Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технических решений для создания политопливных теплогенерирующих систем на местных и возобновляемых топливных ресурсах

Номер контракта: 14.577.21.0116

Руководитель: Исьемин Рафаил Львович

Должность: директор научно-образовательного центра

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
котел, кипящий слой, катализатор, твердое топливо, жидкое топливо, газ, сжигание, кпд котла, эмиссия вредных выбросов, входное распределение дутьевого воздуха

Цель проекта:
Разработка и создание котельной установки для раздельного сжигания газообразного, жидкого и твердого топлив, производительностью не менее 50 кг/ч условного топлива для расширения топливной базы предприятий коммунальной и промышленной энергетики.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1 Промежуточные и Заключительный отчеты о ПНИ, включающие:
1.1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме создания политопливных теплогенерирующих систем – не менее 15 научно-информационых источников за период 2009 – 2014 гг. с выбором обоснования и направления исследований и способов решения поставленных задач.
1.2 Принципиальную схему экспериментальной котельной установки (в составе: узел подачи жидкого топлива (стандартное оборудование); узел подачи твердого топлива, включая расходный бункер для твердого топлива; узел подачи газообразного топлива (стандартное оборудование); узел подачи воздуха с воздухораспределительной решеткой; топочный узел; утилизатор тепла дымовых газов; узел очистки уходящих газов типа «мокрый» циклон (стандартное оборудование); пульт управления, автоматики и регулирования) для сжигания газообразного, жидкого и твердого топлив.
1.3 Результаты исследования влияния способов входного воздухораспределения из узла подачи воздуха на формирование однородной структуры кипящего слоя с целью создания условий для завершения горения коксового остатка и летучих веществ в топочном объеме и снижения нагрузки на катализаторы при сжигании твердого топлива (антрацитовый штыб, биогранулы).
1.4 Результаты исследования влияния режимов работы «мокрого» циклона на снижение вредных выбросов при работе экспериментальной котельной установки.
1.5. Результаты исследования влияния катализаторов глубокого окисления на процесс сжигания твердого топлива.
2 Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96, глубиной 15 лет по направлению создания политопливных теплогенерирующих систем.
3 Эскизный проект экспериментальной котельной установки (в составе: узел подачи жидкого топлива (стандартное оборудование); узел подачи твердого топлива, включая расходный бункер для твердого топлива; узел подачи газообразного топлива (стандартное оборудование); узел подачи воздуха с воздухораспределительной решеткой; топочный узел; утилизатор тепла дымовых газов; узел очистки уходящих газов типа «мокрый» циклон (стандартное оборудование) для сжигания различных видов топлив, производительностью не менее 50 кг/ч условного топлива.
4 Эскизный проект на испытательный стенд для размещения экспериментальной котельной установки.
5 Методика исследования влияния способов входного воздухораспределения в топке на формирование однородной структуры кипящего слоя с целью создания условий для завершения горения коксового остатка и летучих веществ в топочном объеме и снижения нагрузки на катализаторы при сжигании твердого топлива (антрацитовый штыб, биогранулы).
6 Лабораторный технологический регламент сжигания газообразного, жидкого и твердого топлива.
7 Программа и методики испытаний экспериментальной котельной установки для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлив.
8 Методика исследования влияния режимов работы «мокрого» циклона на снижение выбросов окислов серы, азота, окиси углерода и летучей золы при сжигании газообразного, жидкого и твердого топлив.
9 Методика исследования образцов катализаторов глубокого окисления топлива.
10 Проект технических условий на изготовление разрабатываемой котельной установки.
11 Экспериментальная котельная установка для сжигания газообразного, жидкого и твердого топлива.
12 Испытательный стенд для размещения экспериментальной котельной установки.
13 Проект технического задания на ОКР по теме "Разработка и создание опытного образца котельной установки мощностью до 500 кВт, предназначенной для раздельного сжигания твердого топлива (уголь, биотопливо), природного газа и жидкого топлива (печное топливо)".
14 Проект технических условий на изготовление разрабатываемой котельной установки для раздельного сжигания газообразного, жидкого и твердого топлива.
15 Бизнес-план производства разработанной котельной установки для раздельного сжигании газообразного, жидкого и твердого топлива.
16 Рекомендации по внедрению вновь разработанной котельной установки в реальном секторе экономики с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1 Технология сжигания топлив должна предусматривать сжигание не менее трех типов топлив (твердое топливо (антрацитовый штыб, биогранулы), жидкое (печное), газообразное (природный газ) в одном котле без его модернизации.
2 Разрабатываемая экспериментальная котельная установка для сжигания топлив должна быть предназначена для горения образцов топлив различного агрегатного состояния и свойств при заданных температурах.
3 Создаваемая экспериментальная котельная установка для сжигания газообразного, жидкого и твердого топлив должна обеспечивать производительность не менее 50 кг/ч по условному топливу.
4. Экспериментальная котельная установка для сжигания газообразного, жидкого и твердого топлив должна иметь производительность по топливу не менее 50 кг/ч условного топлива и обеспечивать поддержание устойчивого температурного режима в диапазоне 450-1200 °С.
5. Экспериментальная котельная установка для сжигания твердого топлива, жидкого и газообразного топлив должна иметь возможность последовательного использования либо газообразного, либо жидкого, либо твердого топлива без переналадки установки.
6. Экспериментальная котельная установка должна обеспечивать следующие параметры газообразных выбросов:
- концентрация золы в уходящих газах после зоны горения - 30-40 г/м3
- концентрация СО после реактора - 200-300 мг/м3;
- концентрация NOх после реактора - 100-200 мг/м3;
- концентрация SOX после реактора - 20-50 мг/м3;
7. Экспериментальная котельная установка должна обеспечивать достижение следующих показателей:
- концентрация золы в уходящих газах после узла очистки - 0.3-0.5 г/м3;
- класс опасности золы - 4.
- коэффициент полезного действия топки (КПД топки) на любом виде топлива не менее 95%.
8.Установка для сжигания топлив должна иметь в своем составе:
- узел подачи жидкого топлива (стандартное оборудование);
- узел подачи твердого топлива, включая бункер для твердого топлива;
- узел подачи газообразного топлива (стандартное оборудование);
- узел подачи воздуха, включая узел воздухораспределения;
- топку;
- утилизатор тепла дымовых газов;
- узел очистки уходящих газов типа «мокрый циклон» (стандартное оборудование),
- пульт управления, автоматики и регулирования.
9 Установка должна удовлетворять следующим техническим характеристикам:
- использование в качестве твердого топлива антрацитового штыба с размером частиц от 0 до 6 мм, зольностью до 30 %, с теплотой сгорания до 20 МДж/кг, биогранул (из древесных отходов или соломы) диаметром 6 – 10 мм, зольностью до 6 %, с теплотой сгорания не ниже 15 МДж/кг, жидких топлив (топливо печное бытовое или соляровое масло), так и газообразных топлив (природный газ или пропан-бутановая смесь);
- производительность установок: не менее 50 кг/ч условного топлива.
- коэффициент полезного действия топки (КПД топки) на любом виде топлива не менее 95%.
10. Катализатор глубокого окисления топлива должен работать в зоне температур 700-750оС.
11. Катализатор глубокого окисления топлива должен иметь срок службы не менее 6 месяцев и степень истираемости не более 0,35 % (масс.) в сутки

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные результаты и разработанные основы технологии должны быть ориентированы на применение в реальном секторе экономики, в том числе в сфере ЖКХ, промышленной и сельскохозяйственной энергетике

Текущие результаты проекта:
На первом этапе были выполнены следующие работы:
1) Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме создания политопливных, т.е. работающих на твёрдом топливе, жидком топливе и газообразном топливе, теплогенерирующих систем.
При этом доказана актуальность проведения исследований по разработке политопливных котлов при условии сжигания твёрдого топлива в кипящем слое и в присутствии катализатора для обеспечения низкого уровня вредных выбросов, сопоставимого с уровнем выбросов при работе котла на природном газе и жидком топливе. С другой стороны, доказано, что эффективность сжигания в кипящем слое твёрдого топлива, особенно содержащего большое количество летучих веществ (биомасса, бурые угли) может быть существенным образом повышена за счёт формирования оптимальной гидродинамической структуры слоя с интенсивной внутрислоевой циркуляцией твёрдой, обеспеченной оптимальной формой воздухораспределения на входе в слой.
2) Проведены патентные исследования по направлению создания политопливных теплогенерирующих систем. Задачами патентных исследований являлось: исследование уровня техники в области топочных устройств и котлов для сжигания газообразного, жидкого и твердого топлива, включая низкосортные угли, в присутствии катализаторов или каталитическое дожигание газообразных продуктов сгорания с целью снижения выбросов окиси углерода, окислов серы и азота, снижения температуры устойчивого воспламенения топлива; исследование состояния сложившейся патентной ситуации; выявление тенденций развития; обоснование прогноза их развития. Показано, что разработка политопливных котлов актуальна, однако, патентов, касающихся разработки политопливных котлов, включающих сжигание одного из видов топлива в присутствии или в слое катализатора, не обнаружено, что свидетельствует о новизне работы и возможности патентования технических решений, полученных в результате выполнения ПНИ.
3) Разработана принципиальная схема экспериментальной котельной установки, которая включает: узел подачи жидкого топлива (стандартное оборудование); узел подачи твёрдого топлива, включая расходный бункер для твёрдого топлива; узел подачи газообразного топлива (стандартное оборудование); узел подачи воздуха с воздухораспределительной решёткой; топочный узел; утилизатор тепла дымовых газов; узел очистки уходящих газов типа «мокрый» циклон (стандартное оборудование); пульт управления, автоматики и регулирования для сжигания газообразного, жидкого и твёрдого топлив.
4) Разработан эскизный проект экспериментальной котельной установки.
5) Обоснован выбор и приобретены комплектующие, необходимые для создания экспериментальной котельной установки.
6) Разработан эскизный проект и изготовлен испытательный стенд для размещения экспериментальной котельной установки.
7) Выполнены работы по обоснованию, выбору и приобретению газоанализатора MRU SWG 300-1, необходимого для проведения испытаний экспериментальной котельной установки.
На втором этапе исследования были выполнены следующие работы:
1) Изготовлен топочный узел и узел подачи воздуха с воздухораспределительной решёткой экспериментальной котельной установки для исследования влияния способа входного воздухораспределения на гидродинамическую структуру кипящего слоя с целью создания условий для завершения горения коксового остатка и летучих веществ в топочном объеме и снижения нагрузки на катализаторы при сжигании твёрдого топлива (антрацитовый штыб, биогранулы).
Воздухораспределительная решётка из нержавеющей стали выполнена в виде конуса с установленными в нём колпачками, направляющими воздух по касательной, обеспечивая перемешивание материала в кипящем слое и движение золы в центральную сливную трубу. Узел подачи воздуха также включает вентиляторы первичного и вторичного дутья с частотным регулированием.
Топочный узел выполнен из двух обечаек, между которыми обеспечивается циркуляция высокотемпературного теплоносителя. Топочный узел оборудован патрубками для подключения растопочной горелки, вентилятора для пневматического возврата инертного материала или катализатора в кипящий слой. Кроме того, в комплект изготовленного оборудования включено оборудование для сепарации и удаления золы, оборудование для возврата инертного материала или катализатора в кипящий слой; система автоматики и управления.
Система автоматики и управление обеспечивает измерение температуры и давления теплоносителя на входе и выходе из топочного узла; температуры кипящего слоя; уровня кипящего слоя; разрежения в топочном узле; температуры дымовых газов на выходе из топочного узла.
Система автоматики и управления обеспечивает поддержание требуемого уровня топлива в бункере; механизированную подачу топлива в топочный узел, исключая зависание и налипание топлива в бункере; технологические защиты и блокировки; пуск из любого теплового состояния; останов и работу топочного узла в заданном диапазоне нагрузок.
2) Разработана методика исследования влияния формы входного воздухораспределения в топке на формирование однородной структуры кипящего слоя.
Однородность гидродинамической структуры кипящего слоя оценивалась по интенсивности процесса теплообмена между кипящим слоем и размещенным в различных точках слоя теплообменным элементом. При однородной гидродинамической структуре кипящего слоя интенсивность теплообмена должна быть одинаковой во всех зонах слоя; при нарушении однородности структуры – интенсивность теплообмена в разных зонах слоя будет различной.
Была создана "холодная" модель топки с кипящим слоем, которая состояла из цилиндрической трубы диаметром 172 мм и высотой 1000 мм, выполненной из органического стекла, узла ввода воздуха, газораспределительной решётки, системы измерения перепада давления.
Для исследования интенсивности теплообмена между кипящим слоем и размещённым в нем теплообменным элементом в виде медного шарика, который имитировал частицу топлива, использовался метод регулярного теплового режима. В медный шарик была вмонтирована термопара. Использовались три варианта воздухораспределительной решётки. Первый вариант решётки имеет равномерное по площади «живое» сечение (равномерное воздухораспределение – «плоский» входной профиль скорости воздуха), второй вариант предусматривает большее «живое» сечение в центре решётки (скорость воздуха на входе в центр слоя выше – «выпуклый» профиль скорости воздуха на входе в слой) и в третьем варианте большее «живое» сечение расположено на периферии решётки (скорость воздуха у стенок аппарата выше – «вогнутый» профиль скорости воздуха).
Методика предполагала нагрев медного шарика до температуры 240 °С, помещение шарика в заданную точку кипящего слоя и фиксирование снижения температуры медного шарика до момента выравнивания её с температурой кипящего слоя. По скорости охлаждения шарика определялась интенсивность теплообмена. Для каждого из трех вариантов воздухораспределительной решётки исследования выполнялись для кипящего слоя с начальной высотой 50 мм и 100 мм при расположении датчика на высоте равной высоте неподвижного слоя. В качестве инертного материала использовался песок с размером частиц 0,5 - 0,8 мм. Измерения интенсивности теплообмена между кипящим слоем и теплообменным элементом выполнялись в 10 точках: по оси «холодной» модели топки, а также на расстоянии 30 мм и 60 мм от ее оси и на высоте 50 и 100 мм над решёткой. Опыты проводились при трех расходах воздуха: 40 м3/ч, 50 м3/ч, 60 м3/ч.
3) Проведены исследования влияния формы входного воздухораспределения в топке на формирование однородной структуры кипящего слоя, которые позволили подтвердить факт значительного влияния входного воздухораспределения, формируемого воздухораспределительной решёткой, на интенсивность процессов теплообмена в слое и, соответственно, на гидродинамическую структуру кипящего слоя. «Выпуклый» входной профиль обеспечивает более высокие значения коэффициентов теплообмена, т.е. обеспечивает более интенсивное движение частиц, чем «вогнутый» входной профиль и тем более «плоский» входной профиль скорости воздуха. При «вогнутом» входном профиле скорости воздуха теплообмен интенсифицируется в сравнении с «плоским» профилем в 1,36 раза, а при «выпуклом» входном профиле - в 1,65 раза. Однако, при «выпуклом» входном профиле скорости воздуха имеет место нарушение однородности гидродинамической структуры кипящего слоя и формирование очага кипения при относительно высокой скорости воздуха. «Вогнутый» входной профиль скорости воздуха обеспечивает максимально однородную гидродинамическую структуру кипящего слоя, которая практически не зависит от скорости воздуха, продуваемого через слой.
Обоснован выбор воздухораспределительной решётки, формирующей «вогнутый» профиль скорости воздуха на входе, т.к. решётка, формирующая такой входной профиль скорости воздуха, позволит не только интенсифицировать движение частиц и процессы теплообмена в слое, но и обеспечить однородную структуру слоя в широком диапазоне изменения скорости дутьевого воздуха, что расширит диапазон регулирования мощности топки с кипящим слоем.
4) Разработаны основы технологии сжигания газообразного, жидкого и твёрдого топлив с разработкой технологической схемы и лабораторного технологического регламента. При этом основное внимание уделено технологии сжигания твёрдого топлива в кипящем слое, т.к. технология сжигания газообразного и жидкого топлив определена инструкциями по эксплуатации соответствующих горелок. Технологическая схема процесса сжигания твёрдого топлива в кипящем слое включает следующие стадии: 1) загрузка инертного материала или мелкодисперсного катализатора в топочный узел на воздухораспределительную решётку, 2) перевод загруженного мелкодисперсного материала в псевдоожиженное состояние, 3) разогрев кипящего слоя до заданной температуры, 4) загрузка в кипящий слой твёрдого топлива и его устойчивое воспламенение, 5) вывод экспериментальной котельной установки на заданную мощность при расходе топлива 50 кг/ч по условному топливу, 6) регулирование эффективности сжигания топлива в кипящем слое.
В качестве наполнителя кипящего слоя используется кварцевый песок и оливиновый песок. Кварцевый песок используется как инертный материал и имеет следующие характеристики: размер частиц 0,355 – 0,5 мм, плотность 2540 кг/м3, насыпная плотность – 1600 кг/м3. Оливиновый песок используется как катализатор для глубокого окисления органического топлива и имеет следующие характеристики: размер частиц 0,063 – 0,707 мм, плотность – 3300 кг/м3, насыпная плотность – 1900 кг/м3. В качестве твёрдого топлива используются: антрацитовый штыб и соломенные гранулы.
5) За счёт внебюджетных средств (средства индустриального партнёра ОАО «ПРОДМАШ») выполнен монтаж экспериментальной котельной установки для сжигания газообразного, жидкого и твёрдого топлив.
6) Выбран и приобретен пылемер S 305 7 L1Y7-S-R Sintrol и комплектующие к нему (договор № 4473-02-15 и договор № 45990-05 -15). Пылемер приобретён за счёт собственных внебюджетных средств ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», полученных от уставной деятельности.
На третьем этапе выполнены следующие работы:
1 Разработка программы и методик испытаний экспериментальной котельной установки для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлив.
2 Разработка методики исследования влияния режимов работы «мокрого» циклона на снижение выбросов окислов серы, азота, окиси углерода и летучей золы при сжигании газообразного, жидкого и твердого топлив.
3 Разработка методики исследования покупных образцов катализаторов глубокого окисления топлива.
4 Исследования влияния режимов работы «мокрого» циклона на снижение вредных выбросов.
5 Разработка проекта технических условий на изготовление разрабатываемой котельной установки.
6 Проведение работ по выбору, обоснованию и приобретению различных видов топлива и материалов для проведения испытаний экспериментальной котельной установки.