верхних и нижних сопл СТ уменьшен с 20° до 10° (по горизонтали) по отношению к нормали для исключения динамического давления струй на боковые экраны. Благодаря указанной компоновочной схеме СП, СВ, КС и СТ в зоне активного горения угольной пыли на каждом из четырех уровней их расположения формируется пять горизонтальных тангенциальных вихрей, одновременно, в каждой из шести вертикальных плоскостей I-VI формируются три вертикальные тангенциальные образования (вихря). Любые два сопрягающиеся вихря по горизонтали и вертикали вращаются в противоположные стороны. Каналы СП и СВ должны быть выполнены в общих разводках экранных труб.

С участием автора диссертации получен патент на 'изобретение «Комбинированная пылеугольная горелка». Заявлена конструкция узла СП-СВ, новизна которой заключается в выносе за пределы сопла СВ двух пылеугольных плоских каналов при раздаче пылевоздушной смеси по ним с помощью горизонтального уголкового рассекателя, установленного за трубой ПВК, и вертикального рассекателя, встроенного в амбразуру СП.

Предложена простая формула для оценки распределения горячего воздуха через СП, СВ, КС и СТ (всего 60 параллельных каналов) в требуемых количествах, пропорциональных суммарному сечению одноименных каналов в узком месте:

а, = апFJYF,. (3)

Здесь аге - избыток горячего воздуха на входе в вертикальные воздуховоды; F, - суммарное живое сечение (узкого места) Р21 каналов; - суммарное живое сечение всех каналов.

Как показали исследования на изотермической модели, благодаря указанной аэродинамике: положение зоны активного горения стабильно; обеспечено надежное рассредоточение ядра факела по ширине, глубине и высоте топочного объема; осуществляется принудительный подвод продуктов сгорания, содержащих недожженное топливо, в корни струй СП, СВ, КС и СТ, чем обеспечивается значительная внутритопочная рециркуляция газов. Так, при подаче тлеющих опилок в центральные каналы СП, СВ, КС и СТ некоторая часть хвостовых их следов доходит

практически до боковых стен модели, что свидетельствует о значительном поперечном массопереносе (и, косвенно, о высокой степени турбулентности продуктов сгорания).

Результаты многовариантных позонных и поверочных тепловых расчетов топки и котла в целом показали, что после реконструкции котла ТП-87 с переводом на ТШУ: будет обеспечен бесшлаковочный режим работы экранных труб в зоне активного горения угольной пыли; температура продуктов сгорания на выходе из топки не превысит 1120 °С при номинальной мощности; КПД котла «брутто» будет не менее 92,7 % при выполнении топочных экранов газоплотными.

На основе экспериментальной зависимости комплексного показателя эффективности работы котлов от режимно-конструктивного параметра зажигания (рис, 8) на реконструированном котле ТП-87 с ТШУ наиболее вероятным является достижение следующих показателей: минимальная располагаемая нагрузка котла по условию устойчивости горения пылеугольного факела без подсветки мазутом составит 275 т/ч (сейчас эта нагрузка составляет 300-320 т/ч по условию надежного выхода жидкого шлака); длительная располагаемая нагрузка котла по условию обеспечения тяги повысится с 380 до 420 т/ч; удельный выброс NOx составит 310 мг/м3, тогда как в настоящее время он находится на уровне 1150-1200 мг/м3; величина механического недожога топлива в режиме твердого удаления шлака не превысит 1 %.

3,5 3 2 1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Рис. 8. Экспериментальная зависимость комплексной эффективности работы котлов на кузнецком угле от величины режимно-конструктивного параметра зажигания:

1 - котлы ПК-10 Южно-Кузбасской ГРЭС (осредненные данные), уголь TP; 2-котел БКЗ-220-100Ф (ст. № 17) Кузнецкой ТЭЦ, тангенциальные горелки, прямое вдувание, ступенчатое сжигание, уголь ГР; 3 - котел БКЗ-210-140Ф (ст. № б) Западно-Сибирской ТЭЦ, тангенциальные горелки, ступенчатое сжигание, уголь ГР; 4 - котел ТП-10 (ст. № 7) Томь-Усинской ГРЭС, тангенциальные горелки, ступенчатое сжигание, уголь ГРОК; 5 - котел БКЗ-210-140Ф (ст. № 5) Западно-Сибирской ТЭЦ, ступенчатое сжигание в U-образном факеле, уголь ГР; 6 - котел К-50-14-250 (ст. № 2) котельной г. Таштагол, ступенчатое сжигание в системе ВГТФ, уголь ГР

Л

__—

3 V , Ч& ТП-87 | -

1 г, А а

и К э

Режимно-конструктивный (комплексный) параметр зажигания имеет вид:

К3 = (ПоШгсг)(^/И,т)/аг, (4)

где По - суммарный периметр непосредственного контакта пылевоздушной смеси с топочными газами в выходном сечении горелок; Пгсг - периметр горизонтального сечения топки; У и Уг - соответственно содержание летучих веществ в сжигаемом угле, подсчитанное на его рабочую массу, и то же - для нормативного тощего кузнецкого угля; аг - коэффициент избытка воздуха на выходе из горелок.

Комплексный показатель эффективности работы котлов может быть оценен как произведение трех относительных показателей:

Эк = (947д4ф)(КОхН/КОхф)фном//)ии„), (5)

где д4Н и - соответственно нормативное и фактическое значения механического недожога; ИОх" и N0/ - нормативная и фактическая концентрация оксидов азота в уходящих газах, соответственно; Дюм и Лмин - соответственно номинальная и минимальная нагрузки котла, причем последняя из них отвечает устойчивому горению факела без подсветки мазутом.

В настоящее время осуществляется выполнение рабочего проекта реконструкции котла ТП-87 на основе разработанных технических решений (что отмечено в отзыве о разработке),

В четвертой главе приведен анализ работы двух котлов ТГМП-314 ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго», снабженных горелками ГМПВ-40. Эти горелки направлены тангенциально к двум условным вертикальным поверхностям тел вращения. Основной недостаток работы котлов - превышение на 100 мг/м3 нормативного уровня удельного выброса N0* при сжигании газа и на 50 мг/м3 при сжигании мазута. Это объясняется концентрированием факела в двух мощных вихревых зонах.

С целью снижения до нормативов удельных выбросов N0* при сжигании газа и мазута на котлах ТГМП-314 (ст. Ж№ 5, б) ТЭЦ-23 и повышения надежности работы топок этих котлов при сжигании резервного топлива - мазута, разработана технология ступенчатого сжигания указанных топлив в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов (ВГТФ). Разработка предусматривает использование прямоточных горелок, а также сопл вторичного и третичного воздуха. При этом для минимизации затрат на реконструкцию котлов предполагается сохранение существующих разводок экранных труб и трассировок подводящих воздуховодов.

На основании исследований аэродинамики струй на изотермической модели была разработана компоновочная схема горелок и сопл, представленная на рис. 9.

Как показали исследования на изотермической модели, аэродинамика струй прямоточных горелок, сопл вторичного и третичного воздуха характеризуется следующими особенностями: надежным рассредоточением ядра горения по ширине, глубине и высоте зоны активного горения, что снизит максимальный температурный уровень факела; повышенными скоростями истечения струй и суммарным периметром эжекции на выходе из горелок и сопл, а также принудительным подводом топочных газов, содержащих продукты недожога, к корням свежих струй, что обеспечит значительную степень внутритопочной рециркуляции продуктов сгорания и, как следствие, высокую экономичность и экологическую эффективность процесса трехступенчатого сжигания; в топке исключены зоны возможного повышенного динамического давления мазутного факела с восстановительной средой на экранные трубы, что наряду с понижением температурного уровня снизит вероятность возникновения сероводородной коррозии. На основании вышеизложенного, а также трехступенчатого ввода воздуха в факел концентрация оксидов азота в продуктах сгорания природного газа и мазута будет снижена до нормативных значений.

Фронт пллк

в)

Рис. 9. Предлагаемые компоновочные схемы прямоточных горелок и сопл: а) - горелки и сопла вторичного дутья первого яруса; б) - горелки и сопла вторичного дутья второго яруса; в) - расположение сопл третичного дутья

Предложена надежная конструкция прямоточной газомазутной горелки, обеспечивающая ее простоту, низкую стоимость изготовления и высокую ремонтопригодность по сравнению с используемой в настоящее время на этих котлах. Разработанная схема обсуждалась и получила одобрение на совместном техническом совещании специалистов ТЭЦ-23 и МЭИ, в ближайшее время будет начато рабочее проектирование. Предложенный способ трехступенчатого сжигания газа и мазута в системе ВГТФ может быть рекомендован для внедрения не только на котлах ТГМП-314 (ст. №№ 5, б) ТЭЦ-23, но и на серийных котлах этого типа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Показано, что прямоточные горелки имеют значительные преимущества по сравнению с вихревыми и могут эффективно применяться при сжигании угля, природного газа и мазута при оптимизации аэродинамики топочной камеры.

2. Разработаны основные положения по оптимизации сжигания топлив с использованием прямоточных горелок и сопл: рассредоточение высокотемпературного ядра факела для снижения и выравнивания температур в зоне активного горения; увеличение периметра зажигания топливных струй; увеличение внутренней рециркуляции дымовых газов (подмешивания горячих топочных газов) к корням свежих горелочных струй; организация эффективного ступенчатого сжигания топлива; исключение зон повышенного динамического давления факела на топочные экраны.

3. Разработана методика экспериментального определения интенсивности внутренней рециркуляции дымовых газов при проведении исследований на физических моделях топочных камер, что позволяет оценить эффективность различных решений организации сжигания топлив с использованием прямоточных горелок и сопл.

4. С использованием разработанных методик проведены исследования, разработаны рекомендации и технические решения по реконструкции котлов, работающих на различных видах топлив.

5. По разработанным рекомендациям реконструированы четыре паровых котла К-50-14-250 производственно-отопительной котельной г. Таштагол, где внедрена новая технология сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов (ВГТФ) при прямом вдувании угольной пыли в топку. После реконструкции значительно расширен маневренный диапазон котлов (минимальная нагрузка составила 30-40 % от номинала); повышена до номинальной длительная располагаемая паровая нагрузка; на 2,5-4,5 % повышен КПД котлов (за счет снижения величины мехнедожога топлив на 2,5-3 % и уменьшения коэффициента

избытка воздуха в уходящих газах); более чем на 400 мг/м3 снижена концентрация оксидов азота в дымовых газах; достигнута высокая устойчивость горения пылеугольного факела и, как следствие, снижен расход мазута на его подсветку.

6. Разработана технология сжигания пыли высокой концентрации в системе ВГТФ применительно к котлу ТП-87 Западно-Сибирской ТЭЦ при его переводе с жидкого шлакоудаления на твердое. В настоящее время осуществляется рабочее проектирование по реализации этой схемы на котле № 9. По расчетно-теоретическим и экспериментальным оценкам после реконструкции котла ТП-87 будут достигнуты следующие показатели: длительная бесшлаковочная работа экранных труб в зоне активного горения угольной пыли; КПД «брутто» котла составит не менее 92,7 % при выполнении топочных экранов газоплотными; минимальная длительная нагрузка котла без подсветки пылеугольного факела высокореакционным топливом составит 275 т/ч; диапазон располагаемых нагрузок котла будет увеличен с 60-80 т/ч до 145 т/ч; удельный выброс оксидов азота с дымовыми газами будет снижен с 1150-1200 мг/м3 до 310 мг/м3; величина механического недожога топлива в режиме ТШУ не превысит 1 %.

7. Разработана технология сжигания газа и мазута в прямоточно-вихревом факеле (ПВФ) в системе ВГТФ применительно к котлу сверхкритического давления ТГМП-314. Внедрение разработок позволит снизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах до нормативного уровня при сжигании природного газа и мазута, исключить зоны повышенного динамического давления факела на экранные поверхности нагрева при сжигании мазута, свести к минимуму вероятность возникновения высокотемпературной коррозии панелей нижней радиационной части.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Зройчиков Н.А. Оптимизация аэродинамики факела п конструкции тапгепциально направленных горелок на котле ТГМП-314 / Зройчиков Н.А., Прохоров В.Б., Архипов А.М., Киричков B.C. // Теплоэнергетика. - 2011. - № 8. ~ С. 27-31.

2. Киричков B.C. Модельные исследования аэродинамики ирямоточно-вихревого факела применительно к котлу ТГМП-314 / Киричков B.C., Архипов А.М., Прохоров В.Б. // Теплоэнергетика. - 2013. - № 6. - С. 24-29.

3. Архипов A.M. Влияние аэродинамики факела и эксплуатационных факторов па уровень мехнедожога на реконструированных котлах К-50-14-250 / Архипов А.М., Канунников А.А., Киричков B.C. и др. // Энергосбережение и водоподготовка. - 2013. - № 6. - С. 38-43.

4. Киричков B.C. Разработка и исследование технологии сжигания кузнецкого каменного угля на котлах ТП-87 при их переводе на твердое шлакоудаление / Киричков B.C., Прохоров В.Б., Архипов A.M. // Энергосбережение и водонодготовка. - 2014. - № 1. - С. 56-62.

5. Комбинированная пылеугольная горелка / Прохоров В.Б., Архипов А.М., Киричков B.C. Патент на изобретение № 2511947 от 10 апреля 2014 г. - М: Роспатент, бюллетень № 10,2014 г.

6. База данных мониторинга энергетических и экологических показателей объектов теплоэнергетики на территории Москвы «MosPowerHeat» / Прохоров В.Б., Киричков B.C., Григорьев И.В. и др. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2013620174 от 9 января 2013 г. - М.: Роспатент, 2013 г.

7. Прохоров В.Б. Разработка и модельные исследования схемы сжигания газа и мазута в прямоточно-вихревом факеле на котлах ТГМП-314 / Прохоров В.Б., Архипов A.M., Киричков B.C. // Тезисы докладов IV Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». - М.: Издательский дом МЭИ, 2011 г.-С. 256-257.

8. Зройчиков H.A. Исследование на модели с целью разработки рекомендаций по реконструкции котла ТГМП-314 для сжигания топлива в прямоточно-вихревом факеле / Зройчиков H.A., Архипов А.М., Киричков B.C., Прохоров В.Б. // Тезисы докладов Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» -ИТАЭ-80. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012 г. - С. 67-68.

9. Киричков B.C. Моделирование аэродинамики прямоточно-вихревого факела в изотермических условиях / Киричков B.C., Прохоров В.Б., Архипов A.M. // Тезисы докладов XVIII Междунар. науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Т. 4, - М.: Издательский дом МЭИ, 2012 г. - С. 115-116.

10. Киричков B.C. Практическое применение методов моделирования аэродинамики прямоточных струй в топочном объеме / Киричков B.C., Фоменко М.В., Архипов A.M., Прохоров В.Б. // Тезисы докладов XIX Междунар. науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Т. 4, - М.: Издательский дом МЭИ, 2013 г.-С. 79.

Подписано в печать UjMJML

Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул., д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

04201457605 На правах рукописи

УДК 621.311.22:621.18:621.182:502

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМ СЖИГАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТОПЛИВ В ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВОМ ФАКЕЛЕ В

ПАРОВЫХ КОТЛАХ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор ПРОХОРОВ Вадим Борисович

Москва-2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение................................................................................. 5

1. Обзор литературы, постановка задач исследования, моделирование топочной аэродинамики................................................ 12

1.1. Обзор литературы по существующим схемам сжигания топлив в топках котлов.............................................. 12

1.2. Снижение выбросов оксидов азота путем оптимизации топочной аэродинамики............................................ 24

1.3. Влияние особенностей аэродинамики факела на комплексную эффективность работы котлов....................... 29

1.3.1. Проблемы обеспечения надежности и маневренности работы котлов............................................................ 29

1.3.2. Проблемы обеспечения экологической эффективности и экономичности работы котлов.................................... 33

1.3.3. Комплексное преимущество использования прямоточных горелок по сравнению с вихревыми в условиях сопутствующей оптимизации аэродинамики факела в топочной камере.................................................................. 35

1.4. Цели и задачи настоящей работы................................. 36

1.5. Моделирование аэродинамики топочного объема............ 37

Выводы по главе 1...................................................................... 43

2. Разработка и исследование схемы сжигания кузнецкого каменного угля на котлах К-50-14-250.............................................. 46

2.1. Краткое описание парового котла К-50-14-250 и основные недостатки в его работе при сжигании топлив с использованием вихревых горелок........................................... 46

2.2. Разработка схем для перехода на сжигание каменных углей в и-образном прямоточно-вихревом факеле.............. 50

2.2.1. Схема организации топочной аэродинамики и исследования на модели применительно к котлу № 2..................... 50

2.2.2. Предлагаемая для реконструкции схема сжигания топлив

на котле № 1........................................................... 62

2.2.3. Различия в схемах установки прямоточных горелок и сопл на котлах №№ 2, 3, 4, 5....................................... 70

2.3. Методика изучения развития прямоточных струй в объеме модели.............................................................. 73

2.4. Исследования топочной аэродинамики котлов с U-образным прямоточно-вихревым факелом на изотермических моделях........................................................ 76

2.5. Основные результаты испытаний котлов К-50-14-250 после реконструкции................................................... 85

Выводы по главе II..................................................................... 99

3. Исследование технологий сжигания кузнецкого каменного угля

на котлах ТП-87 при их переводе на твердое шлакоудаление...... 103

3.1. Описание котла ТП-87 и причины его низкой надежности

и экологической эффективности.................................. 103

3.2. Проблемы перевода котла ТП-87 на режим твердого удаления шлака........................................................... 105

3.3. Разработка схемы сжигания пыли высокой концентрации в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов (ВГТФ)................................................. 107

3.3.1. Компоновочная схема для ступенчатого сжигания угольной пыли............................................................... 107

3.3.2. Конструктивные особенности предлагаемых горелок и сопл для котла ТП-87................................................ 111

3.4. Метод расчетной оценки распределения потоков горячего воздуха через горелки и сопла котла ТП-87 и конструктивные особенности воздушного тракта........................ 116

3.5. Результаты исследований топочной аэродинамики на изотермической модели................................................. 118

3.6. Оценка эффективности предложенной реконструкции то-почно-горелочных устройств...................................... 134

Выводы по главе III................................................................... 138

4. Исследование и оптимизация аэродинамики топочной камеры котла ТГМП-314 при сжигании природного газа и мазута в пря-моточно-вихревом факеле................................................... 142

4.1. Краткое описание прямоточного котла сверхкритического давления типа ТГМП-314 и существующей технологии сжигания топлив...................................................... 142

4.2. Предлагаемая схема сжигания газа и мазута.................. 148

4.3. Конструктивные особенности прямоточных горелок для котла ТГМП-314...................................................... 151

4.4. Исследования на физической модели аэродинамики топки

при трехступенчатом сжигании топлив..................................................157

Выводы по главе IV......................................................................................................................................168

Заключение..............................................................................................................................................................171

Список использованных источников............................................................................................174

Приложения..........................................................................................................................................................183

Приложение I. Акт о внедрении, отзыв о разработке и диплом за доклад

на конференции..................................................................................................................................................184

Приложение II. Описание патента и свидетельство о государственной регистрации базы данных............................................................ 188

Приложение III. Протокол совместного технического совещания специалистов МЭИ и ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго»................................... 196

ВВЕДЕНИЕ

Энергетика является одной из важнейших отраслей народного хозяйства, от нормального функционирования которой во многом зависит развитие различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, транспорта и жилищно-коммунального сектора, а также и стратегическая безопасности нашей страны.

Стратегия развития энергетики России предусматривает значительное увеличение генерирующих мощностей ТЭС в ближайшее время. По данным [1] в период до 2030 г. для обеспечения прогнозируемого энергопотребления России необходимо увеличение производства электрической энергии в 1,7-2,1 раза по сравнению с 2008 г. для чего нужно ввести до 127-170 ГВт мощностей на ТЭС. Существующие темпы ввода нового оборудования в значительной мере отстают от необходимых. Для замены постепенно выводимого оборудования необходимо введение до 6-7 млн кВт генерирующих мощностей в год.

Вместе с тем, уже сейчас происходит лавинообразное нарастание морального и физического старения энергетического оборудования, значительная часть которого находится на техническом уровне, соответствующем 60-70 гг. XX века. В этих условиях все большее значение имеет модернизация существующих установок. Доля устаревшего оборудования в энергетики России составляет более 40 % [1].

В настоящее время продолжает происходить постепенное снижение потенциала отечественного машиностроительного комплекса, что в дальнейшем приведет к значительному отставанию в проектировании, внедрении и освоении новых технологий получения электрической и тепловой видов энергий.

По оценкам, приведенным в [2] разведанных запасов угля хватит более чем на 200 лет, природного газа и нефти на 50-70 лет. Эти цифры могут быть существенно скорректированы (в сторону увеличения) за счет открытия новых месторождений и применения усовершенствованных технологий добычи топлив.

Доля электроэнергии, вырабатываемой на ТЭС, составляет около 68 % [1] и в ближайшей перспективе не должна значительно измениться. Основу производства составляют паровые энергетические котлы, в которых химическая энергия, заключенная в органическом топливе переходит в тепловую. Основными топливами, сжигаемыми в паровых котлах являются (по состоянию на 2008 г. по данным [1]): природный газ - 70,3 %, каменные угли -26 %, мазут - 1,7 %, прочие виды топлива - 2 %. Т.е. можно говорить об очень высокой зависимости энергетики от природного газа, что может негативно сказаться на надежности функционирования энергосистемы. Поэтому в энергетике России в ближайшей перспективе намечено увеличение доли угля с одновременным совершенствованием технологий его сжигания, направленных на снижение негативного воздействия на атмосферу и экономию топливно-энергетических ресурсов.

В условиях старения энергетического оборудования и ужесточения экологических нормативов все большую актуальность приобретают вопросы модернизации, организации рациональной работы, повышения надежности, снижения затрат на обслуживание котельных агрегатов. В данной работе предлагаются различные методы и способы организации сжигания энергетических топлив в паровых котлах в условиях прямоточно-вихревого факела (в И-образном факеле при встречно-смещенной компоновке горелок и сопл, с тангенциально направленными горелками и в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов), что позволит относительно малозатратными методами решить актуальные вопросы эксплуатации котлов.

В работе охватываются вопросы рациональной организации процессов сжигания природного газа, каменного угля и мазута на различных типах паровых котлов. Такой перечень топлив продиктован несколькими причинами: во-первых, высока доля природного газа, и представляется сомнительным ее резкое снижение в балансе; во-вторых, каменный уголь по сравнению с газом является более дешевым видом топлива и в ближайшей перспективе его доля должна значительно возрасти (к 2030 г. потребление угля в стране возрастет примерно в 1,5-1,9 раза [1]); в-третьих, хотя доля мазута мала, но он не перестает являться растопочным для котлов, работающих на низкореакционных видах топлив, топливом для подсветки факела при неустойчивом горении, либо

для организации устойчивого выхода жидкого шлака, а также резервным видом топлива, запас которого необходим на случай перебоев с основным. Рассматриваются вопросы модернизации котельных агрегатов следующих типов: ТГМП-314, ТП-87 и К-50-14-250, т.е. котлов различных мощностей и типоразмеров, эксплуатируемых на значительном количестве энергетических объектов страны.

Неудовлетворительное состояние атмосферного воздуха в крупных городах и промышленных центрах заставляет все большее внимание уделять вопросу снижения вредных выбросов от котельного оборудования тепловых электрических станций и котельных. По данным [3, 4] в России примерно 14-16 % объема вредных выбросов в атмосферный воздух от всех промышленных предприятий и транспорта приходится на энергетику.

При сжигании органических топлив в котлах в нашей стране установлены допустимые уровни концентраций основных загрязняющих веществ в дымовых газах [5] (к ним относятся оксиды азота, оксиды серы, окись углерода и зола), однако на практике зачастую не удается их обеспечить. В дальнейшем планируется еще большее ужесточение норм по выбросам [6]. В тоже время системы очистки дымовых газов от соединений азота и серы применяются достаточно редко ввиду большой стоимости их изготовления и эксплуатации. В [3] отмечено, что целесообразно применять очистку дымовых газов от вредных выбросов лишь в случае, когда возможности режимных методов исчерпаны.

Сжигание топлив с минимально допустимыми избытками воздуха, рациональная организация аэродинамики топочного объема, применение схем многоступенчатого сжигания топлив, введение рециркуляции продуктов сгорания в зону активного горения применяются для снижения выбросов оксидов азота. Комбинация этих методов позволяет снизить выбросы оксидов азота более чем на 40-50 % и даже до 60 % [4, 6, 7] от первоначального уровня, причем меньшие значения относятся к твердому топливу, большие к газообразному.

По данным [8] при сжигании каменных углей на величину выхода Ж)х оказывает значительное влияние скорость прогрева струи топлива и избыток первичного воздуха в аэропыли (за счет воздействия на механизм образования топливных оксидов).

Широко распространенная практика применения вихревых горелок имеет свои недостатки, к которым можно отнести следующие:

• вихревые горелки, являясь горелками индивидуального действия, требуют повышенного внимания к организации их совместной работы для обеспечения эффективности сжигания топлив при малых избытках воздуха;

• горение органических топлив в этих горелках начинается в глубине амбразур, что приводит к постепенному обгоранию и короблению лопаточного аппарата и топливораздающих устройств.

В [9] отмечено, что значительные результаты по энергосбережению и экономию топливных ресурсов могут быть достигнуты за счет снижения расхода мазута на подсветку факела малореакционных топлив путем внедрения новых технологий их сжигания; модернизации отопительных котельных и использования высокоэффективных горелочных устройств на них; повышения эффективности сжигания природного газа. На многих пылеугольных котлах при использовании вихревых горелок из-за неустойчивого горения угольной пыли при снижении паропроизводительности подсветка газом или мазутом начинается на нагрузках в 70-80 % [10, 11] от номинальных.

Эксплуатация котлов, работающих в режиме жидкого шлакоудаления, сопряжена со значительными выбросами NOx. У большинства котлов этого типа, концентрация оксидов азота в дымовых газах составляет 1200... 1800 мг/м3, что в 2,5-4 раза превышает концентрации NOx при твердом шлакоудалении. Поэтому важной задачей является проработка возможности перевода существующих котлов с жидким шлакоудалением на удаление шлака в твердом состоянии при нормативном уровне механического недожога топлива, что позволит значительно сократить выбросы NOx. Однако без модернизации процессов горения за счет реконструкции топочно-горелочных устройств и конструкции топочной камеры это является невозможным.

Таким образом, становится все более актуальным внедрение новых малозатратных технологий сжигания органических топлив. К этим технологиям автор диссертации в полной мере относит сжигание топлив в прямоточно-вихревом факеле (ПВФ), получившим такое название ввиду того, что при применении прямоточных горелок и сопл (лишенных всяческих завихривающих

аппаратов), являющимися горелками ухудшенного перемешивания, подвод окислителя к топливу происходит уже в топочном объеме при значительной турбулизации струй и внутритопочной рециркуляции газов.

Эффективное применение прямоточных горелок и сопл возможно только при оптимизации аэродинамики топок котлов, которая достигается исследованиями на физических моделях топки. Это препятствует унификации применяемых схемных решений и широкому внедрению прямоточных горелок и сопл в энергетике.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является оптимизация сжигания газа, мазута и твердого топлива путем усовершенствования аэродинамики прямоточно-вихревого факела за счет взаимного размещения горелок и сопл на двух противоположных стенах при сопутствующей организации внутритопочной аэродинамики для различных типов паровых котлов.

Научная новизна

В работе показано, что вопреки распространенному мнению прямоточные горелки и сопла при оптимизации аэродинамики топочного объема могут быть применены на всех типах паровых котлов и всех видах органических топлив, в том числе и для углей с малым выходом летучих веществ. В ряде случаев применение ПВФ при сжигании низкореакционной угольной пыли может позволить отказаться от режима жидкого шлакоудаления и перевести котел на ТШУ при нормативном уровне мехнедожога.

Разработана методика экспериментального определения эжекционной способности прямоточных струй для физических моделей топок котлов.

Разработаны новые схемы организации ПВФ для котлов разных типоразмеров, отличающиеся своей простотой и надежностью, что должно способствовать более широкому внедрению технологий сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле как при реконструкции существующих котлов, так и при проектировании новых.

Достоверность работы

Достоверность результатов достигалась за счет использования апробированных методик исследований на физических моделях при анализе аэродинамики схем сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле (ПВФ) и подтверждена результатами промышленных испытаний реконструированных по разработанным рекомендациям котлов. В расчетах применялись закономерности, являющиеся либо фундаментальными, либо применение которых регламентировано общепринятыми нормативными материалами. При проведении испытаний реконструированных котлов использовались приборы, прошедшие своевременную поверку.

Практическая значимость

Применение ПВФ позволяет значительно снизить выбросы ИОх при сжигании всех видов органических топлив, повысить надежность работы системы экранных труб, снизить затраты на ремонт топочно-горелочных устройств, снизить расходы электроэнергии на тягу и дутье, значит�