Введение

Для теплоснабжения комплекса поверхности и обогрева стволов на шахтах Украины используются собственные котельные, значительное количество которых работает на твердом топливе. Это обусловлено достаточными запасами энергетических углей, однако доля углей ухудшенного качества, с зольностью до 50%, в общем балансе твердого топлива в стране приближается к 39% и, в дальнейшем, будет возрастать из–за разработки тонких пластов . При сжигании высокозольных углей коэффициенты полезного действия угольных котлов снижаются, теплопроизводительность их не достигает расчетной, в результате снижается надежность теплоснабжения потребителей.

Одной из эффективных технологий сжигания низкосортных и высокозольных (до 80%) углей является использование низкотемпературного кипящего слоя (НТКС). Данный метод сжигания топлива отличается высоким уровнем смешения топлива и окислителя, повышенным по сравнению со слоевыми топками временем пребывания топлива в зоне горения, интенсивным теплоотводом к поверхностям нагрева, отсутствием движущихся частей в топочном объёме, возможностью сжигания в одном агрегате топлив различного состава и качества, пониженным до 1–5% содержанием топлива в слое. Технология НТКС облегчает воспламенение топлива, препятствует спеканию топливных частиц и шлакованию конвективных поверхностей нагрева .

1. Актуальность темы

В связи с увеличением доли углей ухудшенного качества, с зольностью до 50%, связанных с увеличением количества тонких пластов в стране, актуально применение котельных установок с низкотемпературным кипящим слоем, способных использовать данный вид топлива.

В настоящее время управление котлоагрегатом с низкотемпературным кипящим слоем осуществляется оператором вручную и не всегда проходит успешно и, как следствие, сопровождается вынужденным непроизводительным простоем оборудования, а в худшем случае полной остановкой технологического процесса.

Данные котельные установки применяются на территории Украины продолжительное время. За весь период усовершенствование систем автоматизации объектов не производилось. В условиях реструктуризации и перехода к рыночным механизмам в энергетике Украины требования к котельным установкам повышается. К сожалению устаревшая аппаратура не способна выводить котлоагрегат на требуемые характеристики. Необходима модернизация аппаратуры автоматизации котельной установки.

2. Харатерисики объекта автоматизации

Сжигание в кипящем слое – одна из технологий сжигания твёрдых топлив в энергетических котлах, при которой в топке создаётся кипящий слой из частиц топлива и негорючих материалов. Технология была привнесена в энергетику из химической промышленности примерно в 1970–е гг. .

Рисунок 1 – Способы сжигания твердого топлива
(анимация: 4 кадров, 20 циклов повторения, 26 килобайт)

2.1 Технологии сжигания топлив

В восходящем потоке газа загрузка из твёрдых частиц может находиться в трёх состояниях:

• в покоящемся, когда скорость газа мала и он не может поднять частицы – характерен для слоевых топок;
• в режиме пневмотранспорта, когда частицы переносятся с быстрым потоком газа – в камерных топках;
• в псевдоожиженном состоянии при промежуточной скорости газа, когда он при прохождении через слой «раздвигает» частицы и увеличивает его толщину, понижая плотность, но не способен унести частицу за пределы слоя. Этот последний режим и создаётся в топках кипящего слоя.

Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным (800–900 °C), в настоящее время по ряду причин почти всегда используется второй. В частности, в нём весьма эффективно подавляется выделение оксидов азота и можно применить погружную поверхность, к которой исключительно высок коэффициент теплоотдачи (нагретые частицы топлива соприкасаются с ней непосредственно, и часть тепла передаётся не конвекцией, а теплопроводностью). Для регулировки температуры слоя во избежание шлакования можно вводить воду и пар, но в принципе из–за высокой абразивности этого слоя топки с его применением к шлакованию не склонны.

В кипящий слой вводят значительное количество инертных наполнителей – шлак, песок, доломит, известняк; они повышают теплоотдачу. Доломит и известняк, помимо этого, связывают в карбонаты до 90 % оксидов серы. Топливом могут служить уголь (в том числе в виде остатков в золе от низкоэффективных котлов), горючий сланец, торф, древесные и иные отходы.

Топки кипящего слоя не чувствительны к качеству топлива в смысле его химического состава, но чувствительны к однородности фракционного состава частиц топлива и инертной засыпки. Горение в данных топках более интенсивное, чем в обычных слоевых, их габариты меньше; однако для них требуется создать воздухораспределительная решётка и вентилятор большей мощности. В числе других недостатков этого типа топок:

• вынос до 20–30 % всего углерода топлива (поэтому эти топки рекомендуют применять при возможности дожигания уноса размером 0–1 мм в рабочем пространстве котла);
• зашлаковывание межсоплового пространства и самих сопл воздухораспределительных колосниковых решеток при недостаточном динамическом напоре воздуха;
• очень большой абразивный износ теплопередающих поверхностей, особенно высокий у погружных.

Эффект интенсивного горения, аналогичный наблюдаемому при сжигании в кипящем слое, можно получить постоянным встряхиванием колосника с кусками топлива любого размера; но из–за снижения прочности металла колосника при высокой температуре этот способ сложно практически реализовать.

Топки кипящего слоя под давлением до 16 кгс/см² с глубокой очисткой газа от золы могут использоваться для организации работы газовых турбин на твёрдом топливе (в составе высоконапорного парогенератора ПГУ)

2.2 Описание технологии НТКС

В последние годы проявляется повышенный интерес к котлам, оборудованным топками с псевдосжиженным или кипящим слоем (рисунок 2). Эти топки занимают промежуточное положение между топками слоевого сжигания и факельными. Со слоевыми топками их объединяет прежде всего возможность сжигания дробленки с размером кусков до 10–20 мм и наличие решетки, через которую в слой подается воздух. При повышении скорости воздуха, продуваемого через слой, наступает момент, когда аэродинамическая сила, действующая на каждую частицу топлива, преодолевает силы взаимного трения частиц. Дальнейшее увеличение расхода воздуха приводит к псевдосжижению частиц топлива, слой как бы кипит (отсюда название кипящий слой), высота и пористость его увеличивается.

Минимальную скорость, при которой начинается псевдосжижение, называют первой критической скоростью Wкр1; при второй критической скорости Wкр2 аэродинамическая сила становится равной силе тяжести частиц топлива, и начинается их интенсивный вынос из слоя. Оба эти параметра имеют строго определенные значения только для монодисперсного материала с постоянной плотностью, а слой, как известно, состоит из полифракционного инертного материала и частиц топлива разной плотности.

Реальные топочные устройства с кипящим слоем работает со скоростями от Wкр1 до Wкр2. Различают топки с обычным, или стационарным кипящим слоем (когда скорость в нем близка к Wкр1) и топки с циркулирующим кипящим слоем (когда скорость близка к Wкр2). В последнем случае из слоя выносится значительная часть недогоревшего топлива, которое улавливается затем в горячих циклонах и возвращается для обжигания .

Важно отметить, что в топках с кипящим слоем количество горючего материала составляет обычно небольшую долю от массы слоя, основу его составляет инертный материал или зола топлива (при сжигании высокозольных углей). Интенсивное перемешивание твердых частиц под воздействием сжижающего воздуха, проходящего через слой зернистого материала, обеспечивает повышенный тепло- и массообмен в слое. Погружение в кипящий слой поверхностей нагрева позволяет поддерживать температуру на таком уровне, при котором не происходит зашлаковки слоя.

Рисунок 2 - Схема котла со стационарным кипящем слоем при атмосферном давлении:
1 – парогенерирующие панели; 2 – мембранный экран; 3 – циклон; 4 – фильтр; 5 – дымовая труба; 7 – уголь; 8 – известняк; 9 – твердые частицы из циклона; 10 – транспортирующий воздух; 11 – воздух для горения; 12 – удаление шлака; 13 – кипящий слой.

К основным достоинствам метода сжигания твердого топлива в кипящем слое относятся следующие:

• обеспечивается высокий коэффициент теплопередачи;
• длительное пребывание частиц в слое позволяет сжигать уголь с повышенной зольностью и отходы производства;
• появляется возможность создать более компактное топочное устройство без системы пылеприготовления, при этом снижаются удельные капитальные затраты на сооружение котельной, а также ремонтные расходы;
• добавка известняка в слой связывает серу топлива с зольным остатком, что уменьшает выбросы сернистого ангидрида с дымовыми газами в атмосферу;
• низкие температуры в слое (800–950°С) обеспечивают отсутствие термических оксидов азота, что в некоторых случаях сокращает выбросы оксидов азота в атмосферу.

Большой опыт использования в энергетике топочных устройств с кипящим слоем накоплен в ФРГ, США, Финляндии и некоторых других странах. В последние годы большое внимание уделяется топкам с циркулирующим кипящим слоем. Эти котлы отличаются прежде всего наличием циклонов, в которых улавливается вынесенные из слоя крупные частицы (рисунок 3). Тепловое напряжение сечения в таких топках достигает 4–8 МВт/кв.м, а скорость газов в слое – 3–8 м/с. Аналогичные параметры у топок со стационарным кипящим слоем равны соответственно 2 МВт/кв.м. и 1–2,5 м/с. Топки с циркулирующим кипящим слоем отличаются более высокой степенью выгорания топлива (примерно 99% против 90–95% у котлов со стационарным кипящим слоем), они могут работать с меньшим коэффициентом избытка воздуха (1,1–1,15 вместо 1,2–1,25).

Система подачи топлива у котлов с циркулирующим кипящим слоем проще, они менее требовательны к качеству топлива и лучше приспособлены к его ступенчатому сжиганию, необходимому для снижения выбросов оксидов азота. Такие топки позволяют связывать более 90% серы при мольном отношении Са/S=2, в то время как в топки со стационарным кипящим слоем для связывания 80–90% серы требуется подавать больше известняка (Са/S=3).

Самый крупный в Европе котел с циркулирующим кипящим слоем сооружен фирмой Zurgi в Дуйсбурге (ФРГ). К середине 1987 г. он отработал около 10 тыс.ч. Паропроизводительность котла составляет 270 т/ч, давление свежего пара – 14,5 МПа, температура перегрева – 535°С.

Рисунок 3 - Схема котла с циркулирующим кипящим слоем при атмосферном давлении:
1 – уголь и известь; 2 – вторичный воздух; 3 – реактор с кипящим слоем; 4 – испарительная часть; 5 – циклон; 6, 11 – паровые котлы; 7 – электрофильтр; 8 – воздухоподогреватель; 9 – дымовая труба; 10 – зола; 12 – охладитель материала; 13 – воздух; 14 – первичный воздух.

В последнее время значительно расширились исследования топок с кипящим слоем под давлением (рисунок 4). Основное достоинство таких топок состоит в возможности осуществления комбинированного цикла, когда генерируемый в котле пар используется в паровой турбине, а продукты сгорания повышенного давления – в газовой турбине. При этом повышается термодинамический КПД цикла, еще в большей степени сжижаются габаритные размеры топочных устройств (почти на 60% по сравнению с котлами обычного типа) и уменьшаются вредные выбросы в атмосферу.

Широкое внедрение котлов с топками кипящего слоя под давлением сдерживается тем, что имеется еще ряд нерешенных проблем. Например, продукты сгорания, которые используются в газовой турбине, требуют тщательной очистки. Тканевые фильтры в этом случае нельзя использовать из–за высокой температуры газов, а механические золоуловители не обеспечивают необходимой степени очистки газов. Вторая нерешенная проблема – обеспечение плотности установки, работающей под давлением до 1,4 МПа.

Рисунок 4 – Принципиальная схема установки с кипящим слоем под давление:
1 – газотурбинная установка; 2 – уходящие газы; 3 – циклон; 4 – зола; 5 – камера с кипящем слоем под давлением; 6 – паротурбинная установка; 7 – уголь и известь; 8 – воздух.

Энергетическая компания American Electric Power еще в 1976 г. заявила о сооружении демонстрационного энергоблока мощностью 170 МВт с топкой кипящего слоя под давлением. Предварительно были проведены испытания на плотной установке в Лизенхэд (Великобритания). Они подтвердили, что выбросы сернистого ангидрида и оксидов азота существенно уменьшаются, работоспособность лопаточного аппарата ГТУ а продуктах сгорания повышается.

2.3 Автоматизация котельных агрегатов

Контроль за протеканием теплотехнического процесса на ряду с реализацией задач аварийных блокировок, обеспечивает ведение технического режима в строгом соответствии с нормами технологического регламента. Решение этих задач полностью исключает остановку котлов из–за неконтролируемых нарушений границ технологического регламента, а также резко повышает безопасность работы всех технологической системы .

Рисунок 5 – Структурная схема регулирования параметров котла, оборудованного топкой низкотемпературного кипящего слоя:
1 – дутьевой вентилятор; 2 – исполнительный механизм МЭО; 3 – забрасыватель топлива; 4 – котел; 5 – прямоточный циклон; 6 – экономайзер; 7 – циклоны первой и второй ступени очистки дымовых газов;
8 – дымосос; 9 – подпиточный трубопровод; 10, 11, 12, 13, 14 – регуляторы соответственно разряжение, уровня, выпуска шлака, расхода воздуха и топлива.

Структурной схемой автоматизации котлоагрегатов (рисунок 5) предусматривается выполнение следующих мероприятий :

1. Контроль следящих параметров:

• температура отходящих дымовых газов;
• давление дутьевого воздуха;
• разрежение в топке котлоагрегата;
• температура воздуха при розжиге;
• температура в слое;
• температура горячей воды или давление пара в барабане котла;
• расход горячей воды или пара;
• ток двигателя дутьевого вентилятора;
• ток двигателя дымососа;
• давление до и после жидкого топлива;
• температура газов перед экономайзером и дымососом;
• давление воды перед погружными поверхностями нагрева;
• давление горячей воды после котлоагрегата;
• разряжение перед экономайзером, циклоном, дымососом;
• содержание кислорода в дымовых газах;
• уровень кипящего слоя;
• уровень воды в барабане котла (для паровых котлов).

2. Сигнализация и защита:

• давление дутьевого воздуха низко;
• разряжение в топке низко;
• температура в слое высока или низка;
• отсутствие протока воды через котел;
• давление пара высоко;
• температура воды высока;
• аварийный уровень в барабане котла;
• температура при розжиге высока;
• отсутствие пламени при розжиге котлоагрегата.

3. Дистанционное управление механизмами котлоагрегата:

• дымосос – дистанционно;
• дутьевым вентилятором – дистанционное сблокированное с дымососом и схемой защиты котлоагрегата;
• вентилятор возврата уноса №1 и №2 – дистанционное сблокированное с дутьевым вентилятором;
• забрасывателем угля – дистанционное сблокированное с дутьевым вентилятором и схемой защиты котлоагрегата;
• насосом подачи жидкого топлива – дистанционное и местное с контролем пламени в зависимости от числа розжиговых форсунок;
• разгрузчиком золы;
• вибратором;
• конвейером золоудаления;
• разгрузчиком уловленных частиц из первой ступени газоочистки.

4. Автоматическое регулирование

Выводы

Повышение цен на энергоносители, дефицит собственных топливных ресурсов, снижение качества угля, рост требований к уменьшению загрязнения окружающей среды требуют внедрения в производство более совершенного метода сжигания угля.

Именно наличие топливно–энергетических ресурсов определяют темпы и масштабы развития отдельных районов промышленного и сельскохозяйственного производства. Главными задачами являются обеспечения более комплексной переработки сырья, создание ресурсосберегающей техники и технологий, резкого сокращения потерь и отходов. В последние годы во многих странах структурная перестройка топливного баланса с целью уменьшения зависимости от нефти и газа возродила интерес к угольной тематике.

При написании данного реферата квалификационная работа магистра не завершена. Дата окончательного завершения работы: 15 декабря 2012 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Ж.В. Вискин Сжигания угля в кипящем слое и утилизация его отходов, Донецк 1997, – 283 с.
2. Сургай М. Пріоритети у вугіллі й ціна їхньої недооцінки / М. Сургай // Віче. Журнал Верховної Ради України. Київ, 2008. № 3. – с. 40–45.
3. Приборы регулирующие Р–25. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – М.: Завод тепловой автоматики, 1985. – 48 с.
4. Файерштейн Л.М. и др. Справочник по автоматизации котельных/ М.: Энергоатомиздат, 1985.– 296с.
5. Махорин К. Е. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое / К. Е. Махорин, П. А. Хинкис К.: Наукова думка, 1989. – 204 с.
6. Киричков В. Н. Построение адаптивных моделей динамических объектов по данным эксперимента / В. Н. Киричков, А. Н. Сильвестров. К.: Вища школа. Головное издательство, 1985. – 68 с.
7. Макроклиматические районы земного шара с холодным и умеренным климатом: ГОСТ 25870–83.[Действует с 1984–07–01]. – М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1983.
8. Неежмаков С. В. Исследование математической модели топки кипящего слоя шахтного автономного воздухоподогревателя С. В. Неежмаков // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету.
   – Вип. 8. Т. 10. – Мелітополь: ТДАТУ, 2008. С. 173–180.
9. О результатах разработки аналитических и численных методов оценки макрокинетических характеристик процессов термохимической переработки одиночных топливных частиц в кипящем слое /[Корчевой Ю. П., Майстренко А. Ю., Пацков В. П. и др.]. Киев, 1994. – 77 с. – (Препринт/Ин–т проблем энергосбережения НАНУ, Отделение ВПЭ).

К. т.н. А.М. Сидоров, директор,
к. т.н. А. А. Скрябин, заместитель директора по науке,
А.И.Медведев, технический директор,
Ф.В.Щербаков, главный инженер,
НИЦ ПО «Бийскэнергомаш», г. Барнаул Алтайского края

О целесообразности использования топок с форсированным низкотемпературным кипящим слоем

Перспективным направлением развития промышленной и коммунальной энергетики является внедрение высокоэффективных схем организации топочного процесса в форсированном низкотемпературном кипящем слое (ФКС). Данная технология обеспечивает стабильное горение в объеме слоя и в надслоевом пространстве. Она позволяет осуществлять сжигание практически любых видов топлива и горючих отходов при относительно низкой температуре (800-1000 ОС) без спекания слоя.

Для топок с классическим пузырьковым кипящим слоем характерны невысокие скорости ожижения и, соответственно, не очень высокие тепловые напряжения воздухораспределительной решетки (до 3 МВт/м2). Процессы осуществляются в объеме слоя. Горение над слоем из-за быстрого охлаждения дымовых газов быстро прекращается, поэтому все дутье должно подаваться под слой. Зона над слоем и топочные экраны используются с низкой эффективностью, избыточное тепло от слоя должно отводиться погруженными в него поверхностями нагрева. В результате топки с классическим слоем имеют большую площадь и громоздки. К тому же работа погруженных поверхностей сопровождается их интенсивным абразивным износом. Несмотря на низкий уровень температур слоя, даже кратковременное прекращение ожижения или локальное повышение температуры опасно из-за спекания частиц слоя. Это предопределяет узкий диапазон регулирования.

Основным отличием ФКС от других типов кипящего слоя является высокая (3-10 м/с) скорость ожижения - форсировка слоя. При этом низкий механический недожог (менее 1,5-2,5%) обеспечивается благодаря расширению сечения топочного надслоевого объема к верху. Это способствует возврату крупных частиц в слой (рециркуляции) и уменьшению выноса мелких частиц. ФКС не имеет погруженных в слой поверхностей нагрева и связанных с этим проблем. Надежная работа экранных труб в зоне

динамического воздействия слоя обеспечивается применением эффективных средств защиты от абразивного износа.

Форсировка воздухораспределительной решетки дает следующие преимущества:

• ■ обеспечивает малые габариты решетки и реактора кипящего слоя и, следовательно, благоприятные условия для модернизации и реконструкции установленного оборудования, небольшую стоимость и малые расходы на ремонт;
• ■ позволяет сжигать топливо более грубого дробления, по сравнению с классическим кипящим слоем; фактически для бурых углей максимальный размер куска может достигать 30-50 мм;
• ■ обеспечивает более надежную работу слоя по условиям залегания, а, следовательно, расширяет диапазон регулирования нагрузки.

Технология ФКС подразумевает работу слоя в режиме газификации топлива при фактических значениях избытка воздуха α<1,0. Величина избытка определяется калорийностью и видом топлива и может составлять 0,3-0,7 (для бурых углей больше). Это позволяет еще более уменьшить габариты реактора и снизить затраты на подачу воздуха под решетку. Высвободившийся воздух увеличивает долю вторичного дутья, необходимого для дожигания уноса и продуктов газификации, - до 70%, что позволяет организовать активное вихревое движение топочных газов, способствующее повышению эффективности сгорания топлива. Теплонапряжение воздухораспределительной решетки в расчете на поданное топливо может достигать 10-15 МВт/м2.

Технология ФКС по форсировке воздухораспределительной решетки близка к циркулирующему кипящему слою (ЦКС) и обладает следующими преимуществами:

■ возможностью встраивания котлов ФКС в типовые котельные ячейки;

■ отсутствием шлакования поверхностей нагрева;

■ хорошими показателями топок ФКС, по сравнению с механизированными слоевыми топками, по стоимости, сроку службы, надежности и ремонтопригодности;

■ отсутствием мельничного оборудования;

■ возможностью сжигания широкого спектра видов топлива и горючих отходов;

■ широкими возможностями по регулированию параметров работы котлов ФКС и высокой стабильности несения нагрузки, что позволяет использовать их совместно с паровыми турбинами;

■ высокими экологическими показателями по выбросам оксидов серы и азота.

При этом, по сравнению с ЦКС, внедрение технологии форсированного кипящего слоя требует значительно меньших капитальных затрат.

Особенно привлекательны варианты внедрения ФКС, связанные с реконструкцией котельных. Они позволяют сохранить и использовать большую часть установленного оборудования, значительно сократить капитальные затраты и, следовательно, являются доступными для большинства предприятий промышленной энергетики и коммунального хозяйства. При этом вложенные средства быстро окупаются, повышается рентабельность.

Обычно основанием для внедрения технологии ФКС является:

■ новое строительство с обеспечением возможности работы на низкосортном угле;

■ необходимость обеспечения надежного тепло- и энергоснабжения (например, путем замены топлива, расширения гаммы применяемых углей, использования местных низкосортных видов топлива или горючих отходов);

■ необходимость снижения затрат на топливо путем его замены на более дешевое, или путем повышения эффективности его сжигания;

■ необходимость замены устаревшего изношенного оборудования;

■ необходимость утилизации горючих отходов, таких как отходы углеобогащения, лесо- и деревопереработки, шлак слоевых котлов и т.п.

Опыт эксплуатации котлов с ФКС

На сегодня нами совместно с рядом предприятий осуществлено внедрение топок с ФКС более чем на 50 объектах. В качестве примеров приведем, на наш взгляд, наиболее интересные из них.

Пример 1. Реконструкция Читинской ТЭЦ-2 с переводом слоевых котлов на сжигание Харанорского угля в кипящем слое. В период 1999-2003 гг. по технологии ФКС была осуществлена полная реконструкция Читинской ТЭЦ-2 с переводом слоевых котлов ТС-35 на сжигание Хара-норского бурого угля (Qрн=2720 ккал/кг; Ар=13,2%; Wр=40%) в кипящем слое.

Необходимость реконструкции была вызвана низким КПД слоевых котлов и значительными ремонтными затратами. Кроме того, ставилась задача повышения производительности котла до 42 т/ч.

Реконструкция затронула следующие узлы котла:

■ изменен профиль нижней части топки. Цепная решетка демонтирована, фронтовой и задний экраны продлены вниз. Боковые стены закрыты тяжелой обмуровкой на высоте от воздухораспределительной решетки до оси охлаждающих панелей, экраны боковых стен остались без изменения;

■ на воздухораспределительной решетке установлены съемные воздухораспределительные колпачки, обеспечивающие равномерное ожижение слоя, и две трубы слива слоя, охлаждаются водой, для удаления шлака;

■ для растопки котла в отдельном воздушном коробе под решеткой установлено растопочное устройство. Горячие газы, образующиеся при сжигании дизельного топлива, нагревают слой снизу и обеспечивают зажигание подаваемого в топку угля. После устойчивого зажигания угля в слое растопочное устройство отключается;

■ на фронтовой и задней стене топки установлены сопла острого дутья. Воздух, предварительно подогретый в воздухоподогревателе, подается к соплам штатным вентилятором ВД-13,5×1000;

■ для обеспечения ожижения слоя дополнительно установлены два высоконапорных вентилятора ВДН-8,5-I×3000;

■ второй по ходу газов пакет пароперегревателя, расположенный в поворотном газоходе, увеличен;

■ демонтирован второй по ходу газов куб воздухоподогревателя;

■ экономайзер котла увеличен на 3,5 петли;

■ лопатки штатного дымососа Д-15,5 наращены, а двигатель заменен на более мощный, что связано с повышением производительности котла с 35 до 42 т/ч.

Реконструированная топка с ФКС принципиально отличается от традиционных топок кипящего слоя, а именно:

■ высокая скорость ожижения (до 9-10 м/с), какутопокс ЦКС. За счет интенсивного перемешивания неравномерности температуры и концентрации топлива по площади слоя отсутствуют. Материал слоя частично выносится в объем топки и, интенсивно охлаждаясь, стекает по заднему экрану обратно в слой, охлаждая его. За счет многократной внутритопочной циркуляции материала слоя обеспечивается хорошее выжигание горючих;

■ под решетку подается только 50-60% воздуха, участвующего в горении, остальной воздух подается через сопла вторичного дутья. Недостаток воздуха в слое приводит к частичной газификации топлива и двухстадийному горению;

■ вторичный воздух, подаваемый через сопла, расположенные на фронтовой и задней стенах топки, образует мощный горизонтальный вихрь, что способствует дожиганию газов и выносимой мелочи.

Примененные технические решения позволили значительно улучшить показатели работы котла, в частности:

■ повысить выжиг топлива без применения дорогостоящих сепарационных устройств и возврата уноса, используемых в котлах с ЦКС. Максимальные потери с механическим недожогом не превышают 2,5%;

■ расширить предел регулирования температуры перегретого пара за счет интенсификации теплообмена в топке, обусловленной горизонтальным вихрем;

■ регулировать температуру слоя с помощью изменения расхода воздуха под решетку без применения погруженных поверхностей нагрева. При переходе в режим газификации температура слоя снижается. Зависимость температуры слоя от расхода воздуха под решетку имеет явно выраженный максимум в точке их стехио-метрического соотношения, при увеличении или уменьшении воздуха в слое температура падает. Благодаря этому котел не имеет ограничений по нагрузке из-за высокой температуры слоя;

■ добиться умеренного износа конвективных поверхностей, т.к. 60-70% всего уноса - это проскок относительно крупных частиц (100-1000 мкм), не попавших в горизонтальный вихрь, остальное - очень тонкая зола, которая мало влияет на износ;

■ снизить в 2 раза (относительно слоевых и факельных топок) выбросы оксидов азота. За счет двухстадийного горения и низких температур слоя во всем регулировочном диапазоне нагрузок и при любых избытках воздуха в топке максимальная концентрация NOx не превышает 200 мг/м3;

■ исключить значительные потери с химическим недожогом. Концентрация окиси углерода за счет дожигания в вертикальном вихре не превышает 100 ppm.

Сравнительные характеристики котла станционного № 7 до и после реконструкции приведены в табл.1.

Таблица 1. Характеристики котла ст. № 7 Читинской ТЭЦ-2.

Наименование параметра	Значение
	До реконструкции	После реконструкции
Производительность, т/ч	35	42
Давление пара, МПа	3,8	3,8
Температура пара, °С	440	440
Температура питательной воды, °С	105	105
Потери тепла с механическим недожогом, %	4,5	2,5
КПД котла брутто, %	82	86
Диапазон регулирования нагрузки, %	40-100	52-100
Избыток воздуха за топкой	1,4	1,3
Температура уходящих газов, °С	175	180
Концентрация СО (не более), мг/м3	4000	100
Концентрация NOX (не более), мг/м3	450	200

Результаты наладочных испытаний показали, что максимальная паропроизводительность котла после реконструкции ограничена производительностью дымососа и составляет 44 т/ч. Заполнение топки на нагрузках выше 35-38 т/ч улучшается, содержание окиси углерода в газах снижается.

По данным эксплуатации топочный режим реконструированных котлов характеризуется высокой стабильностью. Отклонения температуры перегретого пара в стационарном режиме кратковременны и не превышают ±5 ОC. Перекосы температур по ширине топки и пульсации не наблюдаются. Рабочая температура слоя составляет 820-980 ОC.

В ходе наладочных испытаний выявлено, что минимальные тепловые нагрузки, обеспечивающие саморазогрев слоя, полностью удовлетворяют заданный график растопки котла. Расход угля для поддержания минимальной температуры слоя примерно 1,5 т/ч, что составляет около 15% расхода топлива на котел при номинальной нагрузке.

Растопка котла начинается на дизельном топливе. После устойчивого загорания угля в слое при температуре 500-550 ОC растопочная форсунка отключается, устанавливается минимальный расход топлива, и прогрев котла продолжается без постороннего вмешательства в режим горения. Расход дизельного топлива для разогрева слоя при растопке из холодного резерва составляет не более 200 л. После простоя котла менее 6 ч расход дизельного топлива уменьшается вдвое. При простое котла менее 3 ч растопка производится без использования жидкого топлива, при этом уголь зажигается от аккумулированного слоем тепла. Вместо дизельного топлива может использоваться топочный мазут.

Таким образом, в результате реконструкции удалось получить более надежный и управляемый котел с КПД брутто не менее чем на 4% выше, чем до реконструкции. Надежность, безопасность и экологические характеристики новой топки не только не уступают слоевым и факельным топкам, но и превосходят их.

Для предотвращения абразивного износа поверхностей нагрева, контактирующих с кипящим слоем, на Читинской ТЭЦ-2 была применена технология наплавки труб износостойким материалом (рис. 1).

Учитывая простоту конструкции и возможность сжигания любого низкосортного топлива, новое топочное устройство может подойти для проектирования и реконструкции пылеугольных и газомазутных котлов малой и средней мощности. Перевод котлов на сжигание углей по данной технологии позволит не только экономить жидкое топливо на растопку, но и исключить расход мазута на подсветку факела. Доля мазута, используемого для этих целей, может сократиться на порядок.

Пример 2. Строительство котельной с тремя котлами с топками ФКС . В 2003 г. предприятием ОАО «Амурагроцентр» было осуществлено строительство котельной с тремя котлами КЕ-10-14-225С для сжигания смеси бурого угля (80%) и овсяной лузги (20%) с топками ФКС.

На рис. 2 представлен монтаж оборудования на предварительно подготовленные фундаменты строительных конструкций котельного корпуса, представляющего из себя легкий металлический каркас со стеновыми панелями типа «сэндвич» предварительного производства. Опыт строительства котельных данного исполнения показывает возможность сокращения полного цикла строительства котельных тепловой мощностью 15-30 Гкал/ч за 5-6 месяцев, без учета вскрышных работ.

Пример 3. Строительство котельной с тремя паровыми котлами для сжигания бурого угля Итатского месторождения. В 2005 г. руководством ОАО «Алтайвагон» (г. Рубцовск Алтайского края) было принято решение о строительстве собственной котельной с тремя паровыми котлами КЕ-25-14-225ПС (рис. 3), продиктованное экономическими соображениями. В результате строительства предприятие получило собственный энергоисточник, оборудованный высокоэффективными котлами, выполненными по технологии ФКС, с КПД 84-87%, сжигающими дешевый бурый уголь Итатского месторождения (характеристики угля на рабочую массу: рн=3100 ккал/кг; Wр=39%; Ар=12%).

Для повышения надежности и долговечности работы экранных поверхностей нагрева в зоне действия кипящего слоя применены два способа защиты труб от абразивного износа (рис. 4). На высоту 1 м от воздухораспределительной решетки на трубах закреплены чугунные накладки (марка ЧХ16, твердость 400-450 HV, рабочая температура до 900 ОC), на высоту 1 м от накладок нанесена защита газовым напылением слоя самофлюсующегося сплава ПР-НХ17СР4-40/100 (толщина наплавленного слоя - от 0,5 до 1,4 мм, твердость - 418 HV). Как показывает опыт эксплуатации, данная защита гарантирует надежную работу экранных труб.

Схема котла КЕ-25-14-225ПС изображена на рис. 5.

Котел оснащен системой автоматического регулирования, обеспечивающей все штатные регулировки, защиты и аварийную сигнализацию для котлов малой и средней мощности. Обеспечивает пуск котла из холодного состояния и «горячего» резерва и работу котла в автоматическом режиме.

Котел КЕ-25-14-225ПС в соответствии с требованиями СНиП и технологией работы топки оснащен системой измерения, обеспечивающей контроль и регистрацию следующих параметров:

■ уровень (высота) слоя (контроль);

■ уровень воды в барабане (расход воды через котел)(контроль и регистрация);

■ давление пара в барабане (давление воды на входе и выходе из котла) (контроль);

■ давление воздуха в воздухораспределительной решетке (контроль);

■ разрежение в топке (контроль);

■ разрежение у дымососа (контроль);

■ температура уходящих газов (контроль);

■ температура слоя (контроль и регистрация);

■ температура растопочных газов (контроль);

■ температура воды на выходе из котла в водогрейном режиме (контроль и регистрация);

■ расход пара (контроль и регистрация).

Щит управления и контроля показан на рис. 6.

Все системы автоматизации объединены в одну схему управления. Рабочее место оператора (машиниста котла) расположено в отдельном помещении. Одновременно он может управлять несколькими котлами и другим технологическим оборудованием.

Таблица 2. Результаты испытаний работы котла КЕ-25-14-225ПС ст. № 3 котельной «Алтайвагон» г. Рубцовск.

Таблица 3. Результаты промышленных испытаний котлов КВ-Ф-11,63-115ПС ст. № 1, 2 и 3 в центральной котельной г. Борзя.

Характеристики	Ст. № 1		Ст. № 2		4,6	10,1	4,9	9,5	4,2	9,8
Расход воды, м3/ч	218	218	210	210	200	200
Концентрация СО, мг/нм3 (а=1,4)	405	360	180	382	477	438
Концентрация NOX, мг/нм3 (ос=1,4)	347	353	235	409	297	207
Содержание горючих в уносе, %	10	14,5	15,8	15,5	11,9	13
Расход воздуха в слой, нм3/ч	7200	13410	6900	13760	8210	12940
Общий расход воздуха на котел, нм3/ч	10000	20600	11000	22400	12000	20600
Температура кипящего слоя, °С	765	810	726	792	742	792
КПД котла брутто, %	89,9	84,4	86,3	84,3	84,6	83,5
Удельный расход условного топлива, кг/Гкал	155,1	155,8	158,9	161,9	160,2	161,3

Примечание: топливо - бурый уголь: 0^=3012 ккал/кг; Ар=13,2%; Wp=35,9%.

Управление и контроль осуществляется с компьютера из отдельного помещения по сети, либо с сенсорного экрана на щите управления. Вид панели контроля и управления котла показан на рис. 7.

Результаты испытаний котла КЕ-25-14-225ПС (табл. 2) показали высокий КПД, низкие выбросы NOx (300-385 мг/нм3) и СО (80-300 мг/нм3). Содержание горючих в уносе с увеличением нагрузки от 30 до 100% изменялось в диапазоне 10-21% с соответствующим изменением мехнедо-жога от 1,59 до 3,87%. КПД котла во всем диапазоне нагрузок изменялся в пределах 84,9-86,3%. Температура пара составляла 204-225 ОC. Температура кипящего слоя равнялась в среднем 890 ОC и обеспечивала надежную бесшлаковоч-ную работу котла. Удельный расход условного топлива составил 188,3 кг/МВт.

Пример 4. Реконструкция котельной путем замены изношенных котлов на два водогрейных котла с топками ФКС . В 2005-2006 гг. в г. Могоча Забайкальского края была осуществлена реконструкция котельной ЖКХ путем замены изношенных котлов на два водогрейных котла КЕВ-10-95ПС (рис. 8) с топками ФКС для сжигания Харанорского бурого угля.

Основные технические характеристики котла:

■ теплопроизводительность 6,98 МВт (6 Гкал/ч);

■ давление воды на входе не более 0,8 МПа (8,0 кгс/см2);

■ давление воды на выходе не менее 0,24 МПа (2,4 кгс/см2);

■ температура воды на выходе не более 95 ОC;

■ КПД котла (брутто) 85,87%;

■ полный расход топлива 2596 кг/ч. Конструктивной особенностью котла является наличие топки ФКС, установленной в нижней части топочной камеры котла, образованной кирпичными стенами, сходящимися к низу. Топка ФКС состоит из воздухораспределительной решетки (площадь - 2,4 м2) с воздушным коробом снизу, растопочной камеры с форсункой, трубы слива слоя и устройства удаления шлака. На решетке в коридорном порядке установлены съемные чугунные колпачки. Под решетку подается воздух от высоконапорного вентилятора ВДН 8,5×3000-I (17000 м3/ч; 75 кВт).

Система подготовки топлива обеспечивает подачу в слой угля с размером частиц до 25-30 мм. Подача осуществляется в слой двумя питателями ПТЛ 600 с демонтированными роторами.

Перед растопкой котла на воздухораспределительную решетку загружается инертный заполнитель. В качестве инертного заполнителя используется песок, мелкий щебень или шлак фракций 1 -6 мм. Высота насыпанного слоя 250-350 мм.

Система растопки котла включает в себя бак солярового масла, топливный насос, фильтры механической и тонкой очистки, арматуру. Растопка котла осуществляется прогревом слоя подаваемыми под решетку горячими газами, образующимися при сгорании жидкого топлива в растопочной камере. Регулирование температуры слоя при растопке осуществляется изменением расхода растопочного топлива.

Для уменьшения потерь с механическим недожогом в котле предусмотрена двухступенчатая система возврата уноса. Первая ступень функционирует за счет расширения топки кверху, что позволяет сепарировать наиболее крупные частицы, вылетающие из слоя. По наклонным стенам нижней части топки частицы скатываются обратно в объем кипящего слоя. В качестве второй ступени выступает конвективный пучок котла. Уловленные в нем горючие частицы по линиям пневмотранспорта возвращаются в надслоевое пространство.

На котле организовано двухступенчатое сжигание. Часть воздуха (около 70%) поступает под воздухораспределительную решетку. Оставшийся воздух через сопла острого дутья подается в топочную камеру. И первичный и вторичный воздух подаются от одного вентилятора ВДН 8,5×3000-I.

За котлом установлен дымосос ДН-12,5× 1500 (75 кВт).

По настоящее время смонтированные котлы находятся в эксплуатации, отзывы персонала положительные.

Пример 5. Реконструкция центральной котельной путем установки трех станционных котлов с топкой ФКС . В 2006 г. в г. Борзя была реконструирована центральная котельная с установкой трех новых водогрейных котлов КВ-Ф-11,63-115ПС, станционный № 1,2 и 3. Схема котла представлена на рис. 9.

Основные расчетные характеристики котла:

■ теплопроизводительность 11,63 МВт (10 Гкал/ч)

■ давление воды на входе не более 1,0 МПа (10,1 кгс/см2);

■ гидравлическое сопротивление котлоагрегата 0,18 МПа (1,8 кгс/см2);

■ температура воды на входе не менее 70 ОC;

■ температура воды на выходе не более 115 ОC;

■ КПД котельной установки (брутто) 84%;

■ расчетный расход топлива (Харанорский бурый уголь) 4112 кг/ч.

Результаты промышленных испытаний новых котлов приведены в табл. 3.

Пример 6. Строительство опытно-промышленной энерготехнологической установки по производству полукокса из Березовского бурого угля с применением реактора ФКС. В 2006 г. в котельной ОАО «Разрез Березовский 1» запущена в эксплуатацию опытно-промышленная энерготехнологическая установка по производству полукокса из Березовского бурого угля (Qрн=16168 кДж/кг, Ар=2,93%, Wр=34,1%) с сохранением тепловой мощности котла.

Установка спроектирована на базе серийного водогрейного котла КВ-ТС-20. Особенностью установки является применение реактора ФКС.

Уголь из бункера подается в кипящий слой по четырем течкам, расположенным с фронта котла. В реакторе при температурах 580-700 ОC осуществляется его пиролиз, сопровождающийся горением летучих и мелочи, выносимой из слоя. Воздух под решетку реактора подводится от высоконапорного вентилятора ВДН-8,5×3000.

Из реактора получаемый полукокс «переливом» поступает в трубчатый охладитель.

Охлажденный там до температуры 100-120 ОC, при помощи системы транспортеров он выводится в бункер-накопитель.

В результате термохимической обработки угля в реакторе кипящего слоя получается полукокс (Qрн=27251-27774 кДж/кг, Ар=7,95-8,25%, Wр=4,2-3,42%).

Весовой выход полукокса составляет около 25% от расхода угля, подаваемого в котел.

Энерготехнологическая установка работает при оптимальных соотношениях первичного и вторичного воздуха и подаваемого топлива, позволяющим при минимальных для данной конструкции потерях теплоты и вредных выбросах получить 20 Гкал/ч тепла и обеспечить устойчивый выход полукокса требуемого качества при хороших экономических показателях. Расчетный срок окупаемости инвестиционных затрат составляет не более 17,5 месяцев.

Работы по созданию мощных отечественных котлов с ЦКС начаты с 1987 г. и выполнены большим коллективом организаций: ВТИ, НПО ЦКТИ, СКБ ВТИ, ПО «Сибэнергомаш», КазНИИэнергетики, УПИ, МЭИ. Сжигание топлива в ЦКС благодаря низкой температуре (850 – 900 o С) обеспечивает снижение выхода оксидов азота, а при добавлении известняка происходит подавление оксидов серы.

Расход известняка составляет 3 – 6 кг на 1 т натурального топлива или на котел паропроизводительностью 500 т/час – 0,2 – 0,4 т/час.

Количество известняка может быть уменьшено для топлив с повышенным содержанием щелочноземельных соединений, например для углей Канско-Ачинского бассейна, минеральная часть которых содержит до 40 % и более соединений кальция и магния.

Воздух подается двумя вентиляторами. Вентилятор первичного дутья подает воздух через решетку в топку и в псевдогидрозатворы. Вентилятор вторичного воздуха подает воздух в топку на трех уровнях.

Котлы с ЦКС выполнены по одной схеме: топочная камера с размещением в ее верхней части поверхностей нагрева пароперегревателя, циклонов и вынесенного конвективного газохода, в котором размещены экономайзер и воздухоподогреватель.

После циклонов зола через золовой затвор возвращается в нижнюю часть топочной камеры. Твердые частицы несгоревшего топлива выносятся из топки и возвращаются через циклоны снова в слой. Горячая зола после циклона направляется во внешние охладители золы.

Первичный золоуловитель представляет собой сепаратор ударного типа, состоящий из расположенных в шахматном порядке U-образных элементов (швеллерковый сепаратор), подвешенных к крыше котла, которые образуют лабиринт на пути газа и твердых частиц (рис. 1.2). Два первых ряда золоуловителя расположены в топке перед входом в горизонтальный газоход. Уловленная в них зола возвращается в топку вдоль задней стенки. Твердые частицы, собранные другими рядами сепаратора (в горизонтальном газоходе), отправляются в бункер и возвращаются в нижнюю часть топки через четыре L-клапана

Рис.1.2. Швеллерковый сепаратор: 1 – газ и твердые частицы; 2 – твердые частицы, возвращаемые в топку; 3 – твердые частицы, возвращаемые в бункер хранения

Последние служат для управления содержанием материала в топке путем регулирования перепуска из бункера в топку. Организация двухступенчатой первичной сепарации с внутритопочным швеллерковым сепаратором уменьшает значение необходимой внешней циркуляции частиц.

Этот вид топок используется для котлов тепловой мощностью от 20 до 500 МВт. В рамках федеральной программы «Экологически чистая энергетика» разработан и реализуется проект сооружения опытно-промышленного котла с ЦКС типа Е-220-9,8-540 АФН ОАО «Белэнергомаш» для сжигания АШ на Несветай ГРЭС. Котел рассчитан на эффективное сжигание низкореакционного АШ с Q нр =4100 – 500 ккал/кг с зольностью 40 % и содержанием серы до 2 %, без подсветки мазутом во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок, при минимальных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу (снижение выбросов серы на 90 %, a NO x – не более 300 мг/м 3).

Принципиальное преимущество котла заключается в возможности его размещения в габаритах существующей котельной ячейки без использования дорогостоящих систем азото - сероочистки.

Рис. 1.3. ГРЭС с котлами с ЦКС на АШ ухудшенного качества:

1 – комплекс по переработке золы; 2 – угольное и известняковое хозяйство; 3 – котел с ЦКС; 4 – паровая турбина; 5 – золоуловитель; 6 – генератор; 7 – дымосос; 8 – дымовая труба

Котел является прототипом для технического перевооружения многочисленных электростанций России, сжигающих низкосортные твердые топлива с малой реакционной способностью, высоким содержанием золы, влаги, серы. Очень важно, что в таком котле возможно сжигание различных топлив по виду и качеству, без существенных изменений эксплуатационных и со значительным улучшением экологических показателей.

В котле применена технология ЦКС с компактными сепараторами ударно-инерционного типа (рис. 1.2) которая успешно использована на ряде котлов фирмы «Бабкок-Вилькокс» (США).

Аналогичные котлы разработаны и для других ТЭС: ЕП-250-16,8-545 БКФН для подмосковного угля и кузнецкого угля марки «Т»; Е-170-9,8-540-ДФН для торфа (рис.1.3).

Эффективное сжигание твердого мелкозернистого топлива (0-20 мм) может быть достигнуто при использовании принципа кипящего (псевдоожиженного) слоя, применение которого при газификации топлива, в черной и цветной металлургии, химической и нефтеперерабатывающей, строительной и других отраслях промышленности позволило резко интенсифицировать ряд технологических процессов.

Кипящий слой характеризуется скоростью первичного воздуха, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но далеко не достигающей скорости витания средних частиц. При этих условиях все частицы в слое интенсивно перемешиваются, двигаясь колебательно вверх и вниз, причем в целом слой имеет относительно четкую верхнюю границу. Для кипящего слоя твердого топлива характерны повышенная его концентрация в объеме камеры горения, а также повышенная относительная скорость в слое w0tп, что создает благоприятные условия для скоростного горения топлива. В отличие от плотного (неподвижного) слоя, аэродинамическое сопротивление которого с увеличением интенсивности дутья возрастает по степенному закону, в кипящем слое сопротивление от этого фактора не зависит (рис. 6.10, а).

При малой скорости дутья слой остается неподвижным и работает как фильтрующий. При достижении критической скорости дутья сила давления газового потока в слое становится равной силе тяжести частиц. Слой начинает расширяться, и при дальнейшем увеличении скорости воздуха частицы приходят в движение. Объем слоя увеличивается в 1,2-1,8 раза в зависимости от интенсивности дутья, формы и размеров частиц. Сопротивление кипящего слоя с изменением интенсивности дутья не изменяется, потому что при этом увеличивается расстояние между частицами, т. е. увеличивается проходное сечение для газа. При чрезмерном увеличении скорости дутья весь слой переходит во взвешенное состояние и может быть вынесен из рабочей камеры.

Для кипящего слоя подобно жидкости характерен линейный закон падения давления по его высоте (рис. 6.10, б). Давление (сопротивление) в кипящем слое пропорционально его высоте и плотности «кипящего» материала. В отличие от аэровзвеси, где относительная скорость частиц и газа приближается к нулю, для кипящего слоя в отдельные
периоды (при падении частиц) она доходит до нескольких метров в секунду.

Впервые использование принципа кипящего слоя в топочном устройстве было начато в 1944 г. работами Московского энергетического института применительно к малореакционным мелкозернистым топливам (АШ, коксовая мелочь), а в последующем и к бурым углям. Характерной отличительной особенностью топок МЭИ является двухступенчатая схема организации процесса горения. В качестве первой ступени используются топки с кипящим слоем, где проводится интенсивная и глубокая тепловая подготовка топлива: прогрев, подсушка и выделение высокотемпературных горючих газов. Второй ступенью топки с кипящим слоем является камера дожигания горючего газа, выдаваемого кипящим слоем, и содержащихся в нем частиц термически подготовленного уноса.

При работе таких топок на АШ в слой подают около трети воздуха, необходимого для полного сгорания топлива. Газообразование в кипящем слое (рис. 6.11) происходит подобно газообразованию в плотном слое, однако кислородная и восстановительная зоны имеют увеличенные толщины. Температуру кипящего слоя поддерживают на уровне, исключающем плавление золы, во избежание шлакования слоя. Это может быть достигнуто установкой в слое охлаждающих поверхностей, рециркуляцией дымовых газов и др.
В нормально работающем кипящем слое оплавленного шлака не получается.

Относительно высокая и достаточно равномерная температура по высоте слоя (при работе на АШ около 1000 °С), благоприятные гидродинамические условия, определяемые повышенной относительной скоростью газа, и наличие достаточно развитой поверхности окисления мелкозернистого топлива обеспечивают высокую производительность кипящего слоя как первой ступени полугазовой топки с кипящим слоем. В рассматриваемых условиях выходящий из слоя горючий газ имеет температуру около 1000°С и теплоту сгорания 1,7- 2,5 МДж/м 3 . Видимая плотность теплового потока на дутьевую решетку составляет q n =4,7/7МВт/м 2 .

Вторую ступень топки с кипящим слоем для дожигания газа и выноса можно выполнить по различным вариантам. На рис. 6.12 показана компоновка однокамерной топки с кипящим слоем с водогрейным котлом; вторая ступень топки с кипящим слоем располагается непосредственно над слоем. Такая топка в производственных условиях работала на коксовой мелочи и подмосковном угле. Крупность топлива 0-20 мм. Тепловая мощность водогрейного отопительного котла около 5 МВт. При работе на коксовой мелочи (Ар = 17,33 %; Wp= 19,85 %) около 30 % всего количества воздуха, необходимого для горения, поступает под решетку, имеющую живое сечение 3-4 %. Остальной воздух подается в топочную камеру над кипящим слоем через два ряда фурм. Необходимое охлаждение кипящего слоя топлива для осуществления бесшлаковочного режима (1000°С) достигается расположенными в кипящем слое водоохлаждаемыми поверхностями, включенными в систему циркуляции котла.

Коэффициент теплоотдачи от кипящего слоя к охлаждающей поверхности составляет около 250-400 Вт/(м 2 *К). Был предусмотрен также впрыск воды непосредственно в кипящий слой для возможности регулирования его температуры в случае необходимости. При работе на подмосковном угле марки БМ (А р =19,8 %; W p = 33,84 %) в слой подавалось около 50-60 % всего воздуха, температура слоя поддерживалась на уровне 900 °С. Поддержание желательной зольности слоя, исключающей его погасание и обеспечивающей небольшие потери от механического недожога с выгребом, осуществляется непрерывной или периодической «продувкой» слоя через выгребное устройство. Высота слоя в состоянии кипения поддерживается на уровне 600-800 мм. Необходимое давление воздуха под решеткой составляет 3400-3900 Па. При работе на коксовой мелочи расход топлива составляет около 0,3 кг/с, а при работе на подмосковном угле 0,5 кг/с. При этом видимая плотность теплового потока дутьевой решетки составляла q H - 4,8 МВт/м 2 при объемной плотности тепловыделения на всю топочную камеру г у = 0,17 МВт/м.

На рис. 6.13 показаны некоторые другие варианты второй ступени топки с кипящим слоем. На схеме а - вариант однокамерной топки с кипящим слоем, где для интенсификации сжигания выноса вторичный воздух подается тангенциально; на схеме б сочленение первой и второй ступеней Двухкамерной гонки осуществляется при помощи специальной турбулентной горелки; на схеме в в качестве второй ступени топки с кипящим слоем используется циклонная камера с жидким шлакоудалением. В 50-х годах в СССР были построены и находились в эксплуатации три топки с кипящим слоем, показавшие возможность эффективного сжигания различных мелкозернистых топлив.

Особый интерес к организации сжигания топлив в кипящем слое вызван рядом обстоятельств. Для сжигания могут использоваться различные топлива, включая низкосортные, крупностью 0-20 мм. При этом значительно сокращаются расходы электроэнергии на топливоприготовление. Расположение поверхностей нагрева в кипящем слое, где коэффициент теплоотдачи составляет 200-300 Вт/(м 2 *К), обеспечивает существенное снижение металлоемкости установки. Работа с относительно низкотемпературным слоем (800- 1000°С) приводит к значительному уменьшению загрязнения атмосферы соединениями серы, так как большая ее часть остается в слое и удаляется вместе с золой. Для повышения степени улавливания серы в кипящий слой может добавляться известь или доломит. Благодаря низкой температуре отходящие из кипящего слоя газы практически не содержат оксидов азота. Снижается также возгонка щелочных соединений золы топлива, что приводит к уменьшению загрязнения поверхностей нагрева.

Принципиальная схема котла с топкой кипящего слоя с размещением части поверхностей нагрева в слое показана на рис.6.14. Предусмотрен возврат в топку уловленного выноса из кипящего слоя, содержащего обычно значительное количество невыгоревшего углерода. Возможна также схема с дожиганием выноса в специальном устройстве. В настоящее время за рубежом и в СССР в эксплуатации находятся различные топки с кипящим слоем, в том числе для котлов большой паропроизводительности, а также работающие под давлением (до 1 МПа), что приводит к дальнейшей интенсификации процесса сжигания твердого топлива и улучшению технико-экономических показателей.

Наряду со сжиганием твердого топлива в кипящем слое может быть организовано высокоэффективное сжигание газового и жидкого топлив. Для этого над дутьевой решеткой создается кипящий слой из инертного материала (песок, кирпичная крошка и т. п.), в котором сжигается газ или жидкое топливо. В таком кипящем слое также могут быть установлены поверхности нагрева котла, что интенсифицирует теплопередачу.

Широкое распространение в промышленности находят также технологические топки с кипящим слоем, в частности Для обжига различных серосодержащих материалов (колчедана, медных и цинковых концентратов и др.). Для подДержания температуры слоя на уровне, исключающем его шлакование, используют охлаждаемые элементы, располагаемые в кипящем слое и отнимающие избыточную теплоту. В этих элементах обычно вырабатывается пар. Более подробно о таких энерготехнологических установках см. гл. 18.

Сжигание топлив в кипящем слое

Современное развитие энергетики и обострение экологической ситуации в мире потребовали поисков и разработки более прогрессивных и экологически чистых технологий сжигания твердых топлив.

Одним из перспективных направлений, обеспечивающих экологическую чистоту использования твердых низкосортных топлив в энергоустановках будущего, следует считать их сжигание в котлах с топками кипящего слоя различных модификаций: классической, циркулирующей, аэрофонтанирующей с применением аэрофонтанных аппаратов, поскольку при этом в значительной степени снижаются выбросы SO 2 и NO x уже на стадии сжигания .

1.1. Сжигание твердых топлив в топках котлов с классическим кипящим слоем

Рис. 1.1. Схемы установок с кипящим слоем: а – классический кипящий слой: б – циркулирующий кипящий слой; в – кипящий слой под давлением; 1 – основной воздух; 2 – подача топлива; 3 – вторичный воздух; 4 – вывод золы; 5 – возврат уноса; 6 – продукты сгорания; 7 – циклон; 8 – поверхность нагрева; 9 – турбина и компрессор

На рис.1.1. приведена схема топки с классическим пузырьковым кипящим слоем. В пузырьковом кипящем слое при атмосферном давлении уголь (или другое твердое топливо) сжигается в слое твердых частиц (обычно известняк), который псевдоожижается воздухом, подающимся для горения под слой. Разогрев слоя осуществляется горячим воздухом или газами с помощью специальной газовой горелки. Котлы с кипящим слоем спроектированы так, чтобы температура слоя находилась в интервале 815–870 o С. Возможность работы при низких температурах приводит к нескольким преимуществам. Благодаря низкой температуре для связывания SO 2 можно использовать в качестве сорбента недорогие материалы, такие как известняк и доломит. Когда в слой добавляется известняк или доломит, в результате реакции между CaO и SO 2 образуется CaSO 4 . В зависимости от содержания серы в топливе и количества сорбента выбросы SO 2 могут быть сокращены на 90 % и более. Термические оксиды азота образуются при температурах свыше 1300 o С. При снижении температуры скорость реакции образования NO x сильно уменьшается. При температурах 815–870 o С количество NO x , образовавшегося в кипящем слое, значительно меньше, чем в традиционных котельных установках, работающих при более высоких температурах.

Технология сжигания в кипящем слое (КС) имеет целый ряд преимуществ по сравнению с пылеугольным сжиганием твердых топлив.

К ним следует отнести:

– простота конструкции;

– возможность сжигания низкокачественных углей;

– безопасность в экспуатации;

– отсутствие мельниц тонкого помола;

– связывание SO 2 и SO 3 ;

– подавление NO x (до 200 мг/м 3).

Вследствие интенсивного перемешивания происходит выравнивание температуры во всем кипящем слое, поэтому слой можно считать изотермическим. Поверхности нагрева, опущенные в кипящий слой, имеют очень высокий коэффициент теплоотдачи. Этому способствует разрушение граничного слоя на теплообменной поверхности, а также прямое соприкосновение частиц с теплоотводящей поверхностью.

К недостаткам этой технологии сжигания следует отнести абразивный износ поверхностей нагрева, расположенных в слое; высокие значения механического недожога, ограничение мощности котельных агрегатов, оборудованных топками с кипящим слоем до 250 т/ч. Для более мощных котлов требуются решетки больших габаритов, что создает трудности по обеспечению равномерной скорости дутья.

Идеальным топливом для котлов с кипящим слоем служат сланцы, имеющие высокую реакционную способность, высокую зольность, которая определяет большую массу материала, в связи с чем стабилизируется температура сжигания, происходит быстрая сушка топлива и хорошее выгорание.

При использовании низкозольных канско-ачинских углей требуется большая добавка инертного материала. Сжигание углей с высоким содержанием солей щелочных металлов очень выгодно использовать в топках с кипящим слоем, когда практически не происходит испарения солей. Отсюда появляется возможность вовлечения так называемых «соленых» углей в энергетику.

Примером тому служит промышленный опыт внедрения кипящего слоя для сжигания шлакующих «соленых» углей в США.

В 1986 г. фирма «Бабкок-Вилькокс» переоборудовала котел с механической топкой на ТЭС Монтана-Дакота в установку с пузырьковым кипящим слоем. Этот котел был первоначально спроектирован на производительность 81,9 кг/с (295 т/ч) пара при давлении 9 МПа и температуре 510 o С для сжигания бурого угля месторождения Белах.

Однако высокое содержание соединений натрия в летучей золе приводило к сильному шлакованию топки и загрязнению пароперегревателя. До реконструкции с устройством кипящего слоя мощность была ограничена 50 МВт при расчетной 72 МВт. Для того чтобы избежать шлакования и загрязнения и поверхностей нагрева и обеспечить работу на полную мощность, был использован кипящий слой. Новая установка с кипящим слоем сечением 12,2 х 7,9 м была вмонтирована в старый котел с минимальными изменениями работающих под давлением поверхностей экранов. Воздухораспределительная решетка и окружающие ее стенки охлаждались водой. Пароперегреватель и испаритель размещались в слое для обеспечения необходимой паропроизводительности и перегрева пара и ограничения температуры слоя на уровне 815 o С. Скорость газов в слое составляла 3,7 м/с, а глубина слоя в рабочем состоянии – 1,37 м. Для включения и запуска установки подвод воздуха осуществлялся через восемь секций. Поскольку бурый уголь месторождения Белах – высокореакционное топливо, возврат летучей золы не предусматривался. С учетом низкого содержания серы и высокого содержания щелочных компонентов в топливе в качестве материала слоя был использован песок. Котел был пущен в эксплуатацию в мае 1987 г. Сейчас этот блок несет нагрузку 80 МВт при отсутствии шлакования и загрязнения поверхностей. Измеренные концентрации NO x составляли 0,14 г/МДж.