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
6.3. ТОПКА КИПЯЩЕГО СЛОЯ

ДЛЯ СЖИГАНИЯ ПРИБАЛТИЙСКИХ СЛАНЦЕВ

Наиболее удачным применением в отечественной практике топок с кипящим слоем можно считать реконструкцию котла БКЗ-75-39, осуществленную ВНИИАМ, Ленинградским отделе­нием Оргэнергостроя и Эстонглавэнерго на ТЭЦ Ахтме [48]. Котел паропроизводительностью 75 т/ч, с параметрами пара 3,3 МПа, 420°С имеет призматическую топку высотой 16,5 м, в нижней части которой установлена решетка с размерами 6x4,2 м. Воздух под решетку колпачкового типа подается высо­конапорным дутьевым вентилятором и затем поступает в слой через отверстия суммарным сечением 0,5 м2. Часть воздуха ис­пользуется для подачи грубодробленого топлива (с размером частиц до 10-15 мм) из молотковых мельниц на слой, причем мелкие частицы сланца успевают сгореть в объеме, не достиг­нув слоя. В этом смысле можно говорить о факельно-слоевом сжигании сланца на ТЭЦ Ахтме.

Материалом слоя является собственная зола сланца, избы­ток которой выводится через два золоотводящих трубопровода б
систему гидрозолоудаления. В кипящий слой погружены гори­зонтальные змеевики испарительной и пароперегревательной
поверхностей нагрева. Надслоевое пространство топки экрани­ровано парообразующими трубами, включенными в систему
естественной циркуляции. Испарительные трубы в кипящем
слое охлаждаются с помощью насоса принудительной циркуля­ции.

Конструкция отводящих патрубков позволяет поддерживать высоту кипящего слоя в 700-1000 мм. Возврат в слой золы, уловленной в батарейном циклоне до воздухоподогревателя, не предусмотрен.

Во время пусконаладочных испытаний котла в нем сжигался эстонский сланец с влажностью до 12%, зольностью до 65% и теплотой сгорания около 9,2 МДж/кг. Известно, что при исполь­зовании такого топлива б котлах с факельным процессом сжи­гания происходит интенсивное загрязнение поверхностей нагрева и коррозионно-эрозионный износ, снижающие эконо­мичность и надежность котельных установок. Испытания котла с кипящим слоем показали, что в диапазоне нагрузок от 50 до 100 т/ч практически отсутствует как шлакование топочных экранов, так и загрязнение конвективных поверхностей нагрева.

Показателем надежности работы котла может служить тот факт, что за два года котел проработал более 6000 ч. Котел может длительно нести номинальную нагрузку без включения аппаратов для очистки труб. До реконструкции даже при сни­женной нагрузке приходилось 6-8 раз в сутки включать систему очистки, чтобы обеспечить длительную работу котлов.

Экономичность котла также увеличилась: химический недо­жог отсутствовал, а потери с механическим недожогом снизи­лись примерно в 1,5 раза и составляли 2,6% (при коэффициенте избытка воздуха за топкой ат = 1,4).

Высокое содержание карбонатов кальция и магния в золе сланцев обеспечивает примерно 75%-ное связывание серы топлива в кипящем слое без добавки известняка или диломита. Концентрация оксидов азота в дымовых газах за котлом снизи­лась на 20-30% по сравнению с обычными топками и составляла 200 мг/м3 (в пересчете на N02).

При проведении этих опытов отработаны режимы пуска котла без начального заполнения слоя инертным материалом." Вос­пламенение мелких фракций сланца в надслоевом пространстве осуществлялось с помощью растопочных мазутных форсунок, и через 6-8 ч после начала растопки за счет золы сланца форми­ровался кипящий слой требуемой высоты.

Удачный опыт эксплуатации котла с'кипящим слоем на ТЭЦ Ахтме дал основания реконструировать более крупный котел ТП-17, работавший на таком же топливе на Прибалтийской ГРЭС. Котел имел паропроизводительность 190 т/ч при парамет­рах пара 9,0 МПа, 540°С.


6.4. ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПОК

С АТМОСФЕРНЫМ КИПЯЩИМ СЛОЕМ

Возможность и эффективность связывания серы в кипящем слое кальцийсодержащими присадками тщательно исследова­ны фирмой Бабкок-Вилкокс и ЕРШ (США). Опыты при сжигании средне- и высокосернистых углей западных месторождений США проводились на экспериментальной установке с топкой кипящего слоя (рис. 34). Дробленое топливо и известняк с размером частиц 1,6-6,4 мм подавались в слой, площадь которо­го составляла менее 1 м2. При сжигании угля с содержанием серы 3% требуемая степень связывания серы (80%) достигалась [49] только при мольном соотношении Ca/S = 4. Эти данные от­носятся к режимам, в которых уловленные твердые частицы не возвращались в слой.

Специалистами фирмы Бабкок-Вилкокс были проведены ис­следования на котле с кипящим слоем ТЭЦ Ренфрю (Англия). Топка с кипящим слоем смонтирована при реконструкции слоевого котла с механической решеткой, который вырабатывал 18 т/ч пара при давлении 2,8 МПа и температуре 294°С [50]. Схема топливоподачи и самого котла после реконструкции показана на рис. 35. Подсушенное и размолотое топливо по девяти трубо­проводам пневматически подается в слой через Т-образные сопла. Размеры воздухораспределительной решетки 3,1x3,1 м, высота слоя 0,8-0,9 м. Короб под решеткой разделен на секции, к каждой из которых воздух поступает по отдельному воздухо­проводу. Решетка имеет три стояка для спуска золы. Для рас­топки котла на фронтовом и заднем экранах над слоем уста­новлены четыре мазутных форсунки производительностью по 136 кг/ч.

Испытания котла проводились при двух модификациях топки: первая серия опытов проведена при скорости воздуха на свободное сечение слоя 1,25 м/с. При этом в слой были погруже­ны 10 змеевиков и производительность котла составляла 10,5 т/ч. Во второй серии опытов скорость увеличена до 2,5 м/с,




Рис. 34. Опытная топка с кипящим слоем фирмы Бабкок-Вилкокс [45]:

I — воздушная камера; 2 ~ воздухо­распределительная решетка; j — погру­женный в слой трубный пучок; 4 — огнеупорный кирпич; 5 — водяной объем; 6 — выход пара; 7 — выход дымо­вых газов; 8 — золовой бункер


Рис. 35. Схема реконструированного котла на ТЭС Ренфрю [46]:

1 - ввод топлива; 2 - спуск золы; 3 - подача воздуха под решетку; 4 — расто­почные мазутные форсунки; 5 — циркуляционные насосы; 6 — золоуловитель грубых частиц; 7 - экономайзер; 8 — возврат крупных частиц на дожигание

число погруженных в слой змеевиков - до 24. Производитель­ность котла при этом возросла до 21 т/ч. При проведении опытов сжигались два типа углей: шотландский уголь и ирландский высокозольный уголь . Коэффици­ент избытка воздуха в различных опытах колебался от 1,14 до 1, 27, температура слоя независимо от вида топлива в первой серии опытов (с пониженной скоростью в слое) составляла 930°С, во второй серии (при увеличении погруженных в слой поверх­ностей нагрева) - около 880°С. Содержание горючих в уносе в основном определялось видом топлива и мало менялось с изменением режима. При сжигании шотландского угля горючие в уносе составляли 2,7-4%, а при сжигании ирландского угля 10-10,5%.

Анализ уходящих дымовых газов показал, что при температу­ре слоя 800-950°С концентрация оксидов азота (в пересчете на NO2 при О2 = 6%) равна 440-450 мг/м3 (содержание азота в топ­ливе при этом составляло 1,1%).

Программы по созданию крупных энергетических котлов с топками кипящего слоя, начатые в 70-е годы, продолжались и в 80-е годы, причем к энергомашиностроительным фирмам все чаще стали присоединяться энергоснабжающие компании. Так, например, компания TVA наметила программу создания демон­страционного блока мощностью 200 МВт с кипящим слоем атмосферного типа, который позволил бы создать коммерчес­кий блок мощностью 800 МВт.

В процессе предпроектных проработок выяснилось, что до начала проектирования демонстрационного котла потребуется создать пилотную установку меньших масштабов для исследо­вания ряда вопросов. Фирмы Бабкок-Вилкокс и Стоун энд Вебстер спроектировали и соорудили пилотную установку с атмосферным кипящим слоем мощностью 20 МВт в г. Падаха (штат Кентукки).

Длительная эксплуатация установки подтвердила высокую степень выгорания топлива, низкие выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и возможность сжигания топлив с широ­ким диапазоном характеристик. Использование двух методов подачи топлива и известняка (в слой и на слой) позволило выявить их достоинства и недостатки. Было подтверждено, что максимальное связывание серы топлива происходит в темпера­турном диапазоне от 800 до 86С°С [51].

Опыт эксплуатации установки использовали EPRI и несколь­ко электроэнергетических компаний для проектирования трех блоков с кипящим слоем атмрсферного типа мощностью от ПО до 160 МВт. Энергоснабжающая компания TVA заключила кон­тракт с фирмой Комбасшн Инжиниринг (СЕ) на проектирование котла с кипящим слоем атмосферного типа для блока мощно­стью 160 МВт. Этот блок решено было установить вместо блока № 10 на ТЭС Шавеню.

При замене энергоблока № 10 сохранили устройство топливо-подачи, паровую турбину, газоходы к тканевым фильтрам и большую часть вспомогательного оборудования от ранее рабо­тавшего пылеугольного котла. Котел со стационарным кипящим слоем работает с уравновешенной тягой и вырабаты­вает пар с параметрами 12,5 МПа, 538°С. Для цилиндра низкого давления пар при давлении 3,1 МПа повторно перегревается до 538°С. Топка имеет шесть секций, каждая из которых может работать самостоятельно. Программа испытаний рассчитана на четыре года, после чего предполагается промышленная эксплу­атация этого энергоблока.

В штате Висконсин длительное время работает котел с ки­пящим слоем при атмосферном давлении на ТЭС Френч Ай-ленд, принадлежащей электроэнергетической компании Нор-серн Стейтс Пауэр (NSP). Котел имел топку с механической ре­шеткой и был реконструирован с переводом на сжигание мазу­та, а затем при повторной реконструкции смонтирована топка с кипящим слоем для сжигания древесных отходов и низкокачественных сортов твердого топлива. Затраты на повторную рекон­струкцию этого котла компания предполагала возместить в течение 10-12 лет за счет снижения расходов на топливо.

Опыт эксплуатации котла побудил руководство фирмы изу­чить вопрос о переводе крупного пылеугольного котла на ТЭС Блэк Дог с установкой стационарного кипящего слоя при атмос­ферном давлении. Блок № 2 на этой электростанции имел мощ­ность 100 МВт. Котел с естественной циркуляцией паропроизводительностью 390 т/ч с параметрами 12 МПа, 538°С изготовлен фирмой Фостер Уилер. Топка котла рассчитана на сжигание битуминозного угля месторождения Иллинойс, но в последние годы, для соблюдения норм по выбросу диоксида серы, к нему подмешивался малосернистый уголь западных месторождений. Сжигание смеси углей ограничивало нагрузку .блока до 85 МВт. Реконструкцию котла с установкой топки кипящего слоя решено осуществить для обеспечения норм по выбросам диок­сида серы при одновременном увеличении мощности блока до 125 МВт и для продления срока его службы еще на 25 лет. Паропроизводительность котла при реконструкции увеличена до 472 т/ч, а диапазон регулирования составил 20—100%. Кипящий слой рассчитан на сжигание полубитуминозного угля, но можно также использовать высокосернистый битуминозный уголь, лигниты, мазутный кокс, а также смесь углей и отходов обога­щения. Предполагается провести испытания котла на всех этих видах топлива.

Топка со стационарным кипящим слоем при атмосферном давлении, поставленная котлострсительной фирмой Фостер Уилер, оборудована верхней подачей топлива и известняка, а также соплами острого дутья, размещенными выше вводов топлива. При реконструкции установлены новый регенератив­ный воздухоподогреватель, более мощные дымососы (459 000 м3/ч, 7 кПа) и дутьевые Еентиляторы.

Интересен опыт западногерманских энергетиков [52], создав­ших мощный парогазовый энергоблок, в котором применена комбинация обычного котла с камерной топкой и двух предтопков с кипящим слоем. Речь идет об энергоблоке электрической мощностью 230 МВт, который работает на ТЭС Фолклинген ; (ФРГ). Собственно котел типа Бенсона имеет призматическую топочную камеру, в которой сжигается высококачественный \ каменный уголь. Для размола угля установлены четыре среднеходные мельницы, из которых аэросмесь подается к восьми вихревым горелкам, размещенным встречно, в два яруса по высоте. Горелки специальной конструкции обеспечивают сни­жение образования оксидов азота. Параметры свежего пара I 19 МПа, 535°С, однократный промежуточный перегрев пара до I температуры 535°С.

Кроме восьми вихревых горелок котел имеет два предтопка с кипящим слоем, в которых сжигаются отходы углеобогащения с зольностью до 60% и влажностью до 20%. Каждый предтопок имеет по четыре топливозабрасывателя и по четыре горелки над слоем для разогрева кирпичной кладки, а также (в случае необходимости) для стабилизации процесса горения. Топливо забрасывается на слой с постоянным расходом и к забрасывате­лям подается по транспортерам, работающим под давлением. Каждая распределительная решетка имеет по 2400 воздушных сопл.

Погруженная в слой каждого предтопка поверхность нагрева имеет площадь 1360 м2 и охлаждается воздухом, поступающим от компрессора с температурой 230°С и давлением 0,67 МПа. Воздух, нагретый до 730°С, используется затем в газовой турби­не непосредственно или в качестве окислителя при сжигании газотурбинного топлива (рис. 36). Во втором случае, при темпе­ратуре продуктов сгорания 820°С, газотурбинная установка развивает мощность 35 МВт.

Выхлоп газовой турбины с температурой 440°С, имеющий давление несколько выше атмосферного и содержащий 18% кислорода, используется для псевдоожижения слоя в предтопках, а также в качестве первичного и вторичного воздуха для



Рис. 36. Предтопок с кипящим слоем энергоблока с комбинированным циклом на ТЭС Фолклинген (ФРГ):

1 — воздухораспределительная решетка; 2 — наружный коллектор; 3 — погру­женная поверхность нагрева; 4 — центральный коллектор; 5 — выхлопной патру­бок; 6 — основная топка; 7 — коаксиальный короб

основной топки. При температуре окружающего воздуха 15°С расчетный расход выхлопа за ГТУ 204 кг/с, из этого количества 57 кг/с (28%) поступает под распределительную решетку в предтопки с кипящим слоем, 125 кг/с (61%) используется в качестве вторичного воздуха в основной топке и 22 кг/с (11%) - в качестве сушильного агента в пылесистеме и далее - в каче­стве первичного воздуха в основной топке.

В те периоды, когда, предтопки с кипящим слоем не работают, в газовую турбину подаются только продукты сгорания газотурбинного топлива, а выхлоп ГТУ используется только для сжигания каменного угля в основной топке.

При частичной нагрузке котла, когда весь выхлоп ГТУ не может быть использован в качестве первичного и вторичного воздуха, часть его направляется в конвективный газоход, где расположен экономайзер. При снижении нагрузки котла до 50% номинальной приходится разгружать и ГТУ, чтобы не допустить вскипания воды в экономайзере.

Продукты сгорания из предтопков с кипящим слоем при температуре 850-900°С через футерованные огнеупорным кирпи­чом цилиндрические короба поступают в основную топочную камеру под нижним ярусом вихревых горелок. Теплосодержа­ние этих топочных газов составляет примерно 20% тепловыде­ления в топке при номинальной нагрузке котла.

Значительные успехи по использованию технологии кипя­щего слоя достигнуты в Чехословакии. Исследовательские работы и применение результатов сжигания в кипящем слое идут здесь в двух направлениях. Это, во-первых, газификация твердого топлива в кипящем слое с последующим сжиганием горючих газов в топке классической конструкции - так называ­емое двухступенчатое сжигание. Вторым направлением явля­ется одноступенчатое сжигание твердого топлива и горючих отходов прямо в кипящем слое.

Национальное предприятие ЧКД Дукла производит промыш­ленные котлы системы Игнифлюид на основе лицензии фран­цузской фирмы Файф Колл Бабкок (бывшей Бабкок-Атлантик). Паровые котлы выполняются однобарабанными с естественной циркуляцией, водогрейные котлы выполняются прямоточными [44].

Практический интерес для советских энергетиков представ­ляет другой метод - разделение процесса сжигания топлива на две ступени - газификация в кипящем слое и догорание. Этот метод сжигания позволяет приспособить старые котлы с пылеугольными топками, а также и газомазутные котлы для сжига­ния некачественных высокозольных топлив. Сжигание в кипя­щем слое можно также использовать для стабилизации факела на больших пылеугольных котлах взамен мазута.





Рис. 37. Котел типа Дуклафлюид паропроизводительностыо 14 т/ч:

1 — реактор с кипящим слоем; 2 — топка для факельного горения; 3 — воздушная камера; 4 — вторичный воздух; 5 - вход воздуха; 6 — выход дымовых газов

Первая установка такого типа (котел паропроизводитель­ностыо 4 т/ч) была смонтирована на руднике Стаханов. На заво­де Бугунице предтопком с кипящим слоем оборудован котел типа Дуклафлюид производительностью 14 т/ч (рис. 37). Круп­нейшим из действующих в настоящее время котлов такого типа является котел номинальной мощностью 40 т/ч на ТЭС Гандлова. На рис. 37 показано, что предтопок с кипящим слоем распола­гается рядом с топочной камерой основного котла. Предтопок рассчитывают таким образом, чтобы генерируемые горючие газы с темпераутрой 850-900°С- обеспечивали вместе с основным факелом требуемую мощность котла. Воздух для сгорания топлива разделяется на первичный (ожидающий) и вторичный (для дожигания). При этом 50-70% стехиометрического количе­ства воздуха ожижает сырой уголь (бурый с размером частиц до 15 мм или каменный с размером частиц 0-6 мм). Это количест­во воздуха при незавершенном горении обеспечивает темпера­туру в слое 800-900сС, причем температура контролируется быстродействующим термометром, по импульсу от которого увеличивается или уменьшается расход ожидающего воздуха.

Продукты газификации, выходящие из кипящего слоя, вмес­те с Еторичным воздухом направляются в камеру сжигания котла. Газы на выходе из реактора содержат негорючие (N2, C02, 02) и горючие (Н2, СО, СН4) составляющие. Теплота сгорания этих газов разная в зависимости от вида угля и мощно­сти реактора. При сжигании бурого угля вместе в газами выно­сится более 90% золы, поступающей в реактор вместе с углем. Остальное количество золы, преимущественно более крупные частицы, периодически выпускается из нижней части кипящего слоя. У более мощных реакторов предполагается постоянный отвод этой части золы с использованием ее энтальпии.

По сведениям [44] такая схема разработана для котла ПГ-640 на блоке электрической мощностью 200 МВт ТЭС Почерады (ЧССР). Необходимость установки предтопка связана с ухудше­нием качества бурого угля Северочешского бассейна и желани­ем отказаться от использования газа или мазута для подсветки пылевого факела, а также для растопки из горячего состояния после кратковременного останова. При составлении задания предполагалось, что предтопок с кипящим слоем по тепловой мощности будет эквивалентен паропроизводительности 130 т/ч. Сжигание продуктов газификации из предтопка позволит в основной топочной камере использовать бурый уголь с теплотой сгорания до 7,5 МДж/кг без ограничения мощности блока.

По проекту для предтопка с кипящим слоем будут установле­ны два бункера объемом 2x40 м3. В первый бункер уголь направ­ляется двухсторонним скребковым конвейером, а во второй -самотеком. Уровень угля в бункерах контролируется тремя предельными измерителями емкостного типа. Сигналы от измерителей уровня выведены на щит управления блоком и на щит управления топливоподачей.

Предполагается, что на ТЭС будет поступать уголь с QP = 7,54 МДж/кг, WP = 28+32%, АР = 45+54%. Расход такого уг­ля на предтопок составит примерно 46,7 т/ч.

Предтопок с кипящим слоем будет установлен около фрон­товой стены котла в бункерно-деаэраторном отделении. Стен­ки его корпуса выполнены из шамотной футеровки и огнеупор­ной обмуровки общей толщиной 400 мм. Выход горючих газов из предтопка в топочную камеру котла осуществляется через два симметрично расположенных отверстия в верхней части пред­топка. Перепускные газоходы образованы стальными каналами с такой же обмуровкой, как и у предтопка. Горючие газы вводят­ся в камеру сгорания котла встречно по отношению к пылеугольным горелкам. Газоходы оборудованы охлаждаемыми водой быстродействующими заслонками. В предтопке с кипя­щим слоем отсутствуют теплообменные поверхности нагрева.

Решетка предтопка охлаждается водой. Решетка выполнена в форме спирали Архимеда с отверстием в центре выпуска золы из слоя. Отвод золы осуществляется охлаждаемой течкой в запорный шнек. Горелки для горючих газов сделаны частично из листовой жаропрочной стали, а места, подверженные действию высоких температур и эрозии, выполнены из износостойкого материала и снабжены защитной пленкой из стеклокерамики. Таким же образом защищены вихревые вставки в каналах первичной смеси и вторичного воздуха. Эти вихревые вставки имеют внешний диаметр 680 мм, а в них встроены вихревые вставки для первичной смеси с внешним диаметром 596 мм. Все эти детали сделаны из листовой стали ЧСН класса 17 толщиной 8 мм. Угол наклона лопаток к продольной оси Горелки у обеих вставок 18°.

Большой интерес к топочным камерам с кипящим слоем проявляется в КНР. По данным [57], к началу 1984 г. эксплуати­ровалось свыше 2000 котлов, оборудованных топками с кипя­щим слоем. Причиной их распространения является не только, и даже, пожалуй, не столько забота об охране окружающей среды, сколько необходимость использовать для котлов малой мощности низкосортные угли, непригодные к сжиганию в слое­вых топках со стокерной подачей. К такого рода топливам Южного Китая относятся лигниты, нефтяные сланцы, отходы углеобогащения, антрацитовый штыб. Лигниты имеют низкую температуру плавления золы (порядка 1000°С) и склонны к зашлаковыванию обычных топок. На этих трудных в эксплуата­ции топливах в Китае работает около 300 котлов, оборудован­ных топками с кипящим слоем, которые обслуживают местную промышленность.

Начало использования битуминозных сланцев в энергетике КНР в котлах с кипящим слоем относится к 1965 г. Имеется опыт эксплуатации двухслойных топок с кипящими слоями: один основной слой, в котором сгорает исходное топливо, и второй слой для дожигания уловленного уноса. Наиболее крупные котлы, оборудованные топками с кипящим слоем, имеют паропроизводительность до 130 т/ч. Два таких котла введены в эксплуатацию в конце 70-х годов. Большинство же котлов рассчитаны на 10-20 т/ч. Эти котлы, как правило, выпол­няются транспортабельными по железной дороге или водным транспортом в собранном виде. Самые малые котлы с кипящим слоем производительностью 0,2 т/ч используются для отопле­ния помещений и выполняются максимально простыми в обслу­живании.

Подача топлива осуществляется шнековыми или гравитаци­онными питателями. Размер топливных частиц 0-8 мм. Распре­деление воздуха в слое обеспечивается колпачковыми устрой­ствами или простыми перфорированными листами. Для котлов 10 т/ч поверхность нагрева, погруженная в кипящий слой, сос­тавляет 8-10 м2 (для каменных углей) или 15-18 м2 (для других топлив). Защита погруженных в кипящий слой труб от эрозии осущест­вляется за счет ограничения числа рядов труб в пучке двумя (чтобы уменьшить турбулизацию потока) или за счет использо­вания оребренных труб. В последнем случае пространство меж­ду ребрами или шипами заполняется топливными частицами, защищающими поверхность труб от износа.

Конвективная поверхность нагрева, расположенная над кипящим слоем, для котлов паропроизводительностью 10 т/ч
составляет 30-50 м2. Надежность топок с кипящим слоем в зна­чительной степени зависит от регулярности вывода шлака из кипящего слоя. Стоимость котла паропроизводительностью 10 т/ч составляла 100 тыс. долл.

В отношении загрязнения атмосферы в Китае нормируются три градации выбросов: безопасный уровень 0,1 мг/м3 диоксида серы и 0,3 мг/м3 твердых частиц; средний уровень 0,15 и 0,5 мг/м3 и высший уровень 0,23 и 0,7 мг/м3 соответственно. Оптимальны­ми в отношении эксплуатационных затрат (расход энергии на собственные нужды) считаются следующие характеристики кипящего слоя: высота 500 мм, скорость воздуха в отверстиях решетки 40 м/с, относительное сечение отверстий 8% всей площади решетки.

Проводятся исследования по использованию твердых отхо­дов топок с кипящим слоем в цементной промышленности, если зольная составляющая используемых топлив обладает достаточными вяжущими свойствами. Исследованиями в облас­ти изучения процессов и разработкой новых конструкций кот­лов с топками кипящего слоя занимаются ученые и инженеры вузов и НИИ, которые используют современные моделирующее и измерительное оборудование, а также крупномасштабные реальные объекты.


6.5. ТОПКИ С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ КИПЯЩИМ СЛОЕМ

В последние годы зарубежные энергоснабжающие компании все чаще отдают предпочтение котлам с циркулирующим ки­пящим слоем. Эти котлы отличаются более высокой степенью выгорания топлива (примерно 99% по сравнению с 90-95% у котлов со стационарным кипящим слоем), они могут работать с меньшим коэффициентом избытка воздуха (1,10-1,15 вместо 1,20-1,25). Система подачи топлива у котлов с циркулирующим кипящим слоем проще, котлы менее требовательны к' качеству топлива и лучше приспособлены для ступенчатого сжигания, необходимого для снижения выбросов оксидов азота; Такие топки позволяют связывать более 90% серы при мольном отно­шении Ca/S, равном 2,0, в то время, как в топки со стационар­ным кипящим слоем требуется подавать больше известняка f(Ca/S = 3) для связывания 80—90% сэры [51].

I* Котлостроительные фирмы США Бабкок-Вилкокс, Комбасшн Инжиниринг и Рилей Стокер предлагают котлы с циркулирующим кипящим слоем по лицензиям или в кооперации с зарубеж­ными фирмами. Котлы собственной конструкции выпускает фирма Килер Дорр Оливер Бойлер, планирует выпуск таких котлов также фирма Фостер Уилер.

К началу 1985 г. в США работали два котла с циркулирующим кипящим -слоем производительностью по 23 т/ч (Бекерсфильде - Калифорния и в Увальде - Техас). Кроме того, Энергокомпании заказали не менее 8 котлов производительностью более 180 т/ч каждый и значительное количество менее мощных котлов [53].

Одной из крупнейших программ по созданию топок с циркулирующим кипящим слоем является разработка и изготовление шести котлов для компании Арчер Дэниэлс Мидлэнд - четыре котла будут установлены на ТЭС Дэкэтур (штат Иллинойс) и два - на ТЭС Цедер - Репидс (штат Айова). Котлы рассчитаны на выработку 1226 т/ч технологического пара и 146 МВт электро­энергии на тепловом потреблении. В котлах будет сжигаться сравнительно дешевый высокосернистый уголь месторождения Мидвест[51].

Большой интерес вызывает программа реконструкции ТЭС Нукла, которую осуществляет электроэнергетическая компа­ния Колорадо-Юта электрик совместно с финской фирмой Пиропауэр и американскими фирмами Стерн Каталитик, Вес-тингауз Электрик и Пибоди Коал. Общая стоимость программы 86 млн. долл. Частью программы является замена устаревших котлов с механическими решетками на топки с циркулирую­щим кипящим слоем типа Пиропауэр. Дополнительно на ТЭС устанавливается теплофикационная турбина мощностью 75 МВт, в результате чего мощность электростанции увеличива­ется с 36 до 100 МВт (нетто). При этом удельный расход теплоты сокращается на 15%, стоимость энергии - на 30%. Ожидается, что будут выдержаны все нормы по допустимым выбросам в атмосферу, а удельные затраты на дополнительную мощность составят 840 долл/кВт. Лаборатория Ганс Альстром (Финлян­дия) для правильного выбора основных проектных решений провела испытания угля и известняка, которые предполагает­ся использовать на ТЭС Нукла.

Котлы с циркулирующим кипящим слоем для ТЭС Нукла имеют паропроизводительность 420 т/ч при параметрах "пара 10,5 МПа, 540°С. Продукты сгорания с высоким содержанием твердых частиц, отдав часть теплоты мембранным водяным экранам и радиационному пароперегревателю, поступают в циклоны. Затем несгоревшие частицы топлива и непрореагировавшие частицы известняка возвращаются в топку, где они смешиваются со свежими топливом и сорбентом. Поток газов омывает конвективные поверхности нагрева, воздухоподогрева­тель, проходит через рукавные фильтры и выбрасывается в атмосферу. Длительное пребывание топлива и известняка в топке и непрерывная их циркуляция должны обеспечить высо­кую степень выгорания и повышенную эффективность улавли­вания серы.

В нижней части топки размещены воздухораспределительная решетка и устройство для удаления шлака. Примерно половина теплоты , выделяющейся в топке, передается экранам и радиа­ционному пароперегревателю. В конвективном газоходе имеет­ся устройство для удаления золы и предусмотрены места для размещения обдувочных аппаратов. Первичный воздух вводит­ся в короб ниже воздухораспределительной решетки и обеспе­чивает начальное псевдоожижение. Добавление вторичного воздуха в топку позволяет получить эффект ступенчатого сжигания, что увеличивает выгорание углерода и уменьшает образование оксидов азота.

Бункер системы топливоподачи рассчитан на 8 ч работы котла, емкость для измельченного известняка (1000 мкм) - на 24 ч работы. До реконструкции ТЭС выбросы составляли: твер­дых частиц 204, диоксида серы 2826 т/год; после реконструкции они должны снизиться до 117 и 1559 т/год, соответственно.

Самый крупный котел с циркулирующим кипящим слоем за пределами США сооружен фирмой Лурги в Дуйсбруге (ФРГ). ; Паропроизводительность котла 270 т/ч, параметры свежего пара 114,5 МПа, 535°С. Промежуточный перегрев до такой же темпера­туры осуществляется при давлении 4,0 МПа. Топливом для котла служит рурский каменный уголь с теплотой сгорания 23-30 МДж/кг, зольностью 8-30%, влажностью 4-12% и содержа­нием серы - до 2% [50].

I Уголь подсушивается и размалывается до размера частиц 1200-400 мкм в двух мельницах, каждая из которых обеспечива­ет 70%-ную производительность котла. Готовое топливо вду­вается сушильным агентом в топочную камеру на высоте 3,5 м от решетки. Тонкоразмолотый известняк вдувается в топку отдельным потоком. Только 40% воздуха подается в решетку, а остальные 60% воздуха, необходимого для полного [сгорания топлива, вводятся на различной высоте от решетки через специальные сопла. Тепловое напряжение сечения сос­тавляет 3,67 МВт/м2.

I Котел имеет два горячих циклона рециркуляции, причем каждый из циклонов, оборудован своим охладителем золы. За (этими циклонами последовательно установлены два циклона очистки газов. Это усложнение связано с тем, что перед конвек­тивными поверхностями нагрева необходимо иметь концентра­цию твердых частиц не выше 60 г/м3.

Камера горения и циклоны подвешены к каркасу котла, охладители золы установлены на опорах. Опускные золопроводы имеют компенсаторы линзового типа. Уловленная в цикло­нах зола поступает в гидрозатвор, а из него сбрасывается в топку или в охладитель золы. Имеется специальный регулирую­щий орган, который обеспечивает требуемый расход золы на охладители. После охлаждения зола поступает в топку или выводится из цикла.

Охладитель золы имеет воздухораспределительную решетку на поду, он разделен перегородками на секции, в которых установлены конвективные поверхности нагрева.

Испытания, проведенные на угле с зольностью до 30%, пока­зали, что степень выгорания угля достигает 99%, а КПД котла -92%. Диапазон регулирования мощности составляет 30-100% номинальной, а скорость набора нагрузки 5 %/мин. Концентра­ция сернистого ангидрида в дымовых газах была ниже 400 мг/м3 (при стандартных условиях и при 02 = 7%).

При эксплуатации котла не было обнаружено повышенной интенсивности коррозии и эрозии металла, работающего под давлением. В охладителях золы, где процессы горения отсут­ствуют и скорости газов малы, эрозионные повреждения также не были обнаружены.

Остановимся еще на одном котле с циркулирующим кипя­щим слоем, продольный разрез которого приведен на рис. 38. Этот двухкорпусный котел установлен на ТЭЦ Эльберсфельд на месте двух демонтированных котлов с жидким шлакоудалением производительностью по 80 т/ч. Каждый корпус нового котла имеет производительность 170 т/ч при параметрах пара перед турбиной 20,1 МПа, 535/535°С [55].

С главного конвейера уголь сбрасывается на два реверсивных конвейера и равномерно распределяется ими по бункерам. Под каждым бункером установлено два скребковых транспортера. Непосредственно под ними размещено по отбойному распреде­лителю. Для отделения слишком крупных кусков угля перед распределителями установлены грохоты.

Первый газоход образует камера кипящего слоя, стенки которой от отметки 7 м до отметки 43 м выполнены в виде газоплотных экранов испарителя. Для предотвращения эрозии система подъемных и опускных труб омывается дымовыми газами в продольном направлении. За топкой установлены два горячих циклона, в которых отделяются инертные частицы слоя и не догоревшие частицы угля с размерами больше 60 мкм. В золовой контур включен охладитель материала слоя. В охлади­теле находятся поверхности основного и промежуточного паро­перегревателей. Скорости здесь на порядок ниже, чем в основ­ной камере слоя, и износ труб значительно меньше.

Во втором, опускном газоходе котла размещены поверхности экономайзера, 1-я ступень промежуточного пароперегревателя, 1-я и 4-я ступени пароперегревателя высокого давления. Стенки газохода до того места, где температура газов снижает­ся до 430°С, также имеют мембранную конструкцию (это поверх­ности экономайзера). Ниже размещены остальные пакеты экономайзера.

Перед топочной камерой часть воздуха отбирается для ожи­жения охладителя материала слоя и других целей. Этот воздух



Рис. 38. Продольный разрез котла с циркулирующим кипящим слоем паропроиз-водительностью 170 т/ч:

а — пароперегреватель; Ь — 2-я ступень пароперегревателя; с — 3-я ступень пароперегревателя; g — 2-я ступень пароперегревате­ля; h — выход пара после промперегрева; i — охладитель материала слоя; jтрубчатый воздухоподогреватель; к — вентилятор ожижающего воздуха; I — цик­лон; т — бункер известняка; п — скребковый транспортер; о — отбойный раздели­тель

компримируется в нагнетателе до 55 кПа. Топливо подводится к трубопроводам возврата охладителей материала слоя. Трубо­проводы присоединены к нижним суженным частям топок. На входе происходит подсушка и газификация топлива, что благо­приятно влияет на снижение образования оксидов азота.

В третьем, подъемном газоходе расположены поверхности нагрева воздухоподогревателя. Газы движутся по трубкам снизу вверх, воздух омывает их в горизонтальном направлении. Тем­пература уходящих газов 130°С.

Удаление золы из кипящего слоя осуществляется периоди­чески в зависимости от содержания ее в топливе и фракционно­го состава частиц слоя. Для удаления золы к поду камеры слоя снизу подведена труба. Зола отводится через ячейковый шлюз на просеивание. Охлажденная до 120°С зола с размерами частиц более 1 мм подается в контейнер. Мелкие частицы могут возв­ращаться в топку с помощью пневмотранспорта либо с помощью камерного пневмонасоса подаваться в бункер инертного мате­риала.

Заполнение топки инертным материалом при пуске и добав­ление материала слоя производятся с помощью камерного пневмонасоса с возможностью соответствующего регулирова­ния.

Для очистки от твердых частиц электрофильтр заменен тканевыми фильтрами, вписанными в те же габариты. Зола из-под фильтров удаляется с помощью камерного пневмонасо­са. В зависимости от количества уловленной золы часть ее может быть возвращена в топку.

Плотность смеси твердых частиц и дымовых газов по высоте топочной камеры определяет теплопередачу к поверхностям нагрева. Необходимое распределение плотности обеспечивает­ся при тщательном расчете скорости газов, а также соответст­вующим количеством и фракционным составом инертного материала. Частицы определенных размеров, выносимые из топочной камеры, отделяются от газов в циклонах и возвраща­ются обратно.

Вторичный воздух вводится в топку через сопла во фронтовой и боковых стенках. Ступенчатый подвод воздуха способствует снижению образования оксидов азота. Для связывания оксидов серы к топливу добавляется молотый известняк (98% СаС03).

Для пуска из холодного состояния каждый корпус котла оснащен восемью горелками на природном газе, тепловая мощность которых обеспечивает 40% номинальной мощности котла. Горелки размещены на боковых и фронтовой стенках нижней части топки.

Для пусков, для работы при частичных нагрузках и при низ­ких температурах наружного воздуха перед трубчатым воздухоподогревателем установлен калорифер. Под камеры кипящего слоя с соплами для ввода воздуха расположен ниже отметки 9,0 м. Из-за массивной футеровки топки, циклонов и охладите­лей слоя с низким коэффициентом теплопроводности скорость прогрева ограничивается 50-100° С/ч. Тепловая мощность котла при пуске из холодного состояния повышается медленно. На процесс пуска решающим образом влияет и значительная теплоемкость инертного материала в контуре кипящего слоя.

Перед пуском в топочную камеру загружается инертный материал со слоем толщиной около 1 м. Одновременно через под топочной камеры и под охладителей материала слоя вво­дится ожижающий воздух. Тепловая мощность при зажигании выбрана такой, чтобы допустимая скорость прогрева не могла быть превышена.

Из-за незначительной тепловой мощности и большой аккуму­лирующей способности парообразование в первые часы невели­ко. Так как температура газов на выходе из топки остается менее 550°С, поверхности нагрева второго газохода не подвер­гаются опасности перегрева. В это время охладитель слоя нагру­жен небольшим количеством инертного материала при средних температурах, и здесь не возникает недопустимых перегревов или температурных напряжений в поверхностях нагрева. При пуске соблюдается допустимая скорость изменения температу­ры футеровки охладителя материала слоя. Пока температура газов на выходе из топки остается ниже 550°С, работает только редукционная установка высокого давления. Редукционная установка среднего давления для снижения пусковых потерь выключена. Затем тепловая мощность топки медленно повыша­ется, пар сбрасывается в конденсатор до тех пор, пока не дости­гаются параметры, необходимые для толчка турбины.

В последнее время некоторые фирмы (например, Дойче-Баб-кок, ФРГ) приступили к разработке новой топки с циркулирую­щим кипящим слоем, в которой циклоны устанавливаются после конвективных поверхностей нагрева, в зоне температур 300-400°С. В отличие от описанных выше топок с циркулирую­щим кипящим слоем эти топки, получившие название "топки с расширяющимся кипящим слоем", имеют пониженную скорость в слое (3,5-5 м/с вместо 6-8 м/с), меньшее тепловое напряжение поверхности слоя (5 вместо 7 МВт/м2) и меньший расход элект­роэнергии на собственные нужды (18 вместо 26 кВт/МВт).

Основным преимуществом топок с расширяющимся кипящим слоем является отсутствие высокотемпературных циклонов, которые должны иметь термостойкую облицовку. Наличие такой облицовки ограничивает скорость повышения темпера­туры до 50°С/ч, что увеличивает время растопки котлов с циркуирующим кипящим слоем и снижает их маневренные характеристики.

1   2   3   4   5   6


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