Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов - файл n1.doc

Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов
скачать (984 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc984kb.03.11.2012 13:51скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6
Глава пятая

ДРУГИЕ ПРИМЕРЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТОПОК ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ

5.1. ТОПКА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВЫМ ФАКЕЛОМ

В последние годы широкое распространение получила конст­рукция топки с вертикальным прямоточно-вихревым факелом. Это топочное устройство разработано МЭИ и ЦКБ НПО "Энергоре­монт" и активно внедряется при реконструкции водогрейных' и небольших паровых котлов, работающих на газе или на мазуте. Особенностью топки является наличие вихревого опускного движения продуктов сгорания в центре топки и подъем топочных газов вдоль экранов по спиральной траектории. Такая аэродинамическая структура обеспечивается за счет расположе­ния прямоточных газомазутных горелок вблизи углов топочной камеры с наклоном вниз. Оси горелок направлены по касатель­ной к воображаемому вертикальному цилиндру в центре топки, причем соседние горелки одного яруса наклонены, как правило, под разными углами к горизонту, а диагонально размещенные горелки имеют одинаковый угол наклона Описанная выше аэродина­мическая структура исследова­на на моделях и в какой-то степени подтверждена визуальными натурными наблюдением
Рис. 29. Схема размещения горелок в топке с вертикальным прямоточно-вихревым факелом [36]:

1—4 — горелки нижнего яруса; 5—S — го­релки верхнего яруса
Одним из примеров успеш­ного внедрения топки с верти­кальным прямоточновихревым факелом является рекон­струкция газомазутного котла БКЗ-160-100ГМ на Ефремовской ТЭЦ [36]. До реконструкции топочное устройство имело 12

вихревых горелок, размещенных на фронтовом экране. При реконст­рукции котла установлено 8 прямоточных горелок с круглым вы­ходным отверстием. Размещение горелок показано на рис. 29. Видно, что часть горелок обоих ярусов наклонена вниз на 20°, а другая часть - на 35°. В плане оси горелок направлены по каса­тельной к окружности в центре топки.

В отличие от традиционной тангенциальной топки в данном случае, по мнению авторов конструкции, обеспечивается повы­шенная внутренняя рециркуляция поднимающихся вдоль экранов продуктов сжигания в горелочные струи. В результате сглаживается пик температур и несколько снижается концент­рация кислорода на начальном участке факела, что благоприят­но сказывается на подавлении образования оксидов азота. Некоторое растягивание траектории факела перемещает зону активного тепловыделения в нижнюю часть топочной камеры, что увеличивает тепловосприятие экранов, несмотря на сниже­ние локальной интенсивности тепловыделения.

Практическим результатом всего этого явилось повышение располагаемой нагрузки котла (по условиям обеспечения перегрева пара до 540°С) с 135 до 155 т/ч при работе на газе. Измерения при работе котла на мазуте показали, что при наг­рузке 150 т/ч максимальная температура в ядре горения снизилась с 1580 до 1500°С, а падающий тепловой поток - с 500 до 420 кВт/м2. Именно этим, вероятно, можно объяснить тот факт, что в течение двух лет после реконструкции котла не наблюда­лось повреждений экранных труб, в то время, как при заводской конструкции топки такие повреждения носили массовый харак­тер. Кроме того, после реконструкции котла БКЗ-160-100ГМ уменьшилось наружное загрязнение экранов по всей высоте топки и интенсивность золовых отложений на конвективных поверхностях нагрева.Важным достоинством реконструированного котла явилось снижение концентрации оксидов азота в дымовых газах. До реконструкции котла максимальная концентрация NOx сос­тавляла 415 мг/м3 при сжигании мазута и 450 мг/м3 - при сжига­нии газа. После реконструкции максимальные значения кон­центрации NOx сместились в зону больших избытков воздуха (что объясняется, вероятно, заменой вихревых горелок прямо­точными) и уменьшились по абсолютной величине. Хорошие результаты получены при упрощенной ступенчатой схеме сжигания, когда через две неработающие диаметрально распо­ложенные горелки подавался только воздух. В таких режимах концентрация оксидов азота в дымовых газах была в 1,7-2,3 ра­за ниже, чем на нереконструированном котле. При этом содер­жание бенз(а)пирена в продуктах сгорания и сероводорода в пристенной зоне экранов оставалось на уровне, не вызываю­щем опасений.Достаточно успешным можно считать перевод котлов на схему с вертикальным прямоточно-вихревым факелом и на других электростанциях, сжигающих газ. Однако при работе на мазуте в некоторых случаях наблюдалось появление сажи, что вынуждало работать с повышенными избытками воздуха.

5.2. ДВУХКАМЕРНАЯ ТОПКА ФИРМЫ БАБКОК-ВИЛКОКС (США)

Американские энергетики прекратили установку котлов с циклонными предтопками в начале 70-х годов. В настоящее время на электростанциях США продолжают работать 105 кот­лов с циклонными предтопками общей мощностью 26 ГВт (эл.). Самый малый из этих котлов обеспечивает паром турбогенера­тор мощностью 40 МВт и имеет два циклона, расположенных в один ярус на фронтовой стене. Самым крупным является котел к блоку мощностью 1150 Вт, имеющий 23 встречно-размещенных циклонных предтопка на двух уровнях по высоте [37].

Новая волна интереса к двухкамерным топочным устройст­вам относится к концу 70-х годов и связана с необходимостью обеспечить жесткие нормы по допустимым выбросам оксидов азота [38] или с желанием использовать уголь на газомазутных котлах без существенной реконструкции последних [39].

Котлостроительная фирма Бабкок-Вилкокс совместно с энерге­тическим научно-исследовательским институтом (EPRI) прове­ла комплекс работ по сжиганию угольной пыли в предтопке с недостатком воздуха (а = 0,6 ч0,8) с дожиганием продуктов неполного сгорания в основной топочной камере. Испытания огневого стенда тепловой мощностью 1,2 МВт показали, что решающим фактором, от которого зависит концентрация окси­дов азота за котлом, является температура во второй ступени сжигания (т.е. в основной топочной камере). По мере снижения этой температуры с 1200 до 900°С концентрация NOx (в пересче­те на NO2 при О2 - 3%) уменьшалась от 500 до 160 мг/м3 при сжи­гании битуминозного угля Питсбургского месторождения. Оптимальное количество воздуха, подаваемого в предтопок, оказалось равным 70% теоретически необходимого. При сниже­нии этой величины можно было получить еще меньшую кон­центрацию NOх за предтопком, но при этом существенно снижа­лось тепловыделение в предтопке.

Определенное влияние на концентрацию NОх за котлом ока­зывала также интенсивность перемешивания воздушных струй с продуктами неполного сгорания на выходе из предтопка. Снижение интенсивности перемешивания, например, за счет уменьшения угла между потоком продуктов неполного сгора­ния и воздушными струями снижало концентрацию NOx, но уве­личивало содержание СО в уходящих дымовых газах.

Для того чтобы уверенно перейти от огневого стенда к круп­ному энергетическому котлу, решено было провести этап иссле­дований на промышленном котле с предтопком тепловой мощ­ностью до 14,6 МВт. Для этой цели использовали четырехбарабанный котел Стирлинга производительностью по пару 18 т/ч, установленный в Исследовательском центре Бабкок-Вилкокс в г. Элианс (штат Огайо). Предтопок этого котла (рис. 30) имел поперечное сечение 0,465 м2, длину около 4 м и от предтопка ог­невого стенда отличался не только размерами - наклон про­дольной оси на 30° к горизонту обеспечивал удаление золовых частиц из предтопка, соединительная камера между предтоп­ком и основной топочной камерой имела прямоугольное сече­ние шириной 495 мм и высотой 1525 мм, воздушные сопла раз­мещались с обеих сторон соединительной камеры. Котел имел систему рециркуляции дымовых газов, стенки предтопка были экранированы плавниковыми трубами, охлаждаемыми водой. В торце предтопка установлена двухрегистровая вихревая горел­ка фирмы Бабкок-Вилкокс, обеспечивающая сниженное образо­вание оксидов азота за счет замедленного смешения вторично­го духа с аэросмесью

воз.
Рис. 30. Промышленный котел фирмы Бабкок-Вилкокс с предтопком [38]:

1 — угольный бункер; 2 — питатель угля; 3 — вентилятор первичного воздуха; 4 — мельница типа Е-21; 5 — аэросмесь к предтопку; 6 — воздух для 1-й ступени и газы рециркуляции; 7 — предтопок; 8 — воздух для 2-й ступени и газы рециркуля­ции; 9 — воздухоподогреватель; 10 — дутьевой вентилятор; 11 — котел Стирлинга; 12 — дымовая труба; 13 — рециркуляция дымовых газов

Исследования, проведенные на этой установке, показали, что по мере снижения коэффициента избытка воздуха в предтопке от 0,9 до 0,5 концентрация NQX за предтопком линейно умень­шается от 630 до ПО мг/м3 (в пересчете на N02 при 02 = 3%). Од­нако после дожигания продуктов неполного сгорания в основ­ной топке зависимость NОх от избытка воздуха приобретает экс­тремальный характер: минимальная концентрация NOх (250 мг/ м3 при рециркуляции 15% дымовых газов и 350 .мг/м без рецир­куляции) получена при a1 = 0,6ч0,75. При меньших a1 тепловы­деление в Предтопке незначительно, но в основной топке азот­содержащие компоненты в большей степени окислялись до NO. При a1=0,8ч0,9 во второй ступени горения наблюдалось снижение концентрации NOx с 600 до 500 мг/м3 без рециркуляции и до 380 мг/м3 при г= 15%. Снижение нагрузки предтопка также, как и увеличение рециркуляции, уменьшало концентра­цию NOx за котлом.

Исследование полупромышленного котла позволило перейти к подготовке проекта крупного энергетического котла. В качестве базового котла для сравнения выбрали пылеугольный котел фирмы Бабкок-Вилкокс к энергоблоку мощностью 650 МВт. Котел П-образной компоновки, с уравновешенной тягой, оборудован топкой с твердым шлакоудалением, с 49 вих­ревыми двухрегистровыми горелками, расположенными встреч­но на фронтовом и заднем экранах.

Затем выполнили два технических проекта котлов аналогич­ной мощности с предтопками. Первый имел башенную компо­новку, что было связано с необходимостью разместить 28 предтопков с четырех сторон основной топочной камеры. Предтопки располагались в два яруса по высоте и имели наклон осей к горизонту в 30°. Для, обеспечения циркуляции воды через сис­тему охлаждения этих предтопков потребовалось установить пять добавочных насосов. Ожидалось, что при наличии системы рециркуляции дымовых газов концентрация NOx за котлом не будет превышать 300 мг/м3.

Учитывая конструктивные сложности при создании котла с 28 предтопками, решили разработать альтернативный вариант -полуоткрытую топку, в которой сближение труб фронтового и заднего экранов создавало пережим. В нижней части топки в два яруса встречно были расположены 28 двухрегистровых горелок. Коэффициент избытка воздуха во всех горелках был меньше 1,0, а необходимый для полного сгорания топлива воздух вводился через сопла в сечении пережима. В отличие от первого варианта, котел не требовал дополнительных насосов I для обеспечения циркуляции и был ближе к традиционному I типу котлов с факельным сжиганием. В результате оказалось, I что дополнительные затраты у этого котла меньше, чем у котла I с предтопками: при удельных капитальных затратах обычного г котла в 65 долл. на 1 кВт электрической мощности затраты на 1 котел с пережимом возрастали на 8,5%, а на котел с 28 предтопками и 5 циркуляционными насосами - на 29%. Но главным препятствием к реализации новой конструкции i котла авторы считали опасность коррозии труб в результате создания восстановительной атмосферы и низкую степень выгорания топлива из-за уменьшения температуры в камере дожигания. В результате приняли решение отложить промыш­ленное внедрение разработанной схемы сжигания, поскольку установленные в США нормы по допустимым выбросам NOx мо­гут быть обеспечены более простыми технологическими спосо­бами.

Однако в том случае, если нормы допустимых выбросов оксидов азота для пылеугольных котлов будут сокращены до 300 мг/м3, будет целесообразно вернуться прежде всего к конст­рукции топки с пережимом, а возможно - и к котлу с предтопка­ми, поскольку оба эти варианта дешевле установки по очистке дымовых газов от NOx за котлом.

5.3. ПРЕДТОПОК ФИРМЫ TRW (США)

В связи с резким ростом цен на жидкое и газообразное топли­во калифорнийская фирма TRW приступила к разработке предтопка, который можно пристраивать к существующим газомазутным котлам для перевода их на сжигание твердого топлива без значительной реконструкции. В процессе испытаний разра­ботанного фирмой предтопка оказалось, что его можно рассмат­ривать и как средство борьбы с выбросами в атмосферу диокси­да серы и оксидов азота [39].

Установка состояла из небольшого пылеугольного бункера, системы подачи пыли с высокой концентрацией, камеры пред­варительного горения для подогрева воздуха, компактной камеры горения с жидким шлакоудалением, установки для регенерации теплоты жидкого шлака, короткого соединитель­ного короба и вторичной горелки с необходимыми регулято­рами.

В бункер загружалась угольная пыль с остатком на сите 74 мкм не более 30%. Система регулирования обеспечивала заданный уровень пыли в аэрационной камере, благодаря чему поддерживалось стабильное : псевдоожижение и стабильная подача топлива к камере горения при отношении (по массе) уголь - ожижающая среда, равном 10.

Основные характеристики экспериментальной установки мощностью 2,93 МВт

Диаметр и длина камеры горения 432/1220 мм

Рабочее давление От 0,105 до 0,11 МПа

Температура воздуха на входе в камеру предвари­
тельного горения От 38 до 260°С

Коэффициент избытка воздуха a1 в I ступени……От 0,7 до 0,9

Тепловое напряжение топочного объема……. 10,35 МВт/м3

Максимальное шлакоулавливание До 94%

Выгорание горючей массы топлива Более 99,5%

Температура на выходе 1540-1980°С

Температура за камерой предварительного горения 540—980°С

Угол наклона основной камеры горения 15°

Количество угля, подаваемого в камеру предвари­
тельного горения От 15 до 25%

Характеристика угля, сжигавшегося во время опытов:

зольность 6—35%

влажность 2-31,5%

теплота сгорания 18,6-30,3 МДж/кг

Камера шлакоулавливания представляла собой изолирован­ный водоохлаждаемый цилиндр, к которому подавался подогре­тый воздух из камеры предварительного горения и угольная пыль из системы подачи пыли с высокой концентрацией. Ох­лаждающая вода проходила через отдельный контур. Внутренняя поверхность шлакоулавливающей ступени ошипована для равномерного покрытия шлаковой пленкой. Топливо в эту камеру вводилось по оси, а горячий воздух - тангенциально. Шлаковая пленка после останова представляла собой черный стекловидный материал толщиной от 10 до 19 мм, она служила тепловым барьером и защищала камеру от горячих газов.

В камеру предварительного горения, необходимую для по­догрева воздуха, топливо поступало от той же системы подачи пыли с высокой концентрацией, что и к камере шлакоулавливания. Короткий короб соединял встроенную камеру горения с вторичной горелкой, установленной на фронтовой стенке котла. Через эту горелку вводился также дополнительный воздух, который смешивался с горячими газами из встроенной камеры горения. Догорание горючих газов завершалось в топочном объеме котла. Основным элементом установки являлась встроенная камера I горения, в которой за счет центробежного эффекта, вызванного I тангенциальным вводом горячего воздуха, обеспечивалось улавливание золовых частиц на поверхности пленки жидкого шлака. Расплавленный шлак стекал в устройство для регенера­ции теплоты шлака, причем расход шлака регулировался спе­циальной заслонкой.

Из-за низкого коэффициента подачи воздуха (а= 0,7ч0,8) вихревой поток газов содержал продукты неполного сгорания СО и Н2, которые догорали после смешения с воздухом, поступавшим в топку котла через вторичную горелку.

Измерение концентрации оксидов азота за установкой при ; сжигании битуминозного угля месторождения Юта показало, I что минимальное количество NOx образуется при ос = 0,7 (примерно 500 мг/м3 в пересчете на NO2 при концентрации кислоро­да в сухой пробе газа, равной 3%). При снижении а до 0,57 кон­центрация NOx возрастает до 650 мг/м3, а при увеличении а до 0,95 - до 950 мг/м3 (рис. 31).

После длительного периода стендовых исследований постро­или полупромышленную установку мощностью 15 МВт (рис. 32). Затем к ней добавили модель котла, в которой проверялись различные конструкции поверхностей нагрева и разные мате­риалы.' Эти исследования необходимы для оценки объема реконструкции промышленных котлов при оснащении их уста­новкой с встроенной камерой горения, а также для проектиро­вания новых котлов с такими установками. Камера сгорания этой установки имела диаметр 864 мм и длину 1575 мм.

Существенными достоинствами новой установки является то, что транспорт пыли с высокой концентрацией может осуще­ствляться по пылепроводам диаметром до 25 мм и длиной до 100 м. Различная конфигурация соединительного короба позволяет




Рис. 31. Концентрация оксидов азота в установке с встроенной камерой горе­ния:

Д — за установкой (измеренная); • —
за встроенной камерой сгорания (изме­
ренная); О - образование NOx в основ­
ной топке по разности ,.,








Рис. 32. Полупромышленная установка с встроенной камерой сгорания:

1 — камера сгорания; 2 — вторичный воздух; 3 — камера дожигания; 4 — впрыск воды; 5 — скруббер и дымовая труба; 6 — место отбора проб газа; 7 — система шлакоудаления

ориентировать ось встроенной камеры горения в удобном положении (т.е. параллельно или перпендикулярно фронту существующего котла). Теплота воды, охлаждающей встроен­ную камеру сгорания и соединительный газоход, может быть использована для подогрева воздуха в специальном теплооб­меннике или как дополнительный источник низкотемператур­ной теплоты для технологических или отопительных целей. Предварительные расчеты показали, что в случае перевода блока мощностью 410 МВт с газа или мазута на твердое топливо потребуется оснастить котел 16 встроенными камерами сгора­ния с жидким шлакоудалением тепловой мощностью по 73,3 МВт каждая. Капитальные затраты на такую реконструк­цию окупятся за 7 лет, если разница в стоимости условного топлива будет равна 0,95 долл/ГДж (28 долл/т). При увеличении этой разницы до 1,9 долл/ГДж (56 долл/т) срок окупаемости сни­жается до трех лет. Для электростанций, на которых имеется система топливоподачи, а также в случае, когда котел перево­дится на водоугольную суспензию с использованием имеющих­ся мазутных резервуаров, срок окупаемости снижается еще больше.

При сооружении новых котлов применение встроенной каме­ры сгорания с жидким шлакоудалением также дает значитель­ные преимущества, так как она позволяет снизить количество вредных токсичных выбросов NOx и S02, увеличивает диапазон регулирования мощности до 30% номинальной и снижает капи­тальные затраты, потому что установка целиком собирается на заводе и не требует большого объема строительно-монтажных работ. Сведения о полномасштабном промышленном внедрении разработанной камеры сгорания в энергетику США пока отсут­ствуют.

Глава шестая

ТОПКИ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ

6.1. ОСОБЕННОСТИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПОК С КИПЯЩИМ СЛОЕМ

Топочные устройства, рассмотренные в предыдущих главах, относятся к классу устройств с факельным процессом сжигания. Топки с кипящем слоем занимают промежуточное положение между топками слоевого сжигания и факельными топками. Со слоевыми топками их объединяет прежде всего возможность сжигания дробленки 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 трения частиц друг о друга. Дальнейшее увеличение расхода воздуха приводит к псевдоожижению частиц топлива, слой как бы кипит (отсюда название "кипящий слой"), высота и порозность его увеличиваются. Минимальная скорость, при которой начинается псевдоожи­жение, называют первой критической скоростью Wкр2 Второй критической называют скорость W2Kp, при которой аэродинами­ческая сила становится равной силе тяжести частиц топлива и

начинается их интенсивный вынос из слоя. Оба эти параметра являются строго определенными только для монодисперсного материала с постоянной плотностью, а сжигаемое топливо, как известно, состоит из частиц различного размера.

Реальные топочные устройства с кипящим слоем работают со скоростями в диапазоне от Wкр1 от W2Kp, причем различают топ­ки с обычным или стационарным кипящим слоем (когда ско­рость в слое близка Wкр1) и топки с циркулирующим кипящим слоем (когда скорость в слое близка Wкр2

В последнем случае из слоя выносится значительная часть недогоревшего топлива, которое улавливается затем в горячих циклонах и возвращается для дожигания в слой.

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 ожижающего воздуха, проходящего через слой зернистого материала, обеспечивает повышенный тепло- и массообмен в слое. Погруженные в кипящий слой поверхности нагрева позво­ляют поддерживать температуру на таком уровне, который не приводит к шлакованию слоя и самих поверхностей нагрева.

Суммируя преимущества метода сжигания твердого топлива в кипящем слое, можно выделить следующие моменты:

в кипящем слое обеспечивается высокий коэффициент теплопередачи;

длительное время пребывания в кипящем слое позволяет сжигать уголь с повышенной зольностью и отходы производ­ства;

появляется возможность создания более компактного топоч­ного устройства без системы пылеприготовления, что снижает удельные капитальные затраты на сооружение котельной, а также ремонтные расходы;

добавка известняка в слой связывает серу топлива с зольным остатком, что снижает выбросы диоксида серы с дымовыми газами в атмосферу;

низкие температуры в слое (800-950°С) обеспечивают отсутствие термических оксидов азота, что снижает выбросы NOx в атмосферу.

Первое применение кипящего слоя относится к началу 20-х годов, когда Фриц Винклер (создатель газогенератора Винклера) получил патент США на камеру с кипящим слоем. В те годы на тепловых электростанциях применялись главным образом слоевые топки с неподвижными или механическими решетка­ми. Затем последовали десятилетия бурного развития факель­ного метода сжигания, который применительно к крупной энергетике полностью вытеснил слоевое сжигание. В течение этих десятилетий топки с кипящим слоем интересовали только специалистов промышленной энергетики, занимающихся вопросами сжигания производственных отходов, процессами сушки сыпучих материалов и т.д.

Для промышленных и отопительных котельных в 60-е годы во многих странах начали сооружаться топки с кипящим слоем, причем наметилось два направления: во Франции и в ЧССР разрабатывались котлы с относительно высокотемпературным (1100-1200°С) кипящим слоем, а в Англии и в США создавались котлы, в которых температура слоя ограничивалась 750-950°С за счет погруженных в слой поверхностей нагрева.

Интерес к топками с кипящим слоем усилился в 70-е годы, когда почти одновременно с резким подорожанием жидкого и газообразного топлива во многих странах были приняты зако­нодательные акты по защите атмосферного воздуха от загряз­нений. Энергетики США, например, были поставлены перед проблемой сократить потребление мазута и природного газа, заменив их твердым топливом, и при этом обеспечить соблю­дение законодательных требований, ограничивающих допусти­мую концентрацию сернистого ангидрида в дымовых газах. Необходимость ввода новых мощностей на твердом топливе привела к альтернативе: оснащать блоки с традиционными пылеугольными котлами малоизученными и ненадежными в то время сероулавливающими установками или использовать низкотемпературные топки с кипящим слоем, в которых сера топлива связывается кальцийсодержащими присадками.

Сейчас можно сказать, что применительно к крупной энер­гетике преобладает все же первое направление: программы сооружения новых тепловых электростанций на последующие 15 лет свидетельствуют о том, что во всех развитых странах нара­щивание мощностей будет происходить в основном за счет пылеугольных котлов с факельным сжиганием и с сероулавли­вающими установками, эффективность и надежность которых за последние годы заметно возросли.

Однако интерес к топкам с кипящим слоем не ослабевает: необходимость их использования в последние годы связана с ухудшением качества угля, который приходится включать в баланс топливоиспользования. В некоторых случаях технология сжигания в кипящем слое позволяет использовать отходы угледобывающих предприятий, хранение которых в отвалах загрязняет окружающую среду. Создание топок с кипящим слоем под давлением расширяет возможности применения комбинированного цикла, когда генерируемый в котле пар используется в паровой турбине, а продукты сгорания, имеющие повышенное давление, подаются в газовую турбину.

В СССР существенный вклад в развитие теории кипящего слоя внесли сотрудники Института тепло- и массообмена Белорусской Академии наук, Московского энергетического, Уральс­кого и Алтайского политехнических институтов, КазНИИ энергетики и другие коллективы. Определенные успехи в разработке технологии сжигания топлива в кипящем слое принадлежат НПО ЦКТИ, ВНИИАМ, ВТИ и ПО "Сибэнергомаш". Большой интерес представляет также зарубежный опыт освое­ния котлов как с обычным, так и с циркулирующим кипящим слоем.

6.2. ПОЛУПРОМЬШШЕННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОТЛЫ С ОБЫЧНЫМ (СТАЦИОНАРНЫМ) КИПЯЩИМ СЛОЕМ

Одним из первых отечественных котлов, оборудованных топкой кипящего слоя с погруженными в него поверхностями нагрева, был опытно-промышленный котел КПВ-ПС-5,7-14-180, установленный на ТЭЦ ЦКТИ. При разработке котла за основу взят серийный котел ДКВр-2,5-14, выпускаемый Бийским котлостроительным заводом. После реконструкции котла без изменения остались верхний и нижний барабаны (рис. 33), а также экраны и котельный Пучок, сепарационные и обдувочные устройства, опорная рама, каркас и обмуровка котла [43].

При реконструкции котла ДКВр в нижней части топки уста­новили газораспределительную решетку с колпачками. При размерах 1925x1500 мм решетка имела 169 отверстий диаметром 60 мм (шаг по фронту 140 мм, по глубине 110 мм). Воздушный канал каждого колпачка имел диаметр 44 мм, а в головке - по 10 отверстий диаметром 8 мм, направленных под углом 30° к плоскости решетки. Устройство для отвода золы и материала слоя расположено в центре газораспределительной решетки. На фронтовой стене, на 200 мм выше колпачков, расположены две фурмы для ввода топлива. В слой погружены змеевики тепло­фикационного экономайзера; выше слоя, на фронтовой стене, установлена растопочная газомазутная горелка, еще выше (в надслоевом пространстве топки)



Рис. 33. Котел КПВ ПС-5,7-14-180. с кипящим слоем [39]
- вторая ступень теплофика­ционного экономайзера.

Под решетку подавался горячий воздух после воздухоподо­гревателя (180-200°С), расчетное сопротивление решетки состав­ляло 2,35 кПа, слоя 10,2 кПа. Для наполнения слоя использовал­ся дробленый шамот и речной песок с размером кусков 0-10 мм. Проектная высота слоя в спокойном состоянии равнялась 690 мм, в рабочем 1000 мм. Температура в слое поддерживалась на уровне 880-900°С за .счет интенсивного отвода теплоты пог­руженной в слой поверхностью нагрева. Котел обеспечили необходимыми контрольно-измерительными приборами и системой автоматического регулирования.

После пробных пусков котла на березовском буром угле провели балансовые опыты на экибастузском каменном и ирша-бородинском буром углях. Эти опыты в основном подтвер­дили расчетные значения теплопроизводительности котла, которая увеличилась почти в 4 раза по сравнению с котлом ,ДКВр-2^5-14.

Для растопки котла использовалась работающая под давле­нием предвключения камера сгорания, в которой сжигался газ. Продукты сгорания этой камеры с температурой до 650°С пода­вались под решетку до тех пор, пока материал слоя не нагревал­ся до 450°С (при работе котла на буром угле) или до 550°С (при работе на каменном угле). Только после достижения этих тем­ператур в слой подавалось топливо. Газовая горелка, установ­ленная над слоем, позволяла сократить время растопки.

Содержание горючих в уносе при сжигании ирша-бородинского угля составляло в зависимости от избытка воздуха 4-12%, а при сжигании экибастузского угля 14-26% [45]. Чтобы снизить недожог топлива, пришлось работать с повышенными избытка­ми воздуха и уменьшенной высотой слоя. Дожигание уловлен­ного в циклоне уноса при возврате его в низкотемпературный слой оказалось малоэффективным и поэтому для следующих котлов решено организовать специальную секцию кипящего слоя с повышенной температурой (1000-1100°С).

Важным достоинством топки явилось снижение вредных выбросов в атмосферу. Измерение содержания диоксида серы и оксидов азота в дымовых газах за котлом показало, что даже без добавки в слой присадок, только за счет щелочных компо­нентов минеральной массы топлива, выбросы S02 снижаются на 60-80% при сжигании ирша-бородинского угля и на 40-50% при сжигании экибастузского угля. Что касается оксидов азота, то их концентрация оказалась примерно на том же уровне, что и у крупных пылеугольных котлов: 340-450 мг/м3 при сжигании ир­ша-бородинского угля и 600-630 мг/м3 при сжигании экибастузс­кого угля.

Пo данным [45] котел с кипящим слоем в течение года прора­ботал 534 ч, причем максимальная непрерывная кампания

продолжалась 92 ч. Даже за столь непродолжительное время удалось обнаружить, что при сжигании экибастузского угля, и в меньшей степени - ирша-бородинского, происходит укрупнение слоя. Из-за этого, в частности на экибастузском угле, не удавалось проработать непрерывно более 41 ч. Обнару­жили также, что попадающие в слой крупные куски (25-30 мм) залегают на поду. Это приводило к дополнительной агломера­ции кусков и к последующему аварийному останову котла.

Зондирование топки в поперечном направлении показало наличие значительных перекосов (до 100° по температуре и до 13-15% по концентрации кислорода и С02). Эти измерения опро­вергли предположение о том, что кипящий слой интенсивно перемешивает твердую фазу. Практический вывод из этого факта состоит в том, что при подаче топлива в слой площадь решетки, обслуживаемая одним питателем, не должна превы­шать 1-1,5 м2. Следовательно, для котла паропроизводительностью 420 т/ч подача топлива в слой потребует установки 120-160 вводов топлива.

Выводы, к которым пришли авторы [45], состояли в следую­щем:

эффективность сжигания топлива в кипящем слое определя­ется характеристикой угля и его дисперсным составом, а также избытком воздуха в слое;

для снижения потерь топлива с недожогом необходимо осуществлять возврат уноса на дожигание и иметь значитель­ный объем надслоевого пространства;

необходимо создать эффективную и простую схему подачи топлива в топку и такую воздухораспределительную решетку, которая обеспечивала бы вывод крупных кусков из слоя.

В дальнейшем НПО ЦКТИ совместно с БиКЗ разработано несколько промышленных котлов с традиционным кипящим слоем для сжигания высокозольных топлив. Конструкции этих котлов базируются на существующей технологии Бийского котельного завода. Так, например, котел КЕ-10-14ПС разработан на базе котла КЕ-6,5-14, который можно транспортировать к месту установки одним блоком [46].

Котел ДЕ-10-14ПС специально спроектировали для кипящего слоя, но большинство его узлов аналогично котлам серии ДЕ, выпускаемым БиКЗ. Этот котел также может перевозиться железнодорожным транспортом.

В [46] приведены сведения об опытном образце более крупно­го котла с кипящим слоем Е-25-14ПС. Этот однобарабанный котел производительностью 25 т/ч с параметрами пара 1,35 МПа, 194°С создан на основе серийного котла КР-10-145 и предназначен для промышленных котельных. Котел не имеет воздухопо­догревателя, но питательная вода, поступающая в котел с температурой 100°С нагревается в экономайзере. Оборудование котла топкой с кипящим слоем позволило уменьшить массу металла трубной системы с 26,9 до 15,7 т, но мощность вспомога­тельного оборудования возросла с 55,5 до 182 кВт.

Важные исследования были проведены на котле ДЕ-25-19ПС производительностью 18 т/ч с параметрами пара 1,9 МПа, 450°С [47]. Этот экспериментальный котел создали для проверки ряда технических решений, поэтому его конструкция допускала возможность замены отдельных узлов. В частности, на котле предполагалось проверить разные способы подачи топлива: забрасывание угля на слой, подача угля пневмотранспортом в слой через четыре-шесть наклонных патрубков на фронтовой стене и вертикальная подача топлива снизу', через стояки, пронизывающие решетку кипящего слоя.

Топка этого котла состояла из трех секций кипящего слоя, причем правая и левая отличались размерами (1,9 и 3,1 м2), а средняя секция (1,5 м2) служила для дожигания уловленного уноса. Воздухораспределительная решетка колпачкового типа имела проходное сечение 2,5%.

Пуск котла ДЕ-25-19ПС предполагал растопку средней сек­ции без погруженных в слой поверхностей нагрева, с после­дующим перепуском материала слоя через специальные отвер­стия в соседние секции. Комбинация различных секций являлась дополнительным средством регулирования мощности котла. В слой поочередно устанавливали экономайзерную, испарительную (с принудительной циркуляцией) и пароперегревательную поверхности нагрева. Под воздухораспределитель­ной решеткой каждой секции установили системы для удале­ния золы из слоя: одна - прямоточная и вторая - с затвором, работающим на принципе кипящего слоя.

Затем провели опыты при сжигании экибастузского и кузнец­кого каменных углей, бурого угля Канско-Ачинского бассейна, а также смеси этих углей и мазута марки М100. В процессе испытаний, общая длительность которых составила 100 ч, котел растапливали около 80 раз. Длительность наиболее представи­тельных опытов менялась от 3 до 15 ч.

Проведенные опыты показали, что при сжигании угля г: номинальной нагрузке котла потери с механической неполно­той сгорания увеличиваются от 2 до 11% по мере снижения насыпной высоты слоя Я0 от 1200 до 300 мм. В этом же диапазо­не изменения Я0 потери с. химической неполнотой сгорания q3, наоборот, снижаются с 3 до 0,5%. В опытах с изменением ко­эффициента избытка воздуха ат было установлено, что прием­лемые потери 4 = 1,5-5-4% обеспечиваются только при ат > 1,2.'

Потери g3 появляются при ат <1,2. КПД котла на угле при опти­мальном режиме оказался ниже 90% [43].

Наиболее крупным котлом, оборудованным топкой с обыч­ным кипящим слоем, является котел ЕПр-420-140КС произво­дительностью 420 т/ч. Этот котел создавался НПО ЦКТИ, ВТИ, ПО "Сибэнергомаш", СКВ ВТИ и ВНИПИЭнергопромом.

Котел имеет стандартные параметры барабанных пылеугольных котлов аналогичной паропроизводительности (13,4 МПа, 560°С), но масса металла под давлением у него в 1,5 раза, а общая масса металла в 2 раза меньше, чем у котла Е-420-140 с факельным сжиганием. Топка котла имеет четыре самостоя­тельных секции кипящего слоя, расположенные попарно одна над другой. Одна из четырех секций служит для дожигания уловленного в циклонах уноса. Котел рассчитан на сжигание бурых углей Канско-Ачинского бассейна, минеральная часть которых содержит оксид кальция. Это позволит значительно сократить выбросы сернистого ангидрида в атмосферу после установки котла ЕПр-420-140-КС на Барнаульской ТЭЦ-3.

1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации