Netradits_Energetika_Uch_1
.pdfКотел Д = 210 т/ч согласно грубой оценке производит:
Qк = 0,54Д = 113 Гкал/ч
при его КПД η = 0,9 требует доставки в топку в составе топлива: Qт = Qк/η = 126 Гкал/ч тепла.
Исходя из заданной потребности в замене δ = 0,15 от этого количества тепла теплотворными способностями биомассы, в частности древесины, имеем количество тепла, которое необходимо получить из нее:
Qбм = δQт = 0,15 126 = 18,9 Гкал/ч.
Примечание. Расчет выполнил к.т.н. Ю.Н. Дубинский (ЗАО «СибКОТЭС»).
280
П р и л о ж е н и е 2
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗМОЛА И СЖИГАНИЯ НА ОГНЕВОМ СТЕНДЕ УРАЛ ВТИ ОТХОДОВ МУКОМОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА [4]
Исследования размола и сжигания смесей с челябинским углем выявили значительно худшую размолоспособность отходов мукомольного производства по сравнению с челябинским углем. Худший размол биомассы из-за выноса неразмолотых частиц и ее плохих размольных свойств приводит к угрублению помола топлива тем большему, чем выше доля биомассы в смеси (рис. П2.1). При добавке к углю 21 и 49 % по массе отходов остаток на сите χ = 90 мкм возрастает с R90 = 13…20 до 43,4 и далее до 62,2 %; остаток на сите Rχ = 200 мкм соответственно составляет 0,7; 16,1 и 34 %. Максимальный расчетный размер размолотых частиц биомассы составлял δmax = = 1230 мкм, а челябинского угля – 250 мкм (R200 = 73,5 и 0,6…0,7 %
соответственно).
Рис. П2.1. Интегральные кривые распределения топлива по размерам частиц пыли:
1 – челябинский уголь; 2 – смеси угля с 21 % биомассы; 3 – смесь угля с 49 % биомассы; 4 – расчетная зерновая характеристика биомассы после совместного размола с углем (для смесей с 21 и 49 % биомассы и средняя); 5 – ситовая характе-
ристика исходной биомассы
281
Однако вследствие малых исходных размеров и высоких реакционных свойств рассматриваемых отходов при переходе от челябинского угля к смеси устойчивость и эффективность сжигания топлива возрастают, несмотря на угрубление помола. В опытах на стенде потери с механическим недожогом q4 снизились с 0,5 до 0,35 %, и было зафиксировано более раннее воспламенение смеси. Последнее, в частности, проявляется в росте температуры факела непосредственно в районе горелки на 30…40 °С.
Шлакующие и загрязняющие свойства
Растительные биомассы, в том числе и отходы, характеризуются низкой зольностью. Одним из следствий этого является малая доля золы биомассы в общем потоке летучей золы при существенной доле биомассы в смеси (по массе или по теплу) и соответственно небольшое изменение среднего состава золы смеси по сравнению с золой угля. Особенно это проявляется для смесей с высокозольным челябинским углем. Так, в проведенных опытах с биомассой в количестве 21 и 49 % (26,2 и 56,2 % по теплу) доля ее золы от общей составляла всего 2,8 и 9,4 %. В экспериментах на стенде не отмечено существенного закономерного перераспределения минеральной части между шлаком и летучей золой.
Несмотря на небольшую долю золы биомассы в летучей золе смеси и малое изменение среднего химического состава золы, шлакующие свойства при переходе с челябинского угля на смесь существенно усиливаются. Возрастают интенсивность образования и прочность отложений, спекаемость золошлаковых материалов, снижается температура, при которой начинается образование шлаковых отложений (tф.ш, θф.ш). Температура шлакования неохлаждаемых зондов tф.ш снижается с 870…890 °С для разных партий челябинского угля до 820 °С
при доле отходов смеси по массе rbd = 21 % и до 770 °С при rbd = 49 %
(рис. П2.2). В пересчете на температуру газов θф.ш= tф.ш.+ ∆t) фактическая температура начала шлакования составляет 995…1010 °С для партий челябинского угля и соответственно 970 и 930 °С для смесей с биомассой.
Такое снижение значения θф.ш при переходе на смесь существенно больше, чем прогнозируется известными методами по химическому
282
а б Рис. П2.2. Интенсивность шлакования при сжигании челябинского угля
иего смесей с биомассой в зависимости от температуры:
а– интенсивность образования отложений в зависимости от температуры неохлаждаемого зонда; б – коэффициент шлакования в зависимости от превышения температуры начала шлакования, 1, 2 – челябинский уголь; 3 – смесь с долей биомассы 21 %; 4 – смесь с долей биомассы 49 %
составу золы углей и их смесей. Однако оно примерно может оцениваться по зависимостям, полученным для материалов с повышенным содержанием Na2O. С переходом на сжигание смеси и далее с ростом доли биомассы интенсивность шлакования и доля налипшего материала (коэффициент шлакования kшл) при фиксированной температуре возрастают. Вместе с тем при одинаковой разнице текущей температуры и температуры начала шлакования (θ – θф.ш ) коэффициент шлакования kшл практически остается неизменным для угля и смесей
(рис. П2.2).
283
σip ,кПа
(θт)доп
Рис. П2.3. Прочность на разрыв σpt шлаковых отложений при сжигании челябинского угля и его смесей с биомассой, в зависимости от температуры газов θ °С и доли биомассы:
1, 2 – челябинский уголь; 3 – смесь с долей биомассы 21 %; 4 – смесь с долей биомассы 49 %
Для поверхностей нагрева котла, расположенных в зоне температур выше начала шлакования, определяющим показателем шлакующих свойств служит прочность образующихся отложений и их упрочнение во времени вследствие спекания. Результаты исследования этих показателей представлены на рис. П2.3 и П2.4. Как и интенсивность шлакования, прочность отложений возрастает с увеличением доли биомассы в смеси. Температура, при которой прочность отложений в горячем состоянии на разрыв достигает значения σpt = 0,01 МПА и которая по предложению специалистов УралВТИ принимается равной допустимой по условиям шлакования температуре на выходе из топки
θ′′тдоп , составляет для челябинского угля 1040 °С и для смеси с долей
биомассы 21 % – 1010 °С. Для смеси с долей биомассы 49 % она снижается до 985 °С. Образующиеся при сжигании смесей с биомассой
284
а |
б |
Рис. П2.4. Прочность при спекании летучей золы σсп , отобранной при сжигании челябинского угля и его смесей с биомассой в зависимости от температуры спекания tсп и доли биомассы:
а – в натуральной шкале; б – в полулогарифмической; 1 – челябинский уголь; 2 – смесь с долей биомассы 21 %; 3 – смесь с долей биомассы 49 %
отложения упрочняются вследствие спекания значительно сильнее, о чем свидетельствуют результаты изучения спекаемости летучей золы.
Усиления загрязняющих свойств смесей по сравнению с челябинским углем в опытах на стенде не зафиксировано, но и коэффициент тепловой эффективности относительно «холодных» поверхностей нагрева при измерениях практически одинаков. Не отмечено также образования характерных для «соленых» углей интенсивных непрочных отложений на зондах в зоне температур ниже начала шлакования. Такой результат с учетом высокой зольности челябинского угля в основном совпадает с прогнозируемым.
Выбросы вредных веществ
Благодаря меньшему содержанию серы в изучавшихся отходах, выбросы SO2 по сравнению с выбросами при сжигании челябинского угля снижаются примерно пропорционально доле биомассы в смеси.
285
Дополнительного эффекта повышения эффективности связывания серы летучей золой вследствие большого содержания в золе компонентов основного состава в опытах не зафиксировано. Выбросы NОх при сжигании угля и смесей с биомассой при измерении практически одинаковы.
На основании проведенных исследований и сложившейся в регионе конъюнктуры с отходами разработаны технические предложения по совместному сжиганию отходов с углем на одной из ТЭС по наиболее простой схеме. Предлагаемая схема предусматривает подачу отходов в сырой уголь на тракте топливоподачи.
Результаты эксперимента показывают, что внедрение этой схемы позволит обеспечить высокую устойчивость воспламенения и эффективность сжигания рассматриваемых отходов в смеси с челябинским углем. Благодаря близости ряда характеристик (влажность, объем дымовых газов) при совместном сжигании отходов и сушке топлива производительность тягодутьевых машин, распределение температур и тепловосприятий по тракту котла не будут ограничены.
Наибольшие технические трудности при внедрении установок для сжигания биомасс в чистом виде обусловлены коррозией и загрязнением поверхностей нагрева. При переходе к сценарию совместного сжигания биомасс с углем они существенно уменьшаются, однако, очевидно, что именно с этими проблемами связан наибольший риск даже при таком методе сжигания. Проведенный анализ показывает, что при доле отходов в смеси по массе менее 25 % усиления шлакования топки не прогнозируется. Риск усиления шлакования ширм оценивается эквивалентным изменению нагрузки котлов менее 6 %.
Допустимая доля отходов в смеси определена по условиям коррозии. По данным зарубежных исследований, коррозионная активность хлора нейтрализуется избытком серы. Достаточное количество SO2 в продуктах сгорания минимизирует высокотемпературную коррозию за счет HCl. Считается, что если массовое отношение S/Cl в топливе превышает примерно 2,2, то Cl не влияет на коррозию или его роль мала. Присутствие HCl не означает уменьшение коррозии вообще, но она имеет иной, не зависящий от хлора механизм. Приведенная выше
286
оценка допустимой доли отходов (25 %) сделана с запасом. Для анализа взята биомасса с максимальным содержанием К2О; в отходах типа лузги и отсевов содержание К2О существенно ниже. Принято также, что весь водорастворимый калий входит в состав KCl. Экспериментальные измерения Cl дают обычно результат ниже, чем по указанной оценке.
Одним из основных преимуществ использования биомасс является улучшение экологических показателей ТЭС и особенно региона из-за исключения гниения отходов в отвалах и их сжигания без производства полезной энергии.
287
П р и л о ж е н и е 3
ПУТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЖИДКИХ БИОМАССНЫХ ОТХОДОВ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА (ЩЕЛОКОВ) НА БАЗЕ ЭНЕРГОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ [35]
Жидкие отходы (щелока)
После промывки водой массы, образовавшейся в процессе варки целлюлозы, происходит отделение от нее щелоков. Таким образом, щелока представляют собой водный раствор органических составляющих древесины (в основном лигнина), связанных с химическими соединениями, входящими в состав варочного раствора. Первичные щелока обладают повышенной влажностью (до 90 %) и поэтому перед дальнейшим использованием осуществляется предварительное их упаривание в многокорпусных выпарных аппаратах и газоконтактных испарителях до Wк = 35…40 %.
В зависимости от способа варки целлюлозы (состава варочного раствора щелока подразделяются на сульфатные и сульфитные. Характеристика этих щелоков как топлива приведена в табл. 1.1, 1.2 основного текста.
Сульфитные щелока образуются при применении варочного раствора, содержащего щелочь (NаОН) и сульфид натрия (Nа2S), поэтому сухая масса таких щелоков содержит соединения органических остатков древесины с натрием и серой, а также свободные соли натрия. При сжигании сульфатных щелоков образуется шлак, состоящий в основном из Na2CO3 и Na2S и имеющий относительно низкие температуры плавления (t3 800 °С). Этот шлак представляет собой ценное химическое сырье, которое после незначительных преобразований возвращается в технологический цикл варки целлюлозы, при этом в значительной мере экономятся химикаты, используемые для приготовления варочного раствора. Поэтому сжигание сульфатных щелоков обязательно должно осуществляться в энерготехнологических агрегатах, в которых наряду с использованием тепла, получаемого за счет сжига-
288
ния щелока, образуется и улавливается жидкий шлак, представляющий собой технологический продукт.
Жидкий шлак (или как его называют плав), пригодный для приготовления варочного раствора, должен содержать 60…70 % соды (Na2CO3) и 30…20 % Na2S. Для поддержания необходимого состава получаемого плава и восполнения потерь серы и натрия в технологическом цикле в щелок перед подачей его на сжигание добавляется некоторое количество сульфата натрия (Na2SO4).
Энерготехнологический цикл использования сульфатных щелоков осуществляется в специальных содорегенерационных агрегатах, которые до последнего времени отечественными заводами не изготавливались. Первый отечественный содорегенерационный котел СРК-625 производительностью 625 т в сутки по абсолютно сухому веществу черного щелока (100 т/ч по пару) был запроектирован ЦКТИ и БелКЗ при участии Гипробума; общий вид этого котла показан на рис. П3.1, а основные расчетные характеристики приведены в табл. П3.1.
Рис. П3.1. Котел СРК-625 Белгородского котельного завода
289