Работа низкотемпературной вихревой топки ЛПИ при сжигании бурых углей

ЛПИ проверил эффективность топки с низкотемпературным вихрем при сжигании бурых углей. Первая такая проверка осуществлена на Иркутской ТЭЦ-10, на дубль-блоке мощностью 150 МВт, оборудованном котлами ПК-24. Эти котлы рассчитаны на сжигание черемховского каменного угля, но основным топливом для ТЭЦ стал азейский бурый уголь с влажностью 17-26%, зольностью 6-22%, выходом летучих 43-48% и теплотой сгорания 16,2-19,8 МДж/кг [34].

Прямоточный котел ПК-24 имеет номинальную производи­тельность 270 т/ч и параметры пара 13,7/2,7 МПа, 545/545°С. При работе на азейском буром угле отмечались ненадежная (по условиям взрывобезопасности) работа пылесистем и шлакова­ние как топочных, так и конвективных поверхностей нагрева.

Для устранения этих недостатков и одновременно для повы­шения паропроизводительности котла выполнена реконструк­ция топки. Вместо двух ярусов прямоточных горелок, 50

Рис. 25. Схема котла ПК-24, реконст­руированного по схеме [34]:

1 — топочная камера; 2 — ширмовый пароперегреватель; 3 — конвек­тивная шахта; 4 - верхний козырек; 5 - третичное дутье (верхнее и нижнее); 6 - сопла нижнего дутья; 7— надгорелочный козырек; 8 — горелка; 9 — шнековый питатель

расположенных вблизи углов прямоугольной топочной камеры, уста­новлены четыре фронтовые щелевые горелки, наклоненные вниз под углом 45° (рис. 25). Через эти горелки в топку подава­лись дробленое топливо и часть воздуха. Остальной воздух подавался через сопла нижнего дутья, смонтированные по всей ширине котла, а также через верхние и нижние сопла заднего дутья. Выход из холодной воронки перекрыт поворотными заслонками, охлаждаемыми технической водой, над горелками и на задней стенке (на выходе из топки) смонтированы аэроди­намические козырьки.

Система пылеприготовления была демонтирована, а дробле­ный уголь в окончательном варианте подавался из бункера сырого угля к горелкам четырьмя двухшнековыми питателями. При нормальной работе котла через горелки поступало 45-50% всего воздуха (W_T = 28-КЗЗ м/с), через сопла нижнего дутья 40% (W_H = 90 м/с), остальной воздух поступал через сопла заднего дутья со скоростью 20-25 м/с.

После наладочных испытаний и нескольких этапов реконст­рукции проведены новые испытания. В двух сериях опытов, отличающихся максимальным размером кусков топлива, сжи­гался азейский бурый уголь. Максимальная температура факе­ла в топке не превышала 1300°С, что на 150-180°С ниже, чем на этом же котле до реконструкции. Снизилась температура и на выходе из топки. В результате удалось обеспечить длительную работу котла без шлакования топки и конвективных поверх­ностей нагрева.

При проведении опытов с разными избытками воздуха уста­новлено, что максимальный КПД котла достигается при коэф­фициенте избытка воздуха за конвективным пароперегревате­лем а_кпп = 1,35÷1,40. При снижении избытка воздуха рост по­терь с механическим недожогом опережает снижение потерь с  уходящими газами. И даже при таких высоких избытках возду­ха потери д₄ составляли 3-4%.

Опыты с разным распределением воздуха, показали, что минимальные значения <j₄ наблюдаются при отношении коли­чества движения потоков воздуха из горелок и из сопл нижнего дутья, равном 0,3-0,4. И вместе с тем необходимо поддерживать высокие скорости нижнего дутья (80-90 м/с), чтобы не завалить эти сопла кусками топлива.

Сравнение технико-экономических показателей исследуемо­го котла с обычным котлом той же Иркутской ТЭЦ-10 показало, что котел с низкотемпературным вихрем имеет КПД (брутто) на 3,7-4,2% ниже, чем котел с прямоточными угловыми горелками. Выигрыш КПД нетто из-за ликвидации пылесистемы оказался не столь существенным, так как возросли расходы на тягу и дутье. Все эти результаты получены при сжигании дробленки с максимальным куском от 40 до 60 мм. Часть опытов во второй серии проведена с более мелкой дробленкой, из которой были удалены куски с размером более 30 мм. В этих опытах технико-экономические показатели котла оказались несколько выше, потери с механической неполнотой сгорания снизились до 1,5-3%. Однако и эти цифры в несколько раз превышают потери q₄ на соседних котлах с обычным пылеугольным сжиганием.

Вторым существенным недостатком топки с низкотемпера­турным вихрем оказался интенсивный износ труб холодной воронки на фронтовой и задней стенах. Из-за высоких скоро­стей нижнего дутья (до 90 м/с) локальный износ труб фронтово­го экрана под горелками достигал 15 мм/год, что существенно снижало надежность работы котла.

Детальное исследование топочного процесса с отбором проб газа и топлива из различных зон низкотемпературного вихря показало, что горелочная струя под фронтовым козырьком направляется, как и следовало ожидать, в холодную воронку, В верхней части топки у фронтового экрана имеется зона с малы­ми скоростями, которая ухудшает использование топочного объема. При нормальной работе нижнего дутья, когда низ холодной воронки не заваливается крупными кусками топлива, факел в нижней части топки прижимается к фронтовому скату холодной воронки. В таком режиме и при повышенном избытке воздуха (а_кпп =1,35÷1,4) в пределах вихревой части факела выгорает 80-90% горючей массы топлива. Здесь практически отсутствуют зоны с содержанием кислорода менее 1%.

Полученные данные позволили сделать вывод, что для успешного сжигания немолотого топлива в топках с низко­температурным вихрем необходимо увеличить кратность цирку­ляции крупных угольных частиц в вихревой зоне факела, чтобы время их пребывания в топке было достаточно для полного выгорания. Требовалось, кроме того, снизить выходную скорость воздуха в соплах нижнего дутья, а также исключить поступле­ние в топку кусков крупнее 20 мм.

На основании опыта эксплуатации реконструированного котла ПК-24 с низкотемпературным вихрем было подготовлено задание на новый котел, рассчитанный на сжигание углей Канско-Ачинского бассейна. Такой котел спроектирован на Барнаульском котельном заводе (ПО "Сибэнергомаш") на базе серийного котла БКЗ-420-140ПТ и смонтирован на Усть-илимской ТЭЦ (станц. №6).

Новый котел (заводская марка БКЗ-420-140-9) имеет номи­нальную паропроизводительность 420 т/ч с параметрами пара 14 МПа, 560°С. Схема его топочного устройства приведена на рис. 26.

Призматическая топка котла выполнена из газоплотных экранов. На фронтовом экране имеется аэродинамический козырек, а в верхней части заднего экрана - пережим. Восемь прямоточных горелок размещены на фронтовой стене под козырьком и направлены вниз под углом 45° к горизонту. В устье холодной воронки с тыла установлены 10 двухъярусных сопл нижнего дутья. Здесь же первоначально были установлены подовые поворотные заслонки, которые обеспечивали зазор в 100 мм между нижней кромкой сопл нижнего дутья и краем заслонки. Позже этот узел заменили воздушно-каскадным классификатором (рис. 27).

Размеры топки в плане 14,5x7,7 м, тепловое напряжение объема топки 137,4 кВт/м³, тепловое напряжение поперечного сечения топки 2,9 МВт/м². У заднего экрана топки установлены двусветные радиационные поверхности нагрева: четыре испари­тельных и шесть пароперегревательных вертикальных ширм. На выходе из топки, ниже сечения пережима, установлены две панели горизонтальных ширм пароперегревателя. Под аэроди­намическим выступом имеется 14 сопл третичного дутья.

Система подачи топлива в котел изображена на рис. 28. Дробленое топливо, как показано на рисунке, транспортирует­ся к горелкам слабоподогретым воздухом (219°С), давление которого повышается в специальном вентиляторе.

Испытание котла № 6   Усть-илимской ТЭЦ проходила в нес­колько этапов. Первый этап испытаний, проведенных без воз­душно-каскадного классификатора, показал, что при сжигании дробленки ирша-бородинского угля с остатком на сите 5 мм не более 44% технико-экономические показатели котла близки проектным значениям. Потери теплоты с механической непол­нотой сгорания q₄ не превышали 2,5%. Главной проблемой, ограничивающей надежную работу котла, является износ

 

Рис. 26. Котел БКЗ-42О-140-9 с топкой ЛПИ на Усть-Илимской ТЭЦ:

1 — надгорелочный козырек; 2 — нижнее дутье; 3 — вертикальные ширмы; 4 — горизонтальные пароперегревательные ширмы; 5 — ширмовыи пароперегрева­тель; 6 — конвективный пароперегреватель; 7 - фестон; 8 — экономайзер; 9 — трубчатый воздухоподогреватель

Рис. 27. Схема воздушно-каскадного классификатора котла БКЗ-420-140-9:

1 — верхнее сопло нижнего дутья; 2 - нижнее сопло; 3 — воздушно-каскадный классификатор (ВКК); 4 — сопло ВКК; 5 - водоохлаждаемая панель

Рис. 28. Система транспорта топлива к горелкам котла БКЗ-420-140-9:

1 — воздух после Г ступени воздухо­подогревателя; 2 — вентилятор первич­ного воздуха; 3 — шибер; 4 — защитная сетка; 5 — течка сырого угля от питате­ля; 6 — эжектор-смеситель; 7 — топливо­провод к горелкам; 8 — течка отсева; 9 — бункер-сборник

фронтового экрана, скорость которого достигала 0,73 мкм/ч. Это обстоятельство заставило применить специальные средства защиты экранов (ошиповка фронтовых экранов и установка горизонтальных полосок на трубах холодной воронки), а также снизить скорость нижнего дутья.

Большие надежды были связаны с воздушно-каскадным классификатором. Испытания, проведенные после усовершен­ствования некоторых узлов, показали, что и после установки воздушно-каскадного классификатора оптимальный избыток воздуха остался чрезмерно высоким (а_кпп ⁼ 1,34÷1,36). Снижение а_кпп до 1,21 резко (до 4,5%) повышало потери теплоты с механи­ческой неполнотой сгорания. Такое же резкое возрастание q₄ (с 2 до 6%) наблюдалось при уменьшении скорости нижнего дутья с 50 до 6 м/с.

В отличие от первого этапа исследований, в дополнительных опытах обнаружена зависимость потерь q₄ от нагрузки: при уве­личении паропроизводительности сверх 0,85 (при меньшей скорости нижнего дутья) или сверх 0,90 (при большей скорости) потери q₄ резко возрастали. При росте температуры в ядре горе­ния до 1400°С появились признаки шлакования топочных экранов.

В дополнительных опытах, как и ранее, измерялась концент­рация оксидов азота в дымовых газах за котлом. В этом плане не произошло серьезных изменений: при оптимальных в отно­шении экономичности топочного процесса избытках воздуха концентрация NO_x несколько превышала 500 мг/м³ (в пересчете на N0₂ при содержании 0₂ в сухой пробе газа, равном 6%). Па­раллельные измерения, проведенные на котле № 4 (топка с жидким шлакоудалением, транспорт угольной пыли с высокой концентрацией под разрежением, т.е. с подачей пара в горелки), показали что при аналогичных избытках воздуха (а_кпп = 1,35) концентрация NO_x достигает 640 мг/м³. Но котел № 4 работает, как правило, с меньшим избытком воздуха (а_кпп ⁼ 1,25), и при этом концентрация NO_x за котлом находится примерно на том же уровне, что и в котле с низкотемпературным вихрем.

Приведенные результаты испытаний котла БКЗ-420-140-9 на Усть-илимской ТЭЦ показали, что наряду с несомненными достоинствами (отсутствие мельниц, повышенное тепловосприятие топочных экранов, возможность работы без очистки поверх­ностей нагрева и др.), котел еще требует серьезной доработки. Необходимо устранить недопустимо высокие для бурых углей потери с механической неполнотой сгорания, интенсивный износ труб фронтового экрана. Необходимость работы с повы­шенными избытками воздуха делает сомнительной возмож­ность снижения концентрации оксидов азота до 300-350 мг/м³ (именно такие концентрации получены при сжигании ирша -бородинского угля на другом котле Барнаульского котельного завода - котле Е-500-140).

Пути усовершенствования топки с низкотемпературным вихрем, безусловно, имеются. Например, Дальневосточный Политехнический институт добился резкого снижения интен­сивности износа труб фронтового экрана в топочной камере, по его предложению один из котлов БКЗ-220-100 реконструиро­ван с установкой топки с низкотемпературным вихрем. Котел работал на бурых углях Харанорского месторождения. Осмотр топки после 10-месячной работы показал почти полное отсутст­вие следов износа экранных труб. Этот эффект был достигнут за счет того, что струи нижнего дутья направили не вдоль фронто­вого ската холодной воронки, а под некоторым углом к нему. Понятно, что при такой аэродинамической схеме крупные кусочки топлива будут выпадать из потока, скатываться к устью холодной воронки и перекрывать сопла нижнего дутья. С учетом этого нижнее дутье подведено не по всей ширине котла, а в виде трех мощных струй. Профиль фронтового ската холодной воронки выполнен таким образом, чтобы крупные частицы угля скатывались именно к соплам этих мощных струй. При сжигании пыли угрубленного помола эксплуатационный персонал добился надежной работы котла БКЗ-220-100 без под­светки факела мазутом и с приемлемыми экономическими показателями.

Глава пятая

ДРУГИЕ ПРИМЕРЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТОПОК ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ