Топка с вертикальным прямоточно-вихревым факелом

В последние годы широкое распространение получила конст­рукция топки с вертикальным прямоточно-вихревым факелом. Это топочное устройство разработано МЭИ и ЦКБ НПО "Энергоре­монт" и активно внедряется при реконструкции водогрейных' и небольших паровых котлов, работающих на газе или на мазуте. Особенностью топки является наличие вихревого опускного движения продуктов сгорания в центре топки и подъем топочных газов вдоль экранов по спиральной траектории. Такая аэродинамическая структура обеспечивается за счет расположе­ния прямоточных газомазутных горелок вблизи углов топочной камеры с наклоном вниз. Оси горелок направлены по касатель­ной к воображаемому вертикальному цилиндру в центре топки, причем соседние горелки одного яруса наклонены, как правило, под разными углами к горизонту, а диагонально размещенные горелки имеют одинаковый угол наклона Описанная выше аэродина­мическая структура исследова­на на моделях и в какой-то степени подтверждена визуальными натурными наблюдением

 

Рис. 29. Схема размещения горелок в топке с вертикальным прямоточно-вихревым факелом [36]:

1—4 — горелки нижнего яруса; 5— S — го­релки верхнего яруса

 

Одним из примеров успеш­ного внедрения топки с верти­кальным прямоточновихревым факелом является рекон­струкция газомазутного котла БКЗ-160-100ГМ на Ефремовской ТЭЦ [36]. До реконструкции топочное устройство имело 12

вихревых горелок, размещенных на фронтовом экране. При реконст­рукции котла установлено 8 прямоточных горелок с круглым вы­ходным отверстием. Размещение горелок показано на рис. 29. Видно, что часть горелок обоих ярусов наклонена вниз на 20°, а другая часть - на 35°. В плане оси горелок направлены по каса­тельной к окружности в центре топки.

В отличие от традиционной тангенциальной топки в данном случае, по мнению авторов конструкции, обеспечивается повы­шенная внутренняя рециркуляция поднимающихся вдоль экранов продуктов сжигания в горелочные струи. В результате сглаживается пик температур и несколько снижается концент­рация кислорода на начальном участке факела, что благоприят­но сказывается на подавлении образования оксидов азота. Некоторое растягивание траектории факела перемещает зону активного тепловыделения в нижнюю часть топочной камеры, что увеличивает тепловосприятие экранов, несмотря на сниже­ние локальной интенсивности тепловыделения.

Практическим результатом всего этого явилось повышение располагаемой нагрузки котла (по условиям обеспечения перегрева пара до 540°С) с 135 до 155 т/ч при работе на газе. Измерения при работе котла на мазуте показали, что при наг­рузке 150 т/ч максимальная температура в ядре горения снизилась с 1580 до 1500°С, а падающий тепловой поток - с 500 до 420 кВт/м². Именно этим, вероятно, можно объяснить тот факт, что в течение двух лет после реконструкции котла не наблюда­лось повреждений экранных труб, в то время, как при заводской конструкции топки такие повреждения носили массовый харак­тер. Кроме того, после реконструкции котла БКЗ-160-100ГМ уменьшилось наружное загрязнение экранов по всей высоте топки и интенсивность золовых отложений на конвективных поверхностях нагрева.Важным достоинством реконструированного котла явилось снижение концентрации оксидов азота в дымовых газах. До реконструкции котла максимальная концентрация NO_x сос­тавляла 415 мг/м³ при сжигании мазута и 450 мг/м³ - при сжига­нии газа. После реконструкции максимальные значения кон­центрации NO_x сместились в зону больших избытков воздуха (что объясняется, вероятно, заменой вихревых горелок прямо­точными) и уменьшились по абсолютной величине. Хорошие результаты получены при упрощенной ступенчатой схеме сжигания, когда через две неработающие диаметрально распо­ложенные горелки подавался только воздух. В таких режимах концентрация оксидов азота в дымовых газах была в 1,7-2,3 ра­за ниже, чем на нереконструированном котле. При этом содер­жание бенз(а)пирена в продуктах сгорания и сероводорода в пристенной зоне экранов оставалось на уровне, не вызываю­щем опасений.Достаточно успешным можно считать перевод котлов на схему с вертикальным прямоточно-вихревым факелом и на других электростанциях, сжигающих газ. Однако при работе на мазуте в некоторых случаях наблюдалось появление сажи, что вынуждало работать с повышенными избытками воздуха.

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.