УДК 621.181

ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВИХРЕВОЙ ТЕХНОЛОГИИ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

Тиханов Михаил Васильевич1, Пузырев Евгений Михайлович2
1Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, аспирант, ассистент кафедры «Котло- и реакторостроение»
2Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, доктор теxнических наук, доцент кафедры «Котло- и реакторостроение»

Аннотация
Россия занимает одно из первых мест в мире по запасам твердого топлива. Однако доля электроэнергии, вырабатываемой при использовании угля, составляет всего 26%. Согласно энергетической стратегии России на период до 2030 года [1, ч.6] предполагается увеличить долю угля в топливо-энергетическом балансе страны до 34-36%. В то же время как к вновь создаваемому, так и к модернизируемому котельно-топочному оборудованию предъявляются жесткие требования по уровню выбросов в атмосферу газообразных загрязнителей. Энергетическая стратегия России предусматривает развитие угольной энергетики на базе новых экологически чистых технологий использования угля. Перспективной технологией, удовлетворяющей требованиям стратегии, является низкотемпературная вихревая (НТВ) технология сжигания твердого топлива.

Ключевые слова: , , , , , , ,


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Тиханов М.В., Пузырев Е.М. Опыт внедрения низкотемпературной вихревой технологии сжигания твердых топлив // Современные научные исследования и инновации. 2021. № 1 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2021/01/94461 (дата обращения: 25.11.2021).

Концепция НТВ-сжигания топлива и топочное устройство для реализации этой технологии были разработаны в Ленинградском политехническом институте (ЛПИ, ныне Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого) командой под руководством профессора В.В. Померанцева [2, с.43]. Аэродинамическая схема предложенной топки обеспечивает вихревой метод сжигания с горизонтальной осью вращения (рисунок 1). Топочное устройство получило название «топка ЛПИ».    

Рисунок 1. Линии тока в модели топки котла с низкотемпературным вихрем

 

Принцип НТВ-сжигания заключается в многократной циркуляции груборазмолотого твердого топлива в топочной камере. Топливо с большей частью воздуха (около 70% от общего количества) подается в топочную камеру через прямоточные горелки, расположенные на фронтовом экране с наклоном вниз. Оставшаяся часть воздуха (около 30% от общего количества) подается через сопла, расположенные в нижней части топочной камеры (рисунок 1). Топливовоздушные струи и струи нижнего дутья направлены тангенциально к условной горизонтальной оси, тем самым создавая вихрь и как следствие многократную циркуляцию топлива в топочной камере. По мнению авторов топочного устройства, многократное возвращение горящих топливных частиц в зону подачи окислителя создает благоприятные условия как для воспламенения свежей порции топлива, так и для догорания крупных частиц. Кроме того, такая технология должна обеспечить выравнивание температур в топке – обеспечить интенсивный теплоотвод из ядра горения. Отсутствие в топке локальных зон с высокой температурой благоприятно влияет на снижение вредных выбросов. Также равномерное распределение температур в топочной камере позволяет резко снизить шлакование поверхностей нагрева, интенсифицируя тем самым теплоотвод в топочной камере.

После проведенных лабораторных исследований аэродинамики топки ЛПИ были произведены попытки внедрения технологии для сжигания сланцев и бурых углей.

Котлы, работающие на сланцах, испытывают проблемы, связанные с интенсивным шлакованием поверхностей нагрева и как следствие снижением производительности ниже расчетной. С учетом этого первый опыт внедрения топки ЛПИ был произведен на котлах БКЗ-75-39 ТЭЦ Ахтме и Прибалтийской ГРЭС [3, с.48]. Первыми результатами внедрения топки ЛПИ стали снижение температуры в ядре горения и повешение производительности котлов. Максимальная нагрузка котлов повысилась, но все же оставалась ниже расчетной. Для повышения максимальной нагрузки и дальнейшего снижения максимальной температуры в топочных камерах котлов были установлены ширмовые поверхности нагрева. Это позволило достичь безшлаковочной номинальной нагрузки котлов 75 т/ч и еще больше снизить уровень температур. Интенсивность загрязнения топки и пароперегревателя на Прибалтийской ГРЭС уменьшилась настолько, что скорость нарастания температуры газов за пароперегревателем не превышала 0,6ºС/сут, несмотря на отсутствие регулярной очистки поверхностей нагрева. Немаловажным достоинством технологии явилось снижение затрат электроэнергии на размол топлива на 20-25% в связи с угрублением размола.  Негативным моментом стало увеличение тепловых потерь с провалом недогоревшего топлива в систему шлакоудаления. Потери тепла от механического недожога составили 0,5-1,5%. Также возникли трудности, связанные с забиванием жалюзийного золоуловителя.

Первых опыт внедрения топки ЛПИ для сжигания бурых углей был произведен на Иркутской ТЭЦ-10, на дубль-блоке мощностью 150 МВт. На станции наблюдалась ненадежная (с точки зрения взрывобезопасности) работа пылесистем и шлакование как топочных, так и конвективных поверхностей нагрева. Результатами реконструкции стало снижение температуры факела на 150-180ºС и увеличение длительности котла без шлакования топки и конвективных поверхностей нагрева. Недостатком данной технологии оказался, как и в случае с сжиганием сланцев, повышенный провал несгоревшего топлива в систему шлакоудаления. При разных значениях избытка воздуха и разных размерах куском топлива потери тепла с механически недожогом составили 1,5-4%. Вторым существенным недостатком топки с низкотемпературным вихрем оказался интенсивный износ фронтового и заднего экранов.

Результаты испытания реконструированных котлов показали, что наряду с несомненными достоинствами (отсутствие мельниц, повышение теплопроизводительности топочных экранов, возможность работы без очистки поверхностей нагрева и др.) технология еще требует серьезных доработок в плане уменьшения механического недожога топлива и интенсивности износа труб фронтового и заднего экранов.

Данная технология привлекла интерес ученых и на свет стали появляться различные модификации НТВ-топок для сжигания твердых топлив.

Попытка внедрения НТВ-технологии для сжигания низкосортных бурых углей Южно-Уральского бассейна (известны как башкирские угли) была предпринята на Кумертауской ТЭЦ, где на НТВ-сжигание был переведен котел ТП-14А [4, с.14]. Котел ТП-14А имеет следующие параметры: номинальная паропроизводительность 220 т/ч, температура перегретого пара 540ºС, давление перегретого пара 9,8 МПа. Башкирские бурые угли отличаются высокой влажностью 52-56% и высокой зольностью 23-30%, что определяет их низкую теплоту сгорания. В связи с постоянным ухудшением качества топлива на станции увеличилось потребление угля с 19 до 25 кг/с. В связи с этим существующие пылеприготовительные системы не могут обеспечить номинальную паропроизводительность котлов. Для стабилизации работы и обеспечения паровой нагрузки котлов в топках дополнительно сжигают природный газ, доля которого по тепловыделению доходит до 50-70 %.

Для усиления вихревого движения на фронтовой стене в районе горелок выполнен пережим топки в виде аэродинамического выступа на 1/3 ее глубинs. Устье топочной воронки перекрыто (в плане) задним ее скатом. Комбинированные пылегазовые горелки смонтированы под углом 45° к горизонту на нижней образующей пережима, а сопла нижнего дутья размещены в устье топочной воронки по всей ширине топки. В ходе реконструкции упрощена система пылеприготовления, в результате чего увеличилась размольная способность на 120%. Перевод котла на НТВ-сжигание обеспечил устойчивое воспламенение и горение высоковлажных углей во всем диапазоне нагрузок котла; взрывобезопасность пылесистемы благодаря угрублению помола; отсутствие шлакования в топочной камере котла. Однако сохранение в условиях газовой сушки рециркуляции топочных газов способствовало затягиванию процесса воспламенения и ухудшению условий выгорания топлива. В результате тепловые потери от механического недожега оказались повышенными до 1…3 % (по сравнению с нормативным для данного топлива значением 0,5 %). После 11363 ч работы котла по схеме НТВ-сжигания был проведен ультразвуковой контроль экранной системы вихревой зоны топки, в результате которого на заднем скате топочной воронки были обнаружены области эрозионного износа. Анализ показал [5, с.27], что износ поверхностей нагрева был вызван повышенным динамическим воздействием на них горелочного потока.

Первая реконструкция на НТВ-сжигание каменного угля была выполнена на котле ТП-230-2 Первомайской ТЭЦ “Ленэнерго” [6, с.218]. Паровой котел ТП-230-2 имеет следующие параметры: номинальная паропроизводительность 230 т/ч, температура перегретого пара 510ºС, давление перегретого пара 9,8 МПа. КПД котла в период работы на нагрузках 70-80% от номинальной составлял 83-87%, тепловые потери от механического недожога 5-9%. Работа котла сопровождалась интенсивным шлакованием амбразур горелок.

Перевод котла на НТВ-сжигание осуществлен путем монтажа щелевых горелок на фронтовой стене топки с наклоном вниз под углом 45°, а также размещения в устье топочной воронки СНД соплового типа (в виде ленты по всей ширине топки) и чугунных плит (для борьбы с провалом топлива). Первый этап наладочных работ выявил ряд недостатков в конструкции: неудачный подвод вторичного воздуха в горелки обусловил ухудшенное воспламенение топлива и, как результат, повышенное содержание горючих в уносе (до 30…40 %) и рост потерь тепла с механическим недожогом до 11-16 %. После устранения недостатков работа котла улучшилась. При работе на кузнецком угле в диапазоне рабочих нагрузок 78-100% шлакование амбразур и поверхностей нагрева в топке отсутствовало, тепловые потери и КПД котла примерно соответствовали уровню до реконструкции. Тепловая эффективность работы топки при этом несколько повысилась, что привело к снижению температуры газов на выходе из топки и за пароперегревателем (примерно на 40-50 ºС) и обусловило дефицит перегрева пара (примерно на 10-15ºС).

Для проверки возможности сжигания донецкого каменного угля в НТВ топке был реконструирован паровой котел ТП-38 на ТЭЦ Ижорского завода [7, с.130]. Паровой котел ТП-38 имеет следующие параметры: номинальная паропроизводительность 150 т/ч, температура перегретого пара 420ºС, давление перегретого пара 3,3 МПа.

Перевод котла на НТВ-сжигание осуществлен путем монтажа щелевых горелок на фронтовой стене в виде сплошной ленты по всей ширине топки (с целью создания аэродинамической завесы потокам нижнего дутья) с наклоном вниз под углом 55°, а также размещения в устье топочной воронки СНД соплового типа (в виде ленты по всей ширине топки). Однако попытка не увенчалась успехом. При наилучшем воздушном режиме удалось получить КПД котла в районе 85-88% и потери тепла с механическим недожогом 3,5-6%, что ниже расчетных данных. Однако при незначительной разбалансировке воздушного режима наблюдался резкий рост тепловых потерь до 10-12%. Стоит отметить положительный результат внедрения НТВ технологии – отсутствие шлакования топки и конвективных поверхностей нагрева.

Еще одним примером использования НТВ-технологии для сжигания каменного угля является реконструкция котлов БКЗ-85-13 ТЭЦ МУП «Южная тепловая станция» города Рубцовска [8, с.70]. В результате снижения качества топлива, а также физического износа оборудования показатели работы котлов резко ухудшились. Котлы работали при повышенном расходе мазута на подсветку (до 60% по теплу) и КПД не превышал 70%.

В ходе реконструкции была заменена топочная камера. В средней части топочной камеры, на фронтовом экране, сформирован фронтовой аэродинамический выступ, предназначенный для формирования вихря. В верхней части топочной камеры, на заднем экране, сформирован задний аэродинамический выступ, предназначенный для улучшения аэродинамики газового потока на выходе. Три пылеугольных горелки щелевого типа установлены на фронтовом экране с наклоном 45º вниз. Три Мазутные горелки установлены на вертикальном участке фронтового экрана, расположенном между скатом холодной воронки и аэродинамическим выступом. Система нижнего дутья с соплами щелевого типа выполнена в двухсопловом варианте и состоит из трех блоков, размещенных в устье «холодной» воронки под задним экраном по всей ширине топки котла.

В результате модернизации котла БКЗ-85-13 с переводом на НТВ-сжигание получены следующие результаты:

1. Повышена до 100 т/ч (на 18 %) номинальная паропроизводительность котла и обеспечена его устойчивая работа на кузнецком каменном угле в диапазоне нагрузок 50-105% без подсветки факела мазутом.

2. КПД котла в рабочем диапазоне нагрузок 80-105% составляет 90,5–91,2 %.

3. Выбросы газовых загрязнителей (оксидов азота и оксидов серы) не превышают установленных требований при сжигании проектного топлива.

Котел БКЗ-220-110 Новомосковской ГРЭС спроектирован Барнаульским котельным заводом (БКЗ) для работы на подмосковном буром угле [9, с.61]. Значительное колебание теплотехнических характеристик топлива в зависимости от места добычи вызывает целый ряд проблем в работе котельно-топочного оборудования. Основные из них:

  • повышенные выбросы оксидов азота из-за высокой температуры факела;
  • шлакование поверхностей нагрева топки и, как следствие, ограничение максимальной нагрузки котла равной 160 т/ч;
  • необходимость подсветки факела мазутом;
  • система топливоподачи не справляется с нагрузкой котла из-за постоянного ухудшения качества топлива;
  • повышенное содержание в топливе трудно размалываемых включений колчедана приводит к быстрому износу бил мельниц;
  • Эксплуатационный КПД-брутто котлов находится на уровне 86…88%, что ниже проектных значений.

Организация НТВ-процесса в котле осуществлена путем реконструкции топочной камеры и горелок (с целью создания вихревой аэродинамики, позволяющей обеспечить сжигание груборазмолотого топлива при его многократной циркуляции) и реконструкции пылеприготовительной установки (для угрубления помола). На фронтовой стене топочной камеры выполнен аэродинамический выступ. Скат заднего экрана перекрывает устье холодной воронки в плане (по осям труб фронтового и заднего экранов). В аэродинамическом выступе размещены восемь щелевых прямоточных горелок. На вертикальном участке фронтового экрана, расположенном между скатом холодной воронки и аэродинамическим выступом, установлены 4 растопочных газомазутных устройства пылеугольных горелок. На задней стене топочной камеры размещены два яруса сопла третичного дутья. В устье холодной воронки размещена система нижнего дутья.

Основными результатами реконструкции стало:

  • Концентрации оксидов азота в уходящих газах при работе на угле составили 200…250 мг/нм3;
  • Котел устойчиво работает на подмосковном буром угле без подсветки факела в диапазоне нагрузок 57-100% с обеспечением номинальной температуры перегрева;
  • КПД (брутто) котла увеличился на 2…4%;

Негативным моментом при выполнении реконструкции стал повышенный провал недогоревшего топлива с систему шлакоудаления. Потери тепла с механическим недожогом оказались на 1…1,5% ниже нормативных.

Техническое перевооружение котла высокой паропроизводительности на НТВ-технологию сжигания было произведено на Назаровской ГРЭС [10, с.128]. Котел П-49 прямоточный, состоит из двух корпусов и имеет паропроизводительность 1600 т/ч. В качестве топлива применяется сушенка назаровского бурого угля, поступающая с центрального пылезавода, размещенного в отдельном здании.

Длительный опыт эксплуатации на назаровских бурых углях показал, что работа котла П-49 характеризуется следующими недостатками:

  • выбросы оксидов азота превышают нормативные значения и составляют 1000…1200 мг/нм3;
  • максимальная длительная нагрузка котла составляет 75…80% от номинальной (1200…1280 т/ч) по условию шлакования ширмовых поверхностей нагрева;
  • фактический КПД брутто котла находится на уровне 88…89 % при расчетном – 92 %.

Новая топочная камера призматической формы представляет собой частично газоплотную блочную конструкцию. Панели НРЧ выполнены из цельносварных панелей заводского изготовления, панели СРЧ негазоплотные. В нижней части топки фронтовой и задний экраны образуют скаты “холодной” воронки, которые перекрывают друг друга в плане на 50 мм. В нижней части “холодной” воронки трубами фронтового и заднего экрана сформировано устье для выхода шлака из топки. В средней части топки панели фронтовой стены НРЧ образуют фронтовой аэродинамический выступ. На нижней образующей фронтового аэродинамического выступа установлены 12 новых пылеугольных горелок. Система нижнего дутья выполнена в двухсопловом варианте и размещена в устье “холодной” воронки под задним экраном по всей ширине топки котла.

В результате технического перевооружения котла П-49 удалось добиться работы котла в диапазоне рабочих нагрузок 1000-1600 т/ч с поддержанием расчетных параметров пара. Выбросы оксидов азота удалось снизить до 470 мг/нм3, что гораздо ниже исходных параметров, но все же выше нормативных значений. КПД котла после технического перевооружения составляет 90…93%.

Еще одним примером перевода котла высокой производительности на вихревое сжигание является котел Пп-1650-255 Экибастузской ГРЭС-1. В котле сжигались угли экибастузского и майкубенского бассейна [11, с.93]. Работа котла сопровождалась сильным шлакованием радиационных и полурадиационных поверхностей нагрева. Шлакование поверхностей нагрева приводило к нарушению устойчивости топочного процесса, снижению паровых нагрузок, повышению расчетной температуры перегретого пара. Шлакование по ширине котла происходило неравномерно, как следствие возникали тепловые перекосы. Это приводило к тому, что различные трубки пароперегревателя работали в разных условиях. Ухудшалось охлаждающее действие лучевоспринимающих поверхностей, что усиливало шлакование. Происходила разверка температур по змеевикам, что приводило к разрыву труб. Тем самым снижалась эксплуатационная надежность всего агрегата – учащались остановы.

В объем реконструкции котла вошли следующие узлы:

  • модернизированы 12 горелок нижнего яруса. В существующую амбразуру смонтирована прямоточная горелка с наклоном сопла на выходе в топку под углом 40 градусов вниз;
  • смонтировано устройство нижнего дутья под устьем холодной воронки в шлаковом бункере для ввода в нижнюю часть топки части горячего воздуха;
  • смонтированы четыре нитки воздуховодов нижнего дутья от существующих коробов вторичного воздуха нижнего яруса к соплам устройства нижнего дутья;
  • модернизация сепараторов выполнена для возможности регулирования тонины помола от штатного значения до угрубленного помола.

В результате реконструкции были получены как положительные, так и отрицательные результаты. Положительные результаты:

  • бесшлаковочная мощность энергоблока при работе на майкубенском угле увеличилась на 100 – 120 МВт;
  • выбросы оксидов азота уменьшились на 30-35 %;
  • наработка мелющих элементов мельниц (бил) увеличилась в среднем в 2 -2,5 раза;
  • перевод на сжигании различных марок углей без останова блока (режимными методами);
  • показатели концентрации серы оказались в пределах требований для котельных установок при сжигании всех экспериментальных марок топлива.

Был выявлен ряд отрицательных моментов:

  • повышенный абразивный износ панелей нижней радиационной части экранов;
  • непрерывное шлакование холодной воронки;
  • значительно выросли потери с механическим недожогом;
  • недостаточен перегрев острого пара;
  • сильный износ обмуровки шлаковых комодов шлакоудаления и холодной воронки котла.

Почти двухлетний период эксплуатации позволил в полной мере оценить результаты реконструкции котла ПП-1650-255. Оценив все отрицательные стороны реконструкции котла, было решено признать реконструкцию как не оправдавшую ожиданий. И следующую ремонтную компанию в 2011 году демонтированы воздуховоды и устройство нижнего дутья, восстановлены вихревые горелки нижнего яруса.

В заключение следует отметить, что НТВ-технология сжигания твердых топлив зарекомендовала себя как перспективная технология, обладающая такими несомненными достоинствами, как:

  • равномерное поле температур в топочной камере благодаря вихревому движению благоприятно сказывается на период безшлаковочной работы и на экологические показатели котла;
  • угрубление помола топлива позволяет значительно упростить систему топливоподготовки и уменьшить затраты электроэнергии на помол топлива;
  • вихревое движение топливных частиц позволяет более полно использовать поверхность нагрева топочной камеры, тем самым повысить паропроизводительность.

Однако опыт НТВ-сжигания показал, что при определенных условиях возникают повышенный механический недожог топлива, эрозионный износ поверхностей нагрева, недостаточный перегрев пара.

Первые две проблемы в основном были связаны с несовершенством конструкции вихревой топки и горелочно-сопловых устройств, а в ряде случаев возникали при работе на чрезмерно угрубленном топливе. Недостаток перегрева был обусловлен скудностью экспериментальных данных о теплообмене в вихревых топках и, как следствие, ошибками в расчетах. Для дальнейшего развития НТВ-технологии и доведения ее до совершенства необходимы теоретические и экспериментальные исследования.


Библиографический список
  1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена распоряжением Правительства РФ 13.11.2009 № 1715-р.
  2. Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 104 с.
  3. Рундыгин Ю.А., Семенов А.Н., Мааренд Я.А. Опыт низкотемпературного сжигания сланцев в энергетических котлах // Теплоэнергетика. 1984. №5.
  4. Повышение эффективности работы котла ТП-14А при сжигании высоковлажных бурых углей / Ю.А. Рундыгин, В.Е. Скудицкий, К.А. Григорьев и др.  // Энергетик. 1988. № 9. С. 14, 15.
  5. Григорьев К.А. Совершенствование подготовки и сжигания низкосортных бурых углей с целью повышения эффективности их энергетического использования в низкотемпературных топках: Дис. канд. техн. наук / Санкт-Петербургский госуд. техн. ун-т. СПб, 1997. 246 с.
  6. Дульнева Л.Т. Освоение и исследование сжигания углей в вихревых топках парогенераторов: Дис. канд. техн. наук / Ленингр. политехн. ин-т. Л., 1979. 218 с.
  7. Исследование процессов горения при многократной циркуляции частиц в топке котла № 4 Ижорского завода, наладка и пуск котла в указанном режиме, организация его эксплуатации: Отчет о НИР / ЛПИ; Руководитель В.В. Померанцев– № ГР 68073775; Инв. № Б 193161.– Л., 1971. 130 с.
  8. Тринченко Алексей Александрович, Парамонов Александр Павлович Внедрение низкотемпературного вихревого сжигания для энергетического использования каменных углей // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2015. №4 (231).
  9. Тринченко А.А. Внедрение низкотемпературной вихревой технологии сжигания в энергетических котлах как способ повышения их экологических показателей // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2014. № 4.
  10. Скудицкий В.Е. Внедрение низкотемпературной вихревой технологии сжигания на блоке 500 МВт на Назаровской ГРЭС / В. Е. Скудицкий, Р.Г. Аношин, К.А. Григорьев, В.В. Михайлов // II Международная научно-техническая конференция «Использование твердых топлив для эффективного и экологически чистого производства электроэнергии и тепла» – М.: ОАО «ВТИ», 2014. С. 128–135.
  11. Баранов В.Н. Опыт реконструкции котла П-57-3М энергоблока 500 МВт Экибастузской ГРЭС-1 применением вир-технологий для сжигания майкубенского угля / В. Н. Баранов, Б. Б. Рядинский, Е. Н. Яганов, С. Ф. Николаев // Теплофизика и энергетика: конференция с международным участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике»: тезисы докладов. – Екатеринбург: УрФУ, 2013. – 202 с.


Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Тиханов Михаил Васильевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация