автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Создание технологии приготовления топливных гранул и разработка технологических основ их использования

Горр Дмитрий Александрович

СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005557141

Москва-2014

005557141

Работа выполнена на кафедре Котельных установок и экологии энергетики фед рального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профе сионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель: лауреат государственной премии СССР,

доктор технических наук, профессор главный научный сотрудник ФГБУН Институт маши ведения имени А.А.Благонравова Российской академ наук «Научный центр нелинейной волновой механик технологии РАН (НЦ НВМТ РАН)», г. Москва Кормилицын Владимир Ильич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Заместитель директора Некоммерческого партнерст содействию в разработке и внедрении перспективны технологий в социальные системы жизнеобеспечени («Техно Эко), г. Москва Ибрагимов Марат Хаджи-Галиевич

кандидат технических наук, доцент заведующий кафедрой Котло- и реакторостроения ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный техниче университет им. Й.И. Ползунова», г. Барнаул Жуков Евгений Борисович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Энергетическ

институт им. Г. М. Кржижановского» (ОАО «ЭНИН»), г. Москва

Защита состоится «_2£_» декабря 2014_г. в 14_час. 00_мин. в Мал

актовом зале на заседании диссертационного совета Д 212.157.07 в ФГБОУ ВПО «Н «МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14.

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

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, с указанием адреса, телефона и зг ренных печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная, д.14, ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ». Автореферат разослан «_»_2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.07 К.Т.Н., доц.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Традиционные виды топлива (газ, уголь,

мазут) относятся к невосполнимым источникам энергии. Возобновляемые источники энергии уже сейчас активно применяются в развитых странах. Среди наиболее распространенных видов возобновляемой энергии (ветровой, солнечной, приливной, геотермальной) биомасса занимает значительное место - ее доля в мировом балансе возобновляемых источников энергии достигает 70%.

В соответствии с Указом президента РФ от 4 июня 2008 г. №889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» и Распоряжением Правительства РФ от 28 мая 2013 г. №861р, в которых определены основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности на основе использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), целевой показатель объема производства и потребления электрической энергии с использованием ВИЭ в долях от совокупного продукта в 2010 году составил 1,5%, в 2015 году он должен достичь 2,5%, а в 2020 году - 4,5%.

В рамках участия в исполнении государственного контракта №П107б от 31.05.2010г., заключенного «НИУ «МЭИ», «Разработка технологии приготовления топливных гранул из торфа и вторичного сырья, полученного в результате переработки бывших в употреблении (б/у) автопокрышек» по направлению «Переработка и утилизация техногенных образований и отходов» приняты принципиальные решения в части выбора технологии приготовления топливных гранул и определения составных компонентов топливных гранул.

Целью работы является обеспечение сжигания топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки в кипящем слое энергетических котлов за счет определения оптимальных характеристик топливных гранул и усовершенствования отдельных узлов таких котлов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.0пределены основные требования к топливным гранулам на основе торфа и предложен метод для их определения, обеспечивающий повышение надежности

их сжигания в кипящем слое (без спекания слоя, без образования агломератов) энергетических котлов;

2.Впервые получены данные о топливных гранулах, приготовленных из торфа и резиновой крошки для сжигания в кипящем слое энергетических котлов;

3.Разработана расчетная модель для определения температуры дымовых газов в зоне активного горения при двухстадийном сжигании топлива в котлах, оснащенных предтопоком с кипящим слоем;

4.Разработаны конструктивные решения (реконструкция сопел вторичного дутья, патрубков подачи топлива, холодной воронки) для повышения надежности сжигания топливных гранул из торфа в котлах, оснащенных кипящим слоем.

Методы исследования. При выполнении работы использованы расчетно-аналитические и экспериментальные методы исследования.

Практическая значимость работы. Выбранные технологические решения для приготовления топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки позволяют получить топливо на основе возобновляемых источников энергии пригодное для сжигания в кипящем слое энергетических котлов. Разработанные технологические и конструктивные решения могут быть использованы при проектировании котлов, предназначенных для сжигания топливных гранул высокой калорийности на основе торфа, для повышения надежности их работы.

Результаты работы использованы в ООО «ИНЭКО» при анализе режимов работы котла Е-60-9,5-510 ДФТ при сжигании фрезерного торфа, дробленых торфяных брикетов и древесного топлива, а также при разработке решений по повышению надежности сжигания данных топлив.

Лично автором выполнены следующие этапы научного исследования:

1.Произведен и обоснован выбор, выполнен расчет основных характеристик и получены технические данные по топливным гранулам при их приготовлении для сжигания в кипящем слое энергетических котлов;

2.Разработана расчетная модель для определения температуры дымовых газов в зоне активного горения при двухстадийном сжигании топлива в котлах, оснащенных предтопоком с кипящим слоем;

3.Разработаны конструктивные решения для повышения надежности сжигания топливных гранул в кипящем слое энергетических котлов;

4.Выполнен расчетный и качественный анализ результатов испытаний котла Е-60-9,5-510 ДФТ ст. №11 Жодинской ТЭЦ (р. Беларусь);

5.Выполнена расчетная и аналитическая оценка технико-экономических и экологических показателей при сжигании топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки.

Достоверность результатов исследований обосновывается использованием фундаментальных закономерностей технической термодинамики, гидрогазодинй-мики и теплопередачи, а также на высокой сходимости расчетных и экспериментальных оценок процессов сжигания топливных гранул.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХЬ Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения» (г. Москва, 2010г.), Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» (г. Москва, 2012г.), на XVIII и XX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2012-2014гг.).

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них: 3 научных статьи - в изданиях, входящих в перечень рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы научные результаты на соискание ученой степени кандидата наук, 4 - в сборниках трудов и материалах всероссийских и международных конференций.

Структуру объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов работы, списка литературы, состоящего из 62 наименований, и восьми приложений. Общий объем работы составляет 133 страницы. Исследование включает в себя 29 рисунков и 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследования, научная новизна и практическая значимость, при-

водятся данные о ее структуре и объеме.

В первой главе рассмотрены сведения об основных компонентах для приготовления топливных гранул, существующие методы гранулирования и методы получения энергии из биотоплива. Приведено обоснование выбора торфа и резиновой крошки б/у автомобильных покрышек в качестве основных компонентов топливных гранул. Отмечены основные преимущества топливных гранул по сравнению с неподготовленным топливом - высокая калорийность, гомогенность, низкие затраты на транспортирование и хранение, эффективность сжигания и возможность снижения выбросов вредных веществ при их сжигании.

Для целей сжигания получаемых топливных гранул принят способ сжигания в стационарном кипящем слое. Данный способ наиболее изучен для сжигания топливных гранул и обладает рядом преимуществ, основные из которых: возможность применения топлив с широким диапазоном калорийности, влажности и зольности, возможность снижения выбросов вредных веществ.

В результате обоснованного выбора компонент топливных гранул и способа их использования сформулирована цель работы - обеспечение сжигания топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки в кипящем слое энергетических котлов за счет определения оптимальных характеристик топливных гранул и усовершенствования отдельных узлов таких котлов. Для достижения поставленной цели сформулированы задачи:

- определить основные технологические характеристики топливных гранул, выполненных на основе торфа, пригодных для сжигания их в кипящем слое;

- выполнить анализ технологического процесса производства топливных гранул на основе торфа и произвести выбор метода гранулирования;

- произвести оценку влияния добавления резиновой крошки на потребительские свойства гранул на основе торфа;

- разработать технологические и конструктивные решения, обеспечивающие сжигание получаемых топливных гранул в энергетических котлах;

- выполнить расчетную и аналитическую оценку технико-экономических и экологических показателей работы котла, сжигающего топливные гранулы на основе торфа и резиновой крошки, в кипящем слое.

Во второй главе приведен выбор к расчет основных характеристик топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки б/у автомобильных покрышек для сжигания их кипящем слое энергетических котлов.

Для расчета основных характеристик топливных гранул анализировался опыт эксплуатации котла Е-60-9,5-510 ДФТ ст. №11 Жодинской ТЭЦ (р. Беларусь). В котле Е-60-9,5-510 ДФТ (см. рис. 1) реализуется технология «ИНЭ-КО» двухстадийного сжигания твердого топлива с предварительной его газификацией в предтопке кипящего слоя и дожиганием продуктов газификации в топке котла. Технический проект котла разработан компанией ООО «ИНЭКО» (г. Москва) при участии автора. Котел предназначен для сжигания древесного топлива, фрезерного торфа, измельченных торфяных брикетов, смеси этих топ-лив, природного газа.

Выбор характеристик топливных гранул выполнен исходя из необходимости обеспечения условий, оказывающих непосредственное влияние на надежность работы кипящего слоя (без спекания слоя песка, образования агломератов). К таким условиям отнесены:

а) устойчивое кипение инертного наполнителя (кварцевый песок фракции 1-в мм) по всему зеркалу кипящего слоя предтопка;

б) устойчивое кипение частиц сухого топлива;

в) устойчивое кипение частиц кокса топлива;

Рис. 1 Продольный разрез котла Е-60-9,5-510 ДФТ

г) температура кипящего слоя (гкс) должна быть не выше значения (12-50) °С.

Здесь 12 — температура начала размягчения золы.

Плотность и фракционный состав топлива имеют непосредственное влияние ка скорость начала псевдоожиженкя (у,'Кр) кипящего слоя с топливом:

И'кр = с5(и+1)/3^(1-2п)/3сгэн П°'33 (1)

\ Рг /

где, Пс - показатель полидисперсности; V - кинематическая вязкость ожижающего газа; рГ - плотность ожижающего газа; с, п - численные коэффициенты, зависящие от показателя полидисперсности; д =9,8 м/с2; рм - плотность материала кипящего слоя; й" - эквивалентный диаметр частиц.

Калорийность сжигаемых топливных гранул также является важной характеристикой, так как в существенной степени влияет на температуру кипящего слоя и температуру дымовых газов в зоне расположения сопл вторичного дутья.

Таким образом, сделан вывод, что основными характеристиками топливных гранул, которые непосредственно зависят от процесса приготовления и определяют возможность их сжигания в энергетических котлах, оснащенных кипящим слоем, являются: фракционный состав, плотность, калорийность.

Во время опытной эксплуатации котла Е-60-9,5-510 ДФТ при сжигании дробленных торфяных брикетов наблюдались следующие процессы:

а) подавление (отсутствие кипения) кипящего слоя в зонах заброса топлива при сжигании дробленых торфяных брикетов и их смеси с древесным топливом;

б) шлакование заднего экрана топки и холодной воронки при паропроизво-дительности котла более 40-^45 т/ч.

Для определения причин подавления кипящего слоя выполнена оценка кипения частиц дробленых торфяных брикетов, которые поставлялись на Жодинскую ТЭЦ в период опытной эксплуатации (влажность \¥р=25%, теплота сгорания низшая = 3100 ккал/кг, кажущаяся плотность ркаж=1300 кг/м3).

При оптимальных скоростях воздуха в кипящем слое (при паропроизводи-тельности Б=60 т/ч - = 1,8 м/с; при Б=45 т/ч - И^вс = 1,7 м/с; при Б=30 т/ч -

= 1,6 м/с), определенных во время режимной наладки при сжигании дробле-

ных торфяных брикетов, были рассчитаны реальные скорости смеси воздуха, испаряемой влаги и летучих веществ (рис. 2а) и эквивалентные диаметры частиц дробленых торфяных брикетов, находящихся в начальной стадии псевдоожижения (ъис. 261.

\Укс,м/с

2.5

1.5

н 1

1,

N ч

2

ч

1

\

¿экв, мм 40

шлет

30

20

10

¡с°зд

о

1

А

ч

/

Е>т/ч

30 _ о 40 50 60^ Рис. 26. Зависимость эквивалентных диаметров (<1ЭКВ) частиц, находящихся в начальной стадии псеводоожижения от паропроизводи-тельности

30 40 50 60 Б т/ч

Рис.2а. Зависимость скоростей воздуха, водяных паров и летучих веществ в кипящем слое от паропроизводительности

У/кс^, Ий", Ийет - скорости в кипящем слое 1 - эквивалентный диаметр сырых частиц; воздуха, водяных паров и летучих веществ, 2 - эквивалентный диаметр сухих частиц; выделямых из торфяных брикетов; 1 - 3 - эквивалентный диаметр частиц после выхода

2 - Жквс°зд + - 1УКВС03Д + IV™ + Ийет летучих веществ

По результатам анализа выполненных расчетов сделан вывод о необходимости обеспечения размера частиц топлива 13-15 мм для исключения спекания кипящего слоя и образования агломератов.

Для определения температуры дымовых газов в зоне действия факела вторичного дутья при паропроизводительности котла ЗОт/ч, 45т/ч и 60 т/ч была разработана расчетная модель, основанная на рекомендациях Нормативного метода теплового расчета котлов.

Результаты выполненных расчетов показали высокую сходимость (с учетом возможной погрешности контрольно измерительных приборов) с опытными данными. Выполнялось сравнение температуры дымовых газов на выходе из топки полученной расчетным методом и опытным путем - см. рис 3.

V

н"

1200 1100 1000 900 800 700 600 500

о

3

—V-

-- --=

1

+

\

___

1

\ —Г -

20

30

40

50

60

Б, т/ч

Рис. 3. Зависимость температуры дымовых газов в топке от паропроизводительности котла и вида топлива 1 - Температура на выходе из топки при сжигании дробленых торфяных брикетов (<3Р„=2880 ккал/кг), расчетные данные; 2 - Температура на выходе из топки при сжигании фрезерного торфа (<3РВ=1940 ккал/кг), расчетные данные; 3 - Температура на выходе из зоны активного горения при сжигании дробленых торфяных брикетов ((¡>р„=2880 ккал/кг), расчетные данные; 4 - Температура на выходе из зоны активного горения при сжигании фрезерного торфа (<3Р„=1940 ккал/кг), расчетные данные; А - Температура на выходе из топки при сжигании дробленых торфяных брикетов, опытные данные; • - Температура на выходе из топки при сжигании фрезерного торфа;

Из приведенных на рис. 3 данных видно, что температура в зоне факела

вторичного дутья при паропроизводительности котла 60 т/ч составляла =1200°С при сжигании дробленых торфяных брикетов. Данная температура достаточна для размягчения золы (так как превышает экспериментально определенное значение Ц на 210 °С) и начала шлакования экранов при существующей конструкции топки. Кроме того, это свидетельствует о большой разнице плавкостных характеристик золы торфа, так как проектное значение Хг составляло 1280 °С.

На рис. 4 приведена оценка влияния низшей теплоты сгорания топливных гранул на температуру дымовых газов в зоне факела вторичного дутья.

Учитывая, что расчетные температуры дымовых газов в зоне действия факела вторичного дутья (см. рис. 4) существенно превышают температуру начала размягчения золы (при (^>2000 ккал/кг), то для обеспечения надежной работы котла разработаны конструктивно-технологические решения (см. Главу 4).

1600 1450 1300 1150 1000 850 700

О о К 1

л

1 у

1 к Л2 V, \

1 г \±1 0;т ккал/кг

Рис. 4. Зависимость температуры в зоне действия факела вторичного дутья от низшей теплоты сгорания топливных гранул на основе торфа

1 - паропроизводительность котла 0=60т/ч;2 - паропроизводительность котла П=45 т/ч; 3- паропроизводительность котла й=30 т/ч; Примечание: Для калорийности С),г = 3440 ккал/кг приведены прогнозируемые данные, т.к. результаты не подтверждены опытным путем.

1940 2880 3440

В третьей главе произведен выбор технологии приготовления топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки. При рассмотрении основных существующих теорий брикетирования торфа отмеченс что, несмотря на более чем полуторавековое развитие брикетной промышленности, долгое время отсутствовала общепризнанная, практически подтвержденная теория брикетирования. В разное время были выдвинуты следующие теории: битумная, капиллярная, гуми-новокислотная, коллоидная и молекулярная. Отмечено, что наиболее обоснованной и подтвержденной опытным путем в настоящее время является молекулярная теория брикетирования, предложенная В.М. Наумовичем. Данная теория трактует имеющуюся взаимосвязь между частицами в брикете присутствием молекулярных сил. Являясь неоднозначными по своей природе, молекулярные силы в зависимости от энергии связи делятся на силы притяжения Ван-дер-Ваальса (силы прилипания, дисперсионного, индукционного и ориентационного взаимодействия) и водородные связи. Применительно к процессу брикетирования особое значение имеет сила прилипания, приходящаяся на единицу площади прессования и определяемая по формуле:

Я = та-^О) (2)

Здесь г - радиус частиц; £(0) - удельная работа отрыва слипшихся частиц. Для приготовления опытной партии топливных гранул на основе торфа и резиновой крышки использована технология приготовления топливных гранул, разработанная с участием автора коллективом «НИУ «МЭИ» под руководством

проф. В.И. Кормилицына. Использование данной технологии приготовления топливных гранул предполагает добавление связующего вещества к торфу и резиновой крошке. Связующее вещество выполняется в виде смеси воды и торфа пропущенной по меньшей мере один раз через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0,1-Ю5 Па до 25-Ю5 Па, в котором происходит процесс кавитации. Полученное связующее обладает высокой эффективностью, так как имеет в своем составе лигносульфоновые кислоты, смолы и полукокс, полученные из измельченного в процессе кавитации исходного торфа.

Производство топливных гранул по данной технологии состоит из четырех стадий.

Первая стадия. Предварительная подготовка торфа. На стадии предварительной подготовки торфа производится его просеивание для исключения попадания в оборудование технологической линии частиц, размеры которых могут привести к засорению. На опытной технологической линии максимальный диаметр частиц торфа, поступающего в диспергатор, не должен превышать 10 мм.

Вторая стадия. Подготовка смеси торфа с жидкостью. Изготовление связующего. Перед подачей в диспергатор вода предварительно перемешивается с торфом в нужной пропорции. Обработка смеси диспергатором, в зависимости от его конструкции, может происходить в один или несколько этапов. Принципиальная схема опытной установки диспергации представлена на рис. 5.

Третья стадия. Перемешивание торфа и связующего. Требуемое время перемешивание зависит от способа формовки выходного топлива.При повышении

Рис. 5. Принципиальная схема дисперагационной установки.

1 - приемный бак; 2,3,5,8,9 - задвижки ручные;4 - циркуляционный насос; б - диспергатор; 7 -выход готового связующего.

давления прессования время,которое требуется для перемешивания, уменьшается.

Четвертая стадия. Гранулирование. Гранулирование топлива осуществляется с использованием машин различного конструктивного выполнения, с последующей сушкой готовых топливных элементов.

Полученные по данной технологии топливные гранулы обладают рядом преимуществ перед 1ранулами, изготавливаемыми по известным технологиям. Основные преимущества топливных гранул, изготовленных по технологии «НИУ «МЭИ»: высокая теплотворная способность, существенно более высокая твердость элемента, более высокая стойкость к воздействию влаги.

Используемая технология позволяет существенно сократить затраты на приготовление топливных гранул, так как в процессе приготовления исключается наиболее энергозатратный процесс предварительной сушки, так как он переносится в самый конец технологической цепочки.

Для изготовления опытной партии топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки компоненты использованы в следующем соотношении:

• торф - 28,3 кг (76,5% по массе, Q%T = 1920 ккал/кг);

• резиновая крошка - 3,7 кг (10% по массе, Q„pK = 7500 ккал/кг);

• связующее - 5 кг (14,5% по массе, св = 660 ккал/кг).

Процесс приготовления топливных гранул выполнен в соответствии с описанной выше технологией. Добавление резиновой крошки выполнялось в перемешивающее устройство перед добавлением связующего. Полученная смесь была загружена, в матричный пресс-гранулятор ПГМ-0,5 с матрицей, имеющей размер ячеек 14 мм. После выхода из пресс-гранулятора гранулы были высушены естественным способом в лабораторных условиях.

Использование мелкодисперсной резиновой крошки положительно сказывается на прочности получаемых топливных гранул. Это обосновано тем, что частицы резиновой крошки имеют большую активную поверхность, которая в соответствии с молекулярной теорией брикетирования, участвует в создании молекулярных связей между частицами топливных гранул. Теоретически и экспериментально определена теплота сгорания низшая топливных гранул на основе торфа

и резиновой крошки, которая составила <?£тг = 4820 ккал/кг.

В четвертой главе приведены разработанные автором конструктивные и технологические решения для сжигания топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки. Необходимость реализации разработанных решений обоснована для котла Е-60-9,5-510 ДФТ ст.№11 Жодинской ТЭЦ (р. Беларусь) при сжигании топливных гранул с теплотой сгорания низшей С&г>2000 ккал/кг.

Предлагаемыми решениями являются:

а) организация подачи дымовых газов с напора дымососа в высокотемпературную зону действия сопел вторичного воздушного дутья;

б) реконструкция узла донного дутья с заменой воздухораздающих колпачков и снижением отметки обмуровки холодной воронки;

в) модернизации сопел вторичного дутья (организация в каждом сопле двух потоков воздушного дутья);

г) реконструкция нижней плоскости патрубков подачи топлива.

Организация подачи дымовых газов (А, рис. 6) позволит:

• снизить температуру дымовых газов в зоне действия сопл вторичного дутья;

• снизить за счет уменьшения концентрации кислорода долю дожигания продуктов газификации в этой зоне.

Для вновь проектируемых котлов, в которых предполагается сжигание таких высококалорийных топлив как торфяные брикеты или гранулы, рекомендуется организация дополнительных сопл подачи воздуха вторичного дутья для растягивания зоны дожигания продуктов газификации по высоте топки (см. Б на рис.6). Организация в топке двух зон дожигания продуктов газификации твердого топлива, разнесенных по высоте топки, позволит уменьшить теплонапряжение сечения топки в первой зоне дожигания продуктов газификации за счет тепло-съема экранами топки и снизить температуры в объеме топки между двумя зонами дожигания до безопасного с позиций шлакования уровня.

Для котла Е-60-9,5-510 ДФТ Жодинской ТЭЦ возможна реализации только рециркуляции дымовых газов в топку котла из-за стесненных условий компоновки.

Рис. 6. Принципиальная схема модернизации воздушного дутья в котле Е-60-9,5-510 ДФТ

Необходимость модернизации существующего узла донного дутья обусловлена тем, что обмуровка находится в зоне действия факела вторичного дутья и является местом активного налипания низкоплавкой золы. Дополнительно для обеспечения более эффективного удаления шлака через холодную воронку будет изменена конструкция колпачков узла донного дутья (рис'. 7).

Модернизация сопел вторичного дутья (В, рис. 6) обеспечивает разделение воздуха вторичного дутья на два потока (через нижнее сопло подается 30% расхода воздуха вторичного дутья, через верхнее - 70%).

Основная задача реконструкции сопел:

а) растянуть зону дожигания продуктов газификации твердого топлива по высоте топки, тем самым уменьшить в этой зоне температуру дымовых газов и теплонапряжение сечения топки;

Рис. 7. Эскиз реконструкции колпачка донного дутья

б) создать в нижней зоне действия сопел вторичного дутья полувосстановительную среду, в которой продукты неполного горения (СО, Н2, СпНт) препятствуют окислению топливного азота и способствует восстановлению уже образовавшихся Ж)х до М2.

Модернизация нижней плоскости патрубков заброса топлива позволит организовать подачу топлива через три зоны, имеющие разные углы наклона к горизонтальной плоскости (43 град., 33 град., 28 град.) для расширения площади зон заброса торфяных гранул, тем самым обеспечивая снижение вероятности образования малоподвижных зон. Оценка изменения оси подачи топлива для каждой зоны представлена на рис. 8.

Рис. 8. Оценка изменения оси подачи топлива при реконструкции нижней плоскости патрубка подачи топлива

1 - существующая ось подачи дробленых торфяных брикетов (угол наклона нижней плоскости к горизонтали -43 °С); 2 - ось подачи дробленых торфяных брикетов при угле наклона нижней плоскости к горизонтали -33°С; 3 - ось подачи дробленых торфяных брикетов при угле наклона нижней плоскости к горизонтали -28°С

В пятой главе приведена оценка технико-экономических и экологических показателей при сжигании в котле Е-60-9,5-510 ДФТ топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки бывших в употреблении автопокрышек.

Расчетным методом определено, что при номинальной паропроизводитель-ности котла организация рециркуляции дымовых газов в зону действия сопл вторичного дутья снижает расчетный КПД на 1,35% при сжигании торфяных брикетов и на 1,67% при сжигании топливных гранул по технологии «НИУ «МЭИ». Таким образом, подтверждено, что для вновь проектируемых котлов, в которых предполагается сжигание таких высококалорийных топлив, рекомендуется организация дополнительных сопел подачи воздуха вторичного дутья.

Произведена аналитическая оценка возможных выбросов вредных веществ (ЫОх, СО) при сжигании топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки б/у автопокрышек. Отмечено, что для исключения образования термических оксидов азота при сжигании топливных гранул требуется реализация, предложенных выше решений (дополнительные сопла вторичного дутья, и/или рециркуляция дымовых газов).

Выполнен расчет стоимости топливных гранул, производимых по технологии «НИУ «МЭИ», которая составила 5,2 руб./кг. Отмечено, что по сравнению с углем сопоставимой калорийности в сегодняшних условиях использование в качестве основного топлива топливных гранул на основе торфа с добавлением резиновой крошки является целесообразным с экономической точки зрения по результатам реализации комплекса мер по использованию торфа в качестве ВИЭ. К таким мерам относятся, например, реализация программы «Энергоэффективность и развитие энергетики» на 2013-2020 годы, предоставление отраслевым предприятиям долгосрочных кредитов от ведущих банков РФ (ОАО «Сбербанк России», ОАО «Газпромбанк»). Дополнительным преимуществом также будет получение финансовых компенсаций компаниями, перерабатывающими б/у автопокрышки.

По результатам аналитического обзора существующего опыта по использованию б/у автомобильных покрышек в качестве топлива отмечено, что при контролируемом сжигании такого топлива в специализированных устройствах обеспечивается уровень выбросов вредных веществ аналогичный выбросам при сжигании углей. При открытом неконтролируемом горении резины автопокрышек концентрация вредных веществ в 13 ООО раз выше по сравнению с выбросами, образующимися при сжигании угля, . • - —

Для приготовления топливных гранул по технологии «НИУ «МЭИ» используется до 10% (по массе) резиновой крошки. Такое содержание измельченной резины гарантированно обеспечивает полное сжигание, содержащейся в гранулах резины, при сжигании в котлах с предтопками и топками, оснащенными кипящим слоем, а также позволяет получить топливные гранулы стоимость которых сопоставима со стоимостью углей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Впервые проанализированы опытные данные промышленного сжигания дробленых торфяных брикетов в кипящем слое. Определено, что основными проблемами при сжигании торфяных брикетов и гранул могут быть отсутствие стабильного кипения топлива в слое инертного наполнителя и шлакования экранов топки котла.

2. Показано, что при использовании торфяных брикетов и гранул на основе торфа значительное влияние на требования к технологии приготовления топлива и технологии его сжигания оказывают плавкостные характеристики золы торфа. Опытно подтверждена необходимость учета возможности наличия легкоплавкой золы при разработке технологии приготовления и сжигания торфяных гранул и брикетов.

3. Предложен метод по определению и определены основные характеристики топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки б/у автопокрышек, сжигание которых предполагается в кипящем слое энергетических котлов. Основными характеристиками являются: размер топливных гранул; калорийность топливных гранул; плотность топливных гранул.

4. Определено расчетным методом, что размер топливных гранул должен составлять (1=13-15мм при плотности ркаж=1300 кг/м3. При использовании топливных гранул с такими характеристиками даже при условии наличия легкоплавкой золы будет обеспечиваться стабильная работа кипящего слоя.

5. Обосновано, что для исключения шлакования экранов топки при сжигании топливных гранул на основе торфа, имеющих теплоту сгорания низшую 0;г>2000 ккал/кг требуется реализация дополнительных технологических и конструктивных решений, разработанных по результатам анализа работы котла Е-60-9,5-510 ДФТ ст.№11 Жодинской ТЭЦ.

6. Разработана технология для приготовления топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки б/у автомобильных покрышек для их сжигания в кипящем слое. Технология, разработанная коллективом «НИУ «МЭИ» при участии автора (под руководством профессора Кормилицына В.И.), позволяет пригото-

вить топливные гранулы, обладающие рядом преимуществ: высокая теплотворная способность; существенно более высокая твердость элемента; существенно более высокая стойкость к воздействию влаги.

7. Произведена опытная партия топливных гранул размером <1=14 мм, имеющих плотность ркаж=1280 кг/м3. Определена расчетным методом и подтверждена экспериментально теплота сгорания низшая топливных гранул из торфа и резиновой крошки, произведенных по технологии НИУ «МЭИ», которая состави-

^Р 1 лпп ккал

„хг = 4820-.

и II кг

8. Разработан ряд конструктивных и технологических решений (и необходимая техническая документация) для обеспечения надежного сжигания получаемых топливных гранул в предтопках котлов, оснащенных кипящим слоем, и реализующим технологию двухстадийного сжигания. Предложенными техническими решениями являются: организация подачи дымовых газов рециркуляции в зону действия сопл вторичного воздушного дутья; реконструкция узла донного дутья с заменой воздухораздающих колпачков и реконструкцией обмуровки холодной воронки; модернизации сопл вторичного дутья; реконструкция нижней плоскости патрубков подачи топлива. На котле Е-60-9,5-510 ДФТ в процессе опытной эксплуатации выполнена реализация три из четырех предложенных выше решений (не реализована подача газов рециркуляции).

9. Расчётным методом подтверждено, что для вновь проектируемых котлов, в которых предполагается сжигание таких высококалорийных топлив как торфяные брикеты или гранулы, предпочтительнее организовывать дополнительные сопла для подачи воздуха вторичного дутья вместо подвода газов рециркуляции.

10. Выполнен анализ опытных данных вредных газообразных выбросов при сжигании торфяных брикетов и топлива на основе бывших в употреблении автомобильных покрышек. Сделан вывод, что при сжигании в кипящем слоем топливных гранул на основе торфа и резиновой крошки (при содержании резиновой крошки до 10% по массе) выбросы вредных газообразных веществ не будут превышать значений, достигаемых при сжигании угольного топлива.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кормилицын В.И. Технология приготовления топливных гранул из смеси торфа и вторичного сырья/Кормилицын В.И., Догадин Г.С., Хре-новС.И., Горр Д.А., Панюшкин А.В., Головацкий А.А. // Вестник МЭИ. — 2011.-№5.-С. 9-14.

2. Кормилицын В.И. Приготовление и сжигание альтернативного топлива / Кормилицын В.И., Горр Д.А., Догадин Г.С., Мирзабекян Г.З., Хренов С.И. // Вестник МЭИ. - 2012. - №3. - С. 5 - 8.

3. Горр Д.А. Разработка рекомендаций по приготовлению и сжиганию топливных гранул на основе торфа в «кипящем слое» энергетических котлов / Горр Д.А., Валюжинич М.А., Кормилицын В.И. // Энергосбережение и водо-подготовка. - 2014. - №2 (88). - С. 18 - 21.

4. Кормилицын В.И. Исследование и создание технологии приготовления топливных гранул на основе торфа и резины / Кормилицын В.И., Горр Д.А. // Тезисы докладов ХЬ Всерос. науч.-практ. конф. «Федоровские чтения» - М.: -Издательский дом МЭИ, 2010. - С.173-174.

5. Горр Д.А. Механический недожог топлива в золовых отходах как составной компонент альтернативного топлива / Горр Д.А., Кормилицын В.И. // Тезисы докладов XVIII Междунар. науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Т.4, - М.: Издательский дом МЭИ, 2012 г. С. 110.

6. Кормилицын В.И. Топливные гранулы на базе торфа как энергетическое топливо / Кормилицын В.И., Горр Д.А. // Тезисы докладов Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» - ИТАЭ-80. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012 г. С. 69-70.

7. Горр Д.А. Создание технолопш приготовления топливных гранул и разработка технологических основ их использования / Горр Д.А., Кормилицын В.И. // Тезисы докладов XX Междунар. науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Т.4, - М.: Издательский дом МЭИ, 2014 г. С. |]-82.

Подписано в печатьЩОФЙ.Зак.Штио. /<Р#П.л.

Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул., д.13