+38 (044)462-52-62

+38 (067)502-01-98 

+38 (063)810-63-73

г. Киев, ул. Кирилловская, 102
Пн-Пт: 9:00—18:00



Технология СНТ

Технология сжигания – определяющий фактор эффективности огнетехнических объектов

Обострившиеся топливно-энергетический, а затем и экономический кризисы заставляют человечество задуматься о развитии энергетики с точки зрения энергоэффективности технических решений и экономической целесообразности их внедрения. Для стран постсоветского пространства ситуация усугубляется тем, что оборудование физически изнашивается и морально устаревает, и уже много лет на поддержание ТЭК выделяется крайне недостаточное количество ресурсов. Руководители теплогенерирующих компаний стоят перед непростым выбором: либо менять старое оборудование на новое (например, котлы НИИСТУ, ТВГ, ДКВР и др. с незаэкранированным подом на КВГМ, ДЕ, ПТВМ и т.д. с высокой степенью экранизированности), либо переходить на электрокотлы, либо закупать импортное, красиво оформленное, со сложной современной автоматикой и якобы очень эффективное оборудование, либо начать широкомасштабное внедрение возобновляемых источников энергии, являющимися альтернативными (тепловые насосы, энергию ветра, солнечные коллектора, биомассу).

К сожалению, принять взвешенное решение очень трудно из-за отсутствия достоверных научно обоснованных данных о новых технологиях, подкрепленных опытом эксплуатации. На конференциях и семинарах посвященных энергоэффективности озвучивается противоречивая, часто взаимоисключающая информация, цель которой, как правило, обеспечить продвижение на энергетический рынок оборудования определенного типа. Системный анализ топливно-энергетического комплекса отсутствует не только из-за острой конкуренции, но и в виду резко снижающегося уровня профессионализма в науке, технике, производстве и эксплуатации. Рассматривая наиболее часто звучащие предложения по выходу из энергетического кризиса, необходимо отметить следующее: безусловно, замена природного газа на альтернативные виды топлива на отдельных объектах целесообразна, но только для отдельных частных случаев. Например, перевод котлов с газа на сжигание опилок, являющихся бросовым отходом на деревообрабатывающих предприятиях либо отопление свинарника или птицефермы, в каком-нибудь сельскохозяйственном регионе, излишком соломы, который, возможно, имеется в остатке после заготовки кормов для скота. Однако применение этих решений для  энергетики выглядит, по крайней мере, непродуманным.

Особо следует отметить программу внедрения тепловых насосов. Тепловой насос может быть весьма эффективен в ряде частных случаев, когда есть проблемы с отоплением, например, поселка или предприятия достаточно удаленного от централизованного топливоснабжения (отсутствие газопровода, отсутствие дорог для подвоза жидкого или твердого топлива) и где приходится отапливать электроэнергией. В этом случае действительно, тепловой насос может в 2-4 раза эффективней (в зависимости от реальных условий) выдавать на 1КВт затрачиваемой электроэнергии энергию тепловую. Но говорить о том, что при этом экономится газ – нельзя, т.к. значительная часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, где в качестве топлива используется, в том числе,  и природный газ, причем на производство 1 КВт электроэнергии уходит минимум 4-5 КВт энергии топлива (учитывая все потери на станциях и при транспортировке). При этом стоимость такого оборудования (тепловых насосов), а оборудование, как правило, только импортное, стоит столько, что только декларируемая окупаемость таких проектов составляет от 10 до 20 лет без учета дисконтирования. Эффективный вариант их применения – использование тепла канализационных коллекторов. При этом уменьшается тепловое загрязнение водоемов.

Кроме всего прочего, чтобы перевести масштабно значительную часть огнетехнического оборудования на альтернативное топливо потребуются колоссальные капитальные вложения, которые на сегодняшний день, да еще и в условиях экономического кризиса, просто негде взять. Кроме того, при широком использовании, цены на любой вид альтернативного топлива тут же вырастут до уровня цен на газ и, существующая на сегодняшний день экономическая целесообразность, будет быстро нивелирована.

В этой связи хотелось бы отметить, что в СССР проводились широкомасштабные и успешные промышленные испытания газификации угля, в том числе и подземная газификация [1]. В настоящее время наметился прогресс в восстановлении внимания к данной проблеме. Газификация угля хорошо сочетается с развитой газотранспортной системой. Так же большие перспективы имеет использование шахтного метана [1].

Безусловно, рост цен на энергоносители будет продолжаться, по мере выхода мировой экономики из кризиса и дешевого топлива уже не будет. В этой связи важнейшую роль для развития экономики играют энергосберегающие технологии, которые так широко внедряются на Западе. По удельным затратам топлива на выработку тепла страны постсоветского пространства в несколько раз уступают ведущим Европейским странам. А денег на закупку нового оборудования требуется много т.к. долгие годы оборудование не обновлялось.

Что же делать? Где выход? Выход, методом проб и ошибок, определили думающие хозяйственники. Необходимо сохранить существующую инфраструктуру (оборудование, кадры, систему обслуживания и т.д.) органичную для нашего общества и разработать мероприятия по повышению ее энергоэффективности. На сегодняшний день существует ряд традиционных подходов для снижения расходов энергоносителей. Это снижение потерь тепла в жилых и производственных помещениях и в сетях транспортировки тепла и электроэнергии, утилизация тепла уходящих газов, применение конденсационных установок на выходе огнетехнических объектов, замена существующих технологических процессов на новые, более современные и др.

Особо остро проблемы энергосбережения затрагивают энергетические объекты жилищно-коммунального хозяйства. Развернута большая полемика о соотношении индивидуального и централизованного теплоснабжения. Причем прежде, чем выработать взвешенное научно обоснованное решение под лозунгом свобода выбора человека, допускается массовый переход на индивидуальное отопление и разрушение инфраструктуры центрального теплоснабжения. Особенно неуправляемыми эти процессы являются на Западной Украине – до 80% в некоторых городах. Стихийное увеличение доли индивидуального отопления неизбежно приведет к резкому проявлению всех его недостатков по сравнению с централизованным. Стоимость единицы тепла, выработанной на крупной котельной существенно ниже, чем у небольшого индивидуального котла. Возникает масса экологических проблем, связанных с высоким уровнем выбросов (СО, СО2, NОх и т.д.), приближенностью источников выбросов к жилью.

Много десятков лет в центральном теплоснабжении складывалась система подготовки кадров для контроля и обслуживания взрыво- и пожароопасных объектов. При индивидуальном отоплении потребуется значительно больше специалистов (которых и так хронически не хватает для систем центрального теплоснабжения) для обслуживания населения. Это становится личным делом потребителя. При нехватке денег население естественно будет экономить на этих недешевых услугах, что неизбежно приведет к созданию повсеместной взрывоопасной обстановки. Не понятно, в этой связи, как будет организовано отопление чердаков, подвалов и подъездов и т.д. От этого в значительной мере зависит сохранность зданий и безопасность проживания в них граждан.

Ругают центральное теплоснабжение и ратуют за индивидуальное не столько потому, что видят эффективность в индивидуальном, а потому, что при этом планируется массовый завоз устаревшего, утратившего свою прежнюю цену, не всегда приспособленного к нашим условиям эксплуатации импортного оборудования с оговоренными с его производителями значительными суммами благодарности тем, кто обеспечивает его массовое продвижение на нашем рынке.

Те, кто выпячивает недостатки центрального теплоснабжения, умалчивают о том, что бесконечные разговоры о необходимости повышения эффективности работы теплотехнического оборудования остаются разговорами и практически очень мало что делается в этом направлении последние 20 лет.

Тем не менее, еще существует прогрессивная научная мысль и  высококлассные специалисты, разработки которых находятся на уровне лучших мировых образцов. Только на теплоэнергетическом факультете Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт» (г. Киев) существует несколько разработок, которыми могло бы гордиться любое европейское государство. Это в первую очередь новый принцип аккумулирования энергии, аналогов которому по эффективности и оригинальности подхода к физике таких процессов не знает мировая наука, разработанный выдающимся ученым д.т.н. Ерошенко В.А., вследствие чего стал возможен практически идеальный аккумулятор механической энергии. Это эффективные и наименее материалоемкие практически из всех известных на сегодняшний день контактных водонагревателей разработки к.т.н. Королевича А.Я., которые успешно работают на десятках объектов Украины, России, Беларуси и Казахстана. Это уникальные утилизаторы тепла уходящих из котла продуктов сгорания на тепловых трубах разработки к.т.н. Гершуни А.Н. – технологии, которые использовались до этого только в космических аппаратах, а теперь работают на сотнях котлов национальной экономики Украины и стран ближнего зарубежья. И это, конечно, струйно-нишевая технология сжигания топлива (СНТ), разработанная на основе исследований, [5] проводимых в Лаборатории горения ТЭФ НТУУ «КПИ» и являющаяся единственной на сегодняшний день универсальной технологией сжигания газообразного топлива, продвижением которой и дальнейшим изучением ее особенностей занимается ООО «Производственное объединение «Струйно-нишевая технология» (г. Киев).

На сегодняшний день сфера применения горения в огнетехнических устройствах (ОУ) очень широка: котлы, печи, сушила, камеры сгорания и т.д.; в различных сферах (ракетостроение, авиация, промышленность, отопление, горячее водоснабжение, сельское хозяйство и т.д.)

Конструктивно современные ОУ практически перестали совершенствоваться. В настоящее время устоялись значения: диаметров экранных труб, степени экранированности топочного пространства, соотношений размеров топки, степени крутки потока воздуха в ГУ и т.д. Отдельные попытки их изменения, как правило, не приводят к положительным результатам. Например, уменьшение диаметра экранных труб (что пытаются делать некоторые котлостроительные предприятия) с одной стороны увеличило их количество и тепловоспринимающую поверхность, а с другой стороны увеличило гидравлическое сопротивление по тракту рабочего тела. Основные энергоэффективные мероприятия по улучшению показателей экономичности, экологической безопасности и надежности в настоящее время связаны с организацией топочных процессов, утилизацией тепла уходящих газов, улучшением теплоизоляции, частотными преобразователями и т.д.

На основе огромного мирового опыта сжигания различных видов топлива для широкого спектра нужд появились сотни типов горелочных устройств (ГУ) и определились основные составляющие рабочего процесса при техническом горении: смесеобразование, поджиг, стабилизация горения, выгорание топливной смеси. Институты с мировыми именами: ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» (НПО ЦКТИ), Всероссийский теплотехнический институт, Центральный институт авиационного моторостроения, Киевский политехнический институт, Казанский авиационный институт, Куйбышевский авиационный институт и др. интенсивно исследовали элементы рабочего процесса ГУ, который является сложнейшим физико-химическим процессом. Поэтому на сегодняшний день существует более 1000 типов ГУ и общепризнанной является только одна методика расчёта ГУ – методика Иванова Ю.В., которая не получила широкого распространения т.к. в ней присутствует только один бесспорный постулат о необходимости рационального распределения горючего в потоке окислителя не подкреплённый исследованиями структуры течения и смесеобразования. К сожалению, можно констатировать факт, что на сегодня серьезные работы по исследованию рабочего процесса ГУ и созданию технологии сжигания – свернуты не только в странах бывшего СССР, но и за рубежом. Основной упор делается на дорогую экспериментальную доводку и мощную автоматизацию. Так же неоправданно большие надежды возлагаются на математическое моделирование этого сложного процесса. Однако в ближайшем будущем ощутимых успехов для создания высокоэффективной технологии в этом направлении не предвидится.

Лаборатория горения КПИ, которую создал Христич В.А., занимала одно из ведущих мест среди исследовательских центров. В отличие от других исследовались  и закрутка потока окислителя и плохообтекаемые тела в качестве стабилизаторов горения и различные варианты струйной подачи горючего. К середине 70 годов прошлого столетия практически все возможные аэродинамические схемы подачи горючего и окислителя были исследованы. Однако определить основные подходы к созданию технологии сжигания так и не удалось. ГУ как в лаборатории, так и во всём мире, не удовлетворяли совокупным требованиям по экономичности экологической безопасности и надёжности. Как впоследствии оказалось в основном недостатки ГУ определялись неустойчивостью аэродинамической структурой течения. Кроме того, вопреки бытующему мнению, газ очень трудно сжечь высокоэффективно т.к. он имеет высокую температуру воспламенения – 650-750°С, узкий диапазон горючих объемных концентраций – 5-15% и очень низкие значения нормальной скорости распространения пламени (менее 0,5 м/с). Это наряду со сложностью аэро-термо-химии данного процесса затруднило создание универсальной технологии сжигания удовлетворяющей всем требованиям по экономичности, экологической безопасности и надежности работы огнетехнического объекта. И только с начала 80-х годов методологически правильно построенные исследования сложных реагирующих течений в ближнем следе за системой струй в сносящем потоке позволили выявить фундаментальные закономерности рабочего процесса ГУ ранее не известные. На основе струйно-нишевой системы объединяющей систему струй горючего в сносящем потоке окислителя и нишевую полость расположенную ниже по потоку [2] удалось создать ГУ с устойчивой аэродинамической структурой и автомодельной к скоростным и концентрационным полям области стабилизации горения. В конце 80-х струйно-нишевая система смесеобразования и стабилизации пламени  была  защищена авторскими свидетельствами СССР.

В начале 90-х годов СНТ успешно проходила апробацию на печах, котлах, камерах сгорания ГТУ, подогревателях и т.д. [3].  В это время проводились интенсивные экспериментальные и аналитические исследования, что позволило сформулировать основные постулаты технологии (рациональная раздача горючего в потоке окислителя, создание устойчивой аэродинамической структуры, автомодельность процессов смесеобразования, термическая подготовка топливной смеси, самоохлаждение  и т.д.). В конце 90 и способ, и горелочное устройство были запатентованы в Украине и странах Евразии. На сегодняшний день СНТ является единственной универсальной технологией сжигания широко апробированной на всех типах ОУ [6].

При этих условиях обеспечивается полное сгорание газа (СО – отсутствует). Состав топливной смеси проходящей через ГУ близкий к стехиометрии, что при высоком качестве смесеобразования обеспечивает эмиссию NOx в пределах существующих норм. Такие результаты – показатель определяющей роли эффективной организации топочных процессов в ОУ.

Котлы ДКВР, отработавшие по 20-40 лет и снизившие свои экологотеплотехнические показатели, после модернизации на основе СНТ, разжигаются при давлении газа 0,5-2 мм в.ст., устойчиво работают на нагрузках 5-10% от номинальной, КПД в широком диапазоне 93-96%. Котлы надежно работают в безвентиляторном режиме за счет разрежения в топке. При этом эмиссия NOx, приведенная к a=1, снижается до 100 мг/нм3. Так как ГУ СНТ прямоточного типа, то в топочном пространстве отсутствуют огромные вихри и соответственно наброс факела на экранные трубы, поэтому по согласованию с заводом-изготовителем убираются защитные стенки около боковых экранов, что улучшает термосостояние труб и уменьшит коррозийный износ стыков труб с коллекторами. Вывод напрашивается сам собой – отечественная техника надежная, ремонтопригодная, знакомая нашему персоналу и с современными технологиями не уступает импортному оборудованию.

  

Фото 1. Установка ГУ СНТ на котле ПТВМ-30

На фото 1. показаны ГУ СНТ на котле ПТВМ-30. Горелки разжигаются при давлении 1-3 мм в.ст. на всех 6-ти горелках котел работает от 2 до 40 Гкал/час без отключения части ГУ. Котел может разжигаться без вентилятора и дымососа за счет самотяги трубы и при этом набирать мощность до 12-15 Гкал.

Фото 2. Установка ГУ СНТ на котле ПТВМ-50

На фото 2. представлен котел ПТВМ-50. ГУ СНТ установлены в штатные амбразуры. Розжиг горелок происходит при давлении газа равном нескольким мм в.ст. Выход на режим осуществляется при работе всех 12-ти горелочных устройств. Необходимо отметить, что отключение ГУ при уменьшении мощности котла крайне нежелательно, т.к. при этом нарушается температурная равномерность в топочном пространстве и увеличивается общий на котел коэффициент избытка воздуха.

Фото 3. ГУ СНТ на котле ТП-170

На фото 3. модернизация котла ТП-170. Мощность ГУ СНТ – 30Мвт, разжигаются с 4 мм в.ст.

Универсальность струйно-нишевой технологии проявляется при решении целого ряда технических и технологических проблем в энергетике. Одной из таких задач является сушка футеровки после ремонта амбразур, боровов и т.д. При этом требуется выдерживать необходимый температурный уровень и равномерность температурного поля газов, омывающих осушаемую поверхность иначе влага вскипает внутри футеровки и нарушает ее целостность. На практике для сушки в котлы загружаются дрова в виде метровых плах. Такой регламентированный способ неудобен, объект высыхает длительное время (несколько недель) и качество сушки оставляет желать лучшего. В г. Севастополе впервые сушка котлов ПТВМ-30 осуществлена при помощи ГУ СНТ. Все 6 горелок разожглись при давлении газа 2-3 мм в.ст., что обеспечило средний температурный уровень в топке (около 100°С) и 3 котла были высушены за 3 дня.

Хочется отдельно отметить огромный вклад, который вносят в развитие и продвижение СНТ ведущие ученые Института технической теплофизики НАН Украины, в особенности академик НАН У Долинский А.А. и член-корреспондент НАН У Фиалко Н.М.

В настоящее время для эффективной модернизации ОО нужны компании, объединяющие весь комплекс работ от научных исследований до сдачи под ключ объекта с последующим сервисным обслуживанием, примером является НПК «СНТ», которое располагает специалистами в области организации топочных процессов, обеспечивает весь цикл модернизации огнетехнического объекта (рис. 2.).