Котломонтажсервис



SpyLOG


О компании
Услуги
Референц-лист
Новости

Форум
Консалтинг
Тендеры
Специальные предложения
Сделать заказ

Контакты
Вакансии
Карта сайта






баннер портал kotel film.gif
banner derevo animacion.gif
banner182x200.gif
banner_generadar FIN2.gif

SpyLOG
Рейтинг@Mail.ru


Бийский Котельный Завод

ЗИОСАБ

Дорогобужский Котельный Завод

'Lighthouse'

Промышленная группа 'Генерация'

Калужский турбинный завод


 


8 (903)  949-75-20

vacancy.gif 

 

 


Новости


20.06.2006  Эффективные топки для низкокалорийного топлива.

Мы продолжаем публикацию статей ведущих специалистов нашей компании

isadski.JPG

-Исадского И.П.-начальника департамента энергосберегающих технологий: "Не газом единым"- еще раз об использовании биотоплива.

   Starikov (79 x 77).jpg

-Старикова В.В.-главного инженера проекта департамента энергосберегающих технологий: Применение компенсирующего устройства в скребковых транспортерах с переломом профиля, для систем топливоподачи котельных, работающих на древесных отходах.

посвященных теории и практике сжигания биотоплива.

 

Возрастающий в последнее время интерес к топочным устройствам, способным сжигать различного вида отходы определяется высокой стоимостью традиционных видов топлива, а также ухудшением экологической обстановки.

К сожалению, низкие цены на нефть и газ, а также огромные объемы их добычи во второй половине 20-го века вынудили отказаться от широкого внедрения топочных устройств, разработанных для сжигания низкокалорийного и разносортного топлива. Поэтому на сегодняшний день в значительной степени утеряны опыт и знания в области расчета, проектирования и производства такого рода топочных устройств.

Положение усугубляется тем фактом, что даже в «Тепловом расчете котлов» (нормативный метод), третье издание, С.-Петербург, 1998 год древесина, отходы деревообработки (щепа, опилки), а также отходы сельскохозяйственного производства в качестве топлива даже не упоминаются.

В данной статье дан обзор различных эффективных топок для сжигания низкокалорийного твердого топлива, которые были разработаны и успешно эксплуатировались на протяжении последних 100 лет.

Методы сжигания твердого топлива разделяют на два больших класса по аэродинамическому взаимодействию топлива и воздуха в топке: 

1.                  Твердое топливо самого разного фракционного состава находится в слое, через который продувается воздух, необходимый для горения.

2.                  Твердое топливо, предварительно измельченное до определенного размера, подхватывается в топке воздушным потоком и сжигается в этом потоке воздуха.

3.                  Существуют топки, в которых осуществляются оба метода сжигания одновременно.

4.                 К отдельному классу следует отнести метод сжигания твердого топлива во взвешенном слое инертного твердого материала или сжигание в низкотемпературном кипящем слое (топки с НТКС). 

Вне зависимости от методов сжигания частицы твердого топлива проходят в топке четыре основные стадии: 

1.      Прогрев, а при наличии свободной влаги в топливе – прогрев с просушкой.

2.      Газовыделение или газификация топлива.

3.      Воспламенение покидающих частицу топлива газов в непосредственной близости от частицы.

4.      Окончание пламенного горения, розжиг и горение коксовой (углеродной) основы топлива с ясно видимым ореолом сгорающей окиси углерода СО.

Именно в этот момент температура вблизи частицы достигает максимума. 

Слоевой метод является самым древним, но до сих пор очень эффективным благодаря возможности раздельного регулирования всех стадий процесса сжигания топлива. Обязательными элементами слоевой топки являются колосники, на которые сверху подается топливо. Снизу под колосники подается воздух. Из простых слоевых топок, обладающих высокими показателями при сжигании такого низкосортного топлива как влажные древесные отходы, следует выделить слоевую топку с наклонными колосниками.

Первые топки с наклонной колосниковой решеткой были созданы свыше 100 лет назад. Первое из известных нам описаний такой топки относится к 1864 году. Несмотря на столь значительный возраст некоторые из наиболее удачных конструкций с небольшими изменениями применяются до сих пор.

Например, в работе профессора Императорского Московского технического училища А.П. Гавриленко «Паровые котлы», Москва, 1907 год приводится описание таких топок.

Наиболее простыми, но тем не менее эффективными являются топка со ступенчатой решеткой и топка Фолькера.

Топка с наклонной решеткой.

Топка с наклонной решеткой.jpg

 

 

Конструкция наклонного колосника.

 Колосник.jpg

 

 

Топка Фолькера с различным углом наклона колосников.

Топка Фолькера.jpg

 Следует отметить, что в статье не рассматриваются достаточно сложные механические топки, поскольку по своим характеристикам эти топки сопоставимы с простыми топками, снабженными шурующей планкой. В качестве примера приводится только одна конструкция топки с наклонно-переталкивающей решеткой, также описанной профессором А.П. Гавриленко еще в 1907 году. 

Механическая топка с наклонно-переталкивающей решеткой.

 Наклонно-переталкивающая.jpg

 В работе профессора Кнорре Г.Ф. «Топочные процессы», Москва, 1951 год дано описание одной из наиболее удачных топок К.В. Кирша, относящихся также к началу 20 века. 

Топка К.В. Кирша с комбинацией наклонных и горизонтальных колосников  и распределенным дутьем.

Топка Кирша.jpg 

Одной из самых последних разработок таких топок можно считать конструкцию, запатентованную в РФ в 2000 году. Патент РФ 2159390. 

Топка по патенту РФ 2159390: 3 – наклонные колосники; 4 – горизонтальные колосники; 11 – загрузчик топлива; 14 – шурующая планка или шлаковыгружатель.

патент РФ.jpg

Простоту внутреннего устройства слоевой топки с наклонными колосниками можно оценить по приведенной ниже фотографии.

Данная топка при работе на древесных отходах обеспечивает паспортную производительность парового котла КЕ 10-14.

 Внутреннее устройство топки с наклонными колосниками.

 S4200025.jpg

 Современная котельная со слоевыми топками мощностью 50 МВт.

 S4200007.jpg

Эффективность такой топки, специально сконструированной для сжигания влажных древесных отходов, объясняется произвольным перемещением топлива в направлении очага горения под действием силы тяжести и наличием зоны просушки поступающего в топку топлива, которая находится в верхней части наклонной колосниковой решетки. Просушка топлива производится не только воздухом, поступающим через колосниковую решетку и подогретым до 180…2000С, но и специально расположенным над местом ввода топлива «зажигательным» сводом, который обеспечивает интенсивную просушку верхней части слоя топлива. Вслед за зоной просушки расположена зона газификации слоя топлива, когда при температурах свыше 2000С из топлива выходят летучие, состоящие в основном из смеси углеводородов и паров Н2О.

При всей правильности подобного подхода к сжиганию влажного топлива, очень многое зависит от конструкции наклонной колосниковой решетки. Например, в топке Кирша с брусчатыми наклонными колосниками при всей ее продуманности не удавалось сжигать топливо с влажностью свыше 40%. Однако, многочисленные исследования показали, что при минимальных изменениях в такой топке можно эффективно сжигать древесное топливо с влажностью 60%.

Повысить эффективность топки удалось, заменив гладкие брусчатые колосники ступенчатыми.

Причина повышения эффективности топки заключалась в том, что в нижней части наклонной колосниковой решетки возникала зона интенсивного газифицирования топлива.

Ступенчатые наклонные колосники были сконструированы таким образом, чтобы на каждой ступеньке постоянно задерживалось небольшое количество топлива, которое очень быстро подсушивается подогретым воздухом.  Благодаря интенсивной просушке топлива, в нижней части наклонных колосников происходит даже воспламенение топлива на каждой ступеньке. Такая конструкция колосников обеспечила зажигание слоя топлива не только сверху, со стороны топочного пространства, но и снизу, со стороны подачи воздуха.

В результате подвода к таким одиночным очагам горения подогретого воздуха с большим содержанием кислорода реакция горения шла по схеме окисления углерода:

 

                       С + О2 = СО2

 

Данная реакция идет с выделением большого количества тепла, поэтому в очагах горения развиваются температуры 1200…15000С. Следствием этого является поглощение всего поступающего в данную зону кислорода слоем горящего топлива. При этом в верхней части горящего слоя при недостатке кислорода, но избытке углерода идет реакция восстановления СО2 и реакция с участием паров Н2О:

 

                        СО2 + С = 2СО

                        Н2О + С = СО + Н2

 

Следовательно, в топочное пространство поступают такие горючие газы как смесь различных углеводородов, СО и Н2 .

Для эффективной работы топки необходимо полностью сжечь выделяющиеся горючие газы, а это можно сделать обеспечив достаточное количество кислорода и высокую температуру в топке, поскольку такой углеводород как СН4 воспламеняется при температуре 13000С. Если введение необходимого количества кислорода не представляет сложную задачу, то для повышения температуры в зоне горения необходимо удалить теплопоглощающие поверхности из топки.

Поэтому для сжигания влажных древесных отходов наиболее приемлемы выносные топки с хорошей теплоизоляцией, в которых топочный объем полностью отделен от теплопоглощающих поверхностей котла. При ограниченной площади котельной приходится устраивать встроенную топку, установленную непосредственно под котлом. При реконструкции котельных, в которых установлены котлы с низкой посадкой возможно устройство выносной топки необходимых габаритов вне котельной для сохранения производительности котлов. Если сохранение производительности не является лимитирующим фактором реконструкции и допускается уменьшение производительности котла, то возможно устройство топки внутри котла с частичной изоляцией теплопоглощающих поверхностей. Естественно, что последний вариант является наименее экономически выгодным.

Несмотря на продолжительный период применения слоевых топок с наклонными колосниками, конструкции топок последнего времени страдают определенными недостатками, характерными для таких топок. Связано это, прежде всего с потерей культуры проектирования и производства, когда у разработчиков отсутствует понимание процессов, протекающих в топке. Кроме этого существует дефицит необходимых материалов, в частности жаропрочного чугуна для колосников.

Очень характерная черта данных топок – выгорание наклонных колосников, вызванное различными факторами: недостаточным дутьем, неудачной конструкцией колосников и пониженной жаропрочностью чугуна.

Выгорание наклонных колосников после нескольких месяцев эксплуатации.

S4200032.jpg 

Непростой задачей является и возведение «зажигательных» сводов в топке. Несоблюдение общих правил возведения сводов приводит к нарушению целостности обмуровки в результате возникновения значительного распорного усилия, вызванного термическим удлинением свода и небольшой стрелой прогиба свода.

 Разрушение обмуровки топки в месте установки «зажигательного» свода.

S4200026.jpg

Подобно топкам с наклонными колосниками долгожительство и высокую эффективность сжигания древесных отходов проявляет механическая топка с конической колосниковой решетки, состоящей из чередующихся ярусов подвижных и неподвижных колосников. В этой топке осуществляется нижняя подача топлива, когда топливо поступает в верхнюю часть колосниковой решетки под действием шнека, размещенного под колосниковой решеткой.

В настоящее время данная топка в полностью автоматизированном виде выпускается компанией Wartsila. Прототипом же следует считать ретортную топку фирмы Underfeed Co., London, полное описание которой приведено в уже упоминавшейся работе профессора Гавриленко А.П. за 1907 год.

Ретортная топка компании Underfeed Stoker Co., London

Ретортная.jpg

 Конструкция топки очень совершенна даже по современным требованиям, поскольку топка была снабжена шнековым питателем с переменным шагом витков и изменяющимся диаметром по длине шнека. Кроме этого шнековый питатель имел самостоятельный привод с регулируемым в широком диапазоне числом оборотов для обеспечения необходимой производительности топки. 

 Новой ступенью в развитии топочных устройств стало создание вихревых топок. Связано это было прежде всего с поисками дешевого топлива.

 Поиски дешевого топлива в России привели к необходимости сжигать торф для получения тепловой энергии в промышленных масштабах. Ни одна из существовавших до начала 30-х годов прошлого века топок не могла сжигать даже сухой торф, не говоря уже о торфе с высокой влажностью, поступающим с мест его добычи. Сложность сжигания торфа заключается прежде всего в его фракционном составе, поскольку торф состоит из очень мелких частиц и способен очень быстро слеживаться на обычной колосниковой решетке, образуя непроходимый для воздуха слой. Применение разного рода шурующих планок способствовало сжиганию торфа на колосниках, но высокая парусность частиц торфа резко ограничивала производительность топок.

 В 30-х годах прошлого века Шершнев разработал вихревую топку, в которой за счет применения дутьевого вентилятора создавался устойчивый циркуляционный воздушный поток, в который вводится топливо определенного размера (2…10 мм для древесных отходов).

Эта топка явилась результатом многолетних исследований и экспериментов, поэтому очень интересно проследить путь совершенствования конструкции топки.

Совершенствование конструкции топки Шершнева.

Топка Шершнева.jpg 

Все процессы, происходящие с топливом на колосниковой решетке, происходят и в воздушном потоке вихревой топки. Время пребывания топлива в топке определяется завершенностью процесса горения.

 В вихревой топке при вводе топлива в топку скорость воздушного потока значительно больше скорости движения частиц топлива, то есть частица топлива постоянно обдувается свежими порциями воздуха, обеспечивающими высокую интенсивность горения. Но по мере потери частицей топлива массы и размера ее скорость движения приближается к скорости движения воздушного потока. В этой части топки воздушный поток уже значительно обеднен кислородом, поэтому, несмотря на малый размер частиц, процесс горения резко замедляется. В результате возникает значительный механический недожог.

Увеличению механического недожога способствует центробежная сила, возникающая в результате кругового движения частиц топлива. При этом более крупные частицы отбрасываются в периферийную область, к стенкам топки, где они не успевают догореть, поскольку температура стенок топки ниже, чем температура газового потока в центральной части топки.

Для устранения механического недожога применяют распределенную по высоте подачу воздуха в топку. Такая подача, с одной стороны турбулизирует поток и способствует дожиганию мелких частиц, а с другой стороны отбрасывает крупные частицы топлива в центральную часть топки, где существуют обратные газовые потоки, возвращающие крупные частицы в очаг горения.

Разновидностью вихревых топок являются циклонные топки, в которых газовый поток в топке движется в виде двух встречных вихрей – внутреннего и внешнего. Данные топки, как и циклоны для сохранения структуры встречных вихрей не могут превышать определенные размеры, поэтому весьма ограничены в производительности. 

Циклонная топка Г.Ф. Кнорре для лузги.

 Топка Кнорре.jpg

По сравнению со слоевыми топками вихревые топки более простые, но имеют более узкий диапазон устойчивой работы по воздуху. Кроме этого газовый поток выносит из топки все продукты горения, включая золу и шлак, поэтому такие топки требуют достаточно эффективных устройств очистки дымовых газов.

Современная вихревая топка с распределенным по высоте дутьем мощностью 5 МВт.

Вихревая.jpg

Совершенно уникальными возможностями по сравнению с традиционными топками обладают топки, в которых горение происходит в псевдоожиженном слое. Родоначальниками таких топок следует считать фонтанные топки. Но неустойчивость процесса, определяла очень узкий диапазон работы топок, что вынудило отказаться от их применения и привело к созданию топок нового типа.

В химической технологии процессы с применением кипящего слоя давно применяются и хорошо изучены. Наиболее известный из них – сушка в кипящем слое.

Применение закономерностей, характерных для кипящего слоя в химичекой технологии, а также хорошо отработанное аппаратурное оформление процесса помогли очень быстро создать рабочие образцы топок с кипящим слоем.  

Во-первых, псевдоожиженный слой в такой топке может быть создан из частиц самого топлива. Такие топки носят название топок с высокотемпературным кипящим слоем (ВТКС). В таких топках размер частиц топлива в слое постоянно меняется, поэтому существуют достаточно жесткие требования к размеру поступающих в топку частиц и параметрам проведения процесса. Большое количество тепла, выделяемое при горении в кипящем слое очень часто приводит к разрушению распределительных устройств и обмуровки топки в результате их перегрева.

Второй способ заключается в создании псевдоожиженного слоя из инертного термостойкого материала с частицами определенного размера, например кварцевого песка. Топливо в виде небольших частиц (20…30 мм) подается непосредственно в псевдоожиженный слой инертного материала, который для инициализации процесса должен быть подогрет до температуры воспламенения топлива. Такие топки носят название топок с низкотемпературным кипящим слоем (НТКС).

Топки с НТКС обладают многими достоинствами, основным из которых является  полное сгорание топлива при высоких тепловых нагрузках, а также отсутствие шлакования в топке.  К недостаткам топок с НТКС относится высокое гидравлическое сопротивление слоя, что требует установки высоконапорных дутьевых вентиляторов и повышает эксплуатационные расходы. Кроме этого, при конструировании топок с НТКС следует принимать специальные меры для обеспечения равномерного ввода воздуха в слой, чтобы предотвратить проход воздуха через слой по отдельным каналам и избежать явления раскачивания слоя. При конструировании химических аппаратов с кипящим слоем для обеспечения устойчивой работы аппарата применяют метод секционирования рабочей поверхности или объема.

В заключение необходимо отметить, что ведущими теплотехниками продолжается совершенствование и разработка новых топочных устройств. Например, в последнее время была разработана универсальная топка для древесных отходов, сочетающая в себе достоинства слоевых топок (возможность сжигать влажное топливо различного фракционного состава), а также преимущества топок с НТКС (высокая тепловая нагрузка и отсутствие шлакования при сжигании засоренного топлива). Загрузка топлива в топку осуществляется гидравлическим загрузчиком новой конструкции, обеспечивающим равномерную подачу топлива в топку, сопоставимую со шнековой подачей. 

 

 

Стариков Валерий Владимирович, главный инженер проекта ООО"Котломонтажсервис" тел. для справок 121-42-10

 

 Журнал Дерево.RU май-июнь 2006 г.

 



 


Котломонтажсервис

Телефон: 89039497520





115230, г. Москва, проезд Хлебозаводский, д. 7, стр. 9, этаж 2, пом.9, комн.9
Тел.: 8 (903) 949-75-20
E-mail: kotel@kotel.ru