Использование вихревых топок, сжигание растительных отходов

Пузырев Е.М. - зав. котельно-топочной лаборатории, к.т.н., Сидоров А.М. - директор, Скрябин А.А. - зам. директора по НИР, к.т.н.. Щуренко В.П. - м.н.с., Шарапов А.М. - ведущий инженер, Шарапов М.А. - генеральный конструктор.

1. Исходные положения

Многие предприятия, перерабатывающие с/х продукцию имеют круп-нотоннажные потоки растительных отходов, лузги и др. Характерно, что данные виды отходов имеют высокую реакционную способность. Сухая растительная масса малозольная, быстро воспламеняется, хорошо газифицируется и устойчиво горит. Основным препятствием перехода на сжигание лузги, растительных и мелких древесных отходов является сложность организа-ции устойчивого топочного процесса.    Согласно данным обследования НПО ЦКТИ, НИЦ ПО "Бийскэнергомаш" и других организаций имеющиеся топки и котлы не приспособлены для их сжигания. Например, реконструированные на сжигание лузги подсолнечника слоевые котлы ДКВр-20-13-250 быстро вышли из строя [1], так как котельный пучок и экономайзер быстро забивались прочными отложениями золы. В целом, по результатам обследования работы котлов, сжигающих лузгу, можно сделать следующие выводы: - на сегодня нет серийно или промышленно изготавливаемых котлов и топок, предназначенных для сжигания лузги; - лузга может удовлетворительно сжигаться в факельно-слоевых и шахтных топках при низком форсировании топочного процесса, что пригод-но для котлов малой мощности или возможно при 1,5-3 кратном снижении паропроизводительности котлов средней мощности; - большой вынос легких парусных частиц лузги требует их надежного удержания в топке в процессе сжигания; - имеет место повышенная пожароопасность "самодельных" котельных установок из-за накопления в дымоходах и золоуловителях недожога, главным образом в виде не догоревших перерабатываемых зёрен; - даже при малой зольности, возможно образование мощных внутритопочных и натрубных отложений, препятствующих работе котла; - чугунные экономайзеры не рекомендуются из-за быстрого забивания их золой и должны заменяться стальными, типа БВЭС; - так как процесс образования отложений зависит от минерального состава золы, то здесь существенное влияние имеет не только тип раститель-ных отходов, но и место произрастания и состава почвы; - перерабатывающие заводы экономически заинтересованы в применении новых котлов с высокоэффективными топочными устройствами, так как имеют значительные затраты на приобретение топлива, на вывоз и на штрафы за складирование отходов. Для решения данных задач НИЦ ПО "Бийскэнергомаш", ПО "Бийскэнергомаш" и ОАО "Бийский котельный завод" в последние годы совместно провели широкий круг теоретических разработок, экспериментальных исследований, ряд реконструкций и создание нового поколения котлов с низкотемпературными вихревыми топочными устройствами (ВТ) [2-9]. Вихревые топки для удержания мелких парусных частиц до их выгора-ния используют циклонный эффект. Применение циклона для высокотемпе-ратурного сжигания угля с образованием жидкого шлака впервые было пред-ложено в СССР в 30-е годы профессором Г.Ф. Кнорре. В отличие от этого, в разрабатываемых ВТ используется низкотемпературное сжигание. Расчеты показали, низкотемпературный топочный процесс (температура ниже уровня размягчения золы) в вихревой топке можно поддерживать, во-первых, по двухступенчатой схеме, за счет недостаточной для полного сжигания лузги подачи дутья в зону удержания частиц и дожиганием продуктов неполного сгорания в экранированном объеме топки котла. Этот эффект можно обеспечить также за счет избыточной подачи дутья, рециркуляции дымовых газов и интенсивным охлаждением вихревой топки экранами.    Используя различные сочетания этих трёх способов организации низ-котемпературного топочного процесса можно обеспечить: - низкую возгонку минеральной части золы, прежде всего щелочных металлов и предупредить образование отложений золы; - отсутствие расплавленной золы, то есть исключить зашлаковывание топки; - высокоэффективное серопоглощение, т.е. снизить выбросы оксидов серы и предупредить упрочнение первичных натрубных отложений; - снижение эмиссии оксидов азота за счет двухступенчатой схемы сжигания и рециркуляции дымовых газов; - эффективное удержание частиц лузги и кокса в виде вращающегося слоя, то есть глубокое выжигание горючих и экономичность котла.

2. Разработка ВТ

При разработке, с учетом технологии и реального многообразия но-менклатуры завода, типа резервного топлива и других характеристик были предложены и запатентованы различные модификации профиля ВТ [2-9], включая многоугольные, дубль- и сообщающиеся, радиальные и др. вихре-вые камеры.

Для отработки этих конструкций ВТ применялось изотермическое мо-делирование. В качестве примеров модели показаны на фото. На фото.1 мо-делирование аэродинамического удержания опилок в восьмигранной топке с горизонтальной осью вихря. На фото.2 моделирование удержания лузги гречихи в шестигранной расширяющейся уступом топке с горизонтальной осью вихря. На фото.3 показано моделирование удержания опилок в восьмигранной дубль-топке с вертикальными осями вихрей и наклонным дном. На фото.4 показана пятиугольная модель топки радиального типа с удержанием подсолнечной лузги. Моделирование показало возможность надежного удержания легких парусных частиц не только в общепринятых, но сложных в производстве, цилиндрических циклонах, но и в многоугольных, дубль- и сообщающихся, радиальных и др. вихревых камерах. При этом очень важную роль играет схема организации дутья, преимущественно и составлявшая предмет моде-лирования. Например, за счет дутья можно стабилизировать потенциально неустойчивую (перекачка частиц в более загруженный вихрь) схему сообщающихся согласованно вращающихся вихрей (дубль- , тройные и т.д.).    Продувки на моделях позволили определить оптимальные геометриче-ские характеристики, распределение дутья, форму сопел, углы их наклона и геометрию газовыпускного окна. В опытах определялись поля скоростей, рис.5, и коэффициенты сопротивления, изучалось формирование потоков выноса частиц и другие элементы аэродинамической обстановки.    Профиль осевой скорости, рис.5, указывает на сложный характер течений. По наблюдениям в моделях может формироваться несколько взаимодействующих зон циркуляции с возвратными течениями. Пристенные струи вблизи сопл движутся по обычным законам, на линиях сопряжения плоских стенок могут образовываться вихри тонкой структуры, типа вихрей Гёртлера. Отраженное от глухой торцевой стенки течение наиболее сложно.    Увеличение загруженности частицами меняет аэродинамическую обстановку, приводит к расслоению потоков и неустойчивости, вихрь исчезает, частицы не удерживаются в топке. В котельной практике это наиболее опасные режимы крупномасштабных пульсаций и хлопков с пожароопасным выбросом потоков пламени и искр, задымлением помещения и остановом котла по срабатыванию защит. Фото 1. Фото 2. Фото 3.    При правильной организации аэродинамики критическая загруженность частицами в модели может быть увеличена в десятки раз. Таким образом, даже холодное моделирование позволяет обеспечивать стабильность работы реальной топки.       Подача донного дутья под горизонтальное или наклонное дно имитирует работу колосника, моделируются вихревые топки со слоевым сжиганием на колосниках крупных фракций или твердого резервного топлива.    Полученные данные составили основу для выбора профиля и геометрии топки, а так же для составления рекомендаций по проектированию вихревых топочных устройств котлов.

3. Котлы для сжигания лузги и отходов

По схеме донного дутья [3, 8] сейчас работают водогрейные котлы КВ-1,86 ВД (КВ-1,6-95 ВД), тепловой мощностью 1,86 МВт оснащенные наклонным колосником с двухсторонним зажиганием и вихревой камерой дожигания. Они установлены в котельной Абазинского лесокомбината, г. Абаза и работают с отопительного сезона 1996/1997 г. Топливо с расходом в 1100-750 кг/ч включает рубленый горбыль, кору, щепу и опилки подаются без подготовки. Топочный процесс характеризуется высокой устойчивостью, попадание снега и льда не приводит к погасанию топки. Использование перепревших отходов также не вызывает трудностей, но их расход в 1,5-2,5 раза больше из-за высокой влажности и переокисленности. Выбросы не содержат коксовых и сажевых частиц, наблюдается практически полное догорание горючих в провале под дожигательным колосником, то есть нет снижения экономичности котла с уносом и недожогом.

Подобная схема с механизированной горизонтальной колосниковой топкой "шурующая планка - ТШП-1,5" в течение нескольких лет успешно используется в реконструированных котлах КЕ-4-14 Барнаульского маслобойного завода при сжигании подсолнечной лузги и бурого угля в качестве резервного топлива. Схемы [2] с сообщающимися, согласованно вращающимися вихрями (дубль- , тройные и т.д.), фото.3 удобны для разворачивания типоразмерного ряда на основе единого топочного блока с повышением мощности котла. Например, по проекту реконструкции котла КЕ-25 на сжигание подсолнечной лузги, дубль-топка позволяет в 1,5-2 раза снизить размеры топочного устройства. Дубль-топка вписывается в топочный объём котла КЕ-25. Наиболее просты конструктивно топки [4, 5] с вертикальной осью вра-щения. Они могут выполняться, в том числе, просто огнеупорной кладкой. Первый реконструированный котел КЕ-6,5-14-270 ДВ используется фирмой "Каскад" для сжигания подсолнечной лузги. В качестве примера на фото.6 показана картина интенсивного горения подсолнечной лузги в вихревой топке с вертикальной осью вращения под котлом КЕ-10-14. Два котла КЕ-10-14 ОГВ установлены в котельной ОАО "Чишмиское", п. Чишмы. Вихревые топки обеспечивают глубокое выгорание частиц. На фото.7 и 8 видно, что в топочном объёме котла выше пережима вихревой топки искр и пламени практически нет, видно объёмное свечение газов и обмуровки. Применение конструктивно простых, неохлаждаемых топок [4] с вертикальной осью вращения с другой стороны связано с рядом технологических трудностей, и, например, попытки простого копирования их конструкции другими фирмами были неудачными. Экранированные вихревые топки наиболее просто выполняются в варианте с горизонтальной осью вращения вихря, фото.1, 2. Фото 6. Фото 7. Фото 8.

ПО "Бийскэнергомаш" поставил паровой котел Е-16-2,1-350, работающий в Урюпинском маслоэкстракционном заводе с 1998 г., г. Урюпинск. Паровой котел Е-10-2,1-350 работает на маслоэкстракционном заводе в г. Усть-Лабинск. Котлы выполне-ны в двухэтажной компоновке, на рис.9 показан вид этих котлов с фронта. Внизу расположена вихревая топка, в подъёмном газоходе расположен пароперегреватель, двухбарабанный кипятильный пучок установлен сверху.

На маслозаводах в п. Бутурлиновка и ряде др. для сжигания подсолнечной лузги успешно используются реконструированные котлы КЕ-4, КЕ-6,5, ДКВр-4 и ДКВр-6,5 с радиальной вихревой топкой [4], фото.4. Котлы с радиальной вихревой топкой наиболее компактны, рис.10, их габариты не на много превышают внешние размеры собственно котельного блока, и они могут устанавливаться, как и газо-мазутные, на нулевой отметке.    Низкотемпературное сжигание и надежное удержание горящих частиц обеспечивает хорошее заполнение ими пристенного топочного объёма. При этом согласно отработанным на стендах, фото.1, 2, способам формирования зон повышенной концентрации частиц можно обеспечить газификацию и ступенчатое сжигание частиц. На фото.11 виден процесс низкотемпературной газификации подсолнечной лузги, организованный в

хорошо заполненной частицами торцевой зоне топки котла Е-16-2,1-350.

При разработке проектов утилизационных котельных НИЦ ПО "Бийскэнергомаш" и ПО "Бийскэнергомаш" значительное внимание уделяют не только основной технологии, но и всему комплексу вопросов. На фото.12 в качестве примера показаны некоторые приборы контроля и управления: газовая аппаратура, привод и регулируемый питатель лузги, компактный щит КИПиА. Поставка новых котлов, рис.9, 10, и реконструкция действующих котлов КЕ, ДКВр и других типов с использованием схемы радиальной вихревой топки и других систем [7, 9] Фото 11. Фото 12.

могут быть проведены НИЦ ПО "Бийскэнергомаш" и ПО "Бийскэнергомаш" в любом объеме и в том числе "под ключ" и включая строительство Мини ТЭЦ.

Фото 13.  Фото 15.

4. Применение ВТ для сжигания угля и ВУТ

Моделирование и опыт промышленного внедрения вихревых топок для сжигания лузги и растительных отходов показал, что вихревые топки, причем далеко не круглого сечения, фото.4, при правильной организации аэродинамики идеальны для организации удержания мелких и парусных частиц.    В развитие этой идеи было проведено моделирование и реконструкция П-образного котла ЭЧМ-60 по разработанной схеме с V-образными горелками. Проект реконструкции котлов ЭЧМ-60-2 на низкотемпературное вихревое сжигание с угрубленным помолом и использованием вихря с горизонтальной осью вращения был выполнен в 1997 году согласно патенту [6]. Реконструкция, с целью отказа от 20-40% подсветки мазутом, была успешно проведена в районной коммунальной котельной г. Междуреченска. На фото.13 показан монтаж V-образных горелок. Реконструкция котлов с отопительного сезона 1998/99 г. существенно стабилизировала ситуацию с теплоснабжением города Междуреченска, обеспечила независимость работы котельной от поставок мазута. Сейчас реконструированы все котлы. Они имеют устойчивый, высокоэффективный топоч-ный процесс при использовании низкореакционного Кузнецкого СС угля. Тепловая мощность котлов, причем без подсветки мазутом, повышена до 50-60 Гкал/час, вместо 30-35.

Котлы оборудованы двумя тангенциальными молотковыми мельницами ММТ-1500/2510/740 с шахтными гравитационными сепараторами, которые для замены мазута углем, переведены на грубый помол. Вихревой топочный процесс отличается от штатного - факельного. До реконструкции факел имел L-образную форму. Он располагался выше отмеки горелок ~9 м. Ниже этой отметки (примерно 1/3) топка не заполняется факелом и не участвует в процессе выжигания горючих. Факел сосредоточен вверху, где имеется ярко выраженное высокотемпературное ядро горения. После реконструкции поток от V-образных горелок почти горизонтально натекает на задний экран на отметке ~8 м. Далее двумя потоками вихрь расходится вверх и вниз. Поток идущий вниз глубоко входит в холод-ную воронку топки. Здесь вихрь взаимодействует с плоским потоком нижне-го дутья и восходит около фронтового экрана под корень факелов истекающих из V-образных горелок, обеспечивая их стабильное воспламенение. Характерно, что при вынужденном останове котлов L-образный факел гаснет сразу, а горение в вихревом потоке наблюдается в течение 10-15 минут. Благодаря стабилизации воспламенения при работе реконструированного котла нет необходимости в подсветке мазутом. Его экономические показатели существенно лучше, чем у котла в исходном состоянии.     На реконструированном котле имеет место устойчивый вихревой топочный процесс с приемлемым механическим недожогом топлива (на уровне исходного варианта с факельным сжиганием) при отсутствии износа экранов, т.е. главного недостатка применяющихся схем НТВ. Фото 16.

Факел равномерно заполняет весь объем топки. Благодаря этому температура понижена и имеет место низкотемпературный топочный процесс. Шлак в пробах из холодной воронки представлен хорошо прогоревшими отдельными частицами без сплавленных агломератов и стекловидных кусочков, характерных для типовых котлов.    В вихревых топках можно организовать высокую эффективность топочного процесса и обеспечить возможность сжигания [10] водоугольного топлива (ВУТ). Разработка топок для сжигания ВУТ включала численное моделирование. На рис.14 показано оптимизированное расчётами поле тече-ний в реконструированном котле ДКВр-6,5 котельной Спецгормолзавода, г. Мыски.    Развиваемое ГУП НПЦ "Экотехника" направление приготовления ВУТ из бросовых шламов для угледобывающих регионов является перспективным. Сейчас реконструированы для сжигания ВУТ котлы: КЕ-10-14 шахта Тырганская, г. Прокопьевск и Е-1/9. На фото.15 показано горение ВУТ в котле Е-1/9, предприятие "Коммунэнерго", г. Кемерово. Применение ВУТ высоко экономично при замене мазута. При замене угля ВУТ создает экологическую чистоту, высокую культуру в котельной и за счет глубокого выжигания горючих обеспечивает экономичность. Это видно по фото.16. ВУТ выгорает полностью, зола практически не содержит горючих.

5. Отложения золы при сжигании растительных отходов

Зольность растительных отходов минимальна, но её наличие является серьёзным препятствием при внедрении утилизирующих котлов. На фото. 17 показаны отложения в первом котельном пучке КЕ-10-14 ОГВ при сжигании подсолнечной лузги. Наибольшие и прочные отложения формируются в топе и на первых трубах котельного пучка. Далее по ходу дымовых газов отложе-ния рыхлые и легко выносятся.

По лабораторным анализам НПО "Алтай" до 96% золы подсолнечной лузги мельче 20 мкм, т.е. такая зола не должна задерживаться в котле. Соответственно наличие натрубных отложений золы в котельных пучках должно объясняться процессами их формирования из потока дымовых газов. Таким образом, летучая зола в первую очередь есть продукт протекающих в котле топочных и сопутствующих процессов.    Опыт эксплуатации котла КЕ-10-14 ОГВ при совместном и раздельном сжигании газа и лузги наглядно показывает существенное влияние локально-го перегрева золы в ядра факела газовой горелки. На рис.18 приведены некоторые результаты анализа проб отложений: с топочных экранов, из вихревой топки, не охлаждаемых стенок камеры дожигания, с пода первого котельного пучка и из бункеров 1-2, 2-3, 3 и экономайзера. Фото 17.

Из всех анализов наиболее ярко проявляется влияние высокотемпературной обработки золы на содержание калия К и карбонатов СО32+. В вихревой топке ВТ и на стенах камеры дожигания КД их содержание в отложениях минимальны и особенно при совместном сжигании лузги и газа, когда температура в топке увеличивается с 800-950°С до 1100-1300°С. Таким образом эти данные доказывают наличие интенсивной возгонки из золы. По аномально высокой концентрации К и СО3 в золовых отложениях на экранах, в том числе и в тупиковых зонах, наглядно видно, что образование отложений золы имеет конденсационный механизм их формировании из возгонов. Таким образом, формирование и укрупнение частиц золы происходит на поверхностях и преимущественно на поверхностях нагрева, как более холодных. Далее натрубные отложения могут отрываться и выноситься потоком. Рис. 18

Наиболее мощные натрубные отложения наиболее интенсивно формируются на первых по ходу дымовых газов рядах труб, фото.17 . Толщина слоя отложений достигает 20-12 мм. По структуре эти отложения жесткие, хотя и хрупкие. При обрушении эти длинные корообразные отложения разрушаются на не выносимые потоком довольно крупные куски и заполняют газоход. По опыту работы котлов, при ухудшении охлаждения топки, процесс зарастания первых рядов труб может приобретать лавинообразный характер. Очистка первого котельного пучка и экранов топки генератором ударных волн на работающем котле оказалась малоэффективной. Отложения содержат стекловидные расплавленные включения и при ударах уплотняются. В зоне более низких температур в котле и экономайзере, отложения рыхлые, легко удаляемые. Эти отложения образуются с обеих сторон труб. Отказ от совместного сжигания лузги и природного газа, а так же разработанные НИЦ ПО "Бийскэнергомаш" режимные мероприятия и методы очистки топки и трубных пучков на сегодня обеспечили стабильную работу всех поставленных и реконструированных котлов.

Литература 1. Букин В.Д. и др. Технический проект опытного образца котла Е-10-14-25ДВ с топкой для сжигания лузги. Отчет ЦКТИ. С-П.: 1991. 2. Пузырев Е.М., Щуренко В.П. Циклонная топка. Патент РФ. №2105239. 20.02.98. Бюл. № 5. 3. Пузырев Е.М., Щуренко В.П., Шарапов М.А. Устройство для сжигания твердо-го топлива. Патент РФ № 2126113. 10.02.99. Бюл. № 4. 4. Пузырев Е.М., Щуренко В.П., Щербаков Ф.В. Вихревая топка. Патент РФ № 2126932. 27.02.99. Бюл. № 6.