Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0125

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0125
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет"
Название доклада
Биотопливные энергетические котлы с кипящим слоем
Докладчик
Плешанов Константин Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования: разработка энергетических парового и водогрейного котлов, сжигающих биотопливо.
Задачи исследования:
• выбор типа биотоплива, позволяющего получить энергию в промышленных масштабах, и технологии его сжигания;
• обоснование параметров назначения;
• определение опорных точек для разработки его тепловой схемы;
• проведение теплового расчёта и определение конструктивных характеристик поверхностей теплообмена;
• оптимизация полученной конструкции, направленная на повышение надёжности и эффективности работы;
• исследование процессов протекающих в котле для корректировки конструкции его основных и вспомогательных элементов;
• анализ полученных результатов и разработка рекомендаций по их внедрению.
Актуальность и новизна исследования
Развитие энергетики в мире все больше ориентируется на использование возобновляемых источников энергии местного значения. В Энергетической стратегии России на период до 2035 г. предусматривается снижение объема привозных энергоресурсов в топливно-энергетическом балансе страны на 1/3 за счет использования местных видов топлива, включая биотопливо – агротопливо, кородревесные отходы и др. Проектирование и изготовление отечественной промышленностью нового эффективного и надежного оборудования, способного решать задачи, поставленные Энергетической стратегией, затруднено по причинам экономического характера и из-за отсутствия отработанных технологий сжигания. Малый опыт использования подобного топлива в энергетических котлах, а опыта, накопленного при работе установок малой мощности на биотопливе, довольно широко применяемых в бытовой сфере, недостаточно. Поэтому необходимо разработать новую конструкцию энергетических котлов позволяющих сжигать биотопливо с высокой надёжностью и эффективностью.
В качестве местного источника биотоплива могут выступать кородревесные отходы (КДО). Они распространены в России, легко транспортируются и не требуют особых условий хранения. Для их успешного использования в энергетических котлах на ТЭЦ рационально использовать технологию кипящего слоя, которая имеет ряд существенных преимуществ при сжигании КДО. Расчёт тепловой схемы и её элементов невозможен реперных величин температур продуктов сгорания в опорных точках газового тракта котла. Разработка современных энергетических котлов, сжигающих биотопливо без проведения исследований по обоснованию проектных решений и анализа полученных результатов невозможна.

Описание исследования

Высокая эффективность котлов достигалась использованием технологии сжигания топлива в кипящем слое, обеспечивающей механический недожог топлива на уровне 1%. Коэффициент избытка воздуха за топкой при этом равнялся 1.15. Самыми большими потерями теплоты в котле являются потери с уходящими газами. На них можно влиять, уменьшая избыток воздуха в тракте котла и температуру уходящих газов. Для уменьшения избытка воздуха в уходящих газах кроме выбора технологии сжигания были выбраны компоновки котлов, позволяющие минимизировать газоходы котла и упростить их газоплотное исполнение. Температура уходящих газов выбиралась исходя из технико-экономических показателей котла и опыта сжигания древесины в котлах.

Первыми проектными решениями при проектировании котла является определение опорных точек по его трактам. Для этого был проведён анализ ведущего зарубежного опыта по сжиганию КДО в энергетических котлах. На его основе были сформулированы следующие проектные решения:

площадь сечения на выходе из слоя и топки и за последней поверхностью нагрева.

Температуры по газовому тракту в опорных точках:

  • на выходе из слоя 850–900°С, при отсутствии данных о свойствах наполнителя слоя и топлива необходимо использовать меньшее значение;
  • перед входной плоскостью ширм не более 1000°С (для котла с традиционной П-образной компоновкой указанной температуре будет соответствовать температура на выходе из топки ближе к 950°С и должна быть определена отдельно);
  • уходящих газов 140–190°С (в зависимости от сернистости и влажности топлива и температуры предварительного подогрева воздуха).

Температура горячего воздуха для кородревесных отходов, обладающих высокой влажностью составляет 200-250ºС.

Доля первичного воздуха (отношение расхода первичного воздуха ко всему расходу воздуха, поступившего в топку) на номинальной нагрузке может изменяться в довольно широких пределах: от 0.35–0.45 до 0.5–0.6. Она определяется тепловым балансом слоя и «стадийностью» сжигания топлива.

Приведенная скорость продуктов сгорания над слоем может изменяться в пределах от 1.2 до 2 м/с. Приведенный диапазон изменения скорости дымовых газов над слоем в значительной мере влияет на конструкцию котла. При меньшей величине происходит снижение эксплуатационных затрат из-за уменьшения аэродинамического сопротивления. Большая величина способствует увеличению эффективности теплообмена и снижению металлоёмкости котла.

Расчётные исследования конструкции и работы поверхностей теплообмена в котле проводились при помощи программы Boiler Designer. Расчёт топки проводился в соответствии с рекомендациями ВТИ, ЦКТИ и УПИ. В тепловом расчёте использовались данные о работе котлов сжигающих КДО с кипящим слоем, установленных в Евросоюзе. Поверхности за топкой рассчитывались в соответствии с Тепловым расчётом котельных агрегатов (Нормативным методом).

Технология сжигания топлива в кипящем слое по сравнению с факельным сжиганием имеет существенное преимущество по равномерности распределения плотности теплового потока по стенам топки. Это позволяет использовать современные подходы при проектировании контура циркуляции парового котла.

Исследование влияния неравномерности тепловосприятия участков испарительных экранов топки (по высоте и ширине испарителя) на конструкцию и работу циркуляционной системы были произведены в программе Boiler Designer в соответствии с Гидравлическим расчётом котельных агрегатов (Нормативным методом).

Было произведено сравнение работы испарителя при исполнении циркуляционной системы в виде простых контуров, широко применяемых в отечественном энергетическом машиностроении, и сложного контура, получившего большее распространение в странах Евросоюза и США. Сформулированы критерии оптимизации, позволяющие оценить циркуляционную систему с точки зрения затрат, простоты и технологичности в производстве и надёжности работы испарителя.

Результаты исследования
  • Согласно анализу, проведенному при проектировании котла, в котором сжигаются КДО в кипящем слое, в качестве основных опорных точек и температур в них могут быть использованы следующие: на выходе из слоя 850–900°С, перед входной плоскостью ширм 1000°С, уходящих газов 140–190°С, горячего воздуха 200–250°С.
  • Средний расчетный коэффициент теплопередачи в разреженной зоне топки парового и водогрейного котлов составил 75-80 Вт/(м2 · К), что коррелирует с данными других исследователей, дающими разброс от 60 до 100 Вт/(м2 · К). 
  • С ростом тепловой мощности котла с кипящим слоем происходит увеличение приведенной скорости газов над слоем и отношения Q/F, что связано со стремлением уменьшить площадь поперечного сечения топочной камеры и капитальные затраты заводом-изготовителем.
  • Современные котлы, в которых используется технология сжигания кородревесных отходов в кипящем слое, имеют КПД более 90%. Это подтверждается режимами работы котлов северных стран Евросоюза. Дополнительное использование теплообменных поверхностей для создания котельной установки повышенной эффективности нуждается в дополнительном технико-экономическом обосновании.
  • Эксплуатационные затраты в котле с кипящим слоем вносят в общие приведенные затраты вклад в 80-85%. Поэтому при разработке котлов с кипящим слоем, сжигающим КДО рекомендуется использовать величину приведенной скорости продуктов сгорания 1.2 м/с.
  • Для определения оптимальной конструкции циркуляционной системы необходимо исследовать надёжность работы системы и массу затраченного металла.
  • Необходимым критерием для циркуляционной системы является величина коэффициентов запаса по застою и опрокидыванию в разверенных трубах более 1.1. Достаточным критерием для получения лёгкой конструкции является нахождение решения в области, обеспечивающей минимальную массу металла при обеспечении надёжности работы системы.
  • Больший расход в системе свидетельствует о лучшей надёжности её работы. С уменьшением расхода в испарителе и сопутствующим ростом массового паросодержания естественная циркуляция теряет устойчивость.
  • Затраты на изготовление циркуляционной системы сложного и простых контуров практически одинаковы. В сложном контуре масса металла будет больше, зато меньше будет объём сварочных работ и дешевле изготовление барабана.
  • Показано, что надёжность работы испарительных поверхностей может быть обеспечена как при использовании простых, так и сложного контуров циркуляции. Выбор между ними, в котле с кипящим слоем, будет осуществляться в зависимости от предпочтений и опыта изготовления фирмы-производителя парового котла.

 

Практическая значимость исследования
• Результаты проведенного теплового расчета котла показали возможность реализации технологии сжигания КДО в режиме кипящего слоя.
• Разработанные проектные решения, основанные на опыте сжигания кородревесных отходов стран Евросоюза, могут быть использованы для разработки отечественных котлов, работающих на биотопливе. В качестве дополнительного энергоресурса необходимо рассмотреть торф при его совместном сжигании с КДО.
• Расчетный КПД котлов при механическом недожоге 1% и температуре уходящих газов 150-165°С составил 90%. Это объясняется малым избытком воздуха на выходе из топки и небольшими присосами в газовом тракте котла (Δα = 0.05). Данный факт свидетельствует о конкурентоспособности технологии сжигания топлива в кипящем слое по сравнению с технологией сжигания традиционного органического топлива. При факельном сжигании значительной части твердого топлива с высоким выходом летучих коэффициент избытка воздуха на выходе из топки равняется 1.2 при механическом недожоге 0.5%. Меньший избыток воздуха при сжигании в кипящем слое, по сравнению с факельным сжиганием, будет приводить к увеличению КПД котла на 0.2–0.4%, что сможет компенсировать повышенные потери от механического недожога при сжигании древесины.
• В итоге, технико-экономическое целесообразность использования котлов с кипящим слоем будет зависть от средств, затраченных на освоение отечественным энергетическим машиностроением способов расчёта и производства топок котлов с кипящим слоем и их технологических и научных возможностей.
• Котлы, сжигающие КДО в режиме кипящего слоя, могут решать задачи, поставленные Энергетической стратегией России, служить основой энергетической безопасности и обеспечить нужды местных потребителей тепловой и электрической энергии. Это избавит удалённые регионы от необходимости ввоза энергоресурсов.
Постер

Poster_Bioboiler_2.ppt