birmaga.ru
добавить свой файл

1 2 3
Введение.

Главое преимущество сжигания топлива в кипящем слое – возможность существенно снизить выбросы оксидов серы непосредственно в процессе сжигания, а также малое, по сравнению с энергетическими установками обычного типа, количество выбросов окисдов азота как в абсолютном, так и в относительном смысле.
Это объясняется рядом преимуществ сжигания в кипящем слое. Темпрература в зоне горения поддерживается сравнительно низкой и постоянной по объёму. Это приводит к тому, что количество образующейся NOx мало, зола не расслаивается, элементы оборудования не зашлаковываются и меньше подвержены коррозии. Обеспечиваются высокие значения коэффициентов теплоотдачи. Это позволяет уменьшить площадь тепловоспринимающих поверхностей, следовательно, габариты парогенератора будут меньшими, чем при факельном сжигании. Отсюда экономия затрат.
При использовании кипящего слоя возможно сжигание низкосортных топлив и отходов с высоким содержанием золы и (или) влаги. Использование низкосортных топлив означает также снижение себестоимости производства тепла, а возможность использования горючих отходов первращает топку с кипящим слоем в хороший инсинератор.
Теплонапряжённость в топке даже при атмосферном давлении высока (от 3 МВт с 1 м2 площади слоя). Вместе со всеми преимуществами, сжигание топлива в кипящем слое имеет и недостатки. Для преодоления перепада давления в воздухорасперделителе и в самом слое необходимо использовать вентилятор большой мощности; диапазон регулирования топки крайне ограничен, очень велика инерционность технологическотго тракта производства пара. Таки образом для широкого промышленного внедрения топок с кипящем члоем надо решить ряд принципиальный проблем.

Псевдоожиженный (кипящий) слой – объём, зонимаемый частицами топлива, золы, песка, известняка и расположенный над поддерживающей воздухораспределительной решёткой. Когда через массу слоя подаётся с опредлелённоё скоростью воздух, твёрдые частицы поднимаются и поддерживаются воздухом во взвешенном состоянии. Происходит расширение слоя, способствующее увеличению расхода воздуха. В таком состоянии частицы могут двигаться свободно, а слой ведёт себя подобно жидкости. Общая сила аэродинамического сопротивления равна общему весу частиц. Далнейшее увеличение скорости ожижающего агента приводит к образованию пузырей воздуха, движущихся вверх в относительно плотной «фазы» псевдоожиженного слоя. Эти пузыри ответственны за быстрое и равномерное перемешивание материалов, добавляемых в слой, а также за эффективный перенос тепла от одной частицы слоя к другой и к охлаждаемым поверхностям внутри слоя.

Возможные пределы изменения скорости ожижающего агента (воздуха) являются одним из ключевых вопросов. Перепад давления по высоте слоя и его расширение в зависимости от скорости газа, а также псевдоожиженный слой с несколькими точками измерения давления, показаны на рис 4.5. Важное значение имеет перепад давления в газораспределительной решётки, поскольку он должен обеспечивать равномерность распределения потока газа по сечению слоя.

Рис 4.5 Зависимость перепада давлений в однородно ожижаемом слое (ΔP) и относительное расширение слоя (ΔL/Lmf) от средней расходной скорости газа в слое (u – скорость газа в незагруженном сечении, отнесённая к порозности слоя).
Минимальная скорость. Из определения скорости газа на пороге псевдоожижения umf:
F (сопротивление потока) = F (тяжести) (1)
ΔPA = ALmf pg) (1-εmf) g (2)
Где ΔP – перепад давлений в однородноожижаемом слое Н/м2; F – сила Н; Lmf – высота слоя на пороге псевдоожижения м; εmf – порозность слоя на пороге псевдоожижения; ρg – плотность ожижающего газа кг/м3; ρp – кажущаяся плотность частицы слоя кг/м3; А – площадь м2.
Если частицы пористые, то их кажущаяся плотность ρp связана с истинной ρt соотношением:
ρp = εp ρg+ (1 – εp) ρt (3)
Обычно для перехода через порог псевдоожижения необходим небольшой дополнительный перепад давления ΔP’.
Перепад давления на пороге ожижения можно вычислить по уравнению Эргана, описывающему перепад давления в неподвижном слое:

dP/dz = 150 (1- εmf)/ ε3mf – μ umf / d2p + 1,75 ((1- εmf)/ ε3mf ) * (ρgu2mf / dp) (4)

Где μ – вязкость ожижающего газа кг/(м*с); dp – диаметр частиц в слое м; umf - скорость газа на пороге псевдоожижения м/с;
Число Рейнольдса для порога псевдоожижения:
Re = ρgumf dp /μ (5)
Максимально допустимая скорость псевдоожижения ограничена скоростью свободного уноса частиц. Её значение можно вычислить по формуле для аэродинамического сопротивления:
CD ( 1/2 ρgu2max) (1/4 d2p) = 1/6 d3pg(ρpg) (6)
umax = 8/6 [ (dppg)*g)/(CDρg)]^0.5 (7)
Где CD – коэффициент сопротивления для сферы, функция числа Рейнольдса; umax - скорость порога псевдоожижения м/с.
Топки кипящего слоя.
При запуске топки предварительно слой подогревают с помощью пусковой горелки до температуры воспламенения. Затем топливо вводится в слой и выгорает непрерывно. В каждый данный момент материал кипящего слоя содержит лишь от 1 до 5 % горючей массы. В слой могут добавлять дополнительон известняк или доломит для связывания оксидов серы и соблюдения нормативов по вредным выбросам.

Рис. 2.1 Схема котла с кипящим слоем.

1 – система распределения воздуха (воздух дожен подаваться в слой для псевдоожижиения и для сгорания); 2- система вывода золы и отработаного сорбента; 3 – система питания углём и известняком; 4 – пусковая система (горелка); 5 – топливо (уголь) и известняк; 6 – пар; 7 – система улавливания летучей золы: механический пылеулавливатель; мешочный фильтр; 8 – уходящие газы; 9 – система теплового контроля; 10 – зола; 11 – экономайзер; 12 – питатеьлный насос; 13 – линия возврата золы с недожогом в кипящий слой.

Около 50% тепла, выделяемого в слое передаётся расположенный в слое трубам. Покидающие слой горячие газы прохоят через конвективные пучки, грубозернистый фильтр либо механический сепаратор пыли, экономайзер, ещё одно пылеулавливающее устройство и сбрасыаются через дымовую трубу. Содержащая недогоревший углерод зола, сепарируемая пылеуловителем, возвращается в кипящий слой для повышения полоты сграния топлива. Чтобы стабилизаировать высоту кипящего слоя и поддерживать реакционную способность известняка, необходимо непрерывно добавлять в слой свежий известняк и выводить отработавший материал из слоя.

При сдигании угля в кипящем слое температуру в нём необходимо поддрерживать ниже уровня температур спекания золы. Оптимальная температура для абсорбции оксидов серы известняком лежит в диапазоне 850-900°С. Тпипчный температурный диапазон для топок кипящего слоя составляет 800-950°С.
Обычный котёл с топкой кипящего слоя должен содержать элементы, представленные на рис 2.1, на рис 2.2-2.4 показаны промышленные топки кипящего слоя.

Рис 2.2 Промышленный транспортабельный паровой и водогрейный котёл кипящего слоя серии Jonston Fluid – Fire, 15-25 т/ч, 20 МПа. Топливо – все виды углей, древесина и древесные отходы, другие твёрдые топлива, котельный мазуты и отходы нефтепереработки, природный газ и пропан. Размер – длина 9м, высота 7м, ширина 4м. Обозначения:

1 – бункер угля; 2 – бункер известняка; 3 – питатели известняка и угля с регулируемой подачей; 4 – запальная горелка; 5 – водяная рубашка топки; 6 – щит управления; 7 – природный газ; 8 – нефтяное топливо; 9 – воздухорасперделительная камера; 10 – сборник золы; 11 – водотрубные разделительные перегородки слоя; 12 - линия рециркуляции недожога; 13 – вентиляторы воздушного дутья; 14 – вывод золы; 15 – циклоны; 16 – дымосос; 17 – вывод пара; 18 – огнетрубные поверхности нагрева; 19 – люк; 20 – водотрубная перегородка.



Рис 2.3. Ощая схема установки котла Fluid – Fire:

1 – приёмный бункер; 2 – приёмный тарнспортер угля и известняка; 3 – угольная ёмкость; 4 – транспортер угля; 5 – ёмкость известняка; 6 – транспортер известняка; 7 – расходный бункер угля и известняка; 8 – шнековые питатели угля и известняка; 9 – котёл Fluid – Fire; 10 – общий коллектор батарейных пылеулавливающих циклонов; 11 – транспортер подачи золы в сборник; 12 – сборник золы.

Рис 2.4. Помышленная котельная установка кипящего слоя для комбинированной выработки тепла и электроэнергии (поставки фирмы Foster Wheeler по заказу Royal Dutch Shell – Netherlands). Расположена у нефтехранилища в районе Роттердама, производит пар для подогрева нефти и обеспечивает выработку электроэнергии 6 МВт. Обозначения: 1 – барабан; 2 – конечный пароперегреватель; 3 – ввод угля; 4 – первичный пароперегреватель №1; 5 – кипящий слой; 6 – погружённые в слой парогенерирующие трубы; 7 – запально-пусковое устройство; 8 – охладитель отработавшего материала слоя; 9 – рециркуляция летучей золы; 10 – угольные бункера; 11 – экономайзер; 12 – первичный пароперегреватель №2; 13 – воздухораспредеительная решётка; 14 – байпас воздузоподогревателя; 15 – механический сепаратор пыли; 16 – трубчатый воздухоподогреватель; 17 – система рециркуляции летучей золы; 18 – дутьевые дымососы; 19 – рукавный фильтры; 20 – система вывода летучей золы; 21 – дымососы.

Конструкция воздухораспределительных решёток.
Назначение воздухораспределительной решётки – обеспечить достаточную равномерность прохождения воздуха через слой, чтобы гарантировать хорошее прсевдоожижение.
Известны три типа обычных решёток – перфорированная плита, плита с насадками или колпачками и трубчатая решётка.
Перфорированная плита. Воздухораспределительная решётка этого типа (Рис 2.5) имеет наиболее простое устройство и часто используется для проведения лабораторных испытаний по сжиганию в кипящем слое. С неё удобно удалять шлак, если он образуется при сжигании.



Рис. 2.5 Воздухораспределительная перфорированная плита.
Плита с насадками. Установлено, что плита с насадками или колпачками особенно подходит для топок кинящего слоя. Насадки обычно размещаются с постоянный шагом (от 70 до 150 мм). Их формы представлены на рис 2.6

Рис.2.6. Некоторые типы решёток с насадкам и копачками.
Трубчатая решётка(рис 2.7). Она состоит из труб с отверстиями или насадками, присоединёнными к трубам. Главное отличие трубчатых решёток – их способность выводить из донной части слоя куски шлака, золы и другие отделяющиеся инертные включения, накапливающиеся в доной части кипящего слоя. Они могут постепенно проваливаться через решётку по всй её площади в расположенный под ней бункер для дольнейшего удаления.

Рис. 2.7. Трубчатая решётка.
Так как воздух вводится в слой через отверстия или щели в верхей части насадок, неподвижный материал слоя образует изолирующую прослойку между горячей зоной кипящего слоя и опорной плитой. Опорная плита может быть также покрыта огнеупорным слоем. Для установок, в которых подогрев слоя (при пуске) осуществляется с помощью газовых или нефтяных горелок, конструкция воздухораспределительной решётки должна быть рассчитана на прохождение горячих газов (водяное охлаждение или использование прочных сталей). Воздухораспределительная плита должна проектироваться с учётом перепада давлений (около 2,5 *102 Па) для того, чтобы обеспечить однородность распределения воздуха, проходящего через слой при максимальном непрерывном расходе.
Системы подачи топлива.
Подача топлив может осуществляться над кипящим слоем и под ним. Расход топлива можно регулировать роторным дозатором или шнековым питателем.

Подача над слоем. Для подачи твёрдого топлива над слоем используется погруженная труба (для слоёв меньшей площади) или разбрасыватели (рис 2.8). Разбрасывающий питатель распределяет топливо по большей площади кипяещго слоя, однако при этом мелкие кусочки могут уноситься потоком. Погружённая труба снижает до минимума увлечение пыли потоком, на распределение топлива в слое должно осуществляться само собой. В общем случае, для того, чтобы обеспечить достаточно равномерное распределение топлива в слое, необходимо иметь одну точку ввода на квадратный метр. Для слоёв малой площади можно использовать шнековый питатель с подачей топлива под уровеньили над уровнем слоя.


Рис 2.8 Питание над слоем. Погружённая труба (а), разбасывающий питатель (б), шнековый питатель (в слой или над слоем) (в).
Питание под уровень слоя. Используемые системы ввода топлива под уровень слоя основаны на пневматической подаче топлива в придонну зону слоя через точки питания, расположенные равномерно по площади решётки.
Главный недостаток такого рода систем питания – относительная сложность их устройства.
Основными преимуществами систем ввода топлива под уровень являются возможность подачи в слой всех фракций топлива, включая мелочь, хорошее распределение топлива в слое и осуществление масштабного перехода к системам более крупных установок посто увеличением числа точек питания.
На рис 2.9 приведены примеры конструкций питающих насадок на воздухораспределительной решётки для подачи топлива под уровень кипящего слоя.

Рис 2.9. Питание под уровень. Некоторые примеры угольных питающих насадок.

Питание жидким и газообразным топливом.Сжигание нефтяных топлив и газа в кипящем слое довольно затруднено, так как при контакте с горячей зоной слоя жидкое топливо может испаряться и проходить через слой в виде паровых пузырей, которые плохо перемещиваются с кислородом. Это приводит к низкой полноте сгорания в слое. Топливо должно дожигаться в пространстве над кипящим слоем, где поток слабо турбулизирован, или покидать топку нредогорев.
В результате избыточного сжигания топлива в пространстве над кипящим слоем эта секция может перегреваться, в то время как температура в кипящем слое будет падать вследствие недостаточног тепловыделения.
Пример системы питания жидким топливом на рис 2.10.

Рис. 2.10 Нефтяное сопло «поднимающаяся плёнка».


1 – кипящий слой; 2 – нефтевоздушная смесь; 3 – воздух или пропановоздушная смесь; 4 – камера для пропана; 5 – воздушная камера; 6 – нефтяная камера; 7 – подача нефти; 8 – воздух.
Подача сорбентов. Известняк или другие сорбенты при необходимости вводятся в кипящий слой для снижения вредных выбросов. Для подачи известняка используются питающие погружные трубы, расположенные в боковой стенке на уровне расширенного слоя. Расход регулируется роторным шиберным питателем, установленным между бункером и питающей трубой.
Регулирование уровня кипящего слоя. Для того, чтобы поддерживать уровень кипящего слоя на заданной высоте, необходимо выводить или вводить твёрдый материал. (Материал может уноситься из слоя быстрее, чем добавляется). Выходы для отработавшего материала делаются в виде стальных труб в воздухораспределительной решётке, устанавливаемых по одной на каждые 1,5 м2 площади кипящего слоя. Отработавший материал удаляется с помощью охлаждемых шнековых конвейеров.
Если попадается топливо более крупной зернистой фракции, в слое постепено накапливаются кропнозернистые инертные частицы и повышается средний размер частиц. В результате увеличивается скорость начала псевдоожижения, вследствие чего уменьшается образование газовых пузырей и, соответственно, турбулизация кипящего слоя при тех же рабочих условиях. Избыточное накопление крупноразмерных инерных частиц ведёт к их сегрегации, они будут оседать на дно и образовывать отложения шлака вокруг каждой точки ввода в слой топлива. В таких случаях материал кипящего слоя следует периодически удалять, просеивать и вновь загружать без крупных частиц.

Когда имеет место образование шлака, может происходить закупроривание кусками шлака отверстий, служащих для вывода отработавшего зернистого материала.


следующая страница >>