Особенности и классификация топок с кипящим слоем

Топочные устройства, рассмотренные в предыдущих главах, относятся к классу устройств с факельным процессом сжигания. Топки с кипящем слоем занимают промежуточное положение между топками слоевого сжигания и факельными топками. Со слоевыми топками их объединяет прежде всего возможность сжигания дробленки и наличие решетки, через которую в слой подается воздух. При повышении скорости воздуха, продуваемо­го через слой, наступает момент, когда аэродинамическая сила, действующая на каждую частицу топлива, преодолевает силы трения частиц друг о друга. Дальнейшее увеличение расхода воздуха приводит к псевдоожижению частиц топлива, слой как бы кипит (отсюда название "кипящий слой"), высота и порозность его увеличиваются. Минимальная скорость, при которой начинается псевдоожи­жение, называют первой критической скоростью W ^кр ₂ Второй критической называют скорость W₂^Kp, при которой аэродинами­ческая сила становится равной силе тяжести частиц топлива и

 начинается их интенсивный вынос из слоя. Оба эти параметра являются строго определенными только для монодисперсного материала с постоянной плотностью, а сжигаемое топливо, как известно, состоит из частиц различного размера.

Реальные топочные устройства с кипящим слоем работают со скоростями в диапазоне от W ^кр ₁ от W₂^Kp, причем различают топ­ки с обычным или стационарным кипящим слоем (когда ско­рость в слое близка W ^кр ₁) итопки с циркулирующим кипящим слоем (когда скорость в слое близка W ^кр ₂

  В последнем случае из слоя выносится значительная часть недогоревшего топлива, которое улавливается затем в горячих циклонах и возвращается для дожигания в слой.

Важно отметить, что в топках с кипящим слоем количество горючего материала составляет обычно небольшую долю от массы слоя - основу его составляет инертный материал или зола топлива (при сжигании высокозольных углей).

Интенсивное перемешивание твердых частиц под воздейст­вием ожижающего воздуха, проходящего через слой зернистого материала, обеспечивает повышенный тепло- и массообмен в слое. Погруженные в кипящий слой поверхности нагрева позво­ляют поддерживать температуру на таком уровне, который не приводит к шлакованию слоя и самих поверхностей нагрева.

Суммируя преимущества метода сжигания твердого топлива в кипящем слое, можно выделить следующие моменты:

в кипящем слое обеспечивается высокий коэффициент теплопередачи;

длительное время пребывания в кипящем слое позволяет сжигать уголь с повышенной зольностью и отходы производ­ства;

появляется возможность создания более компактного топоч­ного устройства без системы пылеприготовления, что снижает удельные капитальные затраты на сооружение котельной, а также ремонтные расходы;

добавка известняка в слой связывает серу топлива с зольным остатком, что снижает выбросы диоксида серы с дымовыми газами в атмосферу;

низкие температуры в слое (800-950°С) обеспечивают отсутствие термических оксидов азота, что снижает выбросы NO_x в атмосферу.

Первое применение кипящего слоя относится к началу 20-х годов, когда Фриц Винклер (создатель газогенератора Винклера) получил патент США на камеру с кипящим слоем. В те годы на тепловых электростанциях применялись главным образом слоевые топки с неподвижными или механическими решетка­ми. Затем последовали десятилетия бурного развития факель­ного метода сжигания, который применительно к крупной энергетике полностью вытеснил слоевое сжигание. В течение этих десятилетий топки с кипящим слоем интересовали только специалистов промышленной энергетики, занимающихся вопросами сжигания производственных отходов, процессами сушки сыпучих материалов и т.д.

Для промышленных и отопительных котельных в 60-е годы во многих странах начали сооружаться топки с кипящим слоем, причем наметилось два направления: во Франции и в ЧССР разрабатывались котлы с относительно высокотемпературным (1100-1200°С) кипящим слоем, а в Англии и в США создавались котлы, в которых температура слоя ограничивалась 750-950°С за счет погруженных в слой поверхностей нагрева.

Интерес к топками с кипящим слоем усилился в 70-е годы, когда почти одновременно с резким подорожанием жидкого и газообразного топлива во многих странах были приняты зако­нодательные акты по защите атмосферного воздуха от загряз­нений. Энергетики США, например, были поставлены перед проблемой сократить потребление мазута и природного газа, заменив их твердым топливом, и при этом обеспечить соблю­дение законодательных требований, ограничивающих допусти­мую концентрацию сернистого ангидрида в дымовых газах. Необходимость ввода новых мощностей на твердом топливе привела к альтернативе: оснащать блоки с традиционными пылеугольными котлами малоизученными и ненадежными в то время сероулавливающими установками или использовать низкотемпературные топки с кипящим слоем, в которых сера топлива связывается кальцийсодержащими присадками.

Сейчас можно сказать, что применительно к крупной энер­гетике преобладает все же первое направление: программы сооружения новых тепловых электростанций на последующие 15 лет свидетельствуют о том, что во всех развитых странах нара­щивание мощностей будет происходить в основном за счет пылеугольных котлов с факельным сжиганием и с сероулавли­вающими установками, эффективность и надежность которых за последние годы заметно возросли.

Однако интерес к топкам с кипящим слоем не ослабевает: необходимость их использования в последние годы связана с ухудшением качества угля, который приходится включать в баланс топливоиспользования. В некоторых случаях технология сжигания в кипящем слое позволяет использовать отходы угледобывающих предприятий, хранение которых в отвалах загрязняет окружающую среду. Создание топок с кипящим слоем под давлением расширяет возможности применения комбинированного цикла, когда генерируемый в котле пар используется в паровой турбине, а продукты сгорания, имеющие повышенное давление, подаются в газовую турбину.

В СССР существенный вклад в развитие теории кипящего слоя внесли сотрудники Института тепло- и массообмена Белорусской Академии наук, Московского энергетического, Уральс­кого и Алтайского политехнических институтов, КазНИИ энергетики и другие коллективы. Определенные успехи в разработке технологии сжигания топлива в кипящем слое принадлежат НПО ЦКТИ, ВНИИАМ, ВТИ и ПО "Сибэнергомаш". Большой интерес представляет также зарубежный опыт освое­ния котлов как с обычным, так и с циркулирующим кипящим слоем.