Теплоэнергетика, 2023, № 1, стр. 66-74

Определение температуры и излучательной способности топочных газов парового котла при факельном сжигании торфа

В. А. Кузьмин a, И. А. Заграй a*, Н. А. Шмакова a

a Вятский государственный университет
610000 г. Киров, Московская ул., д. 36, Россия

* E-mail: zagrayia@yandex.ru

Поступила в редакцию 31.05.2022
После доработки 04.07.2022
Принята к публикации 27.07.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлено комплексное опытно-теоретическое определение излучательной способности (ИС) и температуры гетерогенных продуктов сгорания при факельном сжигании торфа. Устанавливаемое на пирометре значение ИС зависит от большого числа факторов, индивидуально в каждом конкретном случае, а его выбор должен быть обоснованным. Расчетные исследования ИС топочных газов (продуктов полного сгорания) при изменении температуры проведены для рабочих длин волн 4.24 и 4.64 мкм пирометров Optris CTlaser F2 и F6 соответственно. Найдены зависимости теоретических (истинных) температур Tтеор от излучательной способности. Экспериментальные измерения яркостной температуры топочных газов выполнены на разных высотах топки котла БКЗ-210-140Ф. Получены зависимости измеренной температуры Tэксп от заданной ИС на пирометре. Точки пересечения экспериментальных Tэксп и теоретических Tтеор функций позволили определить искомые температуры на соответствующих высотах котла. Для пирометра Optris CTlaser F2 температура топочных газов в корневой части факела (H = 9 м) равна 1182 К, в средней части (H = 14 м) – 978 К, а в хвостовой (H = 16 м) – 1031 К; для пирометра Optris CTlaser F6 температуры составили 1154, 1034 и 1042 К соответственно. Разработанная авторами программа TEMPER позволяет определять температуру топочных газов по полосе поглощения CO2 в паровом котле БКЗ-210-140Ф при сжигании твердых топлив (торфа и угля). Приведена блок-схема решения задачи по определению температуры и ИС. На основании известной массовой доли CO2 программа выводит результаты по ИС и температуре для заданных высот. Использование программы позволит контролировать температурный режим сжигания топлива для предотвращения процесса шлакования топки и минимизации выбросов оксидов азота.

Ключевые слова: температура, пирометрия, излучательная способность, топочные газы, паровой котел, факельное сжигание торфа, шлакование поверхностей нагрева

Обычно в топках промышленных паровых котлов в качестве топлива используются газ, мазут, торф и уголь. Продукты сгорания этих топлив помимо газовой фазы содержат частицы конденсированной фазы – сажи, а также оксидов различных химических элементов, образовавшихся при сжигании торфа и угля [13].

При сжигании газа и мазута необходимо соблюдать определенный температурный режим в топке в целях максимального снижения количества оксидов азота NOх, исключения химического недожога CO, уменьшения образования сажи, а при использовании твердого топлива – во избежание плавления частиц минеральной части конденсированной фазы, чтобы минимизировать процесс шлакования экранных поверхностей [1, 47]. При сжигании газа в продуктах сгорания содержится небольшое число частиц сажи, и их можно считать гомогенной средой, при сжигании твердого топлива продукты сгорания состоят из газовой фазы и большого числа частиц конденсированной фазы, т.е. представляют собой гетерогенную среду и гетерогенные продукты сгорания (ГПС). Если для определения температуры гомогенных продуктов сгорания (ГоПС) могут быть применимы контактные методы (установлены термопары) [8, 9], то для ГПС из-за наличия твердых частиц предлагается использовать бесконтактные оптические методы – пирометры [1012].

К настоящему времени разработано множество пирометров для измерения температуры различных тел в самых разных ситуациях. Однако выбор подходящего прибора требует определенных знаний о спектральном характере излучения исследуемого объекта (сплошной, полосатый, линейчатый спектр), уровне и диапазоне возможных температур, а также значениях излучательной способности (степени черноты, коэффициента излучения), которая зависит от многих факторов [1315]. Корректный выбор ИС, значение которой устанавливается на пирометре, представляет собой непростую задачу при определении температуры ГоПС или ГПС. Иногда эту сложность пытаются преодолеть, используя пирометр спектрального отношения (цветовой пирометр) [16], но его удобно применять в спектральном интервале, соответствующем излучению серого тела, а такой участок не всегда удается найти, особенно для ГоПС или ГПС.

Проведенные авторами статьи исследования спектральных плотностей потоков энергии излучения и ИС для ГоПС и ГПС [17, 18] свидетельствуют о том, что в спектральном интервале 1–10 мкм только участки 1.0–1.3 и 3.8–4.1 мкм можно считать приближенно серыми, а в остальных случаях спектральные плотности потоков и ИС носят ярко выраженный селективный характер с преобладанием линейчато-полосатого спектра газовой фазы, перекрывающего сплошной спектр конденсированной фазы (рис. 1).

Рис. 1.

Излучательная способность топочных газов при сжигании торфа при T = 1273 К

Полоса излучения CO2 вблизи длины волны 4.3 мкм отличается стабильно высокими значениями спектральной ИС, именно поэтому она представляет наибольший практический интерес и используется в настоящей работе для определения температуры с помощью пирометров.

Обоснованный выбор ИС топочных газов при измерении температуры пирометрическим методом является непростой задачей, решению которой посвящена данная работа.

Объект исследования – топочные газы в радиационной части топки парового котла БКЗ-210-140Ф при факельном сжигании торфа с подсветкой природным газом.

В качестве оборудования выбраны пирометры Optris CTlaser F2 и F6 с программным и аппаратным обеспечением для обработки экспериментальных данных. Основным пирометром является Optris CTlaser F2, воспринимающий излучение в полосе поглощения СО2 (4.24 мкм). Дополнительно использовался пирометр Optris CTlaser F6 с рабочей длиной волны 4.64 мкм на краю полосы СО2. Для расчета спектральной ИС и проведения вычислительного эксперимента применялась разработанная авторами статьи программа SPEKTR, основанная на методике расчета характеристик излучения топочных газов [17, 18].

Цель исследования – пирометрическое определение температуры топочных газов по высоте топки парового котла БКЗ-210-140Ф при факельном сжигании торфа с учетом установленных на пирометрах рассчитанных спектральных ИС.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ ПРИ СЖИГАНИИ ТОРФА

В данной работе рассматривалось сжигание торфа месторождений Кировской области с подсветкой природным газом.

Далее приведены характеристики и состав топлива на рабочую массу, %:

Влажность Wr.................................................51.8
Зольность Ar.....................................................6.3
Сr....................................................................24.3
Оr....................................................................13.3
Hr.....................................................................2.6
Nr.....................................................................1.4
Sr......................................................................0.3

При сжигании 1 кг торфа расходуется 0.124 м3 природного газа при коэффициенте избытка воздуха α = 1.25.

Расчет состава топочных газов (продуктов полного сгорания) твердого топлива проводился по нормативному методу [19]. С учетом массовой доли частиц золы z = 0.011 в продуктах сгорания получены следующие массовые доли газовых компонентов:

H2O..............................................................0.102
CO2...............................................................0.177
2...............................................................0.001
N2.................................................................0.669
О2.................................................................0.040

Таблица 1.

Расчетные значения спектральной ИС εрасч в полосе излучения CO2

Теоретическая (заданная) температура Tтеор, K Длина волны λ, мкм
4.24 4.64
873 0.8033 0.270
973 0.8578 0.490
1073 0.9015 0.722
1173 0.9319 0.906
1273 0.9530 0.990
1373 0.9626 0.993
1473 0.9699 1.000
1573 0.9706 1.000
1673 0.9747 1.000

РАСЧЕТ СПЕКТРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ

Расчеты спектральной излучательной способности ε проводились по разработанной авторами статьи методологии комплексного исследования характеристик излучения топочных газов [17, 18] с использованием собственной программы SPEKTR в спектральном интервале 4.24–4.64 мкм, охватывающем рабочие длины волн пирометров Optris CTlaser F2 (4.24 мкм) и F6 (4.64 мкм). Программа SPEKTR основана на решении интегродифференциального уравнения переноса энергии излучения методом сферических гармоник в P3-приближении для поглощающей, излучающей и рассеивающей среды. Топочные газы при сжигании твердого топлива представляют собой систему, которая состоит из газовой фазы и частиц конденсированной фазы и спектральная ИС которой зависит от многих факторов (рис. 2).

Рис. 2.

Факторы, определяющие ИС топочных газов

Эффективную толщину излучающего слоя определяли по формуле L = 3.6 V/Sст (где V – объем излучающего слоя, м3; Sст – площадь ограждающих поверхностей, м2) [19], она составила 5.35 м для котла БКЗ-210-140Ф.

В табл. 1 представлены некоторые расчетные значения спектральной ИС при изменении температуры. C увеличением Ттеор ИС растет и, наоборот, с ее уменьшением падает (особенность данной спектральной полосы). Стабильно высокие значения спектральной ИС (εрасч > 0.8) характерны для центра полосы излучения CO2 (вблизи длины волны λ = 4.24 мкм). С повышением температуры ширина полосы увеличивается в область бóльших длин волн, что сказывается на εрасч – она резко возрастает при λ = 4.64 мкм. На основании табличных данных получены расчетные зависимости εрасч = f(T), а также зависимости для теоретических температур Tтеор = f1(ε). Под теоретической температурой следует понимать истинную температуру топочных газов, которая определяется конкретным значением ИС при заданной λ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОЦЕССА ШЛАКОВАНИЯ ТОПКИ

Экспериментальное определение яркостной температуры, измеряемой пирометрами Optris CTlaser F2 и F6, в зависимости от устанавливаемых значений ИС ε проводилось на котле БКЗ‑210-140Ф при факельном сжигании торфа с подсветкой природным газом. Значение ε изменялось в пределах от 0.5 до 1.0 с шагом Δε = 0.1. Измерения выполнялись по длине факела на высотах H = 9 (на уровне горелок), 14 и 16 м через доступные смотровые лючки (рис. 3).

Рис. 3.

Схема котла БКЗ-210-140Ф с размещением смотровых лючков

При выбранной H и заданной на пирометре ε регистрация проводилась в течение времени t = 6–10 с, за которое пирометром производилось от 6 · 103 до 104 измерений температуры при инструментальной погрешности приборов ±1%. Информация поступала в блок статистической обработки, после чего фиксировалась средняя температура Tср, а также среднеквадратическое отклонение σ. На рис. 4 представлены примеры серий экспериментальных данных по измерению температуры пирометрами Optris CTlaser F2 (λ = = 4.24 мкм, Tср = 1199 K, σ = 41 K) и Optris CTlaser F6 (λ = 4.64 мкм, Tср = 1187 K, σ = 16 K).

Рис. 4.

Результаты измерения температуры пирометрами Optris CTlaser F2 (a) и F6 (б) при H = 9 м и ε = 0.9. 1 – экспериментальные данные по температуре T; 2 – среднее значение температуры Tср; 3Tср+ σ; 4Tср σ

Полученные экспериментальные точки для Tср в зависимости от задаваемой ε аппроксимировались для получения аналитических кривых Tэксп = = f2(ε):

${{T}_{{{\text{эксп}}}}}(\varepsilon ) = \frac{{{{С}_{2}}}}{{\lambda \ln \left( {\frac{\varepsilon }{A} + 1} \right)}},$
где C2 = 14 388 мкм · К – вторая постоянная формулы Планка; A – коэффициент, определяемый в зависимости от серии экспериментальных данных при заданных λ и H.

Коэффициент A рассчитывали по формуле

$А = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{{\varepsilon }_{i}}}}{{\exp \frac{{{{C}_{2}}}}{{\lambda {{T}_{{{\text{сp}}i}}}}} - 1}}} ,$
где n – количество значений Tср (в данной работе n = 6).

Значение коэффициента A, полученные с помощью пирометров Optris CTlaser F2 и F6 представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Значения коэффициента A, полученные при проведении измерений пирометрами Optris C-Tlaser F2 и F6 на разных высотах H топки котла

H, м Optris CTlaser F2 Optris CTlaser F6
9 0.056 0.064
14 0.028 0.033
16 0.034 0.035

Построение зависимостей Tэксп = f2(ε) было необходимо, чтобы проследить, насколько функции пирометров, имеющих разные приемники излучения, подчиняются закону Планка при ε = = 0.5–1.0. При наведении на объект пирометр регистрирует определенную плотность потока излучения F. Из-за постоянства характеристик теплового излучения (объект не влияет на прибор) с увеличением выставляемой ИС температура должна уменьшаться исходя из соотношения

$F = \varepsilon {{F}_{0}}(T) = {\text{const}},$
где F0(T) – плотность потока излучения абсолютно черного тела, Вт/м2.

На рис. 5 приведены результаты измерений средних яркостных температур, аналитические функции Tэксп = f2(ε), построенные на основании этих данных, а также теоретическая зависимость Tтеор = f1(ε). Точки пересечения сплошных линий со штриховой показывают искомые температуры на соответствующих высотах котла. Для пирометров Optris CTlaser F2 и F6 температуры топочных газов в корневой (H = 9 м), средней (H = 14 м) и хвостовой (H = 16 м) частях топки указаны в табл. 3. Сравнивая значения Т, представленные в табл. 3, можно видеть, что погрешность между показаниями пирометров составляет ΔT = 28, 56 и 11 К для H = 9, 14 и 16 м соответственно.

Рис. 5.

Зависимости измеренной температуры от излучательной способности, задаваемой на пирометрах Optris CTl-aser F2 (a) и F6 (б). Сплошные линии – аналитические функции Tэксп = f2(ε) при H, м: 1 – 9; 2 – 14; 3 – 16; штриховая линия 4 – теоретическая зависимость Tтеор = f1(ε)

Таблица 3.

Температура топочных газов, определенная с помощью пирометров Optris CTlaser F2 и F6 на разных высотах H топки котла при различных значениях заданной на пирометрах излучательной способности ε

H, м Optris CTlaser F2 Optris CTlaser F6
ε T, м ε T, м
9 0.934 1182 0.871 1154
14 0.860 978 0.633 1034
16 0.883 1031 0.650 1042

Полученные результаты необходимы при с-оставлении режимных карт работы котла БКЗ‑210-140Ф при сжигании торфа разных месторождений. Указанные характеристики исходного топлива и проведенные ранее исследования [5, 17] показывают, что зола торфа схожего состава (производственного участка “Дымный”) имеет температуру растекания 1623 К. Имеющиеся в составе золы легкоплавкие элементы понижают температуру начала шлакования Tшл до 1291 К, что было определено авторами данной статьи по методике работы [1]. Несоблюдение температурного режима сжигания топлива (при T > Tшл) может привести к плавлению минеральной части торфа. Находящиеся в потоке расплавленные частицы принимают сферическую форму, налипают на экранные поверхности, вызывая шлакование топки и последующее снижение КПД котла. Проведенное авторами статьи исследование дисперсности частиц в топке парового котла БКЗ-210-140Ф при сжигании торфа [2] показало наличие большого числа сферических частиц, полученных путем осаждения дымовых газов (рис. 6). Таким образом, контроль температурного режима сжигания топлива является необходимым для предотвращения процесса шлакования топки и увеличения времени работы между регламентными остановками для чистки котла.

Рис. 6.

Микрофотография формы и размеров частиц золы при факельном сжигании торфа в котле БКЗ-210-140Ф

ПРОГРАММА TEMPER ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ

В данном разделе описывается общее решение зависимости, полученной расчетным путем через Tтеор = f1(ε) (см. второй раздел) и экспериментальным путем через Tэксп = f2(ε) (см. третий раздел). Для этого была разработана и составлена программа TEMPER [20], применяя которую можно определить температуру топочных газов при факельном сжигании твердого топлива с помощью пирометра Optris CTlaser F2. Блок-схема программы представлена на рис. 7. Предварительно на основе исходных характеристик топлива производится расчет состава газовой и конденсированной фаз твердого топлива по нормативному методу.

Рис. 7.

Блок-схема решения задачи определения температуры и ИС

В программе TEMPER используются полученные ранее расчетные зависимости спектральной ИС от температуры при разном массовом содержании CO2 в интервале z = 0.05–0.35 и проводится их интерполяция сплайнами Акима с получением зависимостей εрасч = f(T) и инверсных кривых Tтеор = f1(ε). При этом функция Tтеор = f1(ε) соответствует условиям работы котла при сжигании заданного вида твердого топлива.

Блок обработки экспериментальной информации проводит статистический анализ данных за все время пирометрических измерений. Программа аппроксимирует экспериментальные значения температуры в зависимости от устанавливаемой на пирометре ИС ε = 0.5–1.0 c шагом Δε = 0.1 при разной высоте проводимых замеров H = 9, 14, 16 м. Определяются функции Tэксп = f2(ε).

На следующих этапах находится общее решение аналитических зависимостей Tтеор = f1(ε) и Tэксп = f2(ε) при Tтеор = Tэксп, строятся экспериментальные и теоретические зависимости с указанием точек пересечения. На основании заданной массовой доли CO2 методом последовательных приближений определяются и выводятся на экран ИС и температуры топочных газов для заданных высот. Использование программы позволит сократить время реагирования на зашлаковывание топки, а также вести контроль образования оксидов азота.

ВЫВОДЫ

1. На основании анализа спектров излучения топочных газов при сжигании торфа была выбрана стратегия определения температуры с помощью пирометра Optris CTlaser F2, воспринимающего излучение в полосе поглощения СО2 (4.24 мкм), а в качестве дополнительного использовался пирометр Optris CTlaser F6 с рабочей длиной волны 4.64 мкм.

2. При проведении расчетных исследований ИС при изменении температуры для длин волн 4.24 и 4.64 мкм построены зависимости Tтеор= = f1(ε).

3. Благодаря экспериментальным измерениям яркостной температуры топочных газов, выполненным на разных высотах топки котла БКЗ-210-140Ф, получены зависимости измеренной температуры от заданной на пирометре излучательной способности, а также выведены аналитические функции Tэксп = f2(ε) для разных высот топки.

4. Найдено общее решение аналитических зависимостей Tтеор = f1(ε) и Tэксп = f2(ε) при Tтеор = = Tэксп. Определены температуры топочных газов в корневой, средней и хвостовой частях факела для пирометров Optris CTlaser F2 и Optris CTlaser F6.

5. Разработанная программа TEMPER, предназначенная для определения температуры продуктов сгорания в паровом котле БКЗ-210-140Ф при сжигании твердых топлив (торфа и угля), позволяет установить температуру продуктов сгорания внутри топки бесконтактным методом с помощью пирометра Optris CTlaser F2, работающего на длине волны 4.24 мкм. На основании заданной массовой доли CO2 программа выводит результаты по ИС и температуре продуктов сгорания для заданных высот. Использование TEMPER дает возможность контролировать температурный режим сжигания топлива, чтобы предотвратить процесс шлакования топки и минимизировать выбросы оксидов азота.

Список литературы

  1. Алехнович А.Н. Зола и шлакование в пылеугольных котлах. Челябинск: Абрис-принт, 2016.

  2. Кузьмин В.А., Заграй И.А., Десятков И.А. Исследование дисперсности и химического состава частиц в продуктах сгорания при сжигании газоторфяной смеси в паровом котле БКЗ-210-140Ф // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2016. № 5–6. С. 55–63. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2016-0-5-6-55-63

  3. Тимофеева С.С., Исламова С.И., Ермолаев Д.В. Экспериментальное исследование физико-химических свойств торфа при подготовке к энергетическому использованию // Труды Академэнерго. 2018. № 2. С. 106–116.

  4. Чернецкий М.Ю., Алехнович А.Н., Дектерев А.А. Математическая модель шлакования топки пылеугольного котла // Теплоэнергетика. 2012. № 8. С. 39–47.

  5. Кузьмин В.А., Заграй И.А., Десятков И.А. Определение плавкости золы торфа месторождений Кировской области // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20. № 11–12. С. 27–33. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2018-20-11-12-27-33

  6. Influence of peat ash composition on particle emissions and slag formation in biomass grate co-combustion / J. Fagerström, I.-L. Näzelius, C. Gilbe, D. Boström, M. Öhman, C. Boman // Energy Fuels. 2014. V. 28. Is. 5. P. 3403−3411. https://doi.org/10.1021/ef4023543

  7. Slagging tendency of peat ash / R. Heikkinen, R.S. Laitinen, T. Patrikainen, M. Tiainen, M. Virtanen // Fuel Process. Technol. 1998. V. 56. Is. 1–2. P. 69–80. https://doi.org/10.1016/S0378-3820(97)00085-4

  8. Tsyryulnikov I.S., Komarov V.I., Maslov A.A. Measurement of the gas flow stagnation temperature by the method of two identical thermocouples in the short-duration aerodynamic facilities // Flow Measurement and Instrumentation. 2021. V. 77. P. 101863. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2020.101863

  9. Investigation of exhaust gas temperature distribution within a furnace of a stoker fired boiler as a function of its operating parameters /P. Krawczyk, K. Badyda, J. Szczygieł, S. Młynarz // Archives of Thermodynamics. 2015. V. 36. Is. 3. P. 3–14. https://doi.org/10.1515/aoter-2015-0018

  10. Шигапов А.Б., Усков Д.А., Шашкин А.В. Измерение температуры топочных газов бесконтактными оптическими методами // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2003. № 9–10. С. 150–153.

  11. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. М.: Физматлит, 2012.

  12. Пирометрический измерительный комплекс для стационарного контроля пылеугольной топки / А. Боровский, Л. Герасимов, С. Дружинин, Д. Мядзелец, А. Сидоренков, В. Филиппов // Современные технологии автоматизации. 2010. № 4. С. 70–77.

  13. Фрунзе А.В. Метрологические проблемы современной спектральной пирометрии // Метрология. 2018. № 2. С. 35–48. https://doi.org/10.32446/0132-4713.2018-2-35-48

  14. Русин С.П. Об адекватности модели излучательной способности экспериментальным данным при определении истинной температуры непрозрачного материала по спектру теплового излучения // Теплофизика и аэромеханика. 2019. Т. 26. № 3. С. 479–489.

  15. Русин С.П. Использование серого приближения для оценки истинной температуры материала по спектральному распределению обратных яркостных температур // Теплофизика и аэромеханика. 2020. Т. 27. № 3. С. 451–464.

  16. Шилин А.Н., Мак Б.В., Коптелова И.А. Цифровой пирометр спектрального отношения // Контроль. Диагностика. 2022. Т. 25. № 3 (285). С. 52–57. https://doi.org/10.14489/td.2022.03.pp.052-057

  17. Исследование теплового излучения топочных газов в паровом котле при сжигании твердых топлив / В.А. Кузьмин, И.А. Заграй, Е.И. Маратканова, И.А. Десятков // Теплофизика и аэромеханика. 2019. Т. 26. № 2. С. 301–315.

  18. Kuzmin V.A., Zagrai I.A. A comprehensive study of combustion products generated from pulverized peat combustion in the furnace of BKZ-210-140F steam boiler // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 891. P. 012226. https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012226

  19. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. 2-е изд., перераб. М.: Эколит, 2011.

  20. Свид. РФ № 2021667438 о государственной регистрации программы для ЭВМ / Temper: №  021667015: В.А. Кузьмин, И.А. Заграй, Н.А. Шмакова, А.Л. Адеков. Заявитель Вятский гос. ун-т. Заявл. 29.10.2021. Опубл. 29.10.2021.

Дополнительные материалы отсутствуют.