автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка, исследование и результаты внедрения трехступенчатого сжигания газа и мазута на котле с призматической топкой

I !а правах рукописи

РГН од

Юрков Дмитрий Александрович 1.1. Л "

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЯ II РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ТРЕХСТУПЕНЧАТОГО СЖИГАНИЯ ГАМ И МАЗУТА НА КОТЛЕ С ПРИЗМАТИЧЕСКОЙ ТОПКОЙ

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции

(тепловая часть)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена на кафедре Котельных установок и экологии энергетики Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель:

кандидат технических наук профессор Липов Ю.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Росляков П.В., кандидат технических наук профессор Марченко Е.М.

Ведущая организация:

ОАО НИ и ПИИ ТЭП (Нижегородский филиал)

Защита состоится «22» ноября 2000г. в 14 час. 00 мин. в ауд. Б-205 на заседании диссертационного Совета К 053.16.01 в Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу:

111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ(ТУ).

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совет; к.т.п., с.н.с.

ЗЗб/.Я-л/г* 3-П/.0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальноеть работы. В настоящее время проблема защиты атмосферного зоздуха от выбросов вредных веществ (в част мости, ш оксидов азота МОч) с /ходящими газами котлов тепловых электростанций становится все более цегуальной.

В МЭИ имеется положительный опыт использования двухступенчатого ;жигания газа и мазута в прямой очно-вихревом факеле (Г1ВФ) на ряде котлов, согда в результате малозатратной реконструкции образование оксидов азота в гопке было существенно снижено. Новая технология трехступенчатого сжигания лазута и газа в ПВФ была внедрена на котле БКЗ-420ПГМ Дзержинской ТЭЦ, что юзволило значительно сократить выбросы оксидов азота в атмосферу. Данная забота посвящена вопросам разработки указанной технологии, а также юзультатам ее промышленных, модельных и расчетных исследований, с целью ;овершенствования и дальнейшего использования на ТЭС. Цель работы.

• разработка аэродинамики ступенчатого способа сжигания газа и мазута для :нижения образования ЫОх применительно к компоновке когда 1ЖЗ-42011ГМ;

• усовершенствование методов изотермического моделирования гоночной иродинамики и программ теплового расчета топок котлов с прямоточно-1ихревым факелом;

• проведение промышленных исследований разработанной технологии тупенчатого сжигания газа и мазут;

» обобщение результатов промышленных исследований и разработка •екомендаций по дальнейшему внедрению данной технологии на уже уществующих и вновь проектируемых котлах.

Научная новнзна диссертационной работы заключается в следующем; . Разработана новая технология трехступенчатого сжигания газа и мазута в прямоточно-вихревом факеле для котла БКЗ-420ПГМ, которая защищена патентом РФ.

. Усовершенствована методика изотермического моделирования топочной аэродинамики.

3. Разработан алгоритм трехмерного численного моделирования аэродипамик ПВФ в изотермических условиях.

4. Экспериментально определён низкий уровень образования оксидов азота пр трехступенчатом сжигании газа и мазута, а также при их совместно! сжигании.

5. На основе промышленных исследований и расчетов выявлена зависимост образования термических оксидов азота от роста внутренних отложений экранных трубах котлов при одноступенчатом сжигании топлив.

6. Выявлен уровень внутренних отложений, при которых возможн сероводородная коррозия топочных экранов на котлах высокого давления.

7. Экспериментально подтверждена возможность интенсивной генерации БСЬ н котлах с относительно невысокими топками в условиях ступенчатого сжигани мазута «но вертикали».

8. Уточнены методы тепловых расчетов топки при ступенчатом сжигании газа : мазута в прямоточно-вихревом факеле.

Степень достоверности результатов обеспечивается использование! общепризнанных методик тепловых расчетов котлов, апробированных методо изотермического моделирования, использованием для эксперименте госповеренных приборов, удовлетворительным совпадением результате теоретических разработок и промышленных исследований.

Практическая ценность работы.

1. В результате внедрения на котле БКЗ-420ПГМ технологии трехступенчатог сжигания газа и мазута выброс оксидов азота снижен до уровн международных стандартов.

2. Показано, что метод численного изотермического моделирования можн применять при разработке новых схем ступенчатого сжигания дл прогнозирования аэродинамической картины взаимодействия потоков в топка котлов.

3. При позонных тепловых расчетах топок с ПВФ ьведен учет конвективно! составляющей теплопередачи факела к экранным трубам.

Ч

. Выявлено линейное возрастание концешрации серного ангидрида (ХОО 01 доли сжигания мазута и преимущественное образование .Ч(>1 в конечной низкотемиеразурной части факела. . Показано, что на котлах высокого давления с трехступенчатым сжиганием топлив сероводородная коррозия может возникать при наличии в жранных трубах отложений более 360 |/м*. Личный вклад автора заключается:

> в разработке технологии и оптимизации трехступенчатого сжигания газа и азута;

> в проведении модельных и промышленных исследований технологии, ыполнении расчетов и анализе результатов.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались:

1 на II Международной научно- технической конференции "Новые методы и зедства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики" .Москва, 1995 г.);

1 на конференции молодых специалистов «Электроэнергегика-2000» (г.Москва, 300г.);

на заседаниях кафедры КУ и ЭЭ МЭИ. По результатам диссертации имеется 9 публикаций.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и эиложёний. Содержание работы изложено на 149 стр. машинописного текста, иисок литературы содержит 52 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении диссертации показана актуальность работы при нынешнем »стоянии атмосферы, особенно в больших промышленных городах, где защите - выбросов ЫОч должно уделяться все более возрастающее внимание.

В первой главе рассмотрены физико-химические основы процессов сжигани: природног о газа и мазута в топках энергетических котлов. 11а основе результате: опубликованных работ проанализировало влияние режимных и конструктивны: факторов на образование в факеле оксидов азота и серы, рассмотрены услови: снижения коррозионного разрушения и загрязнения поверхностей нагрева котло при сжигании мазуга.

Дана характеристика применяемых в настоящее время технологически: методов снижения выбросов N0* на газомазутных котлах. Отмечены и: достоинства и недостатки.

Показана комплексная эффективность ступенчатого способа сжигания газа 1 мазута в ПВФ на основе анализа результатов промышленных испытаний котлов реконструированных по разработкам кафедры «Котельные установки и экологи: энергетики" МЭИ и перспективность его внедрения на различных типа: энергетических и водогрейных котлов.

Вторая глава посвящена методам и результатам экспериментального 1 расчетного изотермического моделирования аэродинамики потоков в топка котлов с организацией ступенчатого сжигания газа и мазута.

Определяющим условием изотермического моделирования являете: обеспечение равенства на реальном котле и на модели отношений начальны: динамических напоров горелочных струй (струй дутья) и взаимодействующего ними потока топочных газов:

Соблюдение этого условия, по данным многочисленных работ, выполненных МЭИ, обеспечивает достаточную для практических целей идентичност аэродинамической картины в реальной топке и на модели.

В данной работе вместо применяемого ранее в МЭИ относительной уменьшения простенка между горелками предложено выполнить относительно увеличение проходного сечения горелки / в соответствии с формулой

(Ь,ор.)|

ор./к'(И.1а'

I ( Ь|Ор.)|

ор./модс.ш

в

где Р - проходное сечение реальной горелки; ш - масштаб уменьшения абаритных размеров топки; Т, и Т,„ - абсолютные температуры соответственно азов и горячего воздуха.

Предлагаемый подход обеспечивает на реальном котле и на модели :облюдение геометрического подобия горизонтального сечения топки и :омпоиовки горелок с сохранением возможного угла их наклона в оризонталыгой плоскости.

На рис.1 представлены варианты компоновки топочно-горелочных устройств 1а котле ГЖЗ-420Г1ГМ, внедренные в результате I и II этапов реконструкции казанного котла. Эти варианты разработаны на основе модельных исследований :а изотермических стендах с масштабом моделирования т 1:40.

г > : 17.5 >

мг 1 1 5 1 Я" мг С Г 5 49 С1

I мг 1 и 1 1 5р52 ГМГ 1 мг 5 СИ <>.7 1 мг

1 ! г J СИ

СР ГГ4-^. 1 ^ч Iй СР м 4-

Ш 1_и

а) б)

Рис.1. Компоновка горелок (сопл) на котле БЮ-420ПГМ после I (а) и II (б) этапов реконструкции.

В первом варианте компоновочной схемы на фронтальной и задней стенах эпки (рис. 1.а.) было установлено 16 горелок - по 4 в каждом ярусе данной гены. Горелки одного яруса противоположных стен смешены относительно друг руга примерно на половину горизонтального шага при шахматном «¿положении горелок на каждой стснс. Нижние горелки (ГМГ) выполнены в

газомазупюм исполнении и наклонены вниз на угол 25°. Верхние мазутиы горелки (МГ) имеют наклон вниз на угол 49°.

Особенностью компоновочной схемы второго варианта (рис. 1,6) являете сокращение вдвое числа горелок, смещение вниз 4 фронтальных и сохранени прежнего положения 4 задних газомазутных горелок. Для создани трехступенчатого сжигания в топке установлены 8 сопл вторичного (СВ) и 8 con третичного (СТ) воздуха. Каждая горелка находится в одной вертикально плоскости с расположенными на противоположной стене соплами вторичного соплами третичного воздуха.

Проходные сечения горелок и сопл на котле и модели были рассчитаны та к и образом, чтобы обеспечить следующие доли организованного воздух; первичного - 50%, вторичного - 20%, третичного - 23%, воздуха для охлаждени сопл рециркуляции - 7%. При этом средняя скорость первичного, вторичного третичного воздуха должна была составить на котле порядка 53-55 м/с. Величин скорости струи на выходе из горелок и сопл на модели обеспечивалась за сче поддержания в ее объеме соответствующего разрежения. При этом абсолютны скорости составляли не менее 15 м/с, исходя из равенства чисел Re (выходны потоков горелок и сопл) на котле и модели.

Через прозрачные стенки моделей, подсоединявшихся ко всасу вентилятора, н фотоснимках фиксировались траектории движения тлеющих мелких древесны опилок, подносимых в лотках к внешним патрубкам горелок или сопл.

Продувки модели топки I варианта выявили следующие принципиальны моменты. Вынос вверх корневых масс горелочных струй верхнего ярус практически не наблюдался. Хвостовые массы этих струй имели признак интенсивного перемешивания в центральной зоне топки, примерно на уровн размещения горелок нижнего яруса. В этом месте применительно к реальном котлу должно было располагаться ядро горения. Струи горелок нижнего ярус следовали до противоположных стен, а затем поворачивались преимущественн вверх. В нижнюю (приподовую) часть топки горелочные струи не попадали.

Выполненные тепловые расчеты котла с учетом выявленного при продувка высокого местоположения ядра горения показали возможность работы когла и мазуте без использования рециркуляции газов. Это подтвердилось на практик

S?

ричем сопла рециркуляции после 1 лапа реконструкции котла были заложены шмотнмм кирпичом.

В результате продувок второго варианта модели было выявлено, что в нижней асти тонки формируется довольно мощный вихрь с горизонтальной осью ращения газов и преимущественным их движением вдоль стен топки. Кто ассовую основу составляют струи первичного и вторичного воздуха. Часть ассы струй третичного воздуха (по визуальным оценкам, до 55 %) также опадает в указанный вихрь. Экспериментальное моделирование позволяет увидеть приближенную картину эродинамического взаимодействия струй, оценить относительную долю нутренней рециркуляции, местоположение вихрей и т.д. Однако оно обладает ядом недостатков - неравномерностью расхода тлеющих частиц и евозможностыо определения величины скоростей потоков в большей части одели из-за их малости.

Поэтому па кафедре КУ и ЭЭ МЭИ при участии автора был разработан метод зотермического трехмерного численного моделирования топочной )родннамики.В основу меюда положено совместное решение системы равнений Навьс-Стокса и неразрывности для трех компонент скорости \\\ и Задача решалась при постоянных но объему модели физических свойствах, ила тяжести не учитывалась, т.к. она в условиях данной задачи много меньше VI инерции и вязкости. Стационарная задача решалась методом поиска решения ^стационарной задачи при постоянных граничных условиях. Давление в объеме одели принималось одинаковым, однако в уравнениях системы учитывались эправки к давлению на каждом временном шаге. Граничные условия для эправок к давлению приняты по методике Патанкара.

При расчете аэродинамики топок был принят алгоритм 81МРЫг, состоящий из ■х этапов. На 1 этапе рассчитывались поля скорости без учета поправок к 1влению в одном временном, шаге. На II этапе проводился расчет поправок к 1влению. III этап представлял собой уточнение полей скорости на основе учета сазанных поправок. Программа написана на языке Турбо-Паскаль и разбита на 5 эдулей. Все уравнения решались методом прогонки.

Рис 2. Расчетные поля скорости :

а) в вертикальной плоскости размещения фронтальной горелки (1), задни: сопл вторичного (2) н третичного (3) воздуха.

б) в вертикальной плоскости размещения задней горелки (4), фронтальны; сопл вторичного (5) и третичного (6) воздуха.

На рис.2 а,б показаны расчетные поля вертикальных проекций скорост! струйных потоков. Результаты расчета траекторий потоков хорошо соответствую-экспериментальным данным, полученным при продувках модели и позволяю видеть полную картину движения струй из всех горелок и сопл одновременно.

В работе показано, что расчетный и экспериментальный метод оценю аэродинамики факела дополняют друг друга.

Разработанная аэродинамическая схема в условиях растянутого по высот топки трехступенчатого сжигания обеспечивает хорошее перемешивани< горелочных струй и струй дутья за счет интенсивной рециркуляции среды ] вихре, расположенном в нижней части топки. Основная масса вихревого поток; движется вдоль фронтального и заднего экранов. Указанные особенност! аэродинамики свидетельствуют о достаточной надежности смешения топлива I воздухом в реальной топке второго варианта и значительном подавлении в на образования оксидов азота.

В третьей главе изложены результаты промышленных исследовани! реконструированного по схеме ПВФ котла БКЗ-420ПГМ (ст. №4) Дзержинске! ТЭЦ. Основной целью реконструкции, проходившей в 2 этапа, было снижена выбросов оксидов азота. , л

На I ламе была внедрена одноступенчатая схема сжшания мазута с шухъярусмой установкой на стенах юпки К> прямоючных горелок о 516 мм. рис.Ка).

Испытания, нроведеппые после I папа реконструкции, показали, что при :жигании мазута имела место достаточно высокая экономичность процессов орепия. В условиях повышенных присосов холодного воздуха па участке топка -

(ароперегреватель (Да =0,14) коэффициент избытка воздуха я,", составил 1,07,08 при Дном- Ввиду высокого местоположения ядра факела, схема »ециркуляции газов не использовалась.

На рис.3 представлены средние эксперемснтапьные значения падающих на юковые экраны тепловых потоков (Ч„ад)- Там же приведены значения С|пад, м

19,2[ -^-д Рис.3. Значения падающих

тепловых потоков на котлах №4 и №5 при работе на мазуте (Д=400-415 т/ч).

О -котел №4 после I этапа реконструкции;

X -котел №5 с вихревыми горелками;

ф - котел №4 после II этапа реконструкции.

12,2 10,4 7,1

Нт

> \ А \ \

V / N 5 \

1 J в/ / /

/

0 100 200 300 400 500 кВт/м2

умеренные на котле БКЗ-420ПГМ (ст.№5), оборудованном вихревыми •орелками. Так как, на котле №4 после I этапа реконструкции нижняя часть топки )е была заполнена факелом, степень неравномерности потоков по высоте топки 1а этом котле была больше по сравнению с котлом №5. Максимальные тепловые ютоки на котлах №4 и №5 составили соответственно 525-554 и 545-598 кВт/м2.

Измерения концентрации оксидов азота (Смоч ) выявили, что при работе на лазуте в топке котла №4 имеет место достаточно низкое образование ЫОх (Сш\ "" !55-284 мг/м1) в диапазоне паропроизводительности Д~ 245-400 т/ч. Однако уштельные наблюдения за работой котла показали, что этот уровень См<к не

является стабильным. За несколько лет эксплуатации он увеличился до 520 мг/м\ Примерно аналогичный рост Cn<k был зафиксирован и на котле №5, но при большем абсолютном их уровне. Объяснение указанному росту Cnox дано ниже.

Предполагалось, что сжигание природного газа па котле №4 будет происходи т! с использованием восьми горелок I яруса (ГМГ), а через горелки верхнего ярус; будет подаваться вторичный воздух. Испытания котла на газе показали, что егс максимальная располагаемая мощность по условию обеспечения номинально? температуры пара не превысила Д=230 т/ч при расчетной Д=300 т/ч Концентрация NOx в продуктах сгорания при этом составила 100 мг/м3, а избыто1 воздуха за пароперегревателем -1,22.

С целью повышения располагаемой мощности котла при сжигании газа сокращения вдвое числа горелок и дальнейшего снижения оксидов азота в 1998 г горелочные устройства котла №4 были вторично реконструированы. Н; основании компьютерных расчетов и экспериментальных исследований был; разработана и внедрена на котле №4 схема трехступенчатого сжигания топлив; (рис. 1,6).

Двухступенчатое. сжигание топлива в вихревом факеле в нижней половин топки и наличие третьей ступени горения в верхней ее половине способствовал! значительному выравниванию теплонапряжений топочных экранов (рис. 3). Пр| паропроизводительности котла Д=400-413 т/ч и небольшой доле рециркуляции (г =5-6 %) максимальные тепловые потоки составили 420-430 кВт/м' Неравномерность тепловыделения в топке, подсчитанная как отношение макс и мального потока к минимальному, составила 1,77, в то время как на этом же котл после I этапа реконструкции она равнялась 3,77, а на котле №5 с вихревым горелками - 3,08.

Располагаемая мощность котла при работе его на мазуте и смеси газа и мазут составила 415-420 т/ч. При сжигании газа располагаемая мощность котла п условию обеспечения tnc=550 °С повысилась до 320-340 т/ч (при расчстно производительности на газе 300 т/ч и tnc=560 ПС).

Результаты измерений концентрации оксидов азота на котле №4 пр трехступенчатом сжигании в зависимости от паропроизводительности котл показаны на рис.4. При сжигании газа Cnox составила 65-80 мг/м3; при сжигании

1г

Рис. 4. Концентрация NO* в продуктах сгорания на котле № 4 при трехступенчатом «и га н и и топлив. В работе следующие горелки:

1 - восемь газовых горелок; 2 - шесть газовых и две мазутные горелки; 3 - четыре газовые четыре мазутные горелки; •/ - две газовые и шесть мазутных горелок; 5 - восемь мазутных эрелок , большими кружками обозначены значения Csm в опытах с рециркуляцией газов рои312-5% при 0=298-425 т/ч соответственно )

азута См,* =160-200 мг/м1; при работе котла на смеси газа и мазута с различным ислом включения газовых и мазутных горелок Cnox изменялась от 95 до 175 г/м\ Таким образом, перевод котла №4 на трехступенчатое сжигание топлива озволил при работе на газе и смеси газа с мазутом обеспечить снижение энцентрации NO, в продуктах сгорания до уровня международных стандартов. В тучаи сжигания мазута См<к всего на 8% превышает соответствующий стандарт 85 мг/м1). Как показывает анализ и имеющийся опыт, это превышение может ыть ликвидировано при введении газов рециркуляции в топку не через подовые эпла, а вместе с воздухом.

Основной причиной существенного подавления образования NOx на когле №<1 $ляется трехступенчатое сжигание топлив при низком избытке' первичного эздуха (oti -0,5). В этом случае топливный азот интенсивно трансформируется в олекулярную форму, а образование "быстрых" NOx минимально. Образование :рмичсских NOx в вихревой зоне сдерживается относительно низкой :мпсрагурои факела и избытками воздуха <1. В зоне третьей ступени горения,

где а>1, температура продуктов сгорания много меньше 1550°С, т.е. существенное образование термических МОх здесь не может происходить.

Наблюдения за работой котла в течение полутора лет показали, что прт трехступенчатом сжигании возрастания концентрации ЫОх не происходит. Этс объясняется недостатком кислорода в зоне вихря и выравнивание\ тепловосприятия экранов топки. Последнее приводит к снижению темпа рост; внутренних отложений в экранных трубах.

Измерения концентрации БСЬ (С50з) в уходящих газах реконструированной котла в зависимости от доли сжигания мазута О „ показали сравнителыи высокий их уровень, увеличивающийся с ростом О т . При увеличении дол1 сжигания мазута в диапазоне 25-100% Сяоз увеличивалась от 1,5 10'3% об. до 3, 1<Г% об. соответственно. В уходящих газах котла №5, оборудованног вихревыми горелками Снш составила 4,7-10"'% об. при 100 %-ном сжигани

мазута. Средняя сернистость мазута в опытах составляла 2,7%, а

Выявлено, что ступенчатый "по вертикали" характер сжигания мазута пр сравнительно высоком расположении части мазутных горелок и сопл третичног воздуха приводит к затягиванию дожигания факела почти до входа в ширмовы пароперегреватель. Это практически исключает разложение БОз в газах до и выхода из топки и создает сравнительно высокую концентрацию БОз, чем I котлах других типов, реконструированных по схеме ПВФ с организацие ступенчатого сжигания "по горизонтали" и имеющих более низкие значения а хвостовой части факела. Опыт наладки реконструированного котла №4 показа что увеличение скорости истечения наклоненных шип горелочных струй и стрз дутья заметно снижает уровень БОз за счет снижения положения ядра факела, следовательно, и "хвоста" факела. Измерения

концентраций сероводорода (Сщя) в режиме трехступенчато сжигания мазута в пристенной зоне бокового экрана топки при максимальш

паропроизводительности котла, Я,",=1,13 и доле рециркуляции 5% показали, ч Сигя превышает коррозионно-опасный уровень (0,01%) и составляет 0,014-0,035 вблизи экранных груб. Расчеты показали, что коррозионпо-опасная температу

металла экранных труб (>450 "С) достигается при максимальном падающем епловом потоке более 520 кВт/м" (котел №5, котел №4 после I этапа )еконструкции) и наличии внутренних отложений >250 г/м2. Для устранения того явления требуется своевременная кислотная промывка экранной системы ;отла. При трехступенчатом сжигании топлива, в результате снижения

м 2

1аксимальпых тенлонапряжений экранов (Чиид 430 кВт/м ), межиромывочный 1ериод можно продлить до накопления внутри фубных отложении до 350 г/м2 1то составит около четырех лет.

Сравнение расчетных и фактических экономических показателей работ котла №4 с трехступенчатым сжиганием топлива показало их хорошую сходимость. 1ри сжигании мазута с долей рециркуляции 10% Пр,,^., 90%, а 1„-211°С. При »асчегах учитывалось, что в целях упрощения компоновки задние горелки и сопла ючдушного дугья подключены к перепускному коробу между 1 и II ходами юздушного подогревателя. В результате этого до 40% организованного воздуха юступает в топку минуя верхние кубы ВП. Кроме того, на котлах БКЗ-420ПГМ Дзержинской ТЭЦ сжигается преимущественно мазут и смесь газа и мазута. Для держивания низкотемпературной коррозии трубчатых воздушных юдогревателей на этих котлах применяется высокий калориферный подогрев оздуха (до 130-140 °С). В этих условиях при умерено загрязненных поверхностях [агрева температура уходящих газов составляет 200 и 210 °С, соответственно без I с использованием ДРГ. Расчетный анализ показал, что при измеренном одержании БОт в газах указанные уровни температуры уходящих газов и алориферного подогрева воздуха не могут быть существенно снижены из-за

- л. МИН _

[арушения условия надежности работы котла на сернистом мазуте: 1СТ больше емпературы точки росы на 5-10°С. Выявлено, что если к задним горелкам и оплам вторичного дутья подвести не слабонагрстый, а горячий воздух, то низится на допустимую величину8-10"С. Это мероприятие запланировано существить в капремонт 2003 г.

Четвертая глава посвящена расчетному анализу результатов промышленных сследовапий и оценке значений параметров, влияющих на работу топочной

амеры и других поверхностей котла, при сжигании топлива по схеме ПВФ.

/С

Поверочные тепловые расчеты котла в целом проводились по программ "ТРАКТ". Для расчетов топочной камеры использовалась разработанная н кафедре КУ и ЭЭ МЭИ программа "ТОПКА", в совершенствовании которой авто диссертации принимал участие.

Используемые программы разработаны на основе нормативного метода расчет паровых котлов. Алгоритм программы "ТОПКА" дает возможность учитыват конвективный теплообмен в топке и внутреннюю рециркуляцию газов меж,п зонами; рассчитывать максимальные температуры дымовых газов и концентраци оксидов азота по формулам, предложенным проф. Ю.М. Липовым.

Для расчетного анализа в качестве исходных данных принимали« экспериментальные параметры работы котла. С учетом этих данных проводили« вариантные расчеты по программе "ТРАКТ". В результате определялись значеш коэффициентов эффективности теплообмена, использования поверхности и щ. при которых расчетные величины соответствуют экспериментальным данньп Было выявлено, что формула параметра горения М для топок при использовав ПВФ должна быть скорректирована по сравнению с нормативным методом. Д| топок с ПВФ и при ступенчатом сжигании топлива параметр М имеет выражение

М = 0,423 - 0,2Хф,

где Хф - относительное местоположение ядра факела в топке. Величина ) определяется с учетом распределения воздуха по ярусам горелок и сопл, высот« расположения и углов наклона горелок.

При ступенчатом сжигании изменяется значение коэффициента светимос факела - т. В частности, было выявлено, что значение ш при одноступенчатом трехступенчатом сжигании газа в ПВФ составляют 0,2 и 0,3 вместо 0,1 по нормг для котлов с настенными вихревыми горелками.

Методом позонного расчета получены данные о распределении теплов! потоков и температур газов по зонам топки. Распределение ^ид и о по высо топки второго варианта становится более равномерным, а их максимальш значения - ниже. Это соответствует экспериментальным данным, приведенным рисЗ.

!б

В топках с прямоточно-вихревым факелом существенно возрастает роль сонвективного теплообмена. Топочные экраны омываются газами с достаточно 1ЫСокой скоростью. Анализ влияния конвективного теплообмена на -емпературный режим в топке проводился путем расчета по программе "ТОПКА" 1Ля случая сжигания мазута. Показано, что усиление конвективности в зоне 1КТИВНОГО горения приводит к снижению температуры дымовых газов на выходе 13 топки. Так, при использовании трехступенчатой схемы сжигания топлива с 'четом конвективной составляющей теплообмена, температура газов на выходе из опки снижается на 25-35"С.

В пятой главе рассмотрено влияние внутренних загрязнений экранных труб на епловой режим работы топки и выход оксидов азота.

В течение длительного времени (с 1992 по 1999 гг.) на двух котлах типа БКЗ-20ПГМ (№4 с ПВФ и №5 с вихревыми горелками) проводился контроль за зменением во времени количества внутренних отложений в экранных трубах Мо), а также за выбросами оксидов азота. В данный период котлы работали реимущественно на мазуте и имели достаточно устойчивые нагрузки в пределах

70-410 т/ч при я,", = 1,11-1,15. Установлено, что нарастание во времени нутренних отложений в трубах сопровождается ростом выхода N0* из топок отлов, а после проведения химической очистки экранных труб уровень онцентрации >ЮХ в дымовых газах резко снижается. Это привело к заключению, то наличие внутренних отложений в трубах, повышая температуру металла генки и температуру наружного загрязнения труб, в конечном итоге эздействует на уровень температуры факела, несколько его увеличивая. Это овольно небольшое, не фиксируемое эксплуатационными приборами увеличение ф(до 120 °С) приводит к значительному возрастанию Сыск в зоне горения.

Так, в топке котла №4 после I этапа реконструкции среднее значение Ялдна ютом котле (М0 =40 г/м2) составило 381 кВт/м2, а после 2,5 лет эксплуатации на

1грязненном котле (М0 =320 г/м2) возросло до 475 кВт/м2 (при Д -390 т/ч) Для проверки связи внутренних отложений в трубах с ростом выхода оксидов юта в топке была составлена специальная методика на основе нормативного

1-?

метода расчета котлов и апробированных на практике расчетных методик МЭИ по определению концентрации N0*. На рис.5 приведены измеренные и расчетные значения С№)х (в пересчете на N02 и а =1,4) в течение нескольких лет эксплуатации котлов №4 и №5. С

600 500

400

300 п- '

I

Р

Рис. 5.Изменение расчетных и опытных концентрации оксидов азота во времен! на котлах №4 (поз.1) и №5 (поз.2) при одноступенчатом сжигании мазута; □ -измеренные значения; О -расчётные значения; п - кислотная промывк; экранов; р - ремонт котла.

Таким образом, увеличение концентрации N0* на выходе из топки в процесс эксплуатации котлов определяется ростом внутренних отложений Мо и, ка следствие, ростом ^ и Т,„, влияющих на увеличение эффективной температур факела в зоне активного горения.

ВЫВОДЫ.

1. Уточнена методика изотермического моделирования аэродинамики реально] топочного объема с прямоточными горелками и воздушными соплам Установлено соотношение между масштабами моделирования габаритнь размеров топки и горелок (сопл).

2. Разработан алгоритм трехмерного численного моделирования аэродинами! топочного объема в изотермических условиях. Показано, что мето; экспериментального и расчетного моделирования дают результаты, достаточ хорошо совпадающие и дополняющие друг друга.

мг/мЗ

N0:. а 1

1 л * 1' 6 ✓ 1 -О 1 п 1 !р

1 п г 1 / / 'Л 1Р ^ 1 , I | 'Г , л

1 о 1 'Рек

о/ 1 1 ! 1 1 1

1992 1995 1994 199? 19% 1997 1998 1999

v С целью снижения выбросов М()ч произведена разработка и аэродинамическая оптимизация новой технологии трехступенчатого сжигания газа и мазута в прямоточно-вихревом факеле для котла с призматической тонкой, которая и результате двух этапов реконструкции по проектам ЦКБ Энергоремонга внедрена на котле БКЗ-420ПГМ (ст. №4 ) Дзержинской ТЭЦ. к Проведены промышленные исследования разработанной технологии сжигания, показавшие её высокую экологическую эффективность по снижению выброса NOx (до 70-80 мг/м'1 при сжигании газа, 130-140 при сжигании 50%-ной смеси газа и мазута и 190-200 мг/м1 при сжигании мазута, причем в последнем случае с рециркуляцией газов порядка 5-7 %, подаваемых в подовые сопла). !. Расчетным путем и в результате экспериментов выявлено, что при одноступенчатом сжигании мазута с концентрированным ядром горения уровень выброса NOx не является стабильным во времени и существенно возрастает но мере накопления отложений солей в топочных экранах. При трехступенчатом сжигании мазута и газа, характеризующемся снижением максимальных падающих потоков примерно на 25% относительно их уровня при одноступенчатом сжигании, и пониженным избытком воздуха в зоне активного горения, изменения концентрации N'üx во времени не обнаружено. 3. Выявлено, что в относительно невысоких негазоплотных топках, какую имеет котел БКЗ-420ПГМ, организация трехступенчатого сжигания мазута по вертикали сопровождается затяжкой дожигания мазута практически до ширм и, как следствие, сравнительно высоким уровнем образования SOi (Cs<n -3,4-10'1 %).

. В результате проведения вариантных тепловых расчетов и сравнения их результатов с результатами промышленных исследований уточнены методики позонного и поверочного расчетов топки при трехступенчатом сжигании газа и мазута в прямоточно-вихревом факеле. В частности, предложены соотношения для оценки местоположения условного ядра факела и для учета конвективной составляющей теплопередачи к экранным трубам.

Разработанная, при условии устранения выявленных недостатков, технологий трехступенчатого сжигания газа и мазута может эффективно использоват!.ся

для реконструкций действующих и проектирования новых котлов с призматической топкой с целью значительного снижение выброса N0X и уменьшения падающих тепловых потоков.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Юрков Д.А. Результаты сжигания мазута в прямоточно-вихревом факеле на котле БКЗ-420ПГМ. // П Международная НТК "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики": Тез.докл.-Москва, 1995. -С.28-30.

2. Эффективность подавления N0* в топках котлов посредством оптимизации аэродинамики ступенчатого сжигания топлив. / Э.П. Волков, Ю.М. Лилов, Д.А. Юрков и др. // II Международная НТК "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики": Тез. докл.- Москва, 1995 -С.26-28.

3. Патент № 2050506 (РФ). Топка. Опубликован в Б.И. №35,1995.

4. Патент № 2135891 (РФ). Топка. Опубликован в Б.И. №24,1999.

5. Архипов М.А., Юрков Д.А. Трехмерное численное моделирование аэродинамики топочного объема котла в изотермических условиях// Электрические станции. - 1999,- №11.-С.17-20.

6. Юрков Д.А. Результаты одноступенчатого и трехступенчатого сжигания мазута и газа в прямоточно-вихревом факеле на котле БКЗ-420ПГМ // Электрические станции. - 1999,- №12,- С.8-11.

7. Влияние загрязнений экранных труб на тепловой режим топки и выход оксидов азота / Д.А. Юрков, Ю.М. Липов, А.М. Архипов, Ю.М. Третьяков // Электрические станции. - 2000.-№2,- С.16-18.

8. Разработка и аэродинамическая оптимизация схем ступенчатого сжигания газа и мазута по технологии МЭИ / А.М. Архипов, Ю.М. Липов, Д.А. Юрков и др. // Вестник МЭИ,- 2000,- №3.- С.70-74.

9. Юрков Д.А. Внедрение ступенчатых методов сжигания мазута и газа на Дзержинской ТЭЦ в целях значительного снижения выбросов оксидов азота в окружающую среду // Конференция молодых специалистов

"Электроэнергетика - 2000": Сборник докладов. - Москва, 2000,- С.64-65.

Печ. .1. I TíÍ3 Тираж ICO Заказ

Типография .МЭИ, Красноказарменная, 13.