20. Выбор и расчет газоочистки парового котла

20.1 Общие принципы выбора газоочистки

Наличие в дымовых газах тех или иных концентраций твердых частиц зависит от вида топлива и методов его сжигания, конструктивных особенностей топочных устройств, совершенства ведения топочного процесса, вида топливоиспользующей уста­новки и режима ее работы.

Количество твердого уноса при сжигании различных видов топлива зависит от многих факторов, и, в частности, от конструктивного их оформления. Так, доля золы топлива, уно­симая газами из камерных топок, примерно составляет:

В пылеугольных топках с сухим шлакоудалением:

- с фронтальными горелками…. 0,85

- с угловыми горелками ... 0,95

В шахтно-мельничных топках для сжигания углей..... 0,80÷0,85

В шахтно-мельничных топках

- для сжигания сланцев .... 0,60÷0,65

В пылеугольных топках с жид­ким шлакоудалением топки с утепленными воронками:

- однокамерные...... 0,70÷0,80

- двухкамерные ....... 0,50÷0,60

- циклонные........ 0,10÷0,15

Ограниченное число распространенных конструкций паровых или отопительных котлов позволило выработать определенные рекомендации по выбору для них схем золоулавливания в зависимости от вида сжигаемого топлива. Котельные, сжигающие твердое топливо, должны быть оборудованы установками для очистки ды­мовых газов от золы в том случае, когда значение N условной характеристики ко­тельной, превышает 5000

N=A^pB,

где А^р — содержание золы в рабочей массе топлива, %;

В — максимальный часовой расчетный расход топлива, кг/ч.

Если же значение N меньше 5000, то установка золоуловителей требуется лишь при расположении котельной среди жилого массива. При использовании твердого топ­лива только в качестве аварийного золоу­ловители обычно не устанавливаются.

Котельные установки небольшой мощ­ности благодаря относительно малым абсо­лютным количествам выбрасываемой золы обычно позволяют использовать газоочист­ные установки не очень высокой эффектив­ности, но зато с малым гидравлическим со­противлением. К таким котельным относят­ся отопительно-производственные котель­ные, оборудованные вертикальными паро­выми котлами типов ММЗ, ТЗМ, ВГД и ДР.

Учитывая характер пыли и высокую температуру отходящих дымовых газов (300÷400°С), для рассматриваемых котель­ных можно рекомендовать установку зо­лоуловителей с малым коэффициентом со­противления, способных эффективно рабо­тать на естественной тяге, создаваемой ды­мовой трубой вследствие значительной раз­ницы в температурах между дымовым газом и окружающим воздухом. Первоначально в качестве таких золоуловителей практикова­лась установка циклонов НИИОГаз типа ЦН-24 и установка циклонов ЦКТИ с уг­лом наклона крышки 30°. Затем с учетом всех специфических условий работы на естественной тяге был разработан новый тип циклона ЦМС-27. Эффективность этого цик­лона при дисперсном составе золы, образу­ющейся при слоевом сжигании топлива, со­ставляет примерно 75÷85%.

В отопительно-производственной ко­тельной, оборудованной несколькими вер­тикальными паровыми котлами, каждый из них оснащается индивидуальными золо­уловителями. На каждый котел устанавли­ваются один или два циклона непосредст­венно около дымовой трубы. Предпочти­тельней установка двух циклонов меньшего диаметра, так как это повышает эффектив­ность и снижает высоту установки.

В зависимости от возможностей компо­новки циклоны могут быть расположены как внутри, так и вне котельной. Уловленная зола накапливается в бун­кере, откуда периодически выгружается, для чего бункер снабжен шиберным затво­ром. Подводящие и отводящие газоходы, циклоны, часть дымовой трубы и течку для выпуска золы покрывают теплоизоляцией из минераловатных матов с целью предот­вращения конденсации водяных паров, со­блюдения условий техники безопасности и сохранения необходимой для обеспечения тяги температуры газов.

Многие отопительные котельные оборудуют чугунными секционными котлами типа «Универсал-4», «НИИСТУ-5», «Энергия-3» или другими аналогичного типа. Ле­тучая зола, образующаяся при сжигании в таких котлах твердого топлива, харак­теризуется большим содержанием крупных фракций, что дает возможность обеспечить высокую степень очистки дымовых газов от золы и недожоги как в циклонах типа ЦН-15, так и в батарейных циклонах.

При малом объеме дымовых газов (от 0,9 до 1,5 м³/с), который характерен для перечисленных котлов, циклоны ЦН-15 по сравнению с батарейными циклонами обла­дают преимуществом в отношении меньше­го расхода металла, простоты изготовления надежности в эксплуатации и эффективно­сти.

Рекомендуется установка на каждый котел своей группы циклонов (обычно из двух спаренных аппаратов), расположенных непосредственно за котлом. Такая компоновка обеспечивает максимальный улов золы в циклонах и предохраняет боров о осаждения в нем крупных фракций золы. Если по компоновочным соображениям установить индивидуальные золоуловители не удается, возможна установка одного золоуловителя на группу котлов с расположением его вне здания котельной.

Температура дымовых газов на выходе из котлов рассматриваемого типа состав­ляет от 250 до 300⁰С, что значительно ни­же температуры газов от вертикальных котлов, а рекомендуемый золоуловитель имеет более высокое аэродинамическое со­противление, чем циклон ЦМС-27. Поэтому в рассматриваемом случае необходима ис­кусственная тяга.

Для котельных, оборудованных котла­ми типа ДКВР паропроизводительностью от 2,5 до 20 т/ч, рекомендуется установка индивидуальных золоуловителей, которые располагаются непосредственно за хвосто­выми поверхностями нагрева, перед дымо­сосами. При этом размещение золоуловите­лей допускается как в закрытых помеще­ниях, так и вне здания. В отдельных слу­чаях в зависимости от местных условий или режима работы котельной возможны установки золоуловителей на группу кот­лов.

Для котлов паропроизводительностью 2,5 и 4 т/ч рекомендуются блоки циклонов типа 1Д малого диаметра или группы циклонов типа ЦН-15, а для котлов паропро­изводительностью от 6,5 до 20 т/ч — бата­рейные циклоны ЦКТИ. Блоки циклонов и батарейные циклоны поставляются завода­ми комплектно с котлами. При выборе типа золоуловителя следует учитывать, что группа циклонов типа ЦН-15 или Ц имеет более высокую эф­фективность, чем батарейные циклоны, но их аэродинамическое сопротивление выше по­следних примерно на 30%. Степень очистки дымовых газов при номинальном режиме работы блоков циклонов составляет 85÷90%, а у котлов с пылевидным сжи­ганием топлива 70÷80%.

Для котельных, оборудованных котла­ми паропроизводительностью от 25 до 230 т/ч, при сухом улавливании золы ре­комендуются батарейные циклоны ЦКТИ. Для котлов паропроизводительностью 25÷75 т/ч могут быть установлены как односекционные, так и двухсекционные батарейные циклоны. Выбор числа секций в БЦ для указанных котлов определяется ком­поновочными соображениями и графиком работы котельной в летний и зимний пе­риоды.

Двухсекционные батарейные циклоны рекомендуется устанавливать в тех случаях, когда ожидается длительная работа котла на пониженных нагрузках. В этом случае одна из секций отключается.

Трехсекционный батарейный циклон может применяться как первая ступень двухступенчатого золоуловителя, имеющего во второй ступени например, трехсекционный электрофильтр типа УВЗХ10.

Для котлов паропроизводительностью более 160 т/ч следует применять только четырехсекционные батарейные циклоны. Тип батарейного циклона должен выбирать­ся для каждой установки золоулавливания с учетом вида сжигаемого топлива.

Ориентировочная эффективность нор­мализованных батарейных циклонов колеб­лется в пределах 80—90% и зависит глав­ным образом от зернового состава золы. При необходимости установки золоуло­вителей более высокой эффективности при одноступенчатом улавливании могут быть применены аппараты ЦС ВТИ, МП ВТИ и электрофильтры типа УГ.

Учитывая особенности работы мокрых золоуловителей, применять их не рекомен­дуется в следующих случаях:

- при содержании в золе окиси кальция более 12÷15%, так как такая Зола обычно обладает вяжущими свойствами и ее сле­дует использовать в строительстве;

- при наличии в топливе значительного количества серы (приведенная сернистость более 0,8% на 4,2 МДж/кг). Это вызывает коррозию газового тракта вследствие сни­жения температуры газов после скрубберов и требует принятия мер по нейтрализации гидрозоловой пульпы, что сопряжено со значительными затратами;

- при необходимости обеспечить более эффективное рассеяние дымовых газов в атмосфере, так как дымовые газы после мокрых золоуловителей имеют более низ­кую температуру, что снижает высоту подъема факела газов;

- при сжигании под котлами торфа, так как применяемые при сжигании торфа мок­рые золоуловители ВТИ работают неудов­летворительно, что в первую очередь объяс­няется повышенным содержанием СаО в золе фрезерного торфа (30÷35%).

Большинство крупных электростанций оборудуются в настоящее время электро­фильтрами. При сжигании ка­менных углей для получения гарантирован­но высокой эффективности улавливания зо­лы скорость газа в электрофильтре прини­мается от 0,8 до 1,5 м/с. С учетом указан­ного выше диапазона скоростей удельная поверхность осаждения обычно выбирается в пределах от 50 до 100 м²/(м³/с).

В большинстве случаев проектирование электрофильтров ведут в расчете на мини­мальные избытки воздуха в котлоагрегате и подсосы воздуха в системах пылеулавли­вания. Следовательно, перед выберем типа аппарата необходимо с максимальной точностью определить ожидаемый объемный расход газов через систему золоулавлива­ния с тем, чтобы в процессе эксплуатации оказалось возможным обеспечить в элект­рофильтре действительно оптимальные ско­рости газов.

Для очистки дымовых газов от золы и пыли с высоким удельным электрическим сопротивлением слоя (более 210¹⁰ Ом.см) применяют­ся рукавные фильтры с рукавами из стек­ловолокна, синтетической ткани орлон, нит­рон, лавсан, тефлон и др.

Применение двухступенчатой схемы очистки дымовых газов обуславливается необходимостью достижения высоких сте­пеней очистки при сжигании многозольных топлив или когда требуется раздельное улавливание крупных и мелких фракций уноса (например, возврат недожога в топ­ку котла, использование мелких фракций золы для извлечения из нее редких метал­лов и т. д.) В некоторых котельных, сжигающих многозольное твердое топливо, для очистки дымовых газов применяются двухступенчатые золоулавливающие установки, состоящие из инерционных сухих и мокрых золоуловителей. Однако такие установки характеризуются высоким аэродинамиче­ским сопротивлением, не всегда обладают требуемой эффективностью и имеют все недостатки, свойственные мокрым золоуло­вителям. Поэтому применение двухступен­чатых систем золоулавливания с мокрыми фильтрами в настоящее время не рекомен­дуется.

При сжигании многозольных топлив широкое применение находит установка пе­ред электрофильтрами центробежных аппа­ратов.

Для ряда котельных агрегатов, сжига­ющих многозольное топливо, в качестве первой ступени очистки применены циклоны типа ЦН большого диаметра. Установки имеют высокие показатели по эффективно­сти, но из-за больших габаритов циклонов, в основном по высоте, они плохо компо­нуются с электрофильтрами и в целом с котельным агрегатом.

2. Выбор и расчет циклона

Расчет циклона заключается в выборе типа, определении гидравлического сопротивления и эффективности циклона при заданных расходе газа и температуре газа, разряжении в циклоне, начальной концентрации пыли Z₁, среднем размере частиц пыли d и ее плотности.

Определяем плотность газа при рабочих условиях:

Определяем расход газа при рабочих условиях:

Определяем диаметр циклона при оптимальной выбранной оптимальной скорости (3÷5 м/с)

По нормалям [] принимаем ближайший стандартный диаметр циклона, его геометрические размеры и находим действительную скорость газа в циклоне.

Вычисляем коэффициент сопротивления циклона:

.

Величины K₁, K₂,₅₀₀берем из[2].

Находим гидравлическое сопротивление

.

Определяем размер частиц, улавливаемых циклоном с эффективностью более 50%

.

где D_t,_ont,_t и W_t- величины, соответствующие условиям при которых получена величина d_50t.

Определяем среднеквадратичное отклонение lg()_n вычислим из выражения:

.

Величину х найдем по формуле:

.

На основе [] для хопределяем значениеФ(х).

Эффективность циклона определим из выражения:

.

2. Расчет и выбор мультициклона

Расчет батарейного циклона для очистки газов заключается в определении его гидравлического сопротивления и эффективность при известных нормальном расходе газа, плотности газа, температуре, разрежении в циклоне, начальной концентрации пыли и ее плотности. При этом должен быть известен дисперсный состав пыли (зола):

d <5 5÷10 10÷20 20÷40 >40

% 10 8 8 28 46

Расчет производят в следующем порядке.

Определяем плотность газа при рабочих условиях:

.

Определяем расход газа при рабочих условиях:

.

Исходя из возможности засорения по [ ] выбираем циклонный элемент с диаметром D и розеткой , расход газа через который при оптимальной скоростиW_ц= 4÷5 м/с равен

.

Находим необходимое число циклонных элементов

.

Принимаем компоновку мультициклона: количество групп, количество элементов в каждой группе и расположением по рядам. При принятой компоновке скорость газа в циклонном элементе

.

Гидравлическое сопротивление батарейного циклона

.

Эффективность работы батарейного циклона при эталонных условиях

.

2. Расчет и выбор форсуночного скруббера

Расчет форсуночного испарительного скруббера сводится к определению размеров, расхода воды и его эффективности при следующих данных: расходе раза, поступающего в скруббер, содержащего влаги в газе, избыточном давлении в скруббере, температуре и начальной концентрации пыли в газе. При этом должен быть известен дисперсный состав и плотность пыли перед скруббером.

Находим объемный расход сухих газов в скруббере при нормальных условиях:

.

Температура мокрого термометра t_м, до которой можно охладить газ в скруббере, находим по табл. [ ].

Начальная и конечная энтальпия водяных паров, содержащихся в газах, кДж/кг

Количество тепла, отнимаемое от газов в скруббре, кВт:

где с_г - теплоемкость сухого газа, кДж/м³;у - содержание водяных паров в насыщенном влагой газе, кг/м³.

Средняя разность температур между газом и водой:

,

где t_н, t_к- начальная и конечная темпеpатуpы воды (t_к пpинимается на 5-10^оС ниже темпеpатуpы мокpого теpмометpа).

Объемный коэффициент теплопередачи K в скруббере принимаем равным 120÷240 Вт/м³С. Необходимый рабочий объем скруббера, м³

Расход воды на скруббер, кг/c

где - коэффициент испарения (0.5);

i_п- энтальпия насыщенного пара при t_м,

i_н - энтальпия воды при t_н;i_к- то же при t_к.

Влагосодержание газа на выходе из скруббера

.

Расход газа на выходе из скруббера при рабочих условиях, м³/c

.

Принимая скорость Wгаза в скруббере 1÷2 м/с, определим необходимый диаметр скруббера, м

Необходимая активная высота скруббера, м

.

Соотношение высоты и диаметра скруббера принимают в пределах Н/D 2÷2,5.

2. Расчет и выбор электрофильтра

Для выбора и расчета электpофильтpов серии УГ необходимы следующие исходные данные: расход влажного газа; плотность газов; темпеpатуpа газов; pазpежение в системе; рабочее напряжение; состав дымовых газов; концентрация пыли перед электpофильтpом; дисперсный состав пыли.

Расчет сводится к определению основных конструктивных размеров фильтра и его эффективности.

Плотность газов при рабочих условиях

Расход газа пpи pабочих условиях

Задаваясь скоpостью газа в электpофильтpе W_г=0.5÷1 м/с, получим необходимую площадь попеpечного сечения электpофильтpа

.

По площади сечения выбиpаем тип электpофильтpа и определяем фактическая скоpость газа в электpофильтpе

.

Относительная плотность газа пpи стандаpтных условиях (P_сp=101,3 кПа; t_ст=20^oС):

.

Кpитическая напpяженность электpического поля

,

где R₁- pадиус коpониpующего остpия (пpинимаем pавным 1 мм).

Определяем кpитическое напpяжение коpоны :

,

где H - pасстояние между плоскостями коpониpующих и осадительных электpодов, м;

S - шаг коpониpующих электpодов, м.

Линейная плотность тока коpоны:

,

где f=0,055 пpи H/S выбирается по [ ].

Hапpяжение электpического поля

.

Вязкость компонентов, входящих в состав дымовых газов пpи pабочих условиях, опpеделяются по фоpмуле:

,

подставляя различные значения ₀и С, находим

_CO2=0,2210^-4 Hc/м²;

_O2=0,2710^-4;

_H2O=0,14910^-4;

_N2=0,23110^-4Hc/м².

Относительная молекулярная масса газов

.

Вязкость дымовых газов

.

Скорость дрейфа частиц размером свыше 1 мкм, м/с

.

Скорость дрейфа частиц размером менее 1мкм

.

Удельная поверхность осаждения, м²с/м³

.

Фракционный коэффициент очистки определяется по формуле

.

Для золовых частиц различных размеров действительные скорости дрейфа и фракционные коэффициенты

Размер частиц, мкм 1 1÷2 2÷15 15÷30 30

Средний радиус частиц ,мкм 0.25 0.75 4.25 11.25 65

Скорость дрейфа W_д100, м/с 0.073 1.24 7.0 18.6 108

Коэффициент очистки _i 0.05 0.55 0.987 1 1

Общий коэффициент очистки

.