Топки с циркулирующим кипящим слоем

В последние годы зарубежные энергоснабжающие компании все чаще отдают предпочтение котлам с циркулирующим ки­пящим слоем. Эти котлы отличаются более высокой степенью выгорания топлива (примерно 99% по сравнению с 90-95% у котлов со стационарным кипящим слоем), они могут работать с меньшим коэффициентом избытка воздуха (1,10-1,15 вместо 1,20-1,25). Система подачи топлива у котлов с циркулирующим кипящим слоем проще, котлы менее требовательны к' качеству топлива и лучше приспособлены для ступенчатого сжигания, необходимого для снижения выбросов оксидов азота; Такие топки позволяют связывать более 90% серы при мольном отно­шении Ca/S, равном 2,0, в то время, как в топки со стационар­ным кипящим слоем требуется подавать больше известняка f(Ca/S = 3) для связывания 80—90% сэры [51].

I* Котлостроительные фирмы США Бабкок-Вилкокс, Комбасшн Инжиниринг и Рилей Стокер предлагают котлы с циркулирующим кипящим слоем по лицензиям или в кооперации с зарубеж­ными фирмами. Котлы собственной конструкции выпускает фирма Килер Дорр Оливер Бойлер, планирует выпуск таких котлов также фирма Фостер Уилер.

К началу 1985 г. в США работали два котла с циркулирующим кипящим -слоем производительностью по 23 т/ч (Бекерсфильде -  Калифорния и в Увальде - Техас). Кроме того, Энергокомпании заказали не менее 8 котлов производительностью более 180 т/ч каждый и значительное количество менее мощных котлов [53].

Одной из крупнейших программ по созданию топок с циркулирующим кипящим слоем является разработка и изготовление шести котлов для компании Арчер Дэниэлс Мидлэнд - четыре котла будут установлены на ТЭС Дэкэтур (штат Иллинойс) и два - на ТЭС Цедер - Репидс (штат Айова). Котлы рассчитаны на выработку 1226 т/ч технологического пара и 146 МВт электро­энергии на тепловом потреблении. В котлах будет сжигаться сравнительно дешевый высокосернистый уголь месторождения Мидвест[51].

Большой интерес вызывает программа реконструкции ТЭС Нукла, которую осуществляет электроэнергетическая компа­ния Колорадо-Юта электрик совместно с финской фирмой Пиропауэр и американскими фирмами Стерн Каталитик, Вес-тингауз Электрик и Пибоди Коал. Общая стоимость программы 86 млн. долл. Частью программы является замена устаревших котлов с механическими решетками на топки с циркулирую­щим кипящим слоем типа Пиропауэр. Дополнительно на ТЭС устанавливается теплофикационная турбина мощностью 75 МВт, в результате чего мощность электростанции увеличива­ется с 36 до 100 МВт (нетто). При этом удельный расход теплоты сокращается на 15%, стоимость энергии - на 30%. Ожидается, что будут выдержаны все нормы по допустимым выбросам в атмосферу, а удельные затраты на дополнительную мощность составят 840 долл/кВт. Лаборатория Ганс Альстром (Финлян­дия) для правильного выбора основных проектных решений провела испытания угля и известняка, которые предполагает­ся использовать на ТЭС Нукла.

Котлы с циркулирующим кипящим слоем для ТЭС Нукла имеют паропроизводительность 420 т/ч при параметрах "пара 10,5 МПа, 540°С. Продукты сгорания с высоким содержанием твердых частиц, отдав часть теплоты мембранным водяным экранам и радиационному пароперегревателю, поступают в циклоны. Затем несгоревшие частицы топлива и непрореагировавшие частицы известняка возвращаются в топку, где они смешиваются со свежими топливом и сорбентом. Поток газов омывает конвективные поверхности нагрева, воздухоподогрева­тель, проходит через рукавные фильтры и выбрасывается в атмосферу. Длительное пребывание топлива и известняка в топке и непрерывная их циркуляция должны обеспечить высо­кую степень выгорания и повышенную эффективность улавли­вания серы.

В нижней части топки размещены воздухораспределительная решетка и устройство для удаления шлака. Примерно половина теплоты, выделяющейся в топке, передается экранам и радиа­ционному пароперегревателю. В конвективном газоходе имеет­ся устройство для удаления золы и предусмотрены места для размещения обдувочных аппаратов. Первичный воздух вводит­ся в короб ниже воздухораспределительной решетки и обеспе­чивает начальное псевдоожижение. Добавление вторичного воздуха в топку позволяет получить эффект ступенчатого сжигания, что увеличивает выгорание углерода и уменьшает образование оксидов азота.

Бункер системы топливоподачи рассчитан на 8 ч работы котла, емкость для измельченного известняка (1000 мкм) - на 24 ч работы. До реконструкции ТЭС выбросы составляли: твер­дых частиц 204, диоксида серы 2826 т/год; после реконструкции они должны снизиться до 117 и 1559 т/год, соответственно.

Самый крупный котел с циркулирующим кипящим слоем за пределами США сооружен фирмой Лурги в Дуйсбруге (ФРГ).; Паропроизводительность котла 270 т/ч, параметры свежего пара 114,5 МПа, 535°С. Промежуточный перегрев до такой же темпера­туры осуществляется при давлении 4,0 МПа. Топливом для котла служит рурский каменный уголь с теплотой сгорания 23-30 МДж/кг, зольностью 8-30%, влажностью 4-12% и содержа­нием серы - до 2% [50].

I Уголь подсушивается и размалывается до размера частиц 1200-400 мкм в двух мельницах, каждая из которых обеспечива­ет 70%-ную производительность котла. Готовое топливо вду­вается сушильным агентом в топочную камеру на высоте 3,5 м от решетки. Тонкоразмолотый известняк вдувается в топку отдельным потоком. Только 40% воздуха подается в решетку, а остальные 60% воздуха, необходимого для полного [сгорания топлива, вводятся на различной высоте от решетки через специальные сопла. Тепловое напряжение сечения сос­тавляет 3,67 МВт/м².

I Котел имеет два горячих циклона рециркуляции, причем каждый из циклонов, оборудован своим охладителем золы. За (этими циклонами последовательно установлены два циклона очистки газов. Это усложнение связано с тем, что перед конвек­тивными поверхностями нагрева необходимо иметь концентра­цию твердых частиц не выше 60 г/м³.

Камера горения и циклоны подвешены к каркасу котла, охладители золы установлены на опорах. Опускные золопроводы имеют компенсаторы линзового типа. Уловленная в цикло­нах зола поступает в гидрозатвор, а из него сбрасывается в топку или в охладитель золы. Имеется специальный регулирую­щий орган, который обеспечивает требуемый расход золы на охладители. После охлаждения зола поступает в топку или выводится из цикла.

Охладитель золы имеет воздухораспределительную решетку на поду, он разделен перегородками на секции, в которых установлены конвективные поверхности нагрева.

Испытания, проведенные на угле с зольностью до 30%, пока­зали, что степень выгорания угля достигает 99%, а КПД котла -92%. Диапазон регулирования мощности составляет 30-100% номинальной, а скорость набора нагрузки 5 %/мин. Концентра­ция сернистого ангидрида в дымовых газах была ниже 400 мг/м³ (при стандартных условиях и при 0₂ = 7%). 

При эксплуатации котла не было обнаружено повышенной интенсивности коррозии и эрозии металла, работающего под давлением. В охладителях золы, где процессы горения отсут­ствуют и скорости газов малы, эрозионные повреждения также не были обнаружены.

Остановимся еще на одном котле с циркулирующим кипя­щим слоем, продольный разрез которого приведен на рис. 38. Этот двухкорпусный котел установлен на ТЭЦ Эльберсфельд на месте двух демонтированных котлов с жидким шлакоудалением производительностью по 80 т/ч. Каждый корпус нового котла имеет производительность 170 т/ч при параметрах пара перед турбиной 20,1 МПа, 535/535°С [55].

С главного конвейера уголь сбрасывается на два реверсивных конвейера и равномерно распределяется ими по бункерам. Под каждым бункером установлено два скребковых транспортера. Непосредственно под ними размещено по отбойному распреде­лителю. Для отделения слишком крупных кусков угля перед распределителями установлены грохоты.

Первый газоход образует камера кипящего слоя, стенки которой от отметки 7 м до отметки 43 м выполнены в виде газоплотных экранов испарителя. Для предотвращения эрозии система подъемных и опускных труб омывается дымовыми газами в продольном направлении. За топкой установлены два горячих циклона, в которых отделяются инертные частицы слоя и не догоревшие частицы угля с размерами больше 60 мкм. В золовой контур включен охладитель материала слоя. В охлади­теле находятся поверхности основного и промежуточного паро­перегревателей. Скорости здесь на порядок ниже, чем в основ­ной камере слоя, и износ труб значительно меньше.

Во втором, опускном газоходе котла размещены поверхности экономайзера, 1-я ступень промежуточного пароперегревателя, 1-я и 4-я ступени пароперегревателя высокого давления. Стенки газохода до того места, где температура газов снижает­ся до 430°С, также имеют мембранную конструкцию (это поверх­ности экономайзера). Ниже размещены остальные пакеты экономайзера.

Перед топочной камерой часть воздуха отбирается для ожи­жения охладителя материала слоя и других целей. Этот воздух

Рис. 38. Продольный разрез котла с циркулирующим кипящим слоем паропроиз-водительностью 170 т/ч:

а — пароперегреватель; Ь — 2-я ступень пароперегревателя; с — 3-я ступень пароперегревателя; <f — 4-я ступень пароперегревателя; е — выход пара; / — 1-я ступень промежуточного пароперегревателя; g — 2-я ступень пароперегревате­ля; h — выход пара после промперегрева; i — охладитель материала слоя; j — трубчатый воздухоподогреватель; к — вентилятор ожижающего воздуха; I — цик­лон; т — бункер известняка; п — скребковый транспортер; о — отбойный раздели­тель

компримируется в нагнетателе до 55 кПа. Топливо подводится к трубопроводам возврата охладителей материала слоя. Трубо­проводы присоединены к нижним суженным частям топок. На входе происходит подсушка и газификация топлива, что благо­приятно влияет на снижение образования оксидов азота.

В третьем, подъемном газоходе расположены поверхности нагрева воздухоподогревателя. Газы движутся по трубкам снизу вверх, воздух омывает их в горизонтальном направлении. Тем­пература уходящих газов 130°С.

Удаление золы из кипящего слоя осуществляется периоди­чески в зависимости от содержания ее в топливе и фракционно­го состава частиц слоя. Для удаления золы к поду камеры слоя снизу подведена труба. Зола отводится через ячейковый шлюз на просеивание. Охлажденная до 120°С зола с размерами частиц более 1 мм подается в контейнер. Мелкие частицы могут возв­ращаться в топку с помощью пневмотранспорта либо с помощью камерного пневмонасоса подаваться в бункер инертного мате­риала.

Заполнение топки инертным материалом при пуске и добав­ление материала слоя производятся с помощью камерного пневмонасоса с возможностью соответствующего регулирова­ния.

Для очистки от твердых частиц электрофильтр заменен тканевыми фильтрами, вписанными в те же габариты. Зола из-под фильтров удаляется с помощью камерного пневмонасо­са. В зависимости от количества уловленной золы часть ее может быть возвращена в топку.

Плотность смеси твердых частиц и дымовых газов по высоте топочной камеры определяет теплопередачу к поверхностям нагрева. Необходимое распределение плотности обеспечивает­ся при тщательном расчете скорости газов, а также соответст­вующим количеством и фракционным составом инертного материала. Частицы определенных размеров, выносимые из топочной камеры, отделяются от газов в циклонах и возвраща­ются обратно.

Вторичный воздух вводится в топку через сопла во фронтовой и боковых стенках. Ступенчатый подвод воздуха способствует снижению образования оксидов азота. Для связывания оксидов серы к топливу добавляется молотый известняк (98% СаС0₃).

Для пуска из холодного состояния каждый корпус котла оснащен восемью горелками на природном газе, тепловая мощность которых обеспечивает 40% номинальной мощности котла. Горелки размещены на боковых и фронтовой стенках нижней части топки.

Для пусков, для работы при частичных нагрузках и при низ­ких температурах наружного воздуха перед трубчатым воздухоподогревателем установлен калорифер. Под камеры кипящего слоя с соплами для ввода воздуха расположен ниже отметки 9,0 м. Из-за массивной футеровки топки, циклонов и охладите­лей слоя с низким коэффициентом теплопроводности скорость прогрева ограничивается 50-100° С/ч. Тепловая мощность котла при пуске из холодного состояния повышается медленно. На процесс пуска решающим образом влияет и значительная теплоемкость инертного материала в контуре кипящего слоя.

Перед пуском в топочную камеру загружается инертный материал со слоем толщиной около 1 м. Одновременно через под топочной камеры и под охладителей материала слоя вво­дится ожижающий воздух. Тепловая мощность при зажигании выбрана такой, чтобы допустимая скорость прогрева не могла быть превышена.

Из-за незначительной тепловой мощности и большой аккуму­лирующей способности парообразование в первые часы невели­ко. Так как температура газов на выходе из топки остается менее 550°С, поверхности нагрева второго газохода не подвер­гаются опасности перегрева. В это время охладитель слоя нагру­жен небольшим количеством инертного материала при средних температурах, и здесь не возникает недопустимых перегревов или температурных напряжений в поверхностях нагрева. При пуске соблюдается допустимая скорость изменения температу­ры футеровки охладителя материала слоя. Пока температура газов на выходе из топки остается ниже 550°С, работает только редукционная установка высокого давления. Редукционная установка среднего давления для снижения пусковых потерь выключена. Затем тепловая мощность топки медленно повыша­ется, пар сбрасывается в конденсатор до тех пор, пока не дости­гаются параметры, необходимые для толчка турбины.

В последнее время некоторые фирмы (например, Дойче-Баб-кок, ФРГ) приступили к разработке новой топки с циркулирую­щим кипящим слоем, в которой циклоны устанавливаются после конвективных поверхностей нагрева, в зоне температур 300-400°С. В отличие от описанных выше топок с циркулирую­щим кипящим слоем эти топки, получившие название "топки с расширяющимся кипящим слоем", имеют пониженную скорость в слое (3,5-5 м/с вместо 6-8 м/с), меньшее тепловое напряжение поверхности слоя (5 вместо 7 МВт/м²) и меньший расход элект­роэнергии на собственные нужды (18 вместо 26 кВт/МВт).

Основным преимуществом топок с расширяющимся кипящим слоем является отсутствие высокотемпературных циклонов, которые должны иметь термостойкую облицовку. Наличие такой облицовки ограничивает скорость повышения темпера­туры до 50°С/ч, что увеличивает время растопки котлов с циркуирующим кипящим слоем и снижает их маневренные характеристики.

Таблица 1. Котлы с циркулирующим кипящим слоем фирмы Лурги

 

Паропроиз-	Давление,	Темпера-	Топливо	Год пуска
водитель-	МПа	тура па-
ность, т/ч		ра, "С
113	6,5	482	Отходы углеобогаще­ния	1982
270	14,5	535/535	Каменный уголь	1985
2X150	9,3	535	То же	1985/1988
140	15,0	566	Полубитуминозный и антрацит	1987
175	17,8	530/425	Бурый уголь	1988
2X200	11,5	535	Полубитуминозный уголь	1988
120	9,2	535	Бурый уголь	1989
180	7,5	504	Тоже	1989
170	20,0	535	Каменный и бурый уголь	1989
327	19,6	540/540	Полубитуминозньгй и лигнит	1989
367	13,4	545	Водоугольная суспен­зия	1990
63	10,5	513	Каменный и полуан­трацит	1990
150	6,4	450	Каменный и бумаж­ный шлам	1990
150	9,3	535	Каменный	1991

Для котлов с расширяющимся кипящим слоем при скорости* ожижающего газа 3,5-4,5 м/с рекомендуется 20-кратная рециркуляция частиц при относительно большом времени пребыва­ния в кипящем слое (около 5 с). Температура продуктов сгора­ния снижается с 850 до 300-400°С перед циклоном, что поз­воляет выполнить его из стали с керамической противоизносной вставкой, которая направляет поток на входе. Избыток воздуха должен быть равен 1,25, причем 60% воздуха должно подаваться в виде первичного, а 40% - в виде вторичного и тре­тичного.

Недостатком котлов с расширяющимся кипящим слоем (западногерманская фирма Дейче Бабкок выпускает их под торговым названием Циркофлюид) является опасность эрозии поверхностей нагрева, которые расположены до циклонов, в местах с чрезвычайно высокой концентрацией золовых частиц.

Крупнейшей европейской фирмой, выпускающей с конца 70-х годов котлы с циркулирующим кипящим слоем, является финская фирма Альстром. По данным на конец 1987 г. она поставила 61 котел такого типа общей тепловой мощностью

Таблица 2 Котлы с циркул»ФЛ°шим кипящим слоем фирмы Комбасшен ^Ин*енир_Ииг

 

Паропроиз-	Давление,	Темпера-	Топливо	Год пуска
водитель-	МПа	тура пара,
ность, т/ч		°С
2.95	10	510	Антрацитовый штыб, древесина и т.д.	1986
95	6,2	482	Сланцы и полубитуми­нозный уголь	1986
66	8,6	510	Отходы лигнитов	1987
123	6,4	482	Антрацитовый штыб	1987
2x100	8,7	513	Древесина	1988/1989
2x465	13,7	540/540	Лигниты	1989
220	12,4	538	Антрацитовый штыб	1989
2x132	12,1	513	Полубитуминозный уголь	1989
374	10,6	513	Антрацитовый штыб	1989
2x308	13,6	540/540	Восточный битуми­нозный уголь	1989
4x259	12,9	540/540	Битуминозный и полу­битуминозный уголь	1990
2x213	6,3	443	Навоз	1991

5424 МВт. На втором месте идет объединение Лурги и Комбас­шен Инжениринг - 30 котлов тепловой мощностью 4616 МВт. Крупными поставщиками котлов с циркулирующим кипящим слоем являются также известные котлостроительные фирмы Готаверкен, Бабкок-Вилькокс, Рилей Стокер, Килер Дорр Оли­вер, Фостер Уилер, Штейнмюллер, Дейче Бабкок и Комбасшен Пауэр.

В общей сложности до конца 1987 г. на мировой рынок было поставлено 148 котлов с циркулирующим кипящим слоем сум­марной тепловой мощностью 14 586 МВт. К марту 1989 г. эти цифры возросли до 182 котлов и 18 507 МВт. Основными постав­щиками остаются фирмы Альстром Пирофлоу (40%) и Лурги-Комбасшен Инжениринг (30%).

Основными заказчиками котлов с циркулирующим кипящим слоем являются промышленные предприятия и энергоснабжающие компании США (76 котлов по данным на конец 1987 г.), ФРГ (26 котлов), Швеции (15 котлов), Финляндии (13 котлов), Авст­рии, Японии, Южной Кореи - по 4 котла и т.д.

В заключение приведем некоторые характеристики наиболее крупных котлов с циркулирующим кипящим слоем, установлен­ных или заказанных фирмам Лурги (табл. 1) и Комбасшен Инже­ниринг (табл. 2) по данным на конец 1988 г.

В Советском Союзе в стадии проектирования находятся котлы с циркулирующим кипящим слоем для сжигания подмос­ковного бурого угля, антрацитового штыба и высокосернистых каменных углей Донецкого бассейна. Разработкой котлов вмес­те с котлостроительными заводами занимаются специалисты ВТИ, СКВ ВТИ, НПО ЦКТИ, ЦКБ НПО "Энергоремонт" и другие организации. Экспериментальные исследования проводятся на огневых стендах КазНИИэнергетики и Уральским Политехни­ческим институтом. Внедрение котлов с циркулирующим ки­пящим слоем ожидается в середине 90-х годов на Новомосковс­кой ГРЭС, Кураховской ГРЭС и на одной из электростанций, сжигающих высокозольный экибастузский уголь.