Внедрение слоевых и вихревых технологий сжигания угля для котлов малой и средней мощности

Внедрение слоевых и вихревых технологий сжигания угля для котлов малой и средней мощности

На угольных котельных промышленной и коммунальной энергетики России широко применяется слоевой способ сжигания. Парк установленных слоевых котлов характеризуется моральным и физическим старением, технико-экономические и экологические показатели котлов не соответствуют современным требованиям по экономичности и экологической безопасности. Разработка нового котельно-топочного оборудования для переоснащения котельных представляет важную научно-техническую задачу. Новые технологии сжигания востребованы рынком, а производители оборудования заинтересованы в создании унифицированной линейки современных паровых и водогрейных котлов для сжигания каменных и бурых углей, в том числе и низкого качества. Современные подходы к сжиганию топлива в котлах малой мощности основаны на использовании многократной циркуляции частиц в топке и организации активной аэродинамики топочной камеры. К таким технологиям относится сжигание топлива в кипящем слое (КС), факельные топки с низкотемпературным вихрем (НТВ).

Освоение новых технологий сжигания, ориентированных на промышленную и коммунальную энергетику, производилось на котле ТП-20М с низкотемпературным вихрем и котлах КЕ-25-14, переведенных на сжигание угля в высокотемпературном кипящем слое.

Исследования вихревого сжигания, проведенные для широкой гаммы углей, при варьировании гранулометрического состава топлива от грубомолотой пыли до дробленки с размерами частиц 30-40 мм, показали, что НТВ- технология сжигания позволяет сжигать Ирша-Бородинский уголь в дробленом виде, а Березовский, Павловский, Реттиховский и Райчихинский - с существенным, по сравнению с пылеугольным способом, угрублением помола. Технические решения по организации вихревой аэродинамики факела позволили обеспечить высокую полноту выгорания молотого и дробленого топлива [1]. Однако, необходимость пусть грубого, но размола угля в мельницах, не позволяет рекомендовать НТВ- сжигание для большинства промышленных и коммунальных котельных.

Широкое распространение в последние годы получает технология ВТКС-сжигания дробленого угля. Котел КЕ-25-14 ст. № 1 котельной г. Большой Камень модернизирован на ВТКС- сжигание угля в 1997 г. (рис. 1) по техническим предложениям А.П. Демешкина. Реконструкция заключалась в установке в нижней части топки дополнительных экранов (сетевого контура), включенных в систему циркуляции сетевой воды, замене чешуйчатой колосниковой решетки ТЧЗМ 2,7/5,6 на ленточную ТЛЗ 0,75/5,8, замене пневмомеханического забрасывателя с пластинчатым питателем на пневматический со скребковым питателем. Для обеспечения надежного охлаждения решетки демонтирован штатный воздухоподогреватель.

.

Испытания котла показали принципиальную возможность работы котла с топкой ВТКС на дальневосточных углях. Реконструкция привела к повышению устойчивости процесса горения низкокачественных бурых углей, сокращению аварийных остановов котла по причине отказа ПМЗ и решетки. Снизилась напряженность в обслуживании котла.

Вместе с тем, отмечены недоработки конструкции, приводящие к абразивному и коррозионному износу экранов и коллекторов сетевого контура, защемлению колосниковой решетки, забиванию зон дутья просыпью. Экономические показатели котла оказались низкими, КПД в эксплуатационном диапазоне нагрузок составлял всего 75-80%. При нагрузках свыше 15 МВт (теплонапряжение топочного объема qv=219 кВт/м3) отмечалось шлакование нижней части топочной камеры и колосниковой решетки.

В период с 1999 по 2002 гг. была отработана конструкция колосниковой ленточной решетки, узла подачи топлива, сетевого водогрейного контура. Обеспечена устойчивая, бесшлаковочная работа котла на низкокачественных местных бурых углях, повышена теплопроизводительность котла до 1,6 Qhom. За счет установки дополнительной конвективной поверхности (автономного пароперегревателя) и дополнительного ввода вторичного воздуха удалось повысить КПД котла до 83-80% [2].

С целью выяснения причин низкой эффективности сжигания углей и разработки мероприятий по повышению экономичности котельного агрегата, проведены комплексные исследования топочного процесса с измерением температуры газов по высоте и ширине топочной камеры, анализом газового состава факела, отборами твердой фазы факела в нижней и верхней части топочной камеры, а также проб золы за топкой, в системе возврата уноса и в уходящих газах. Изучалась натурная аэродинамика топки при «холодных» продувках [3, 4].

Некоторые результаты исследования приведены на рис. 2. На рис. 2а показано поле скоростей газов, полученное при холодных продувках топки, на рис. 2б - характерное температурное поле топки, на рис. 2в - поле распределения кислорода.

.

Как видно из рис. 2а, при подаче воздуха под колосниковую решетку и на пневматический забрасыватель наблюдается практически прямоточная аэродинамика топки. В нижней части топки вблизи фронтового экрана располагается застойная зона, а в верхней части топки, над забрасывателем топлива - зона вялой циркуляции газов. При рассмотренной аэродинамике топочной камеры, как видно из рис. 2б, факел смещен к заднему экрану, с расположением области интенсивного горения на уровне 0,2-0,3 относительной высоты топки (h/Нт), над первой и второй зонами дутья, куда подается основная часть топлива и воздуха. В этой области максимальная температура газов достигает 1473 К. По мере приближения к фронту котла температура газов снижается до 600 К.

Интенсивное потребление кислорода осуществляется непосредственно над 1-й и 2-й зонами дутья, где концентрация О2 резко уменьшается и составляет всего 0,5-0,2%, при этом догорание топлива на основном участке факела происходит при недостатке кислорода, в условиях понижающейся температуры газов. В то же время концентрация О2 над 3-й и 4-й зонами дутья очень высока (10-15%) и сохраняется неизменной вплоть до выходного окна топочной камеры (рис. 2в).

Таким образом, несовершенство аэродинамики топки обуславливает неравномерное распределение топлива и воздуха по глубине топочной камеры, приводит к неблагоприятным условиям горения частиц, и, как следствие, к повышенному механическому и химическому недожогу, вызывает необходимость неоправданного увеличения избытка воздуха, что ведет к росту потери тепла с уходящими газами.

С целью улучшения технико-экономических показателей котла предложена схема топочного процесса, сочетающая кипящий слой в нижней части топочной камеры, вихревой факел с горизонтальной осью вращения в надслоевом пространстве топки и дожигание крупных частиц топлива в слоевом режиме на узкой, подвижной наклонной воздухораспределительной решетке [5].

Предложенная аэродинамическая схема реализована при модернизации котлов КЕ-25-14-225 и КЕ-25-14 (г Большой Камень, г Корсаков). Создание требуемой аэродинамики топки достигается вводом вторичного воздуха через сопла, расположенные на задней стене топочной камеры, и размещением сопел вторичного дутья над забрасывателем топлива. Для удлинения траектории факела в верхней части топки и организации дожигания газообразных продуктов неполного сгорания установлены сопла подачи третичного воздуха.

На рис. 3 приведены некоторые результаты экспериментальных исследований топочного процесса при сжигании Павловского бурого угля в котле КЕ-25-14-225 с аэродинамической схемой, сочетающей кипящий слой с вихревым факелом (КС-НТВ).

Холодные продувки показали изменение аэродинамики топки. Вследствие взаимодействия струй в топке образовано две зоны циркуляции газов - в нижней части топки, над вводом заднего дутья и в верхней, над забрасывателем топлива (рис. 3а). Изменение аэродинамики топочной камеры обусловило перераспределение кислорода по объему топки. Над 1-й и 2-й зонами дутья (0,2-0,5 h/Нт) сохранилась область газификации с низким содержанием кислорода. В то же время, снизилось содержание О2 над 3-5-й зонами дутья, произошло выравнивание поля концентрации кислорода верхней части топки (рис. 3в). Судя по полю падающих тепловых потоков, измеренному в верхней половине топочной камеры (рис. 36), область максимального тепловыделения расположена вдоль заднего экрана, при этом отмечается появление двух локальных максимумов тепловыделения: напротив установки фронтовых сопел и сопел подачи третичного дутья.

Изменение характера топочного процесса привело к снижению потерь тепла с химическим и механическим недожогом при одновременном уменьшении избытка воздуха на выходе из топки. На рис. 4-7 приведены технико-экономические показатели котлов КЕ-25 с КС-НТВ сжиганием. При сжигании низкокалорийного Павловского угля КПД котла в диапазоне нагрузок (0,7-1,1) Qном составляет 86%, при сжигании более калорийного Никольского угля КПД - 88-89% (рис. 4). Приемлемые значения потери тепла с механическим недожогом (2-5%) при сжигании Павловского угля обеспечиваются при теплонапряжении топочного объема до 350 кВт/м3, при сжигании Никольского угля - до 420 кВт/м3 (рис. 5). Концентрация оксидов азота (СN) при сжигании Павловского угля составляет 100-150 мг/м3, при сжигании Никольского угля СN возрастает, но находится в допустимых пределах (рис. 6).

Технология КС-НТВ характеризуется достаточно низким потреблением электроэнергии на собственные нужды (тягу, дутье, привод решетки и питателя) - 4-6 кВт.ч/Гкал (рис. 7).

Длительный опыт эксплуатации котлов с КС-НТВ схемой сжигания показывает, что в диапазоне тепловых напряжений топочного объема 250-500 кВт/м3 шлакование в топке отсутствует даже при сжигании шлакующих углей канско-ачинского бассейна (бородинского, назаровского, переясловского).

Положительный опыт эксплуатации модернизированных котельных агрегатов с технологией КС-НТВ сжигания, отработанные конструктивные решения отдельных узлов позволили перейти к серийному изготовлению оборудования. Разработана линейка водогрейных (мощность 4,65-29 МВт) и паровых (производительность 10-32 т/ч, давление пара до 3,9 МПа, температура перегрева пара до 440 ОС) котлов. В настоящее время в эксплуатации находится более 30 котлов с КС-НТВ сжиганием. В котлах сжигаются разносортные бурые и каменные угли Казахстана, Дальнего Востока и Красноярского края влажностью 18-42%, зольностью 5-32% и теплотворной способностью 7,08-23,97 МДж/кг (1690-5720 ккал/кг).

Выводы

1. На основании проведенных исследований топочного процесса разработана новая технология сжигания угля, сочетающая кипящий слой в нижней части топочной камеры, вихревой факел с горизонтальной осью вращения в надслоевом пространстве топки и дожигание крупных частиц топлива в слоевом режиме на узкой, подвижной наклонной воздухораспределительной решетке (КС-НТВ).

2. Разработана линейка паровых и водогрейных котлов с КС-НТВ сжиганием.

3. Технология реализована на 30 котлах мощностью 4,65-29 МВт и опробована для углей Казахстана, Дальнего Востока и Красноярского края. Котлоагрегаты работают с КПД 84-89%, потеря тепла с механическим недожогом составляет 2-5%, содержание оксидов азота в уходящих газах - 250-320 мг/м3 (приведено к α=1,4). Удельный расход электроэнергии на собственные нужды составляет 4-6 кВт.ч/Гкал.

Литература

1.Опыт освоения НТВ-сжигания бурых углей в топке котла малой мощности. Распутин О.В., Обухов И.В., Сухинин В.И., Маняхин Ю.И. Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 80 лет Уральской теплоэнергетике. Образование. Наука: Сб. тр. Международной научно-технической конференции. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. С. 73-78.

2.Освоение и исследование работы котла КЕ-25-14 с топкой высокотемпературного кипящего слоя. Обухов И.В., Залевский Н.В., Маняхин Ю.И., Целяк Д.Е., Тенихов- ский В.В. Вестник ГОУ УГТУ-УПИ. Актуальные проблемы современной энергетики: Труды всероссийской научно-технической конференции. Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2002. С. 184-190.

3.Комплексное исследование топочного процесса котла с топкой высокотемпературного кипящего слоя. Обухов И.В., Залевский Н.В., Маняхин Ю.И., Целяк Д.Е. Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 80 лет Уральской теплоэнергетике. Образование. Наука: Сб. тр. Международной научно-технической конференции. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. С. 46-52.

4.Исследование аэродинамики ВТКС-топки. Залевский Н.В., Шаталов А.В., Обухов И.В. XXXI неделя науки в СПбГПУ. 4.II: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. С.107-108.

5.Совершенствование процесса сжигания топлива в топке котла высокотемпературного кипящего слоя. Обухов И.В., Залевский Н.В., Маняхин Ю.И., Целяк Д.Е. Вестник УГТУ-УПИ: Теплоэнергетика. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. С. 90-95.

Эта статья была опубликована в журнале «Новости теплоснабжения»
№02 (162) 2014 г., http://www.ntsn.ru/02_2014.html

Журнал «Новости теплоснабжения»

Новости Теплоснабжения - журнал для специалистов в сфере теплоснабжения. Актуально. Профессионально. Доступно.

Подробнее о журнале на сайте http://www.ntsn.ru/

831