Разработка, исследование и оптимизация схем сжигания энергетических топлив в прямоточно-вихревом факеле в паровых котлах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат наук Киричков, Владимир Сергеевич

• Киричков, Владимир Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Киричков, Владимир Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение

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

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

1.2. Снижение выбросов оксидов азота путем оптимизации топочной аэродинамики

1.3. Влияние особенностей аэродинамики факела на комплексную эффективность работы котлов

1.3.1. Проблемы обеспечения надежности и маневренности работы котлов

1.3.2. Проблемы обеспечения экологической эффективности и экономичности работы котлов

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

1.4. Цели и задачи настоящей работы

1.5. Моделирование аэродинамики топочного объема

Выводы по главе 1

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

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

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

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

2.2.2. Предлагаемая для реконструкции схема сжигания топлив

на котле № 1

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

2.3. Методика изучения развития прямоточных струй в объеме модели

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

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

Выводы по главе II

3. Исследование технологий сжигания кузнецкого каменного угля

на котлах ТП-87 при их переводе на твердое шлакоудаление

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

и экологической эффективности

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

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

3.3.1. Компоновочная схема для ступенчатого сжигания угольной пыли

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

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

3.5. Результаты исследований топочной аэродинамики на изотермической модели

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

Выводы по главе III

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

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

4.2. Предлагаемая схема сжигания газа и мазута

4.3. Конструктивные особенности прямоточных горелок для котла ТГМП-314

4.4. Исследования на физической модели аэродинамики топки

при трехступенчатом сжигании топлив

Выводы по главе IV

Заключение

Список использованных источников

Приложения

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

на конференции

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

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка, исследование и оптимизация схем сжигания энергетических топлив в прямоточно-вихревом факеле в паровых котлах»

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, 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 в Приложении I). 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).

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.

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.

Автор считает своим долгом выразить благодарность сотрудникам кафедры Котельных установок и экологии энергетики Московского энергетического института, чьи замечания и рекомендации помогли в работе над диссертацией, а именно: кандидату технических наук, профессору Прохорову В.Б. за научное руководство и внимание к работе; кандидату технических наук, ведущему научному сотруднику Архипову A.M. за предоставленную тематику и помощь в организации и теории проведения экспериментальных работ; ведущему инженеру Канунникову A.A. за помощь в изготовлении моделей, техническом оснащении установок, подготовке и проведении экспериментальных работ и промышленных испытаний. Также автор благодарит главного конструктора проекта ЗАО «ЦКБ Энергоремонт» Соловьева Н.И. и сотрудников ООО «ЮКЭК»: директора Нежелеева А.И., заместителя директора по технике Роора A.B., инженера ПТО Рукас В.П.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОПОЧНОЙ

АЭРОДИНАМИКИ 1.1. Обзор литературы по существующим схемам сжигания топлив

в топках котлов

Стремление к повышению экологической эффективности работы котлов и наиболее полному использованию (выжигу) топлива при минимальных затратах на ремонты и обслуживание топочно-горелочных устройств заставляет постоянно совершенствовать схемы и методы сжигания топлив, а таюке применять различные режимно-технологические мероприятиями (организация рециркуляции дымовых газов, переход на ступенчатое сжигание и проч.).

Особенно остро вопросы оптимизации сжигания стоят на пылеугольных котлах из-за постепенного ухудшения качества используемых углей и перехода на непроектные их виды.

В литературе большое внимание уделяется модернизации котлов и их промышленному освоению при использовании новых схемных решений сжигания органических топлив [12-31]. Большое внимание в этих работах уделяется охране воздушного бассейна от вредных выбросов.

Наиболее распространенные схемы установки горелочных устройств в газомазутных и пылеугольных котлах при твердом (ТШУ) и жидком (ЖШУ) шлакоудалении [32, 33] приведены на рис. 1.1-1.3. На этих рисунках приняты следующие обозначения: ат и Ьт - ширина и глубина топочной камеры соответственно; ¿/у - условный диаметр крутки.

Топки для сжигания газа и мазута в большинстве случаев имеют расположения горелочных устройств, приведенные на рис. 1.1. Циклонные предтоп-ки на газомазутных котлах (рис. 1.1 в) используются редко из-за высоких выбросов вредных веществ, образующихся при горении (в частности оксидов азота), постепенного обгорания экранов циклонной камеры, возможности проникновения продуктов сгорания в котельный цех даже при незначительной не-

плотности, повышенных тепловых напряжений экранных поверхностей на уровне выхода газов из предтопков. Ограниченной серией выпускались котлы ТГМП-314Ц с циклонными предтопками, от которых в дальнейшем практически везде отказались.

1

-яг

Вид А

■-ФН

4

а) 6) в) г)

Рисунок 1.1. Схемы расположения топочно-горелочных устройств на газомазутных котлах:

а) - однофронтальное расположение горелок; б) - встречное расположение горелок; в) - с горизонтальными циклонами; г) - подовое расположение горелок

т

ч, ■ / - а* \

Рисунок 1.2. Схемы размещения горелок на котлах с ТШУ: а) - фронтальное расположение; б) - боковое размещение; в) - встречное размещение; г) - встречно-смещенное размещение; д) - тангенциальная компоновка с одним вихрем; е) - тангенциальная компоновка с двумя вихрями; ж) и з) - то же, но при расположении в ярусе восьми и шести горелок соответственно

ж)

3)

Рисунок 1.3. Конструктивные схемы топок котлов с ЖШУ: а) - открытая; б) - полуоткрытая со встречным расположением горелок; в) - полуоткрытая с у-факелом конструкции ВТИ; г) - двухкамерная вихревая топка ЦКТИ; д) - двухкамерная с тангенциальной компоновкой горелок; е) - двухкамерная топка МЭИ с пересекающимися струями; ж) и з) - с горизонтальными и вертикальными циклонами соответственно; 1 - горелка; 2 - граница ошиповки камеры сгорания (б-е) или активной зоны; 3 - камера охлаждения; 4 - ввод первичного воздуха; 5 - ввод вторичного воздуха; 6 - шлакоулавливающий пучок; 7 - циклонный предтопок

Топки с удалением шлака в твердом состоянии (рис. 1.2) применяются при сжигании бурых и каменных углей, фрезерного торфа и сланцев. Горелки размещают в несколько ярусов при различной их компоновочной схеме (фронтальной, встречной, встречно-смещенной, тангенциальной).

Для интенсификации сжигания слабореакционных топлив (марок АШ, Т, ПА, СС и некоторых других) и снижения величины механического недожога используются топки с жидким шлакоудалением (рис. 1.3). В зоне активного горения топлив (ЗАГ) экранные трубы ошиповывают и покрывают огнеупорной обмазкой для снижения тепловосприятий экранов, и как следствие для повы-

шения температур продуктов сгорания в ЗАГ. С этой же целью используется пережим топки. Циклонные предтопки конструктивно сложны и склонны к быстрому обгоранию.

На рисунке 1.4 приводится схема движения топлива и воздуха в вихревой горелке полученная по испытаниям модели мазутной горелки [34]. На графике рис. 1.4 приведена зависимость относительного количества рециркулирующих топочных газов в зависимости от расстояния до горелки.

К достоинствам вихревых горелок можно отнести большую устойчивость зажигания [35] за счет одновременно внутреннего (в зоне обратных токов) и наружного прогрева топливовоздушной струи (см. рис. 1.4). Это достоинство в полной мере может быть использовано лишь на котлах средней паропроизводи-тельности при достаточно свободной их установке, при которой во внутренней полости образуется значительная рециркуляционная зона. На мощных котлах большое значение имеет взаимодействие факелов при определенных компоновках горелочных устройств, однако использование вихревых горелок в этом случае во многом сопряжено с определенными трудностями ввиду большого угла раскрытия потоков и неудовлетворительного заполнения ими топочного пространства. Поэтому роль вихревых горелок в организации топочного процесса сильно ограничена.

Вихревые горелки громоздки, сложны в изготовлении, обладают высоким аэродинамическим сопротивлением. За счет излучения раскаленных топочных газов и их проникновения в амбразуры происходит коробление и обгорание насадков и завихривающих аппаратов. Ремонт таких горелок сопряжен с трудностями технического характера и в некоторых случаях не может быть качественно произведен без привлечения завода-изготовителя.

При сжигании угольной пыли в вихревых горелках происходит расслоение потока первичного воздуха и пыли, что приводит к неравномерному ее распределению на выходе из амбразуры и как следствие к ухудшению зажигания.

Рисунок 1.4. Схема движения топлива и воздуха в зоне воспламенения мазута, выходящего из вихревой горелки:

1 - количество рециркулирующих газов на различном расстоянии от горелки с цилиндрической амбразурой; 2 - количество рециркулирующих газов на различном расстоянии от горелки с биконической амбразурой; 3 - завихряющая тангенциальная лопатка горелки; 4 - биконическая амбразура; 5 - мазутная форсунка; 6 и 6' - поперечные сечения газомазутного потока, в которых определялись его осевые скорости; 7 и 8 - контуры потоков воздуха и распыленного мазута;

¿/о и -и>о - расчетный диаметр горелки и скорость воздуха в этом сечении соответственно; / - расстояние от горелки в глубину топки; Оо - количество воздуха, выходящего из горелки; Срец - количество топочных газов, рециркулирующих к горелке

Я

Относительная скорость, ии/ьиа Л \-б'

0,5 1,0 1,5 2,0 Расстояние от горелки, 1/с1 0

----йп

Использование прямоточных горелок и сопл позволяет оказывать значительное влияние на аэродинамику топочного объема, что в значительной мере способствует повышению экологичности работы котельного агрегата, повышению его надежности, устойчивостью горения угольной пыли на малых нагрузках и проч.

Целесообразно остановиться на нескольких наиболее значимых схемах сжигания топлив при использовании прямоточных горелочных устройств и вихревой аэродинамики топочного объема. Большой вклад в развитие таких способов сжигания топлив внесен ЦКТИ, ВТИ, ЛПИ (ныне СПбГПУ), МЭИ.

На рисунке 1.5 приведена схема вихревой топки ЛПИ [26, 27, 35]. Шахта мельницы 2 присоединяется к горелке 1 с прямоугольным выходным сечением, через которую подается аэропыль. Вторичный воздух подается в топочную камеру через сопло 3. В нижней части топочной камеры образуется вихрь с горизонтальной осью вращения, чему способствуют соответствующие углы установки горелок и сопл при высокой скорости истечения агента (пылевоздушная смесь со скоростью 20-30 м/с, вторичный воздух со скоростью 40-60 м/с).

Рисунок 1.5. Низкотемпературная вихревая топка ЛПИ

Малые избытки воздуха в пылевоздушных струях, истекающих из прямоточных горелок, способствуют ускорению зажигания топлива, а вихревое движение в нижней части топки интенсифицирует выгорание топлива. В данной топке может с достаточной полнотой выгорать пыль грубого помола (в некоторых случаях и дробленка) за счет многократной ее циркуляции в вихревом факеле. Процессы горения в таком факеле происходят при относительно низких температурах топочных газов за счет значительной внутритопочной их рециркуляции. Такое сжигание способствует выравниванию температур в топочной камере, снижению шлакования и загрязнения теплообменных поверхностей котла, поэтому этот метод сжигания был в основном ориентирован на бурые угли, сланцы, торф. К недостаткам вихревой топки ЛЕИ можно отнести: высокую интенсивность износа фронтового экрана и выбросы Ж)х выше нормативного уровня.

В полуоткрытой топке ВТИ со встречно-наклонным расположением горелок (гамма-топка ВТИ) [27, 32] применено двухфронтальное расположение прямоточных горелок на скатах пережима (см. рис. 1.3 б). Опускное движение в такой топке происходит за счет соударения противоположных потоков топли-вовоздушных струй, далее часть топочных газов, омывая слабонаклонный под и стены поднимается, проходит между свежими горелочными струями, соединяется с частью газов, которые после соударения пошли вверх, и выходит через горловину пережима в камеру охлаждения. Принудительная внутритопочная рециркуляция высокотемпературных продуктов сгорания к свежим горелочным струям и значительная турбулизация объема камеры сгорания способствуют устойчивому зажиганию и ускоренному выгоранию угольной пыли.

На рисунке 1.3 е представлена топка МЭИ с пересекающимися струями, предназначенная для форсировки топочного процесса при сжигании малореакционных топлив [17, 27, 32]. Петлевая схема движения топочных газов организуется за счет пережима, отделяющего камеру сгорания от камеры охлаждения и определенному углу установки прямоточных щелевых горелок по отношению к горизонту. На организацию топочного процесса основополагающие воздейст-

вие оказывает величина выноса свежих топливовоздушных струй в камеру охлаждения и количество продуктов сгорания, увлеченных свежими струями.

При разработке схем организации сжигания в гамма-топке и топке МЭИ с пересекающимися струями большое значение имеет величина параметра М [17], характеризующего отношение кинетической энергии потока, вытекающего из горелок (ри^2/2)г, к кинетической энергии потока топочных газов, выходящих из камеры сгорания (предтопка) (ри/2/2)п:

(ри/2)г

М = С1-1)

где р и м> - плотность и скорость соответствующего потока.

Параметр М характеризует интенсивность перемешивания потоков свежих струй с топочными газами, величину выноса частиц топлива из предтопка.

Топки МЭИ с пересекающимися струями были внедрены для сжигания АШ и тощих углей. При эксплуатации реконструированных котлов удалось достичь: расширение диапазона нагрузок работы котла, снижение температуры уходящих газов, отсутствия загрязнений поверхностей нагрева золовыми отложениями, однако, основным их недостатком являлась большая доля выноса топлива из струй в камеру охлаждения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Киричков, Владимир Сергеевич, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Волков Э.П., Баринов В.А., Маневич A.C. Методология обоснования и перспективы развития электроэнергетики России - М.: Энергоатомиздат, 2010, 556 с.

2. Ольховский Г.Г., Тумановский А.Г. Проблемы и перспективы использования угля в электроэнергетике России - Энергетик, 2004, № 12, с. 9-13.

3. Современные природоохранные технологии в электроэнергетике: Информационный сборник / Под общей ред. Путилова В.Я. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007, 388 с.

4. Тумановский А.Г. Экологические проблемы тепловых электростанций -Электрические станции, 2005, № 1, с. 17-27.

5. ГОСТ Р 50831-95. Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования - М.: Издательство стандартов, 1996, 24 с.

6. Тумановский А.Г., Глебов В.П., Чугаева А.Н. Анализ природоохранной деятельности и основные направления сокращения негативного воздействия ТЭС на окружающую природную среду — Энергетик, 2006, № 12, с. 2-5.

7. Ходаков Ю.С. Оксиды азота и теплоэнергетика. Проблемы и решения -М.: ООО «ЭСТ-М», 2001, 432 с.

8. Архипов A.M., Путилов В.Я. Влияние максимально быстрого прогрева и зажигания пыли кузнецких углей на комплексную эффективность работы энергетических котлов - Теплоэнергетика, 2010, № 6, с. 12-19.

9. Теплоэнергетика и теплотехника. Кн. 4: Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общей ред. чл.-корр. РАН Клименко A.B. и проф. Зорина В.М. - М.: Издательство МЭИ, 2004, 632 с.

10. Архипов A.M., Путилов В.Я. Влияние организации ступенчатого факельного сжигания кузнецких углей на удельные выбросы NOx - Главный энергетик, 2010, № 6, с. 31-40.

11. Архипов A.M., Канунников A.A., Липов Ю.М. и др. Оптимизация технологии сжигания кузнецкого угля на паровом котле К-50-14-250 отопительной котельной - Теплоэнергетика, 2010, № 12, с. 60-65.

12. Архипов A.M., Липов Ю.М., Прохоров В.Б. Использование прямоточных горелок и сопл в топках котлов: инновационный опыт МЭИ - М.: Издательство МЭИ, 2013, 240 с.

13. Юрков Д.А. Разработка, исследования и результаты внедрения трехступенчатого сжигания газа и мазута на котле с призматической топкой: Кандидатская диссертация - М.: МЭИ, 2000, 149 с.

14. Архипов A.M., Путилов В.Я. Ступенчатое факельное сжигание кузнецких углей на ТЭС - Теплоэнергетика, 2009, № 8, с. 52-57.

15. Котлер В.Р. Развитие технологий факельного и вихревого сжигания твердого топлива - Теплоэнергетика, 1998, № 1, с. 67-72.

16. Котлер В.Р., Серков Д.Е. Влияние концентрического сжигания на экологические характеристики мощных энергоблоков на твердом топливе - Электрические станции, 2000, № 9, с. 65-69.

17. Сафронов С.П. Исследование закономерностей вихревого движения в топке с пересекающимися струями: Автореферат канд. дисс. - М.: МЭИ, 1974, 34 с.

18. Архипов A.M., Липов Ю.М., Третьяков Ю.М. и др. Разработка и аэродинамическая оптимизация схем ступенчатого сжигания газа и мазута по технологии МЭИ - Вестник МЭИ, 2000, № 3, с. 70-74.

19. Вагнер A.A. Комплексное повышение эффективности ступенчатого сжигания кузнецкого угля на котле с тангенциально направленными горелками и твердым шлакоудалением - Электрические станции, 2004, № 10, с. 38-43.

20. Вагнер A.A. Повышение надежности, экономичности и экологической эффективности работы котла БКЗ-210-140Ф при переводе на ступенчатое сжигание кузнецкого угля в U-образном факеле - Электрические станции, 2004, №5, с. 17-21.

21. Архипов А.М., Гапеев В.В., Медведицков А.Н. и др. Экологическая эффективность ступенчатого сжигания кузнецкого угля - Теплоэнергетика, 1996, № 9, с. 2-6.

22. Вагнер А.А., Абрамов В.В., Гапеев В.В., Архипов А.М. Глубокое подавление NOx при ступенчатом сжигании кузнецкого угля в U-образном прямо-точно-вихревом факеле - Теплоэнергетика, 2002, № 2, с 14-19.

23. Гордеев В.В., Сотников И.А., Смышляев А.А. и др. Использование технологии ступенчатого сжигания при реконструкции котлов на электростанциях Кузбассэнерго - Теплоэнергетика, 1999, № 9, с. 29-33.

24. Ковалева Т.И. Разработка и оптимизация прямоточно-вихревого способа сжигания газа и мазута в топках котлов: Кандидатская диссертация - М.: МЭИ, 1984, 237 с.

25. Шатиль А.А., Майструк В.П., Суровов А.Е. и др. Исследование инвертного способа сжигания каменных углей марок Д, Г и их промпродукта на котле ТП-230-3 - Электрические станции, 1986, № 1, с. 17-19.

26. Рундыгин Ю.А., Шестаков С.М., Ахмедов Д.Б. и др. Освоение и исследование котла БКЗ-420-140-9 с вихревой топкой ЛПИ - Теплоэнергетика, 1988, № 1,с. 12-16.

27. Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов - М.: Энергоатом-издат, 1990, 104 с.

28. Волков Э.П., Липов Ю.М., Архипов А.М. и др. Комплексная эффективность сжигания мазута и газа в прямоточно-вихревом факеле на энергетических и водогрейных котлах - Теплоэнергетика, 1990, № 10, с. 40-45.

29. Котлер В.Р., Енякин Ю.П. Реализация и эффективность технологических методов подавления оксидов азота на ТЭС - Теплоэнергетика, 1994, № 6, с. 2-9.

30. Frey D.J. The CE Low NOx Concentric Firing System. Presented at the U. S. -Japan Exchange of NOx Control Technical Information Conférence. Tokyo, May 25-27, 1981.

31. Brooks W. et. ai. Minderung von NOx-Emissionen aus Dampferzeugern mit Tangentialfeuerungen. - VGB Kraftwerkstechnik, 1987, v. 67, № 7.

32. Теплоэнергетика и теплотехника. Кн. 3: Тепловые и атомные электростанции: Справочник / Под общей ред. чл.-корр. РАН Клименко A.B. и проф. Зорина В.М. - М.: Издательство МЭИ, 2003, 648 с.

33. Парогенераторы / Под общей ред. Ковалева А.П. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 376 с.

34. Мейкляр М.В. Современные котельные агрегаты ТКЗ - М.: Энергия, 1978, 224 с.

35. Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства - М.: Энергия, 1976, 488 с.

36. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива - Д.: Недра, 1988, 312 с.

37. Росляков П.В., Закиров И.А. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях - М.: Издательство МЭИ, 2001, 144 с.

38. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов - М.: Энергоатомиздат, 1987, 144 с.

39. Kildsig F., Morsing P. MVemission aus kesselanlagen - VGB Kraftwerkstechn, 1991, Bd. 7, № 6, p. 592-593.

40. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении - M.-JL: Изд-во АН СССР, 1947, 147 с.

41. Miller J.A., Bowman G.T. Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion - Progress in Energy and Combustion Science. 1989. Vol. 15. P. 287-338.

42. Росляков П.В. Разработка теоретических основ образования оксидов азота при сжигании органических топлив и путей снижения их выхода в котлах и энергетических установках: Автореферат докт. дисс. - М.: МЭИ, 1993, 40 с.

43. Семенов H.H. Цепные реакции - Л.: Госхимтехиздат, 1934, 556 с.

44. Росляков П.В., Зинкина В.H. Влияние условий теплообмена в топочных камерах на образование термических оксидов азота - Теплоэнергетика, 1991, № 12, с. 60-62.

45. Росляков П.В., Егорова JI.E. Влияние основных характеристик зоны активного горения на выход оксидов азота - Теплоэнергетика, 1996, № 9, с. 22-26.

46. Сигал И.Я. Пути снижения выброса оксидов азота тепловыми электростанциями - Теплоэнергетика, 1989, № 3, с. 5-8.

47. Бабий В.И., Котлер В.Р., Вербовецкий Э.Х. Механизм образования и способы подавления оксидов азота в пылеугольных котлах - Энергетик, 1996, №6, с. 8-13.

48. Титов С.П., Бабий В.И., Барбараш В.М. Исследование образования NOx из азота топлива при горении пыли каменных углей - Теплоэнергетика, 1980, № 3, с. 64-67.

49. Peck R.E., Altenkirch R.A, Midkiff K.C. Fuel-Nitrogen Transformations in One-Dimensional Coal-Dust Flames - Combustion and Flame. 1984. Vol. 55. N3. P. 331-340.

50. Сигал И.Я. Развитие и задачи исследований по изучению условий образования окислов азота в топочных процессах - Теплоэнергетика, 1983, № 9, с. 5-10.

51. Буров Д.В., Котлер В.Р. Аналитическая статическая модель процесса образования топливных NOx при ступенчатом сжигании топлива - Теплоэнергетика, 1992, № 12, с. 42-46.

52. Fenimore С.P. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames // Thirteenth symposium on combustion - The Combustion Institute, 1971, p. 374-384.

53. Росляков П.В., Егорова JI.E., Чжун Бэйцзин. Принципы стадийного горения твердых топлив, обеспечивающие минимальный выход оксидов азота - Теплоэнергетика, 1994, № 12, с. 51-55.

54. Росляков П.В. Методы защиты окружающей среды - М.: Издательский дом МЭИ, 2007, 336 с.

55. Енякин Ю.П., Котлер В.Р, Бабий В.И. и др. Работы ВТИ по снижению выбросов оксидов азота технологическими методами - Теплоэнергетика, 1991, № 6, с. 33-38.

56. Закиров И.А. Исследование и внедрение способа нестехиометрического сжигания топлива в газомазутных котлах с целью снижения выбросов оксидов азота: Автореферат канд. дисс. -М.: МЭИ, 1999, 20 с.

57. Конюхов В.Г. Изучение условий образования бенз(а)пирена и окислов азота и усовершенствование методов их определения в продуктах сгорания газомазутных парогенераторов: Автореферат канд. дисс. - Л.: ЛИИ, 1978, 24 с.

58. Кирпичев М.В., Михеев М.А. Моделирование тепловых устройств - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1936, 320 с.

59. Кирпичев М.В. Теория подобия - М.: Изд-во АН СССР, 1953, 96 с.

60. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике - М.: Издательство «Наука», 1972, 440 с.

61. Кутателадзе С.С., Ляховский Д.Н., Пермяков В.А. Моделирование теплоэнергетического оборудования - М.-Л.: Издательство «Энергия», 1966, 351 с.

62. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидравлика газо-жидкостных систем -М.-Л.: ГЭИ, 1958, 232 с.

63. Шенк X. Теория инженерного эксперимента - М.: Издательство «Мир», 1972, 384 с.

64. Киричков B.C., Архипов A.M., Прохоров В.Б. Модельные исследования аэродинамики прямоточно-вихревого факела применительно к котлу ТГМП-314-Теплоэнергетика, 2013, № 6, с. 24-29.

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

66. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / Под ред. Кузнецова Н.В. и др. - М.: Энергия, 1973, 296 с.

67. Липов Ю.М., Третьяков Ю.М. Методика теплового расчета топки и образования оксидов азота при ступенчатом сжигании топлива - М.: Издательство МЭИ, 1998, 56 с.

68. Померанцев В.В., Арефьев K.M., Ахмедов Д.Б. и др. Основы практической теории горения - Л.: Энергия, 1973, 264 с.

69. Архипов A.M., Канунников A.A., Карасева Е.В. и др. Натурные, модельные и расчетные исследования сжигания кузнецкого угля и газа в ступенчатом прямоточно-вихревом факеле. Отчет по НИР - М.: МЭИ, 1997, 69 с.

70. Киричков B.C., Фоменко М.В., Архипов A.M., Прохоров В.Б. Практическое применение методов моделирования аэродинамики прямоточных струй в топочном объеме // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Девятнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: тезисы докладов в 4 томах - М.: Издательский дом МЭИ, 2013, том 4, с. 79.

71. Архипов A.M., Канунников A.A., Киричков B.C. и др. Влияние аэродинамики факела и эксплуатационных факторов на уровень мехнедожога на реконструированных котлах К-50-14-250 - Энергосбережение и водоподго-товка, 2013, №6, с. 38-43.

72. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960, 716 с.

73. Prandtl L. Bemerkung zur theories der freien Turbulenz - ZAMM, 1942, Bd. 22, №5, s. 241-243.

74. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя - М.: Наука, 1974, 712 с.

75. Архипов A.M., Ковалева Т.И, Липов Ю.М. и др. Исследование аэродинамики топочного устройства с прямоточно-вихревым факелом. Отчет по НИР -М.: МЭИ, 1983,51 с.

76. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика -М.: Издательский дом МЭИ, 2008, 496 с.

77. Теплоэнергетика и теплотехника. Кн. 2: Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общей ред. чл.-корр. РАН Клименко A.B. и проф. Зорина В.М. - М.: Издательство МЭИ, 2001,564 с.

78. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева A.A. Теплотехнические испытания котельных установок-М.: Энергоатомиздат, 1991, 416 с.

79. Аэродинамика закрученной струи / Под ред. Ахмедова Р.Б. - М.: Энергия, 1977, 240 с.

80. Коварский Л.Г. Защита паровых котлов от шлакования и заноса золой -М.-Л.: Издательство «Энергия», 1964, 272 с.

81. Алехнович А.Н., Богомолов В.В., Новицкий Н.В. и др. Изучение шлакующих свойств золы кузнецких углей - Электрические станции, 1977, № 9, с. 22-25.

82. Магадеев В.Ш. Коррозия газового тракта котельных установок - М.: Энергоатомиздат, 1986, 272 с.

83. Кнорре Г.Ф., Арефьев K.M., Блох А.Г. и др. Теория топочных процессов -М.-Л.: Издательство «Энергия», 1966, 492 с.

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

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

86. 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.

87. Таймаров М.А., Симаков A.B. Определение параметров структуры факела в топке котла при сжигании мазута - Вестник Казанского технологического университета, 2011, № 19, с. 81-85.

88. Белосельский Б.С. Топочные мазуты - М.: Энергия, 1978, 256 с.

89. Спейшер В.А., Горбаненко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках - М.: Энергоиздат, 1982, 240 с.

90. Ахмедов Р.Б., Цирульников JI.M. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив - JL: Недра, 1984, 240 с.

91. Зройчиков H.A., Прохоров В.Б., Архипов A.M., Киричков B.C. Оптимизация аэродинамики факела и конструкции тангенциально направленных горелок на котле ТГМП-314 - Теплоэнергетика, 2011, № 8, с. 27-31.

92. Прохоров В.Б., Архипов A.M., Киричков B.C. Разработка и модельные исследования схемы сжигания газа и мазута в прямоточно-вихревом факеле на котлах ТГМП-314 // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Четвертая международная конференция: тезисы докладов - М.: Издательский дом МЭИ, 2011, с. 256-257.

93. Киричков B.C., Прохоров В.Б., Архипов A.M. Моделирование аэродинамики прямоточно-вихревого факела в изотермических условиях // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: тезисы докладов в 4 томах - М.: Издательский дом МЭИ, 2012, том 4, с. 115-116.

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

95. Канторович Б.В., Миткалинный В.И., Делягин Г.Н. и др. Гидродинамика и теория горения потока топлива - М.: Изд-во «Металлургия», 1971, 488 с.

96. Таймаров М.А. Горелочные устройства - Казань: Издательство КГЭУ, 2007, 147 с.

97. Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства — М.: Издательство «Недра», 1972, 276 с.