Топка МЭИ с пересекающимися струями

ВВЕДЕНИЕ

Процесс горения органического топлива несколько десятилетий остается в центре внимания теплоэнергетиков. Создание, освоение и совершенствование топочных устройств с факельным методом сжигания, как правило, сопровождается попытка­ми интенсифицировать процессы воспламенения и выгорания топлива, с тем, чтобы уменьшить габариты топочной камеры. Это позволило бы сократить высоту котла, а значит, - снизить расходы на сооружение и ремонт не только собственно котла, но и главного корпуса электростанции.

Особенно заметным процесс создания форсированных топоч­ных устройств стал в послевоенные годы, когда во многих стра­нах быстрыми темпами началось увеличение единичных мощ­ностей котельных установок. В послевоенные годы крупными считались котлы паропроизводительностью 200 т/ч, с середины 50-х годов в США работали котлы паропроизводительностью по 750 т/ч (моноблоки по 250 МВт на ТЭС Галлатин), а советские энергетики разрабатывали котлы к дубль-блокам мощностью 300 МВт. В конце 50-х годов на ТЭС Брид и Филип Спорн (США) были сданы в эксплуатацию котлы производительностью 1320 т/ч (моноблоки 450 МВт). В Европе также сооружались мощные котлы, высота которых достигала нескольких десятков метров.

Именно в эти годы в энергетике США, ФРГ и СССР начали применяться высокофорсированные циклонные предтопки, которые обеспечивали экономию по площади до 15% и по объе­му - до 20% по сравнению с обычными пылеугольными установ­ками.

Первый промышленный котел с горизонтальным циклоном начал работать в 1944 г. в США. Советскими энергетиками был разработан и внедрен в 1951 г. на Закамской ТЭЦ котел с верти­кальным циклонным предтопком [1]. Позже котлы с вертикаль­ными (типа KSG) и с горизонтальными циклонными предтопками появились в ФРГ и в других промышленно развитых странах. В 1958 г. в СССР был сдан в эксплуатацию котел с горизонталь­ными циклонными предтопками на ТЭЦ-14 Ленэнерго, несколь­ко позже - на ТЭЦ-17 Ленэнерго и на Кузнецкой ТЭЦ (г. Ново­кузнецке, с. 1966 г. начали работать такие же котлы паропроизводительностью по 220 т/ч на Черкасской ТЭЦ. Котлы с верти­кальными циклонными предтопками системы ВТИ длитель­ное время работали на Мироновской и Ангренской ГРЭС.

Все эти циклонные камеры имели высокие тепловые напря­жения объема: от 1,75 МВт/м3 для вертикальных до 4,65МВт/м3 для горизонтальных циклонов, поперечного сечения - от 11,6 до21,0МВт/м².

В процессе разработки и исследования первых промышлен­ных котлов с циклонными предтопками предполагалось, что они будут универсальными, т.е. не чувствительными к измене­нию характеристик сжигаемого топлива. Ожидалось также, что высокое шлакоулавливание в циклонной камере позволит уменьшить опасность шлакования и загрязнения конвективных поверхностей нагрева и снизить выбросы золы в атмосферу. Возможность отключения части циклонов позволила надеять­ся на глубокое регулирование нагрузки таких котлов. Но глав­ным достоинством считалось уменьшение габаритов и повыше­ние КПД котлов как за счет снижения расхода электроэнергии на приготовление топлива, так и за счет уменьшения коэф­фициента избытка воздуха с обычных значений

  до

В какой-то степени эти надежды были вызваны широкой рекламой, развернутой зарубежными котлостроительными фирмами, главным образом Бабкок-Вилкокс (США) и KSG (ФРГ). Все это заставило ведущие отраслевые институты ВТИ, ЦКТИ, МОЦКТИ, ЭНИН, КазНЙИЭ, многочисленные кафедры учебных институтов МВТУ, ЛПИ, УПИ развернуть интенсивное изучение процесса горения применительно к циклонным топочным камерам, тем более, что упорядоченная аэродинамика циклон­ных камер открывала большие возможности для аналитических и экспериментальных исследований в этой сравнительно новой и, казалось, перспективной области энергетики.

В результате сложилась несколько парадоксальная ситуация, на которую обратил внимание доктор техн. наук М.А. Наджаров, отметив, что, несмотря на совершенно незначительное по срав­нению с США и ФРГ промышленное применение энергетичес­ких циклонных топок на отечественных электростанциях, советские научные работы по исследованию структуры циклон­ного и вихревого процессов сжигания твердого топлива остав­ляют далеко позади себя как по количеству, так и по качеству известные нам зарубежные публикации по этому вопросу [2].

Вместе с тем, опыт эксплуатации котлов с циклонными предтопками не подтвердил надежд на их универсальность по отношению к сжигаемому топливу. Более того, циклонные предтопки оказались весьма требовательны к качеству и ста­бильности характеристик топлива. Полнота тепловыделения в циклонах составляла только 0,85-0,9, в результате чего макси­мальная температура в циклонах оказалась ниже расчетной. Наблюдались случаи зашлаковки леток горизонтальных цикло­нов что приводило к вынужденным остановам котла, так как расшлаковка циклонных леток на ходу невозможна. Из-за высокого давления на периферии циклонных камер (7-8 кПа) ужесточались требования к герметичности их обшивки. Слож­ной проблемой оказалось обеспечение плотности в месте при­соединения циклонов к камере охлаждения.

Можно назвать еще несколько причин, которые сначала тормозили широкое внедрение циклонных предтопков в энерге­тике, а позже заставили вообще отказаться от таких котлов. Это, во-первых, сложность изготовления и монтажа циклонных предтопков, а также более высокая трудоемкость при проведе­нии ремонтно-восстановительных работ. Во-вторых, это высокие требования к квалификации обслуживающего персонала из-за повышенной сложности котлов с циклонными предтопками.

Опыт эксплуатации различных топочных устройств показал, что в отношении универсальности и маневренности циклонные топки не превосходят обычных пылеугольных топок. При этом циклонные топки всех типов заметно превосходят однокамер­ные пылеугольные топки по своей стоимости, трудозатратам на изготовление, монтаж и ремонт. Кроме того, циклонным предтопкам свойственно повышенное образование оксидов азота из-за высоких тепловых напряжений объема и соответственно высокой температуры горения.

Все это предопределило отказ от широкого внедрения котель­ных установок с циклонными предтопками в энергетике, но не убавило стремления к интенсификации топочного процесса с целью уменьшения габаритов топочной камеры и повышения степени унификации топочных устройств.

Для решения этой проблемы на новом этапе специалисты пошли по пути создания оригинальных однокамерных топочных устройств, которые сохраняли некоторые преимущества циклон­ного принципа сжигания, но позволяли избавиться от сооруже­ния сложных циклонных предтопков. Вниманию энергетичес­кой общественности были предложены топка МЭИ с пересекаю­щимися струями, топки ВТИ с встречно-наклонным располо­жением прямоточных горелок (гамма-топка), вихревая топка ЦКТИ и топка с низкотемпературным вихрем ЛПИ. Примерно в те же годы в связи с проблемой защиты атмосферы от вредных выбросов и с учетом снижения качества твердых топлив появля­ется большей спрос на котлы с охлаждаемым кипящим слоем. Несколько позже были развернуты работы по исследованию кольцевой топки Сибтехэнерго, прямоточно-вихревой топки МЭИ-ЦКБ НПО "Энергоремонт" и некоторых других конструкций.

В настоящее время накоплен большой объем лабораторных полупромышленных исследований, связанных с разработку конструкций перечисленных топочных устройств. Некоторые и них внедрены при реконструкции действующих котлов: топка, МЭИ с пересекающимися струями, гамма-топка ВТИ, ряд топок с кипящим слоем, другие топки были сооружены на котлостроительных заводах: котел ТПЕ-427 с вихревой топкой ЦКТИ, коте; БКЗ-420-140 с низкотемпературным вихрем ЛПИ, коте; Е-820-13,9 с кольцевой топкой.

Рассмотренный в книге материал свидетельствует о том, что специалисты по горению в отраслевых институтах и на кафедpax ВУЗов совместно с конструкторами КБ и котлостроительных заводов добились определенных успехов в создании более совершенных топочных устройств. Предложенные схемы топоч­ных устройств обладают некоторыми существенными преиму­ществами перед традиционными пылеугольными топками с факельным методом сжигания. Почти все они позволяют нес­колько снизить габариты топочных камер благодаря раннему воспламенению и форсированному выгоранию угольной пыли. Некоторые конструкции топок снижают интенсивность шлако­вания топочных экранов и уменьшают загрязнение конвектив­ных поверхностей нагрева. Благодаря этому удается повысить бесшлаковочную мощность котлов, а также избавиться от сложных систем очистки поверхностей нагрева.

В большинстве случаев специальные топочные устройства снижают образование токсичных оксидов азота, а в некоторых случаях - также агрессивного триоксида серы. Топки с кипя­щим слоем даже без добавки кальцийсодержащих присадок значительно уменьшают выбросы диоксида серы (особенно при достаточно высоком содержании оксида кальция в минераль­ной части топлива). Таким образом, и с экологической точки зрения конструкции специальных топочных устройств обладают определенными преимуществами.

 

 

Глава первая

Глава вторая

ПОЛУОТКРЫТАЯ ТОПКА ВТИ

ГОРЕЛОК (ГАММА-ТОПКА)

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ

ВИХРЕВАЯ ТОПКА ЦКТИ

Глава пятая

ДРУГИЕ ПРИМЕРЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТОПОК ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ

ДВУХКАМЕРНАЯ ТОПКА ФИРМЫ БАБКОК-ВИЛКОКС (США)

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

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

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

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

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

 

 

 воз .

 

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

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

Исследования, проведенные на этой установке, показали, что по мере снижения коэффициента избытка воздуха в предтопке от 0,9 до 0,5 концентрация NQ_X за предтопком линейно умень­шается от 630 до ПО мг/м³ (в пересчете на N0₂ при 0₂ = 3%). Од­нако после дожигания продуктов неполного сгорания в основ­ной топке зависимость NО_х от избытка воздуха приобретает экс­тремальный характер: минимальная концентрация NO_х (250 мг/ м³ при рециркуляции 15% дымовых газов и 350.мг/м без рецир­куляции) получена при a ₁ = 0,6÷0,75. При меньших a ₁ тепловы­деление в Предтопке незначительно, но в основной топке азот­содержащие компоненты в большей степени окислялись до NO. При a ₁ =0,8÷0,9 во второй ступени горения наблюдалось снижение концентрации NO_x с 600 до 500 мг/м³ без рециркуляции и до 380 мг/м³ при г= 15%. Снижение нагрузки предтопка также, как и увеличение рециркуляции, уменьшало концентра­цию NO_x за котлом.

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

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

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

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

ПРЕДТОПОК ФИРМЫ TRW (США)

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

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

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

Глава шестая

ТОПКИ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ

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 800-900^сС, 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, C 0₂, 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