Добавление гранул
advertisement
ВЛИЯНИЕ ДОБАВЛЕНИЯ БИОГРАНУЛ НА ПРОЦЕСС ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ И ГОРЕНИЯ НИЗКОСОРТНЫХ АНТРАЦИТОВ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ КИПЯЩЕМ СЛОЕ Исьёмин Р.Л., Кузьмин С.Н., Коняхин В.В., Кондуков Н.Б., Михалёв А.В., Зорин А.Т. Низкосортные антрациты (антрацитовые штыбы) занимают значительную долю в топливном балансе многих электростанций как в России, так и за рубежом. Если в России сжигание антрацитового штыба, например на Новочеркасской ГРЭС, осуществляется в пылеугольных горелках с поддержанием горения за счет сжигания мазута, то за рубежом разработаны котлы, конструкция которых позволяет сжигать это топливо в циркулирующем кипящем слое без использования мазута при низких выбросах окислов азота и серы, т.к. сжигание штыба происходит при относительно низких температурах в топке (880 – 1100 °С ) и в слой вводятся кальцийсодержащие компоненты [1, 2]. При этом сам слой составляют в основном частицы инертного негорючего материала (песка, золы), содержание углерода в слое не превышает 5 %. Хотя для исследовательских целей используются котлы с циркулирующим кипящим слоем мощностью до 1 МВт [1], из – за сложной конструкции, больших габаритов и высокой стоимости экономически оправдано эксплуатирование котлов с циркулирующим кипящим слоем номинальной мощностью более 50 МВт. Для котлов малой мощности ряд научно – исследовательских и проектных организаций России предлагают использовать модифицированную технологию «IGNIFLUID», заключающуюся в установке в нижней части топки котла движущейся наклонной цепной решетки, под которую подается примерно 50 % от общего количества воздуха, необходимого для горения. Решетка значительно уже топки, поэтому в образующемся на ней кипящем слое, который составляют частицы угля и золы, создаются очень высокие скорости газа, достаточные для псевдоожижения крупных частиц угля (до 50 мм) [3]. Однако, высокие скорости газа приводят к большому уносу частиц топлива из кипящего слоя (примерно 1/3 от вводимого в топку топлива). В отличии от технологии классического циркулирующего кипящего слоя, котлы, при реализации технологии «IGNIFLUID», не оборудуются циклонами для очистки топочных газов до попадания в конвективную часть котла от частиц золы и топлива, которые улавливаются в осадительной камере в топке котла, конвективных газоходах и циклонах за котлом и возвращаются в кипящий слой. Такую технологию сжигания разработчики называют высокотемпературным циркулирующим кипящим слоем, поскольку температура в слое горящего топлива в среднем составляет 1200 °С [3]. Попытки внедрить такую технологию для сжигания низкосортных антрацитов на угольных предприятиях России в Ростовской области не дали положительного результата: по отзывам эксплуатирующих организаций было трудно добиться устойчивого горения антрацитового штыба, а из –за циркуляции частиц топлива через котел эрозионный износ поверхностей нагрева был столь велик, что конвективный теплообменник котла требовал замены менее чем через год после начала эксплуатации. В последнее время предлагается для стабилизации процесса горения, увеличения времени пребывания в зоне горения мелких частиц и снижения их уноса предлагается в слой вводить крупные и тяжелые инертные частицы, которые по размеру более чем в тридцать раз превышают частицы топлива [4]. В таком слое возможно сжигание различных видов топлив от низкореакционного нефтяного кокса и антрацита до высокореакционного торфа, древесных отходов и других видов топлива с большим содержанием летучих веществ. В качестве крупных частиц нами предложено использовать гранулы из сельскохозяйственных отходов (соломы, лузги подсолнечника и т.п.), что улучшит экологические показатели работы котла. Кроме того, концентрация гранул в слое за счет их сжигания будет постоянной, тогда как накопление в слое крупных инертных частиц может привести к дефлюидизации и прекращению работы топки [5,6]. Целью настоящей работы является исследование процессов перехода в псевдоожиженное состояние и горение слоев, состоящих из смеси частиц антрацитового штыба и биогранул. Характеристики штыба и гранул, использованных в настоящей работе, приведены в таблице 1. Таблица 1 – Характеристики частиц антрацитового штыба и биогранул Характеристики топлив Теплота сгорания, МДж/кг Зольность, % Влажность, % Выход летучих веществ, % Содержание серы, % Плотность частиц топлива, кг/м3 Характеристики фракционного состава: сита, мм – массовая доля, % 0 – 0,5 0,5 – 1,0 1,0 – 2,0 2,0 – 4,0 4,0 – 6,0 > 6,0 Антрацитовый штыб 20,9 27,9 8,5 4,0 1,25 1400 5,9 11,4 27,3 35,3 18,5 1,6 Гранулы из лузги подсолнечника 18,46 5,4 7,7 67,9 0,1 1300 Диаметр – 10 мм, средняя длина – 12,5 мм Исследования проводились в два этапа: на модельной установке при комнатной температуре и на промышленном жаротрубно – дымогарном котле нашей собственной конструкции [4] мощностью 300 кВт. Жаровая труба имела диаметр 1370 мм и длину 1200 мм; площадь поперечного сечения псевдоожиженного слоя в котле составляла 0,452 м2 Доля «живого» сечения у воздухораспределительной решетки котла была 5 %. Процесс псевдоожижения смеси штыба и биогранул был исследован при температуре 20 °С в аппарате с прозрачными стенками, который имел сечение 483 х 195 мм (примерно треть от площади сечения воздухораспределительной решетки промышленного котла [4]) и высоту 1500 мм и опирался на перфорированную воздухораспределительную решетку с долей «живого» сечения 5 %. Перепад давления измерялся в слое цифровым дифференциальным манометром «Testo – 525». Скорость воздуха на выходе из аппарата измерялась в трех точках с помощью термоанемометра «Testo 405 V1». В слой последовательно загружались порции смесей топлива, содержащие 20, 40, 50, 60,80 % биогранул от общей массы порции и 100 % биогранул. Высота неподвижного слоя частиц в аппарате составляла примерно треть от высоты неподвижного слоя в топке промышленного котла [4]. После загрузки порции частиц в аппарат включалась воздуходувка и слой переводили в псевдоожиженное состояние, увеличивая расход воздуха и измеряя перепад давления в слое и высоту расширившегося слоя. Как известно [5], процесс перехода в псевдоожиженное состояние полидисперсных смесей частиц характеризуется двумя скоростями газа: скоростью газа, при которой псевдоожижаются только мелкие частицы и скоростью газа, при которой происходит полное псевдоожижение слоя. Точки, соответствующие значению скорости воздуха, при которых псевдоожижение только начинается, образуют нижнюю кривую на рис. 1, а точки, соответствующие значению скорости воздуха, при которой происходит полное псевдоожижение – верхнюю кривую на рис. 1. Как видно из этого рисунка, с увеличением доли биогранул в смеси значение скорости газа, при которой происходит полное псевдоожижение, увеличивается. Переход в псевдоожиженное состояние крупных частиц под воздействием мелочи при скоростях газа меньше той, что требовалась бы для псевдоожижения слоя, состоящего только из крупных частиц, отмечался в более ранних исследованиях и в промышленной практике. В частности, в котлах с циркулирующим кипящим слоем частиц размером менее 300 мкм наблюдалось движение и подъем в верхнюю часть слоя крупных частиц размером 10 мм, которые вводились в нижнюю часть топки для стабилизации процесса горения и увеличения времени пребывания в слое мелких частиц [4]. Перемещение крупных частиц в работе [4] объясняется динамическим воздействием на них мелочи. Принципиально новым, Рис.1. Зависимость скорости газа, при которой псевдоожижение смеси штыба и биогранул начинается, и скорости газа, при которой слой становится полностью псевдоожиженным, от доли биогранул в смеси. установленным нами фактом является зависимость расширения (разбухания) псевдоожиженного слоя от доли биогранул в смеси. Как видно из рис. 2, чем больше в смеси частиц доля биогранул, тем в меньшей степени расширяется псевдоожиженный слой с ростом скорости воздуха. Это происходит, очевидно, из – за того, что частицы штыба большую часть кинетической энергии, полученной ими от газа, затрачивают на перемещение гранул и высота подъема частиц штыба уменьшается. Таким образом, с добавлением биогранул в псевдоожиженный слой антрацитового штыба при данной скорости газа увеличивается высота сепарационного пространства в топке и создаются предпосылки для снижения потерь штыба с уносом. С другой стороны, более плотный слой предполагает более интенсивную химико – термическую обработку частиц, что должно привести к сокращению времени подготовки свежих частиц штыба к воспламенению. Кинетической энергии, полученной частицами штыба при их взаимодействии с газовым потоком и переданной биогранулам, очевидно достаточно для псевдоожижения Рис.2. Зависимость расширения слоя от содержания биогранул (х1) в их смеси со штыбом . ■ – относительная высота слоя при х2=20%, Н0=45 мм × - высота слоя при х2=40%, Н0=60 мм □ – высота слоя при х2=50%, Н0=65 мм ◊ – высота слоя при х2=60%, Н0=70 мм ● – высота слоя при х2=80%, Н0=77 мм ○ – высота слоя при х2=100%, Н0=100 мм биогранул в том случае, если их доля в смеси не многим более 50 % (плотность частиц штыба на 7,1 % выше плотности биогранул). Поэтому, совместное псевдоожижение штыба и биогранул возможно не во всем диапазоне изменения концентрации биогранул в смеси, причем этот диапазон сужается с ростом температуры (значение минимальной скорости псевдоожижения для таких крупных частиц как биогранулы с ростом температуры увеличивается [7]). При комнатной температуре при содержании биогранул в смеси выше 60 % совместное псевдоожижение их со штыбом становиться невозможным: слой биогранул так перекрывает поперечное сечение аппарата, что штыб полностью выдувается из слоя гранул и образует псевдоожиженный слой над слоем неподвижных гранул. Увеличение значения скорости воздуха, при которой достигается полное псевдоожижение смеси, состоящей из штыба и биогранул, с ростом доли биогранул может привести к тому, что при температуре равной температуре воспламенения штыба и более высокой температуре топливная смесь не будет псевдоожижена при сохранении значения коэффициента избытка воздуха за котлом, которое имело место при сжигании одного штыба. Нами значения скорости воздуха, при котором происходит полное псевдоожижение смеси, полученные для топливной смеси различного состава при комнатной температуре, были пересчитаны для температуры равной температуре воспламенения антрацитового штыба в кипящем слое (≈ 700°С [8]). Т.к. слой штыба и гранул представляют крупные частицы, то можно было записать по аналогии с [7]: С ростом минимальная 1,75(Re0 )2 = Ar или ρf(U0)2 = const температуры плотность псевдоожижающего скорость псевдоожижения растет. Зная значение газа U0 (1) снижается, и а плотность псевдоожижающего газа при комнатной температуре можно найти значение константы в уравнении (1), а по значению плотности псевдоожижающего газа при интересующей нас температуре – значение U0 при этой температуре. Были сопоставлены полученные значения скорости газа, при которой должно происходить полное псевдоожижение смеси топливной смеси, с фактической скоростью газа на входе в слой топлива (таблица 2) при воспламенении топливной смеси и коэффициенте избытка воздуха за котлом равном 1,5. Скорость газа на входе в слой топлива определялась путем пересчета измеренных значений скорости газа за котлом с учетом изменения температуры газов. Как видно из таблицы 2, при температуре слоя 700 °С с ростом доли биогранул в смеси со штыбом скорость газа, при которой наступает полное псевдоожижение смеси, увеличивается и само псевдоожижение слоя возможно только при концентрации биогранул не выше 40 %. Прекращение псевдоожижения смеси штыба и биогранул, при содержании последних в смеси выше 40 %, должно негативно сказать на процессе подготовки штыба к воспламенению и на сокращении длительности процесса горения смеси штыба и биогранул. Это было подтверждено входе опытов на промышленной котле нашей конструкции. Перед началом опытов на промышленном котле готовились топливные смеси такого же состава, как указывалось выше. Котел работал в номинальном режиме, продолжительность опыта по сжиганию смеси каждого состава была не менее 8 часов, при этом в топку котла периодически вручную загружались порции весом 30 кг. После заброса порции топлива через каждые 60 секунд на выходе из слоя топлива определялись температура газа содержание в нем О2, СО2, СО, NO2, SO2 значения которых пересчитывались для коэффициента избытка воздуха равного 1,0. Кроме того, по стандартным методикам определялись потери топлива с уносом и содержание горючих в шлаке. Таблица 2 – Характеристики слоя частиц штыба и биогранул при температуре 700 °С х2, % 20,0 40,0 50,0 60,0 80,0 Значение константы в 2,282 3,02 4,51 5,528 6,647 уравнении (1) U0(при температуре 700 2,67 3,07 3,75 4,15 4,56 °С), м/с Скорость газа в слое (при температуре 700 3,41 3,41 3,41 3,41 3,41 °С), м/с Число псевдоожижения 1,28 1,11 0,91 0,82 0,75 Время горения топлива оценивалось, по аналогии с [9], по изменению концентрации кислорода в дымовых газах. Считалось, что горение порции топлива завершилось, если концентрация кислорода в дымовых газах достигала того значения, которое было перед началом опыта. Оказалось, что при сжигании смеси антрацитового штыба и биогранул продолжительность горения топливной смеси в сравнении с продолжительностью горения одного штыба не монотонно сокращается с ростом доли биогранул в смеси. Продолжительность горения смеси сокращается в 1,47 раза (с 650 до 420 секунд), если концентрация биогранул в смеси не превышает 40 %, т.е. если штыб и гранулы находятся в псевдоожиженном состоянии. Дальнейшее увеличение концентрации биогранул в смеси (от 40 до 100 %) приводит к прекращению псевдоожижения слоя. Продолжительность горения порции топлива, состоящей только из биогранул составляет 360 секунд (на 60 секунд меньше продолжительности горения порции топлива, состоящего на 60 % из штыба и на 40 % из биогранул). Установлено, что при увеличении доли биогранул в смеси потери от механической неполноты сгорания (включая потери с уносом) снижаются с 16 % (при сжигании одного штыба) до 10,5 % при сжигании смеси, содержащей 40 % гранул и 60 % штыба. Это происходит по трем причинам: 1) снижается количество штыба, вводимого в топку котла (при сохранении мощности топки), 2) возрастает, в сравнении с процессом горения одного штыба, скорость воспламенения и горения топливной смеси штыба и биогранул, поэтому уносимые из слоя топлива частицы штыба успевают воспламениться и сгореть, 3) уменьшается расширение слоя в сравнении с процессом псевдоожижения и горения одного штыба, т.е. при данной высоте топки увеличивается высота сепарационного пространства. Содержание горючих в шлаке с увеличением доли биогранул в смеси снижается с 7,5 % (при сжигании одного штыба) до 5,88 % (при сжигании смеси, содержащей 20 % биогранул) и до 2,3 % (при сжигании смеси, содержащей 40 % биогранул). Дальнейшее увеличении доли биогранул в смеси практически не увеличивает зольность шлака – при 80 % - ном содержании биогранул в шлаке содержится 2,0 % горючих веществ. Сокращение содержания горючих веществ в шлаке с увеличением доли биогранул в сжигаемой смеси можно объяснить прежде всего сокращением количества золы, образующейся при сжигании топливной смеси в сравнении со сжиганием одного штыба, что препятствует сплавлению шлака в большие агломераты и способствует лучшему выжиганию горючих веществ. При большой доли биогранул в смеси (выше 40 %) совместного псевдоожижения штыба и гранул, как отмечалось выше, не происходит, штыб горит отдельно от гранул (над гранулами) и гранулы не оказывают существенного влияния не на процесс горения штыба не на выжигание горючих веществ в шлаке. С ростом доли биогранул смеси уменьшается эмиссия двуокиси серы в атмосферу с 1935 мг/м3 (при сжигании одного штыба) до 120 мг/м3 (при сжигании одних только гранул). С другой стороны, при сжигании антрацитового штыба эмиссия окиси углерода составляет 2370 мг/м3, она возрастает с увеличением доли гранул в смеси и достигает 3177 мг/м3 при сжигании одних гранул, так же, как и эмиссия окислов азота (в пересчете на двуокись) - с 262,5 мг/м3 до 645 мг/м3. При содержании гранул в смеси 40 % эмиссия СО составила 2450 мг/м3, двуокиси азота – 540 мг/м3, двуокиси серы – 1290 мг/м3. Таким образом, предложенная технология сжигания антрацитового штыба в кипящем слое при добавлении в слой биогранул позволяет повысить интенсивность и эффективность процесса горения штыба, но имеет и свои ограничения: увеличение доли биогранул в смеси выше 40 % не оправдано, т.к. эффективность процесса при этом практически не возрастает, а экологические показатели ухудшаются. ЛИТЕРАТУРА 1. Cheg L., Shi Z., Wang Q., Fang M., Luo Z., Zheng H., Gao X., Yu C Combustion Behanior and SOx , NOx Emissions of an Anthracite Coal in a Circulating Fluidized Bed // Proceedings of FBC 2005. 18th International Conference on Fluidized Bed Combustion, May 22 – 25, 2005, Toronto, Ontario, Canada. 2. Shevtchenko V., Franke W., Gummel P., Kortus M., Wedwl G. Ukraine’s First Large – Scale CFB 200 MWE Anthracite Fired Starobeshevo Power Plant // Proceedings of FBC 2005. 18th International Conference on Fluidized Bed Combustion, May 22 – 25, 2005, Toronto, Ontario, Canada. 3. Радованович М. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое. – М.: «Энергоатомиздат», 1990. – с. 23 – 24. 4. Win K.K., Matsuda H., Nowak W., Hasatani M., Bis Z., Krzywanski J., Gajeswski W. Transport Velocity of Coarse Particles in Multi – Solid Fluidized Bed // Journal of Chemical Engineering of Japan, 1995, v. 28, № 5, pp. 535 – 540. 5. Kuzmin S.N., Isemin R.L., Konjakhin V.V., Mikhalev A.V., Panfilova O.V., Zorin A.T. Co – combustion of Coal and Bio – Pellets in the High Temperature Fluidized Bed // Proceedings of 19th International Conference on Fluidized Bed Combustion, part 1, Vienna, Austria, May 21 – 24, 2006. 6. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г Аналогия между псевдоожиженным слоем и капельной жидкостью (В кн. «Псевдоожижение», под редакцией Девидсона И. и Харрисона Д.). – М.: «Химия», 1974 – с. 481. 7. Pattipati Ranga R., Wen C.Y. Minimum Fluidization Velocity at High Temperature // Industrial & Engineering Chemistry Process Desing and Development, 1981, vol. 20, № 4, pp. 795 – 797. 8. Гринь И.Г., Дунаевская Н.И., Жолудов Я.С. Повышение реакционной способности антрацитового штыба путем предварительной термической обработки // Проблемы тепло – и масообмена в современной технологии сжигания и газификации твердого топлива: Материалы международной школы – семинара (27 мая – 3 июня 1988 г.). – Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова АН БССР, 1988. – Ч. 1. – с. 126 – 132. 9. Hasa H., Tourunen A., Saastamoinen J., Kirkinen A. – P., Hyppanen T., Kettunen A. Combustion Сharacteristics of Fuel – Experiment Scale – up from Bench Scale Reactors to Commercial Scale CFB Boiler // Proceedings of 18th International Conference on Fluidized Bed Combustion. May 22 – 25, 2005, Toronto, Ontario, Canada. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Н, Н0, мм – рабочая и начальная высота слоя, U0, м/c – скорость газа, при которой происходит полное псевдоожижение смеси частиц, х1 – доля биогранул в смеси, Re0 – значение критерия псевдоожижение топливной смеси, Ar – критерий Архимеда Греческие символы ρf, кг/м3 – плотность газа Рейнольдса, при котором происходит полное
