Струйно-нишевая технология сжигания топлива на огнетехничских объектах национальной экономики

Рынок теплотехнического оборудования, в силу сложившейся ситуации, (высокая степень изношенности, несогласованность государственных программ, слабость отечественного производителя, отсутствие необходимого финансирования и т.д.) является весьма привлекательным для зарубежных производителей и поставщиков. Сотни фирм. всеми возможными способами стараются захватить лидерство на рынке топливосжигающего оборудования, где интенсивно внедряются во все сферы национальной экономики разные типы данного оборудования - подогреватели, печи, теплогенераторы, сушила, котлы, гореочные устройства (ГУ) [1].

Отечественному потребителю трудно выбрать оптимальный вант из предлагаемой огромной номенклатуры оборудования. При этом необходимо учитывать экономичность данного оборудования, срок окупаемости, экологическую безопасность, надежность в эксплуатации, уровень сервисного обслуживания, стеень адаптации к нашим условиям эксплуатации (значительные колебания давления и состава га, низкий уровень химводоочистки и т.д.)
Сам термин «технология сжигания» редко звучит на технических семинарах, совещаниях, конференциях. А о рабочем процессе ГУ, аэродинамической схеме, стабилизации горения очень редко можно услышать даже на сугубо научных конференциях. Аэродинамическая структура теения (как показывают исследования — важнейшая характеристика ГУ) вообще исчезла из поля зрения исследователей рабочего процесса ГУ.
Нечеткое представление об основных принципах сжигания, пренебрежение научными подходами к решению данной проблемы, не прошло бесследно. Несмотря на то, что в настоящее время в мировой практике насчитывается сотни типов ГУ к сожалению, приходится констатировать тот факт, что пока не существует ГУ в полной мере удоветворяющих всем современным требованиям с точки зрения экономичности, экоогической безопасности и надежности.
Как правило, улучшение показателей по экономичности добиваются за счет ухудшения экологических характеристик, снижения уровня надежности, сужение диапазона рабочего регулирования и т.д.
Многолетние исследования основных компонентов рабочего процесса ГУ (аэродинамические течения; химическое реагиование горючего и окислителя, процессов теплопередачи) проведенные в лаботории горения КПИ показали определяющую роль аэродинамических процессов [3,4]. Это позволило существенно упростить классификацию по ГУ и привести ее к нескольким основным аэродинамическим схемам подачи горючего и окислителя [5].
Анализ аэродинамической структуры ГУ с различными аэродинамическими схемами показал, что основными причинами их недостаточной эффективности при переменных режимах является:
• разрушение циркуляционных зон высоконагретых продуктов сгорания, обесечивающих аэродинамическую стабилицию горения;
• нарушение равномерности распредеения горючего в потоке окислителя;
• выход за концентрационные пределы воспламенения топливной смеси в области стабилизации факела.
Таким образом, для создания эффективного ГУ, необходимо обеспеть устойчивую аэродинамическую структуру течения (необходимые поля скоростей и искусственной турбулентности; систему устойчивых вихреобраований; необходимую глубину проникновения струй горючего в поток окислителя) горючего, окислителя и продуктов сгорания в широком диапазоне скоростей с необходимым концентрационным полем товной смеси.

Исследования показали, что основными принципами современной технологии сжигания топлива являются:
• рациональное первоначальное распределение горючего в потоке окислителя;
• устойчивая, управляемая, аэодинамическая структура течения горючего, окислителя и продуктов сгорания;
• саморегулируемость состава топливной смеси в зоне стабилизации факела.
Данная технология сжигания защищена патентом Украины № 51844 и имеет приоритет в странах Евразийского региона.
Путь реализации эффективной технологии — расположение струйно-нишевой системы на автономном пилоне-коллекторе. Такой гоелочный модуль замыкает на себя все стадии рабочего процесса — распределение горючего в потоке окислителя, смесеобразование до необходимого уровня концентрации, воспламенение топливной смеси, стабилизация факела и формирование концентрационных, скоростных и температурных полей продуктов сгорания, активно самоохлаждается потоками окислителя и горючего и, вследствие саморегулируемости, не требует дополнительной автоматики управления.

• Share

Государственным центром сертификации топливоиспользующего оборудования Украины сертифицировано 41 ГУ СНГ от 100 КВт до 35 МВт.
Струйно-нишевая технология сжигания с 1994 г. прошла апробацию на огнетехнических объектах различного назначения Украины, Белоруссии, России (сушила, печи, подогреватели). Наиболее широко осуществляется внедрение на котх разного типа.
Опыт эксплуатации малых котоагрегатов (НИИСТУ, Надточия которых насчитывается десятки тысяч) с горелками СНГ, установленными на фронте котла, показывает, что за счет улучшения сгорания това, снижения коэффициента избытка воздуха КПД котла можно увеличить до 90% (Рис.1). Поскольку котельные с котлами такого типа, как правило, не оснащены тягодутьевыми средствами, то предсмотрена возможность работы ГУ СНГ на самотяге, а также в блочном исполнении с автоматикой безосности и управления – под наддувом с автономным вентилятоом. При этом обеспечивается плавный режим розжига и регулиования нагрузки котла.

• Share

Интересен опыт модернизации котлов ТВГ. Хотя эти котлы имеют развитую конвективную поверхность, однако двухсветные экраны, перегораживающие топочное пространство, негативно реагируют на чрезмерную длину факела саже образованием и снижением темпетурного уровня в топке, повышением температуры уходящих газов. В таких жестких условиях горелками СНГ обеспечивается КПД на уровне 93 % (См. Рис.2). Причем, уже имеется опыт эффективной работы котла на низком давлении гав безвентиляторном режиме во всем диапазоне мощности. Установка ГУ СНГ на фронте котла поволяет удалять из его объема знательную массу огнеупорного кирпича, необходимого для формирования воздушных каналов и обеспечения стабилизации горения. Это существенно уменьшает разогреваемую массу котла и снижает его тепловую инерционность.

• Share

Весьма распространенными в малой энергетике являются котлы типа ДКВР. Опыт их модернизации отражен на рис.3. Практически на всех модернизированных КА, за счет снижения коэффициента избытка воздуха до 1.04 – 1.07 и значительном снижении температуры уходящих газов в широком диапазоне нагрузки, обеспечивалось высокое, по сравнению с паспортным, значение КПД брутто (около 95%). На одном из котлов ДКВР-6,5, работающем в водогрейном режиме, были проведены сравнительные испытания горелок СНГ-43 с системой из двух ниш (приструйной и торцевой) и штатных горелок ГМГ-4.
Результаты замеров параметов работы котла до и после модернизации приведены на рис.4, из которого видно, что котел, находившийся в эксплуатации около 40 лет и несколько снизивший свои экономические характеристики, после модернизации существенно превысил паспортные знаения КПД.

• Share

В процессе модернизации некотоых котлов типа ДКВР полностью оголясь экранные трубы и водяные колектора, что приводило к увеличению радиационной поверхности, обеспечению равномерности нагрева экранов, улучшению условий работы с точки зрения нажной коррозии труб экранов и коллекторов. На котле ДКВР 6,5 проводилось также испытание возможности его работы в безвентиляторном режиме в течение отопительного сезона с использованием 2-х горелок СНГ-43. При этом коэффициент избытка воздуха в топке котла не превышал 1,1 во всем диапазоне работы. Остановка вентилятора дала экономию боее 5000 кВт/ч в месяц. Обследование котлов после двух лет эксплуатации покао отсутствие каких либо тепловых и эрозионных повреждений элементов футеровки, амбразуры, экранных и конвективных поверхностей нагрева. Отсутствие сажи и налета на этих поверхностях также говорит о высокой эффективности ГУ. Приемка котла ДКВР -6,5 в г. Запорожье с установленной на нем ГУ СНГ Запорожским отделением Комитета по энергосбережению Украины показала, что неравномерность темературного поля труб экранов топки котла не превышает 2%, что свидетельствует о равномерности температурного поля продуктов сгорания в топочном пространстве.
Уровень эмиссии окислов азота во всем рабочем диапазоне модернизируемых котлов ДКВР практически мало изменяется и находится в пределах существующих нормативов. Необходимо отметить, что ГУ при работе в составе КА типа ДКВР подвергаются повышенному радиционному тепловому воздействию со стороны раскаленного пода котла, защитной кладки (из огнеупорного кирпи), водяных коллекторов и других футеованных элементов. Замеры теплового состояния показали, что температура наиболее теплонапряженных элементов горелки не превышала 500С. При этом газ, охлаждая пилоны, нагревался до 150..2000С.
Котлы с высокой степенью экранирования радиационной части (ПТВМ, КВГМ, ДЕ) после модернизации также значительно улучшили свои технико-эксплуатационные характеристики (см. рис.5). КПД таких котлов после модернизации достигал 95% и выше за счет предельно низких значений коэффициента избытка воздуха и температуры уходящих газов.

• Share

Интересен также накопленный опыт перевода котлов и котельных в целом на низкое давление, причем перевод осуществлялся на котлах, которые изначально работали на среднем давлении. Это наиболее актуально для котельных установленных в тупиковых ветках газовой магистрали. Так, в г. Донецке котельная Пролетарского микрорайона с тремя котлами ПТВМ-30 полностью переведена на низкое давение (до 500 мм.в.ст.). Значительно расен диапазон работы котлов по мощности при работе всех ГУ, т.о. исключена необходимость регулировки мощности отключением части ГУ. При летней нагрузке отработан безвентиляторный режим для котлов ПТВМ. Установлено, что розжиг горелок СНГ на всех типах модерниованных котлов легко осуществляется при минимально возможном расходе га. Давление газа на горелках при этом составляет несколько Паскалей.
Струйно-нишевая технология, реалиованная в горелках СНГ, обеспечивает упорядоченное течение продуктов сгония в топке, в отличие от мощных вихей, вызванных закруткой потока газовоздушной смеси созданной вихревыми горелками. В результате предотвращаются довольно часто встречающиеся вибрационные режимы котлов КВГМ-10, ДЕ-2,5, ДЕ-10, ДЕ-16, ДЕ-25 и др. при нагрузках выше 50-60% номинальной. Как правило, модернизированные котлы, которые эксплуатировались 20-40 лет, с неудовлетворительным техническим состоянием (завышенные в несколько раз присосы воздуха, занесенные трубы, разбалансированные тягодутьевые средства и др.). Однако применение струйно-нишевой технологии неизменно ощутимо улучшало практически все хактеристики работы котла.
Отличительной особенностью струйно-нишевой технологии сжигания является возможность решать задачи (в том чисе и социальные) неожиданно возникающие при эксплуатации оборудования. Так в г. Запорожье было сорвано начало ототельного сезона (2003-2004 гг.) изнизкого давления газа в сети, а модерниованная котельная г. Донецка (тепловая мощность 120 Гкал) настолько устойво работала, что на 37% (более 1 млн. грн.) увеличился сбор средств с населения за высокое качество отпущенного тепла. (За весь сезон не было ни одной жалобы и, соответственно, перерасчетов).
Накоплен достаточно большой опыт применения СНГ в высокоэффективных контактных водоподогревателях мощностью от 0.3 до 3 МВт, где в условиях прямого контакта топочных газов с водой обеспечивался НПД на высоком уровне, а уровень эмиссии СО и NOx не превышали 50 и 40 ррм (приведено к .=1) соответственно.
Накоплен определенный опыт применения СНГ в двух топливных индивидуьных котлах (газ-твердое топливо) для сжигания дров, лузги , тырсы и т.д. с внутцикловой газификацией.
Блочное горелочное устройство СНГ-21 (тепловая мощность (0.1-3) МВт) прошло сертификационные испытания с автоматикой фирмы «AFN» SRL. В широком диапаоне нагрузок коэффициент избытка воздуха изменялся в пределах 1.01Е1.04. Блочные ГУ показали высокую эффективность при модернизации котлов НИИСТУ-5 обесечивая надежную работу котла с КПД до 91%.
Применение горелочных устройств на основе струйно-нишевой технологии на металлургических объектах в топках разного назначения:
• посты сушки ковша;
• миксеры;
• методические печи и т.д.
позволило не только снизить потребление газа до 30%, но и исключить шлакообраование на футеровке и амбразурах горелок, которое наблюдалось ранее при применении горелок ижекционного и вихревого ти. Кроме того, за счет высокой равномерно сти температурного поля и возможности варьирования коэффициента избытка воздуха повысилось качество заливаемого металла и снизилось количество отходов.
В настоящее время разработаны технические проекты для:
• применения СНГ при подпитке пылегольного факела энергетического котла;
•сжигания газа в продуктах сгорания ГТД;
• сжигания искусственных газов (коксовый, доменный и т.д.).
В заключение можно отметить, что практика модернизации котельного парка Украины путем замены ранее установенных горелочных устройств на ГУ типа СНГ показала высокие экономические и экологические показатели применения струйно-нишевой технологии на котлах типа НИИСТУ, ДКВР, ТВГ, КВГ, КВГМ, ПТВМ.
Данная технология, основанная на упвляемой аэродинамической структуре горючего, окислителя и продуктов сгорания, обеспечивает:
• высокий уровень экономичности, экологической безопасности, надежности работы ОО;
• значительно расширяет пределы их работы по мощности и давлению газа; • благоприятный режим работы ОО в целом и существенно увеличивают межемонтный период;
• равномерное температурное поле в топочном объеме.
Струйно-нишевая технология может служить основой малозатратной модернизации морально устаревших ОО со сроком окупаемости 0,5-2 года за счет экономии газа, в зависимости от тепловой нагрузки, часов работы, обеспечивая при этом значительную экономию электроэнергии на привод тяго-дутьевых средств.

Список литературы:
1. К основным положениям концепции развития малой энергетики Украины //Долинский А.А., Черняк В.П., Сигал А.И., Базеев Е.Г./ Промтеплотехника, 1998, т14, №4
2. Некоторые аспекты повышения экономичности и экологической безосности горелочных устройств // Абдулин М.З./ Энергетика, экономика, технология. 2000.№4-с.65-68.
3. Струйно-нишевая система смесеобования и стабилизации пламени. Автореферат дис.-Киев, КПИ, 1986// Абдун М.З.
4. Актуальные проблемы устойчивого развития. Применение новых технологий сжигания топлива.// Акилов В.А., Бридун Е.В., Ватачин М.Ю. и др./ К.:В-во «Знание», Украина, 2003, с430
5. Опыт внедрения горелочных устойств типа СНГ на основе струйно-ниевой технологии сжигания топлива. // Глухарев Ю.В., Дубовик В.С. / «новости теплоснабжения», М.-2003.№11с.20-21
6. Струйно-нишевая технология сжигания топлива на объектах муниципальной энергетики. // Абдулин М.З., Дубовик В.С. /»Новости теплоснабжения», М.2004.№11-с-19-22