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.