Использование технологии возвратно-вихревого смешивания при модернизации котлов

Рынок теплотехнического оборудования в силу сложившейся ситуации (высокая степень изношенности данного оборудования, несогласованность соответствующих государственных программ, слабость отечественного производителя, отсутствие необходимого финансирования и т.д.) является весьма привлекательным для зарубежных производителей и поставщиков. Многие фирмы, включая известнейшие «Siemens», «ABB», «Weishaupt», «Riello» и т.д., всевозможными способами стараются захватить лидерство на этом рынке.

Это положение в полной мере относится к рынку топливосжигающего оборудования, где многие десятки известных и сотни менее известных фирм интенсивно внедряют практически во все сферы национальной экономики России различные типы данного оборудования - котлы, печи, сушила, теплогенераторы, подогреватели, горелочные устройства (ГУ).

Комплекс аэро-, термохимических процессов, служащий в основе работы газовых горелок, является сложнейшим в технике, недостаточно изученным и не поддается точным расчетам. Однако потребности производства подталкивают к поиску соответствующих подходов, позволяющих уже сейчас создавать высокоэффективные экономичные газовые горелки. Для этого необходимо несколько изменить отношение к технологии сжигания, как к совокупности физико-химических процессов, обеспечивающих эффективное преобразование химической энергии топлива в продукты сгорания необходимого качества.

Сам термин «технология сжигания» редко звучит на технических семинарах, совещаниях, конференциях. А о рабочем процессе газовых горелок, аэродинамической схеме, стабилизации горения очень редко можно услышать даже на сугубо научных конференциях. Аэродинамическая структура течения (как показывают исследования - важнейшая характеристика газовых горелок) вообще исчезла из поля зрения исследователей рабочего процесса горелок.

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 много сотен типов газовых промышленных горелок (включая «Siеmens», «Weishaupt», «Riello», «Girsh» и т.п.), к сожалению, приходится констатировать тот факт, что пока не существует газовых горелок, в полной мере удовлетворяющих всем современным требованиям с точки зрения экономичности, экологической безопасности и надежности.

Как правило, улучшение показателей по экономичности добиваются за счет ухудшения экологических характеристик, снижения уровня надежности, сужения диапазона рабочего регулирования и т.д.

В настоящее время на рынке России присутствует большое количество различного типа газовых горелок ведущих мировых производителей. Основные усилия при разработках таких устройств производители направляют на обеспечение рационального распределения горючего в потоке окислителя, турбулизацию топливной смеси и создание зон обратных токов в области стабилизации факела, однако если им это удается, то в очень узких диапазонах изменения режимных факторов, и поэтому не обеспечивается вся полнота требований, в совокупности предъявляемых к топочному процессу.

Для формирования подходов к созданию технологии сжигания топлива на котлоагрегатах необходимо четко сформулировать современные требования к новым газовым горелкам:

1. Легкий и надежный розжиг при минимально возможном расходе газа (для «безхлопкового» розжига котла и обеспечения плавного выхода огнетехнического объекта из «холодного» в «горячее» состояние, либо обеспечения режима сушки объекта);

2. Устойчивое (безхлопковое) горение в широком диапазоне скоростей горючего и окислителя (для предотвращения срыва факела при резких колебаниях давления газа и воздуха);

3. Необходимый диапазон регулирования по мощности (КР) и коэффициенту избытка воздуха (α) (для обеспечения оптимальных режимов сушки футеровки и теплового состояния элементов котла; необходимого качества продуктов сгорания и их температурного уровня; обеспечения регулировки мощности котла без отключения части газовых горелок);

4. Максимально возможная полнота сгорания топлива (hсг) в топочном объеме котла;

5. Допустимый уровень эмиссии токсичных веществ (NОx, CO, SO2 и т.д.) во всем диапазоне нагрузок;

6. Возможность регулировки длиной и светимостью факела, а также его аэродинамической и концентрационной структурой (для обеспечения необходимой интенсивности и равномерности распределения тепловых потоков; уменьшения вероятности соприкосновения факела с элементами котла, образования окислительной или восстановительной среды в продуктах сгорания);

7. Минимально возможное сопротивление по трактам горючего и окислителя (для обеспечения возможности работы при низких давлениях газа и воздуха, снижение расхода электроэнергии на привод тягодутьевых машин);

8. Надежность и простота регулирования режимов работы (для упрощения автоматики и обеспечения безопасности);

9. Возможность надежной работы на самотяге и в безвентиляторном режиме при частичных нагрузках за счет разряжения, создаваемого дымососом либо трубой, что является важным при аварийных отключениях тягодутьевых средств, а также позволяет существенно экономить электроэнергию;

10. Постоянство показателей рабочих характеристик в процессе эксплуатации;

11. Низкий уровень шума;

12. Модульность, позволяющая набирать газовую горелку необходимой мощности из автономно работающих модулей;

13. Технологичность, простота изготовления, низкая металлоемкость, отсутствие потребности в дорогих материалах.

Многолетние исследования основных компонентов рабочего процесса газовых горелок (аэродинамика течения; химическое реагирование горючего и окислителя; процессы теплопередачи), проведенные в лаборатории горения КПИ, показали определяющую роль аэродинамических процессов, что позволило классифицировать многочисленные типы газовых горелок по нескольким газодинамическим схемам подачи горючего и окислителя.

Анализ аэродинамической структуры газовых горелок с различными аэродинамическими схемами показал, что основными причинами их недостаточной эффективности при переменных режимах являются:

• разрушение циркуляционных зон высоконагретых продуктов сгорания, обеспечивающих аэродинамическую стабилизацию горения;
• нарушение равномерности распределения горючего в потоке окислителя;
• выход концентрации топливной смеси за пределы воспламенения.

Из этого следует, что для создания эффективной экономной газовой горелки необходимо обеспечить устойчивую аэродинамическую структуру течения (необходимую глубину проникновения струй горючего в поток окислителя; необходимые поля скоростей и искусственной турбулентности; систему устойчивых вихреобразований) горючего, окислителя и продуктов сгорания в широком диапазоне скоростей и необходимым концентрационным полем топливной смеси.

Исследования показали, что основными принципами современной технологии сжигания топлива являются:

• рациональное первоначальное распределение горючего в потоке окислителя;
• устойчивая управляемая аэродинамическая структура течения горючего, окислителя и продуктов сгорания;
• саморегулируемость состава топливной смеси в зоне стабилизации факела.

Путь реализации эффективной технологии - расположение струйно-нишевой системы на автономном пилоне-коллекторе. Такой горелочный модуль (горелочное устройство SF) 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 окислителем и горючим и вследствие саморегулируемости состава топливной смеси не требует сложной автоматики управления.

В газовой горелке SF в широких пределах изменения режимных факторов (скорость газа, воздуха, давления, температуры) реализуются устойчивые и легкоуправляемые вихревые структуры с высокой интенсивностью турбулентности потоков горючего и окислителя, а также зоны обратных токов, обеспечивающие качественное смесеобразование с необходимым уровнем горючей концентрации и надежную аэродинамическую стабилизацию горения.

Объем вихрей на несколько порядков меньше, чем у традиционных вихревых газовых горелок, поэтому их влияние на пульсации в топке котла, а также эрозионное влияние на амбразуру и другие элементы котла относительно мало. Малый объем вихрей позволяет проводить пуск и эксплуатацию газовых горелок с малым расходом газа, что обеспечивает безопасность пуска. Улучшение смесительных свойств газовых горелок повышает надежность работы при предельно малых коэффициентах избытка воздуха и, следовательно, при повышенных значениях средней температуры факела в топке.

Все вышеописанное позволяет увеличить тепловосприятие радиационной части, приводит к снижению температуры уходящих газов, т.к. количество тепла, переданное радиационным излучением в топке, в соответствии с законом Стефана-Больцмана, пропорционально температуре факела в четвертой степени. Повышение среднего уровня температуры, ее равномерность в топке котла, вследствие оптимального смесеобразования, сопровождается значительным уменьшением неравномерности тепловых потоков, и, таким образом, приводит к повышению надежности работы котла в целом. Упорядоченная структура течения горючего и окислителя в газовой горелке SF обеспечивает самоохлаждение элементов газовой горелки за счет подогрева воздуха и газа. Одной из особенностей газовой горелки SF является малое гидравлическое сопротивление по трактам горючего и окислителя, что позволяет значительно снизить давление газа и воздуха при эксплуатации газовых горелок в котлах отопления. Все это позволяет предложенной технологии сжигания оптимально вписаться в сложную аэротермохимическую схему огнетехнического объекта и, в частности, водогрейного котла.

Технология возвратно-вихревого смешивания проходит апробацию на огнетехнических объектах различного назначения России, Белоруссии, Украины (сушила, печи, подогреватели). Наиболее широко осуществляется внедрение на котлах разного типа.

Опыт эксплуатации малых котлов (НИИСТУ, Надточия) с газовыми горелками SF, установленными на фронте котла, показывает, что за счет улучшения сгорания топлива, снижения коэффициента избытка воздуха, улучшения радиационного теплообмена за счет увеличения среднего температурного уровня в топке и снижения температуры уходящих газов КПД котла можно увеличить до 90%. Поскольку котельные с котлами такого типа, как правило, не оснащены тягодутьевыми средствами, то предусмотрена возможность работы газовых горелок SF на самотяге. При этом обеспечивается более плавный режим розжига и регулировки факела.

Интересен опыт модернизации котлов ТВГ, также работающих с подовыми горелками. Хотя эти котлы имеют развитую конвективную поверхность, однако двухсветные экраны, перегораживающие топочное пространство, негативно реагируют на чрезмерную длину факела сажеобразованием и снижением температурного уровня в топке. В таких жестких условиях горелками SF обеспечивается КПД на уровне 93%. Причем уже имеется опыт эффективной работы котла на низком давлении газа и в безвентиляторном режиме. Установка газовых горелок SF на фронте котла позволяет удалять из его объема значительную массу огнеупорного кирпича, необходимого для формирования воздушных каналов и обеспечения стабилизации горения. Это существенно уменьшает разогреваемую массу котла и снижает его тепловую инерционность.

Весьма распространенными в малой энергетике являются котлы типа ДКВР. Практически на всех модернизированных котлах 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%) при эмиссии NOx (приведенной к α=1) не более 80 ppm. В процессе модернизации некоторых котлов ДКВР у многих полностью оголялись экранные трубы и водяные коллектора, что приводило к увеличению радиационной поверхности, обеспечению равномерности нагрева экранов, улучшению условий работы с точки зрения наружной коррозии труб. На котле ДКВР-6,5 проводилось испытание возможности его работы в безвентиляторном режиме в течение отопительного сезона с использованием двух газовых горелок СНГ (SF). При этом коэффициент избытка воздуха в топке котла не превышал 1,1 во всем диапазоне работы. Остановка вентилятора дала экономию более 5000 кВт.ч в месяц.

Обследование котлов после двух лет эксплуатации показало 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 газовых горелок SF.

Уровень эмиссии окислов азота во всем рабочем диапазоне модернизируемых котлов ДКВР практически мало изменяется и находится в пределах существующих нормативов. Необходимо отметить, что газовые горелки SF при работе в составе котлов типа ДКВР подвергаются повышенному радиационному тепловому воздействию со стороны раскаленного пода котла, защитной кладки (из огнеупорного кирпича, водяных коллекторов) и других футерованных элементов.

Замеры теплового состояния показали, что температура наиболее теплонапряженных элементов не превышала 300 ºС. При этом газ, охлаждая пилоны, нагревался до 150-200 ºС. Котлы с высокой степенью экранирования радиационной части (ПТВМ, КВГМ, ДЕ) после модернизации также значительно улучшили свои технико-эксплуатационные характеристики.

КПД таких котлов после модернизации составил 95% и выше за счет предельно низких коэффициентов избытка воздуха и низкой температуры уходящих газов. Значительно расширен диапазон работы котлов по мощности при работе всех газовых горелок, таким образом исключена необходимость регулировки мощности отключением части газовых горелок. При летней нагрузке отработан безвентиляторный режим для котлов ПТВМ. Установлено, что розжиг горелок SF на всех типах модернизированных котлов легко осуществляется при минимально возможном расходе газа. Давление газа на горелках при этом составляет несколько десятков Па.

Технология возвратно-вихревого смешивания, реализованная в горелках SF, обеспечивает упорядоченное течение продуктов сгорания в топке, что, в свою очередь, позволяет устранить мощные вихри, вызванные закруткой потока воздуха. В результате предотвращаются довольно часто встречающиеся вибрационные режимы котлов КВГМ-10, ДЕ-2,5, ДЕ-10, ДЕ-25 и др. при нагрузке свыше 50-60% номинальной.

Как правило, модернизированные котлы эксплуатировались 20-40 лет и более и их техническое состояние неудовлетворительно: завышенные в несколько раз присосы воздуха, занесенные трубы (гидравлическое сопротивление некоторых котлов доходило до 6-7 кг/см2), разбалансированные тягодутьевые средства и др. Однако применение технологии возвратно-вихревого смешивания неизменно ощутимо улучшало практически все характеристики работы котла.

Накоплен достаточный опыт применения газовых горелок SF в высокоэффективных, так называемых, контактных водоподогревателях мощностью от 0,3 до 3 МВт. В условиях прямого контакта топочных газов с водой уровень эмиссии СО и NOx не превышал 50 и 40 ррm (приведено к а=1) соответственно.

Выводы

• Создана высокоэффективная технология сжигания топлива на основе устойчивых вихревых структур течения горючего, окислителя и продуктов сгорания, которая может найти широкое применение при сжигании топлива в различных огнетехнических устройствах;
• На основе широкомасштабного промышленного внедрения на котлах различной конструкции (типа КПА-500Г, НИИСТУ, Надточия, ДКВР, ТВГ, КВГ, КВГМ, ПТВМ, Е, ДЕ, КВН) показано, что технология возвратно-вихревого смешивания, основанная на управляемой аэродинамической структуре горючего, окислителя и продуктов сгорания, обеспечивает высокий уровень экономичности, экологической безопасности, надежности работы огнетехнических объектов и значительно расширяет пределы их работы по мощности и давлению газа;
• Газовые горелки типа SF обеспечивают благоприятный температурный режим работы огнетехнического объекта в целом и cущественно увеличивают межремонтный период объекта;
• Данная технология может служить основой малозатратной модернизации морально устаревшего огнетехнического оборудования со сроком окупаемости 0,5-2 года за счет экономии газа в зависимости от нагрузки и часов использования, обеспечивая при этом значительную экономию электроэнергии на привод тягодутьевых средств.

Производственная компания «Спецгазпром» готова провести комплексную модернизацию Ваших котлов с установкой высокоэффективных экономичных газовых горелок SF, а также новейшей автоматики регулирования и безопасности котла.

Предварительный подбор газовых горелок SF на типоряд котлов

Каталог газовых горелок SF (технические характеристики)

• Звоните по телефону - 8 (343) 380 23 40
• Пишите на почту -