Использование вихревых топок для сжигания низкосортных видов топлива в паровых котлах
В.А.Голубев, старший инженер,
д.т.н. Е.М. Пузырёв, заместитель директора по научной работе,
М.Е. Пузырёв, старший инженер,
ООО «ПроЭнергоМашПроект», г. Барнаул
Введение
Для экономичного, экологически более чистого сжигания угля и вовлечения низкосортных видов топлива и отходов в топливный баланс предприятий необходима разработка научных основ организации высокоэффективных технологий сжигания и накопление практического опыта в их эксплуатации.
Исследования, проводимые по данному направлению, позволили выполнить значительные работы по внедрению и опытной эксплуатации низкотемпературной вихревой технологии сжигания топлива. Особенностью разработанной технологии, получившей название «Торнадо», является совместное слоевое и факельно-вихревое сжигание, что применимо практически для любого вида твердого топлива и отходов.
Крупные фракции топлива сжигаются в слое на механизированной колосниковой решетке, а мелкие уносимые частицы аэродинамически удерживаются в топке и заполняют вихрь излучающим потоком горящих частиц. Соответственно в вихревой топке сглаживаются неравномерности тепловыделения с подавлением температурного максимума ядра факела, появляется заметная доля конвективной составляющей теплообмена, повышается степень черноты и излучательная способность топочного объема. Тепловосприятие топочных экранов заметно увеличивается, но при этом максимум тепловосприятия понижается. Тепловая нагрузка экранов повышена, но распределена равномерно, что увеличивает надежность их работы. Благодаря механизации и малой массе топлива в слое, топки не требуют особых затрат ручного труда и легко автоматизируются.
Разработанная конструкция вихревой топки имеет пережим с газовыпускным окном и системой подачи дожигающего острого дутья, которая обеспечивает низкий химический и механический недожог, снижение выбросов оксидов СО, NOх и SO2 в атмосферу. Для низкореакционнных видов топлива, типа каменных углей, под конвективным пучком устанавливается система возврата уноса.
Использование рассмотренных технических решений и принципов заметно усложняет конструкцию топочного объема и котла в целом. В частности вводятся сопла вторичного и третичного дутья, пережимной экран с газовыпускным окном или стенка, выполненная из обмуровки и др. Активная аэродинамика выдвигает повышенные требования к конструкции ограждений вихревой топки, наиболее эффективны газоплотные экраны.
С другой стороны, вихревые топки, благодаря повышенной форсировке топочных процессов, более компактны. Они могут быть вписаны в топочные объемы существующих паровых котлов путем их некоторой реконструкции. На сегодня имеется достаточно большой опыт установки вихревых топок не только в твердотопливные котлы, но и в более теплонапряженные топки газомазутных паровых котлов, с их переводом на уголь или горючие отходы.
В совокупности с применением газоплотных экранов применение вихревых топок позволяет создавать более компактные котлы, с меньшей металлоемкостью и повышенной мощностью в транспортабельных блоках с заводской готовностью. Это заметно снижает объемы строительной части, монтажных работ и сроки запуска котельных.
Сжигание лузги подсолнечника
Первоначально была освоена реконструкция паровых котлов для сжигания лузги подсолнечника. Реконструированные котлы были установлены в котельных Урюпинского, Барнаульского, Бутурлиновского, Аткарского и др. маслозаводов — более 30 котлов для сжигания лузги подсолнечника паропроизводительностью от 1 до 20 т/ч. При этом основное внимание уделялось мерам снижения натрубных отложений золы и их очистке.
Главным достоинством вихревых топок является возможность удержания в топке и высокоэффективного сжигания легких парусных частиц лузги и длительный период работы котлов между очистками котельных пучков от возгонов и отложений золы. Очистка топки и котельных пучков от отложений золы проводится без останова котла с помощью обдувки, ударно-волновыми и пневмоимпульсными генераторами.
Пониженная зольность лузги даже при вихревом сжигании не обеспечивает достаточной степени черноты топки. С другой стороны, повышенное содержание в золе калия, склонность его соединений к возгонке и осаждение возгонов на холодных стенках экранов существенно подавляет лучистый теплообмен топки и приводит к перегреву топочного объема. Соответственно на сегодня для утилизации многотоннажных потоков лузги выбрано направление создания максимально экранированных удлиненных вихревых топок и комбинации из двух узких, разделенных экранами дубль топок.
На рис. 1 показан вид с фронта на паровой котел Е-25-24РТО, предназначенный для сжигания лузги подсолнечника. Котел с газоплотной дубль топкой, включает три транспортабельных блока: два топочных и блок с двухбарабанным котельным пучком от типового котла КЕ-25-24С. Между средними коллекторами располагается камера дожигания, по бокам от которой установлены две узкие вихревые топки радиального типа.
Топки могут работать независимо и имеют индивидуальные тракты подачи и распределения дутья, лузги и удаления золы. Лузга дозируется и вводится шнеками с частотными приводами, удаление золы механизировано. Вихревые топки выполняются с горизонтальной осью вращения. Радиальная схема, приближение формы вихревых топок к цилиндрической, газоплотное экранирование и активная аэродинамическая обстановка обеспечивают надежное удержание частиц лузги, глубокое выжигание из них горючих, минимум возгонки и отложений золы.
Профиль топочного устройства спроектирован с использованием численного моделирования с подробным изучением аэродинамической обстановки и характера движения частиц.
В целом конструкция котла существенно и принципиально отличается от типовых конструкций. Общий вид котла в ходе монтажа блоков показан на рис. 2.
Рис. 2. Монтаж, стыковка топочных блоков котла Е-25-24РТО.
Сжигание углей и углесодержащих отходов
Дальнейшее развитие вихревой технологии позволило перейти к сжиганию углей и углесодержащих отходов — основного топлива в коммунальной и промышленной энергетике.
Применение угля и углесодержащих отходов экономически выгодно для многих предприятий, особенно в районах угледобычи, но при условии эффективного сжигания. Уголь, среди видов топлива, наиболее стабилен по цене, энергетически высокоэффективен, легко транспортируется, позволяет создавать большие запасы, взрывобезопасен и мало пожароопасен. Углесодержащие отходы в регионах угледобычи имеют отрицательную стоимость (учитываются расходы на складирование и содержание свалок).
Проблема в том, что уголь низкореакционен и относится к числу наиболее трудносжигаемых видов топлива. Недожог угля в топках слоевых котлов малой и средней мощности достигает 40-60%, котлы практически не автоматизируются, их обслуживание требует высокой доли ручного труда и постоянного контроля, тепловосприятие экранов крайне неравномерно и сопровождается частыми пережогами труб.
С другой стороны, применение тонкого помола, топок кипящего слоя, перевод угля в водоугольное топливо и другие новые схемы на сегодняшний день не могут конкурировать со слоевым сжиганием.
Высокая эффективность вихревой технологии на каменных углях была получена при работе первых двух паровых котлов, реконструированных в октябре 2005 г. в п. Благовещенка Алтайского края, с заменой мазута дробленым углем. Котлы ДКВр-20-13ШпВТ выполнены за счет модернизации типовых газо-мазутных котлов ДКВр 20-13ГМ путем установки в топочном объеме вихревых топок.
По результатам эксплуатации котлов были определены следующие показатели:
■ температура уходящих дымовых газов — 134 О С;
■ концентрация SO2 — 0,036 г/м 3 и общий выброс М5о2=0,389 г/с (при норме 3,586 г/с);
■ концентрация NOx — 0,011 г/м 3 и общий выброс ММОх=0,125 г/с (при норме 2,45 г/с);
■ концентрация СО — 0,472 г/м 3 и общий выброс МСО=5,1 г/с (при норме 8,43 г/с);
■ взвешенные частицы — 0,0852 г/м 3 и общий выброс — 0,92 г/с, при норме 1,789 г/с.
В котлах были установлены вихревые топки с вертикальной осью вращения. Далее на этой основе было проведено несколько реконструкций паровых котлов КЕ-25-14С с переводом на вихревое сжигание угля при установке разделительных экранов.
Одним из таких котлов является реконструированный паровой котел КЕ-25-14ШпВТ, переведенный на сжигание технологических отсевов коксовой мелочи. Коксовая мелочь низкореакционна, т.к. она термически обработана и имеет пониженный выход летучих. Естественно она состоит из очень легко уносимых из топки частиц и сжигание подобных отходов проблематично.
При реконструкции использована схема сжигания в вихревой топке с механизированной выгрузкой шлака выгружателями ВШо. Были установлены:
■ вихревая топка с разделительным экраном и газовыпускным окном;
■ система топливоподачи с двумя двухшнековыми питателями, устраняющими просыпку топлива;
■ дополнительный вентилятор — дутье на пневматическую подачу топлива и в завихритель;
■ система возврата уноса.
Механическая топка ТЧЗМ-2,7-5,6 была демонтирована. Удаление шлака из вихревой топки котла осуществляется выгружателями ВШо по существующему каналу золоудаления.
При работе реконструированного котла отмечено интенсивное выгорание подаваемых технологических отсевов кокса даже при подаче со смерзшимися и переувлажненными включениями и снегом. Выбросы оксидов азота и серы составили 270-290 и 550-690 мг/м 3 соответственно. Результаты эксплуатации подтвердили, что в котлах КЕ-25-14ШпВТ могут сжигаться как качественные угли, так и измельченные углесодержащие отходы. Подача в газовыпускное окно острого дутья в совокупности с системой возврата уноса существенно улучшают эффективность топочного процесса.
На рис. 3 представлена схема котлоагрегата с котлом КЕ-10-14ШпВТ, установленного в г. Березовский Кемеровской области, переведенного на вихревое сжигание измельченного угля в вихревой топке.
В топочном объеме котла установлен вертикальный экран и пережимная стена с газовыпускным окном, которые конструктивно выделяют вихревую топку 4 и камеру дожигания. За счет ступенчатого ввода дутья через специальные сопла 6 в вихревой топке формируется активная аэродинамика, позволяющая удерживать летучие частицы топлива в топочной камере вплоть до полного выжигания из них горючих веществ, существенно снижая унос и механический недожог. В нижней части топки установлены два выгружателя шлака 2 типа ВШо с водоохлаждаемыми колосниками и водоохлаждаемыми шурующими планками, предназначенными для шуровки слоя и выгрузки шлака. Топливо подается в топку котла двумя двухшнековыми питателями 3. За ВШо установлен дожигатель шлака (ДШ) 7, предназначенный для удержания шлака, выгружаемого из топки, и глубокого выжигания из него горючих веществ и последующей его выгрузки.
Котел работает с уравновешенной тягой. Дымовые газы, образующиеся при сгорании угля в потоке дутья, подаваемого вентиляторами 9 и 10, охлаждаются в вихревой топке 4, конвективном пучке 5, воздухоподогревателе 8 и экономайзере 11. Далее в золоуловителе 12 они очищаются от золы и дымососом 15 сбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Зола, шлак и очаговые остатки удаляются общими транспортерами 13 и 14 котельной. Унос крупных частиц оседает в бункерах конвективных пучков и возвращается в вихревую топку по системе возврата уноса 17.
В ходе наладочных испытаний проведен анализ эффекта от применения ДШ (см. табл.). Применение ДШ позволяет в 4-5 раз снизить механический недожог. Котел устойчиво работает при нагрузке от 40 до 100%, имеет высокие экологические показатели (СО=30-51 ppm), коэффициент полезного действия составляет 8686,6%.
Таблица. Показатели работы дожигателя шлака (ДШ).
| Нагрузка котла, % | Содержание горючих в шлаке/ механический недожог в шлаке, % | |
| ДШ в режиме выгрузки | ДШ в режиме дожигания | |
| 50 | 8,3/2,43 | 1,6/0,44 |
| 75 | 11,5/3,49 | 2,8/0,77 |
| 100 | 14,1/4,41 | 3,2/0,87 |
Сжигание древесных отходов
Сжигание влажных древесных отходов является одной из наиболее сложных задач. Примером ее решения стала модернизация вновь установленного парового котла в г. Чуна Иркутской обл. в 2010 г. Реконструированный котел ДКВр-6,5-13ВТ переведен на вихревое сжигание древесных отходов в вихревой топке с наклонно-переталкивающей водоохлаждаемой колосниковой решеткой. Модернизированный котел работает параллельно с котлами, оборудованными топками системы Померанцева. По сравнению с существующими котлами вихревая топка с наклонно-переталкивающей решеткой показала повышенную производительность котла на низкокалорийной влажной древесине (влажность рабочей массы до 50-55%).
Следует также отметить применение новых конструкций паровых котлов с вихревым топочным процессом. Так, для г. Апшеронск Краснодарского края спроектирован и изготовлен безбарабанный паровой котел с естественной циркуляцией, паропроизводительностью 2,5 т/ч с встроенными центробежными сепараторами (рис. 4), с использованием модификации конструкции, описанной в [1].
Котел установлен в технологической котельной деревообрабатывающего предприятия, топливо — пыль шлифования древесины. При режимной наладке котел показал малую инерционность топочного процесса, быстрый подъем паропроизводительности; котел может работать в полностью автоматическом режиме.
Внутренние центробежные сепараторы обеспечивают высокую степень сухости пара.
Также на сегодняшний день спроектирована новая модель парового безбарабанного котла с двухступенчатой системой испарения и внешним вынесенным сепаратором пара.
Благодаря безбарабанной схеме паровой котел имеет малые габариты и металлоемкость. Котел работает с высоким давлением, при естественной циркуляции со ступенчатой схемой испарения и промывкой пара. Ступенчатая схема испарения позволяет обходиться минимальными продувками и обеспечивает чистоту большей части поверхностей нагрева котла, приходящуюся на трубные пучки. Продувка автоматизирована. За счет встречного движения питательной воды и пара обеспечивается промывка пара и ступенчатая схема испарения с чистым отсеком в трубных пучках и соленым отсеком во фронтовом экране.
Применение ступенчатой схемы испарения, промывки пара и эффективной центробежной сепарации позволяет также решить вопрос о надежной работе пароперегревателей, т.к. из-за плохого качества воды в некоторых регионах на реконструированных котлах типа КЕ и ДКВр срок службы пароперегревателей из-за отложения в них солей может снижаться до 4-6 мес.
Литература
1. Мынкин К. П. Сепарационные устройства паровых котлов. М.: Энергия, 1971. 190 с.
Источник
