РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

О проблемах при внедрении технологии сжигания в высокотемпературном кипящем слое в котлах коммунальной и промышленной энергетики

А.Э. Карапетов, генеральный директор,
ООО «ИЦ КотлоПроект», г. Санкт-Петербург,
А.В. Роор, заместитель директора по перспективному развитию,
ООО «УКЮКЭК», Кемеровская обл., г. Новокузнецк

Концепция технологии ВТКС

Технология сжигания углей в кипящем слое на узкой наклонной подвижной колосниковой решетке имеет достаточно широкое распространение в нашей стране и более всего известна под названием ВТКС (высокотемпературный кипящий слой). Можно встретить другие названия: топки ТНУ (топки для низкосортных углей), ВЦКС (высокотемпературного циркулирующего кипящего слоя), ТЛКС (топки ленточные кипящего слоя). Отличия между этими топочными устройствами носят скорее конструктивный характер, во всех них используется один и тот же, разработанный в середине 1950-х годов во Франции инженером А.Годелем (Albert Godel), принцип сжигания под названием Игнифлюид (Ignifluid). Идентичность принципиальных технических решений хорошо иллюстрирует чертеж-схема из одной из ранних публикаций о технологии Игнифлюид (рис.1).

Рис.1 - Продольный и поперечный разрезы топки с кипящим слоем по технологии Игнифлюид (1).

Суть этого метода (Godel phenomenon) заключается в том, что в турбулентном кипящем слое горящего в газификационном режиме твердого топлива, частицы золы, достигшие большей или меньшей степени плавкости, вступают в контакт друг с другом с образованием агломератов, отторгая при этом угольные частицы. Эти практически не содержащие углерода агломераты, при достижении определенного размера опускаются на дно слоя и выводятся решеткой в шлаковый бункер (2). Первичный воздух подается под решетку, вторичный вдувается в надслоевое пространство, где, в условиях гомогенных реакций, осуществляется дожигание продуктов газификации угля. Уголь подается в слой сверху, размер куска ограничен d=20 мм (2). Технология Игнифлюид обеспечивает ряд важных преимуществ:

- процесс ведется в диапазоне температур 1200-1400°С (3), благодаря чему достигаются высокие скорости гетерогенных реакций;

- низкое содержание (порядка 5%) остаточного углерода в шлаке (3), (2);

- частицы золы уноса, возвращаемые в слой, принимают участие в образовании агломератов и, таким образом, выводятся из топки в виде шлака, благодаря чему снижается доля золы уноса и, соответственно, нагрузка на газоочистное оборудование;

- ступенчатое сжигание способствует минимизации выбросов NOx и общего избытка воздуха в дымовых газах.

Условия для реализации этих преимуществ:

• в кипящем слое должна поддерживаться восстановительная атмосфера, что достигается ограничением доли первичного воздуха, подаваемого под решетку, порядка 50% от общего (2);

• сжигание (газификация) должно осуществляться в турбулентном слое, что достигается поддержанием скоростей газового потока на уровне 4-5 м/с (3) и сложной, клинообразной формой самого слоя, обеспечивающей интенсивную внутреннюю циркуляцию частиц (4);

• давление воздуха под активными зонами решетки поддерживается на уровне 3000 Па (2);

• температура в слое должна быть выше температуры начала деформации (U) золы сжигаемого топлива, что при поддержании рабочего диапазона температур 1200-1400°С, обеспечивается для подавляющего большинства углей.

Технология Игнифлюид признана первой технологией сжигания твердого топлива в кипящем слое, освоенной в промышленном масштабе (5). Усилиями французской фирмы Babcock- Atlantique (после реорганизации в 1973 г. - Five-Cail Babcock) по технологии Игнифлюид были построены десятки котлов производительностью от 4 до 380 т/ч, в которых сжигались в основном антрациты и битуминозные угли (6). Зольность углей составляла от 7 до 23%, выход летучих - от 5,5 до 35%, содержание серы за редким исключением превышало 1%, т.к. объекты располагались в основном во Франции, а французские угли, подобно большинству европейских, являются малосернистыми (7). При сжигании высокосернистых углей выяснилось, что эффективность подавления оксида серы внутритопочными методами - путем вдувания известняка - у котлов Игнифлюид не превышает 60%, в то время как у конкурирующей технологии - классического пузырькового кипящего слоя - достижимы величины 85-95%. Также котлы Игнифлюид уступали котлам с пузырьковым слоем по показателям выбросов NOx (300 мг/нм3 против <200 мг/нм3) и по эффективности выгорания топлива (в среднем 94% против 96% у пузырькового слоя и 99% у циркулирующего слоя) (5). В условиях ужесточения, начиная с 1980-х годов, норм по вредным газообразным выбросам, а также бурного развития технологии циркулирующего кипящего слоя, технология Игнифлюид стала менее востребованной на рынке развитых зарубежных стран.

Здравый смысл подсказывает, что жесткие требования, в основном экологического характера, предъявляемые в ведущих индустриальных странах к угольным котлам достаточно большой мощности (в основном котлы Игнифлюид имели производительность по пару свыше 35 т/ч) не вполне корректно применять по отношению к котлам, установленным в промышленных и отопительных котельных российских регионов. Уголь является основным и практически безальтернативным топливом юга Сибири, причем уголь качественный - содержание серы в углях Кузнецкого и Канско-Ачинского бассейнов редко превышает 0,5%. Поэтому замена котлов с устаревшими морально и физически слоевыми топками на топки ВТКС представляется более, чем обоснованной. Естественно, при условии реализации преимуществ этой технологи и критической оценки выполненных проектов.

Характерные проблемы при внедрении технологии ВТКС в промышленной и коммунальной энергетике РФ

К сожалению, анализ работы котлов с топками ВТКС (ВЦКС, ТЛКС и др.) показывает, что реализовать эти преимущества удается не всегда и на практике они могут оборачиваться недостатками. Основными проблемами являются шлакование слоя, высокие значения недожога в уносе, работа с большими избытками воздуха. Причины неудовлетворительной работы могут быть:

• конструктивные - неправильно принятая площадь решетки, недостаточно эффективная система уплотнений полотна решетки, малая высота слоя, малый топочный объем, непродуманная система ввода вторичного воздуха, неэффективный возврат уноса;

• организационные - отсутствие подготовки топлива требуемого фракционного состава;

• эксплуатационные - работа с повышенным расходом первичного воздуха, с повышенным разрежением в топке, высокая скорость решетки.

На рис.2 в схематическом виде представлен механизм развития неблагоприятных режимов работы котла, с указанием причин и характерных признаков.

В качестве типичного примера можно рассмотреть реконструированный на сжигание в ВТКС котел ДКВР-10-13, установленный в котельной пос.Шалым (ст.№3) Кемеровской области, в испытаниях которого авторы статьи принимали участие. Котел переведен в водогрейный режим по графику 70/115°С, номинальная теплопроизводительность после реконструкции Qка=6,5 МВт. Топливо - кузнецкий каменный уголь марки «Г» с характеристиками: Qri=22,63 МДж/кг, Wrt=8,24%,

Аг=19,98%, Cr=58,86%, Sr=0,26%, Vdaf=38,8%. Фракционный состав угля по проекту 0...15 мм. Общий вид реконструированного котла представлен на рис.3. Котел оборудован решеткой ВТКС прямого хода, установленной под углом 12° к горизонту. Решетка имеет 5 рабочих воздушных зон, над первыми тремя организован кипящий слой, над двумя последними - дожигание шлака. Подача угля - с фронта котла, разгонный короб оснащен системой пневмозаброса. Для ввода вторичного воздуха и возврата уноса используется штатная система котла ДКВР-10-13, с установкой сопел в задней стенке топки. Воздух под решетку нагнетается вентилятором ВДН-10-1500, на острое дутье, возврат уноса и пневмозаброс топлива - высоконапорным вентилятором ЗОЦС-85. В качестве хвостовой поверхности нагрева за котлом установлен стальной экономайзер типа БВЭС-Ш-2.

Расчетные значения теплонапряжении топочного объема и зеркала горения решетки реконструированного котла составляют соответственно qv=0,21 МВт/м3 и qR=11,11 МВт/м2.

При испытаниях максимальная нагрузка котла была ограничена теплопотреблением и составила Qка=4,65 МВт. Осуществлялись замеры расхода первичного воздуха, газовый анализ дымовых газов, отбирались пробы шлака и уноса на содержание горючих. Результаты испытаний выявили неудовлетворительную работу котла: содержание горючих в шлаке составило Гшл=24%, в уносе - Гун=25-30%. Как следствие, величина потери тепла с мех.недожогом оказалась порядка q4=10%. Также был зафиксирован повышенный уровень вредных газообразных выбросов: N0x=510-560 мг/м3, S02=800-1000 мг/м3. Избыток воздуха в уходящих газах находился в пределах α=1,6-1,8.

Таким образом можно констатировать, что ни одно из заявленных преимуществ технологии ВТКС реализовано не было. Основная причина - работа с завышенным расходом первичного воздуха, который по результатам прямых замеров составлял V1= 7400 м3/ч. Эта величина на 35% превышает теоретически необходимое количество воздуха для сжигания всего топлива, подаваемого в котел на данной нагрузке (Вр=820 кг/ч). Т.е. вместо восстановительной атмосферы, при которой, согласно эффекту Годеля, происходит «контролируемое» (3) образование шлаковых агломератов с малым содержанием углерода, сжигание осуществлялось в окислительной среде с регулярным образованием крупных спеков шлака с углем, перекрывающих значительную площадь активных зон решетки. Известно, что нарушение нормального режима кипения слоя из-за шлакования сопровождается падением давления первичного воздуха (8), этот принцип используется при лабораторном определении склонности различных топлив и материалов кипящего слоя к шлакованию (9). В данном случае под активными зонами решетки фиксировалось падение давления от значений 3300 - 2500 Па до 1500 - 1000 Па.

Уменьшить расход первичного воздуха и перевести кипящий слой в газификационный режим не представлялось возможным из-за подачи в котел большого количества крупнофракционного угля, который иначе заваливал первые зоны кипящего слоя. На момент испытаний щековая дробилка типа ЩК-50 находилась в предельно изношенном состоянии и выдавала уголь с размером куска до 100 мм. Представление о фракционном составе сжигаемого угля можно получить по фотографии ленточного конвейера, сделанной на бункерной галерее в момент загрузки угля (рис.4).

При заполнении бункера углем со столь широким диапазоном гранулометрического состава отчетливо наблюдалось явление сегрегации, проявляющееся в том, что крупные тяжелые фракции отбрасываются к стенкам бункера, а мелкие частицы скапливаются в зоне канала истечения (10). Поэтому при срабатывании бункера наступали периоды, когда в котел подавалось отсепарированное крупнофракционное топливо. В эти периоды ни увеличение расхода первичного воздуха, ни увеличение скорости решетки не помогали избежать катастрофического заваливания активных зон и проблема решалась только с помощью ручной шуровки слоя.

Рис.4 - Загружаемый в бункер уголь при испытаниях котла. Ширина ленты - 600 мм.

На рис.5 представлены расчетные зависимости скоростей начала ожижения U0 и уноса от диаметра частиц. Скорости определялись по известным формулам Тодеса, приведенным в (11). Кажущаяся плотность твердой фазы принята ртВ=1100 кг/м3, ожижающий агент - воздух, температура кипящего слоя t=1200°C. Горизонтальные линии на графике:

• расчетные скорости в нижнем и верхнем сечении слоя UP.H.=5,9 м/с и UP.B.=4,1 м/с, определенные при расходе первичного воздуха с избытком α=0,5 от теоретически необходимого на номинальной нагрузке котла Цка=6,5 МВт;

• фактические скорости в нижнем и верхнем сечении слоя U4,.H.=11,6 м/с и U4,.B.=8,0 м/с, определенные при фактическом расходе первичного воздуха на достигнутой нагрузке котла Цка=4,65 МВт.

Данные графика подтверждают, что поддерживать в кипящем слое газификационный режим при подаче в котел угля фракцией 0...15 мм возможно, т.е. в данном случае основные конструктивные характеристики топки, в частности активная площадь решетки, приняты верно. Подача в котел угля более крупной фракции требует увеличения скорости в слое и, соответственно, влечет за собой переход в режим сжигания в слое с избытком воздуха, близким к стехиометрическому, что является нарушением одного из ключевых принципов технологии сжигания в ВТКС.

К вопросу о подготовке топлива и режимах ожижения слоя

Полученный опыт свидетельствует о том, что подготовке топлива для котлов с топками ВТКС следует уделять серьезное внимание. Данный вывод, однако, подвергается сомнению в ряде публикаций. Например, в (12) отмечается, что котлы с топками ВЦКС могут работать на рядовом угле, без предварительной подготовки (дробления) топлива. При этом в приведенной таблице сравнительных характеристик для технологии ВЦКС фракционный состав все же ограничен 0.50 мм, но величины скорости в слое указаны U=3...5 м/с, что является противоречием (см. график на рис.5). В (4) автор, справедливо отмечая, что с возрастанием скорости в слое увеличиваются как предельные размеры ожижаемых частиц, так и полидисперсность слоя, приходит к неожиданному выводу, что это позволяет отказаться от подготовки топлива. Теоретически, при уменьшении активной площади решетки, можно обеспечить скорости фильтрации, достаточные для ожижения крупных частиц. Однако для существенной доли частиц меньшего размера такие значения скоростей превысят пороговые для турбулентного режима кипения. Учитывая спорный характер вопроса о допустимых значениях скоростей в слое и, соответственно, режимах псевдоожижения, на этом моменте хотелось бы остановиться подробнее.

Рис.6 - Режимы ожижения (8)

Турбулентный кипящий слой занимает промежуточное положение между классическим пузырьковым КС и быстрым кипящим слоем, который используется в котлах с ЦКС (рис.6).

Переход от пузырькового слоя к турбулентному характеризуется уменьшением размера газовых пузырей и изменением их формы - они становятся узкими и продолговатыми. Хотя турбулентный слой по-прежнему состоит из двух фаз - газовой и твердой, он уже в большей степени гомогенен, чем пузырьковый. При этом взаимодействие между фазами и, что особенно важно, интенсивность перемешивания и контакта твердых частиц между собой - даже более высокие, чем у пузырькового слоя (8). Именно этот момент является одним из ключевых для реализации эффекта Годеля, т.к. высокая интенсивность перемешивания частиц увеличивает вероятность того, что частицы золы «встретятся» и сцепятся между собой с образованием агломератов, а не будут вынесены из слоя.

С дальнейшим ростом скорости ожижения осуществляется переход к быстрому кипящему слою (рис.6-в), при котором твердые частицы равномерно распределены в газовом потоке и в значительной степени изолированы друг от друга (13). Высокая интенсивность перемешивания, свойственная циркулирующему кипящему слою, достигается при большой концентрации твердых частиц в газовом потоке, что обеспечивается установкой эффективных устройств (как правило, горячих циклонов) для улавливания и возврата в топку частиц и организацией многократной их циркуляции по контуру «топочная камера - циклон». Реализация этих мероприятий на котлах малой и средней мощности не представляется оправданной.

Кроме того, конфигурация топочной камеры котлов ВТКС имеет характерную особенность, не позволяющую в полной мере реализовать преимущества ЦКС даже при условии организации многократной циркуляции частиц. Имеется в виду расширение поперечного сечения в направлении от решетки к верху топочной камеры, обусловленное тем, что отношение ширины решетки к ширине топки по осям экранов лежит в пределах 10-25%. Обеспечить равномерно высокую концентрацию частиц при столь значительном изменении объема не представляется возможным.

Как правило, переход от решетки к боковым экранам выполняется в виде откосов из угля и шлака с естественным углом наклона порядка 45° (решение, традиционное для котлов Игнифлюид).

Допустимо предположить, что увеличение скорости может привести к образованию фонтанирующего слоя. Осторожность данного предположения обусловлена тем, что устойчивость фонтанирования определяется рядом условий и взаимосвязанных параметров, основными из которых являются гранулометрический состав твердых частиц, диаметр (конфигурация) отверстия для ввода газа, поперечные размеры аппарата, угол конусности, расход газа, высота слоя (14). В фонтанирующем слое по оси потока образуется сквозной канал (ядро слоя), в котором псевдоожижение происходит не в плотной, а в разбавленной фазе (15). В (16) высказывается мнение, что в ядре слоя осуществляется режим пневмотранспорта. Газовый поток в устье канала подхватывает частицы и газовзвесь движется вверх, образуя в верхней части фонтан твердых частиц, которые отбрасываются в периферийные зоны. Сечение этих зон превышает сечение ядра слоя, нисходящие скорости частиц, движущихся сползающим потоком, существенно - на один-два порядка (14) - ниже скорости газовзвеси в центральном канале (15), (16). На рис. 7(a) представлена модель фонтанирующего слоя, на рис.7(б) - схема аппарата фонтанирующего слоя прямоугольного сечения, в наибольшей степени идентичная топке котла ВТКС.

Фонтанирующий слой обеспечивает хорошее перемешивание частиц, из недостатков надо выделить большую высоту фонтана, что обуславливает повышенный пылевынос (17), особенно для полидисперсных материалов.

Вопрос - по какой из рассмотренных моделей будет осуществляться развитие турбулентного слоя при росте скоростей в нем выше пороговых значений - не имеет универсального ответа. Необходимо учитывать большое число факторов, причем в их взаимодействии, основные из которых:

• конфигурация топки - высота, отношение высоты к ширине, угол раскрытия боковых ограждающих решетку поверхностей;

• фракционный состав топлива, в т.ч. содержание пылевых фракций, полидисперсность;

• устройство и эффективность системы возврата уноса, место ввода возвращаемого уноса;

• организация системы вторичного дутья и др.

Нельзя исключать возникновения «гибридного» варианта. Но в любом случае увеличение расхода первичного воздуха приведет к образованию центрального канала с высокой скоростью восходящего потока и созданию иных, чем при турбулентном слое, условий для перемешивания частиц, т.е в результате - к нарушению основных принципов технологии сжигания ВТКС. Есть ли в этом необходимость? По нашему мнению, нет. Более того, саму постановку вопроса о подготовке топлива нужно признать надуманной, т.к. обеспечение фракции угля 0.15 мм (для бурых углей допустимо 0.20 мм) в условиях промышленно-отопительной котельной средней мощности не представляет сложностей ни в техническом, ни в финансовом, ни в организационном аспектах.

Примеры работы котлов с повышенным расходом первичного воздуха. Давление воздуха под решеткой

Работа котлов ВТКС с завышенным расходом воздуха под решетку является типичной и широко распространенной ошибкой эксплуатации. Эти режимы можно наблюдать даже в тех случаях, когда нет проблем с фракционным составом угля. У персонала имеется устойчивое убеждение в том, что увеличение скорости в слое всегда способствует улучшению его кипения и интенсификации перемешивания частиц. Отношение к газификационному режиму - настороженное, из опасения пульсаций и дымления (при неэффективных уплотнениях решетки) в топке поддерживается высокое разрежение. Как следствие - повышенные присосы, в т.ч. через систему ШЗУ. К сожалению, непонимание сути процесса сжигания в ВТКС можно встретить не только у персонала, но и у наладочных организаций. Например, в режимных картах котла КВ-ТС- 6,5, установленного в котельной пос.Шалым (ст.№1), давление воздуха под тремя активными зонами решетки указано соответственно 880, 880 и 820 Па. При таких величинах существование кипящего слоя невозможно в принципе, что наладчикам - специалистам ОАО «Кузбассэнергоуголь» - должно было быть известно.

Угол наклона решетки составляет 10°, даже если ограничить длину активного участка решетки 1500 мм, то, с учетом шлаковой подушки, минимальная высота слоя над первой зоной (в холодном состоянии) составит Нс=300 мм. Известно, что сопротивление кипящего слоя равно весу частиц материала слоя за вычетом выталкивающей силы и рассчитывается по формуле:

Δρ=(1-ε)(ρΤΒΓ)·g·Η (8).

Определив для состояния кипения по приведенным в (11) формулам значения порозности ε=0,537 и высоты слоя Н=0,39 м, получаем величину Δρ=1986 Па. Расчет проводился для частицы диаметром d=10 мм, скорости в слое u=8 м/с, кажущейся плотности частиц ртВ=1100 кг/м3, ожижающий агент - воздух при t=1200°C. Таким образом, даже без учета сопротивления решетки, величина напора воздуха под решеткой при нормальном кипении слоя должна более, чем в два раза превышать указанные в режимных картах значения.

В режимных картах также не приведены значения для важнейшего параметра - давления воздуха перед соплами вторичного дутья. Экспресс-анализ работы котла подтвердил вполне предсказуемый результат - практически весь воздух направляется под решетку; кипения топлива не наблюдается; решетка частично перекрыта крупными шлаковыми агломератами (так называемыми «коржами»); воздух прорывается в нескольких местах в виде мощных вертикальных струй, образующихся непосредственно над полотном решетки и разбрасывающих вокруг себя частицы топлива и золы; требуется регулярная ручная расшлаковка слоя. Результат - недобор мощности, высокие потери с недожогом в шлаке и уносе.

В наибольшей степени показательный пример того, как не следует проектировать и эксплуатировать котлы с ВТКС один из авторов наблюдал в 2011 г. на ТЭЦ сахарного завода в г.Крыжополь, Украина, где силами местной организации была выполнена реконструкция котла БКЗ-75. В котле сжигался антрацит марки АС класса 6-13 мм с содержанием мелочи менее 22%, зольностью менее 10% и теплотворной способностью 29-31 МДж/кг, т.е. практически идеальное по своим характеристикам топливо для сжигания в ВТКС. Котел оборудован горизонтальной решеткой шириной 1200 мм, расположенной поперек котла и имеющей 8 воздушных зон.

Система возврата уноса не предусмотрена. Весь воздух подавался под решетку и создавал мощную вертикальную струю, доставляющую частицы топлива до выходного окна топочной камеры (т.е. на высоту более 10 м от полотна решетки). По данным эксплуатации давление в воздушных зонах под решеткой варьировалось от 1500 до 800 Па; максимально достигаемая паропроизводительность - 40 т/ч; попытки поднять нагрузку, равно как и сжигать уголь с зольностью более 10%, приводили к тотальному шлакованию решетки и останову. Отношение золы уноса к шлаку - 2:1. В условиях интенсивного выноса частиц из топки и отсутствия возврата уноса (при сжигании антрацита!) содержание горючих в уносе достигало 75%. Очевидно, что, несмотря на название, используемый на этом объекте способ сжигания имеет мало общего с кипящим слоем и, к сожалению, способствует лишь дискредитации технологии ВТКС.

Температура кипящего слоя

Традиционно, начиная с котлов Игнифлюид, ограждающие решетку боковые поверхности выполняются в виде откосов из угля и шлака, без размещения теплоотводящих поверхностей. Таким образом кипящий слой представляет из себя систему, температура которой определяется преобладанием в данный момент прямой (окислительной) или обратной (восстановительной) реакции. Изменение температуры приводит к смещению химического равновесия в ту или другую сторону в зависимости от знака и величины теплового эффекта (18). При обеспечении требуемых условий (восстановительная атмосфера, интенсивное перемешивание частиц, непрерывность во времени процессов подачи угля и отвода золы и шлака) колебания температуры слоя для большинства углей лежат в пределах 1200-1400°С. Этот диапазон включает в себя температуры начала деформации (tA) и/или плавления (tB) золы наиболее распространенных в Сибирском регионе углей Кузнецкого и Канско-Ачинского бассейнов, что позволяет обеспечить реализацию эффекта Годеля.

Отсутствие необходимости размещения в слое теплоотводящих поверхностей и, соответственно, проблем, связанных с их эрозионным износом является одним из преимуществ ВТКС, особенно по сравнению с пузырьковым КС. Однако встречаются и варианты исполнения боковых ограждающих поверхностей в виде трубных панелей, включенных в контур циркуляции котла. Подобное решение реализовано, например, на рассмотренном выше котле ДКВР-10-13 стопкой ВТКС. Размещение в ВТКС теплоотводящих поверхностей может преследовать следующие цели:

• снижение температуры в слое;

• дополнительный теплосъем, причем при высоких значениях коэффициента теплопередачи;

• организация специфической гидродинамики слоя путем изменения его формы - боковые панели могут располагаться вертикально или под углом, отличным от угла естественного откоса в 45°.

По нашему мнению, изначальная установка на снижение температуры в слое свидетельствует о готовности к работе на режимах сжигания с расходом первичного воздуха, близким к стехиометрическому, и стремлении минимизировать проблемы с шлакованием решетки и слоя. Практика не подтверждает эффективность этого решения. Например, на котле ДКВР-10-13 панели располагались вдоль всей длины решетки и имели высоту около 400 мм, т.е. обеспечивали высокую степень экранирования слоя и снижение его температуры примерно на 80°С (определено расчетным путем при температуре в слое t„,=1300°C, средней температуре воды tB.cP=64°C, коэффициенте теплопередачи k=250 Вт/м2-К), однако избежать шлакования это не помогло. В целом же, решение об установке теплоотводящих поверхностей имеет право на существование для большинства каменных углей марок Г, Д, Ж. Для бурых углей, антрацитов и тощих каменных углей отвод тепла от кипящего слоя может привести к проблемам с зажиганием.

Еще одним инструментом воздействия на температуру слоя является изменение расхода первичного воздуха. Возможности этого воздействия ограничены, что иллюстрирует рис.8. В зоне малых значений доли первичного воздуха наблюдается резкий рост адиабатической температуры, быстро затухающий уже при α1=0,2 - 0,3 (19). Далее характер зависимости носит пологий характер, при этом значение адиабатической температуры при α1=0,3 сопоставимо со значением при α1=1,4.

На основании вышеизложенного можно прийти к следующим выводам:

• эффективные способы оперативного воздействия на температуру кипящего слоя отсутствуют;

• само воздействие на температуру кипящего слоя, равно как и контроль за ней, не являются необходимыми, т.к. для выполнения основного требования t^ > tA достаточно обеспечить ключевые условия технологии ВТКС: поддержание газификационного режима в слое (контролируемый параметр - расход первичного воздуха) и поддержание турбулентного режима кипения слоя (контролируемый параметр- давление воздуха под активными зонами решетки).

Ввод вторичного дутья

Вторичное дутье, составляющее порядка 50% от общего расхода воздуха, предназначено для дожигания в надслоевом пространстве продуктов газификации, а также выносимых из слоя мелких частиц топлива. Об эффективности системы ввода вторичного воздуха можно судить по содержанию СО в уходящих газах, а также - в совокупности с эффективностью системы возврата уноса - по содержанию остаточного углерода в летучей золе. Расположение сопел, их количество, диаметр, угол наклона, шаг установки, дальнобойность струй - должны соответствовать конфигурации топочной камеры котла и обеспечивать наилучшие условия для перемешивания воздуха с топочными газами.

Очевидно, что основным источником СО и выноса твердых частиц являются первые зоны кипящего слоя, которые, в зависимости от компоновки решетки - прямого или обратного хода - могут располагаться соответственно со стороны фронта котла или со стороны заднего экрана. В последнем случае необходимо предусматривать меры по «отжиму» газов в сторону фронта, чтобы не допустить их подъема до выходного окна по кратчайшему пути. На котлах КВ-ТС-6,5, оборудованных решеткой обратного хода, эти меры не предусмотрены, что, наряду с малой высотой от решетки до выходного окна (порядка 3000 мм) и достаточно высоким теплонапряжением топочного объема qv=0,35 МВт/м3, обуславливает большие потери с механическим и химическим недожогом. Упомянутые выше режимы работы с форсировкой первичного дутья усугубляют ситуацию. Наличие поворотной камеры (отделенной от топочной камеры газоплотным экраном), в которой должно осуществляться дополнительное перемешивание газов с воздухом, не помогает улучшить результаты. На реконструированном котле ДКВР-10-13 вместо слоевой решетки обратного хода была установлена топка ВТКС прямого хода, а система ввода вторичного воздуха сохранена штатная - с расположением сопел в заднем экране. В результате вторичный воздух вдувается в зону, и без того богатую кислородом, а над активными зонами наблюдается его явный недостаток. На данном котле ситуация по выбросам не столь критична (по крайней мере, сточки зрения выбросов СО) благодаря малому теплонапряжению топочного объема и достаточно протяженному пути от первых зон решетки до выходного окна.

Иные, более продуманные, подходы к организации системы ввода вторичного воздуха представлены в (20). На котле КЕ-25-14, переведенном в 1997 г. на сжигание угля в ВТКС, было проведено комплексное исследование аэродинамики топочной камеры. В ходе исследования были выявлены зоны с застоем и вялой циркуляцией газов, существенные перекосы по уровням температуры и концентрации О2. После анализа полученных результатов была осуществлена реконструкция системы ввода вторичного воздуха с организацией вихря с горизонтальной осью вращения в надслоевом пространстве. Это привело к выравниванию полей скоростей, температур, а также распределения О2 по всему объему топочной камеры. В результате удалось достичь высоких показателей работы котла - при сжигании низкосортного Павловского угля 1БР к.п.д. котла составляет 86%, суммарные потери с механическим недожогом не превышают q4=5% при теплонапряжении топочного объема qv=0,35 МВт/м3. При сжигании в реконструированном по аналогичной схеме котле Павловского угля марок ЗБР, ДР те же значения q4 обеспечиваются при qv=0,42 МВт/м3, а к.п.д. достигает 88%. К сожалению, в статье не приводятся данные по фракционному составу сжигаемых углей, расходам первичного и вторичного воздухов, общего избытка воздуха в дымовых газах. Однако очевидно, что при завышенном расходе первичного дутья достичь столь эффективной работы системы вторичного воздуха невозможно в принципе - не удастся обеспечить нужные скорости выхода из сопел.

Нижние границы применения технологии ВТКС

Высказываются мнения, что применение технологии ВТКС на котлах малой мощности допустимо. Например, в (12) упоминается о работающих котлах мощностью 1,75 МВт и предлагается реконструировать с переводом на сжигание в ВЦКС котлы в диапазоне мощности от 1 до 100 МВт. В (21) приводятся данные по испытаниям котла мощностью 1,74 МВт с топкой ВТКС, а также предлагается широкое вовлечение этой технологии в коммунальную энергетику, начиная с котельных тепловой мощностью 2 МВт. Относясь с уважением к мнению коллег и полученным результатам, выразим сомнение в целесообразности применения ВТКС для столь малых мощностей.

Как уже отмечалось выше, для поддержания в слое газификационного режима со скоростями, соответствующими турбулентному кипению, необходимо, чтобы величина теплонапряжения активной площади решетки была не менее, чем qR=10 МВт/м2. Нетрудно рассчитать, что, например, для котла Q=1,5 МВт, сжигающего с к.п.д. 83% Кузнецкий уголь марки «Д» теплотворной способностью Qr,=21,9 МДж/кг активная площадь решетки составит Ra=0,181 м2. Принимаем минимально допустимую высоту слоя над первой зоной 240 мм, угол наклона решетки - 15°. В этом случае длина активного участка составит 930 мм, а ширина решетки около 200 мм. По нашему мнению, это слишком малая величина для надежной работы котла в реальных условиях эксплуатации. При малейшем сбое или нештатной ситуации возникает риск образования спеков шлака с углем, могущих перекрыть решетку (т.е образовать над ней свод). К тому же при такой ширине возрастает влияние «краевого эффекта» - проскока воздуха через боковые уплотнения решетки. Имеются и другие аргументы против:

• при малых габаритах топочной камеры затруднительно обеспечить эффективную работу систем возврата уноса и ввода вторичного дутья;

• необходимость организации полноценной системы подготовки топлива, что в условиях котельной малой мощности не всегда оправдано по экономическим соображениям.

На наш взгляд, применение технологии ВТКС целесообразно начиная с единичной мощности котла Цка=6 МВт. При этой мощности достижимы конструктивные характеристики топки, отвечающие условиям технологии сжигания и обеспечивающие надежную эксплуатацию, а именно:

• теплонапряжение активной площади решетки qR>10 МВт/м2;

• высота слоя Нс>350 мм;

• угол наклона решетки β<15°;

• ширина решетки В>400 мм.

В заключение хотелось бы отметить, что, акцентируя внимание на проблемах при внедрении технологии ВТКС, авторы ни в коей мере не считают, что эти проблемы заложены в самой технологии. Примеры неудовлетворительной работы котлов с ВТКС - это прямое следствие грубых нарушений основных принципов технологии, которые могут выражаться в конструктивных недоработках, в недостаточной компетенции обслуживающего персонала. Цель настоящей статьи

- помочь эксплуатирующим и наладочным организациям разобраться в тонкостях и нюансах сжигания в ВТКС, а также предостеречь потенциальных заказчиков от недобросовестных поставщиков.

Мы считаем, что реальной альтернативы ВТКС для замены устаревших слоевых способов сжигания (а для котлов мощностью свыше 35 МВт - и камерного сжигания), на настоящий момент нет. Помимо ряда отличительных особенностей, приведенных в начале статьи, следует упомянуть следующие преимущества:

• большая универсальность по сжигаемому топливу - в котлах с топками ВТКС возможно успешное сжигание широкой гаммы углей: антрацитов и тощих углей, озоленных каменных углей, низкосортных бурых углей;

• высокие показатели маневренности - диапазон изменения нагрузки котла 20 - 100%;

• быстрая растопка котла, например, время вывода водогрейного котла тепловой мощностью 10 МВт с топкой ВТКС из холодного состояния на номинальную нагрузку не превышает 40-60 мин;

• отсутствие необходимости в растопочном топливе;

• привычные методы эксплуатации, незначительно отличающиеся от обычных слоевых котлов.

Наряду с упомянутыми в статье примерами неудовлетворительной работы котлов ВТКС имеется большое количество успешно работающих установок. Примеры и детальный разбор положительного опыта работы котлов ВТКС авторы планируют привести в следующих публикациях.

1. A.M.Squires. Pulverized-Fuel Combustion in Trouble . American Chemical Society, Division of Fuel Chemistry. 1970 г., T. 14, No2.

2. Origin of the "Ignifluid Combustion Process" and conception design, followed by the description of the project of a new fluid bed combustor. Godel, Albert A. Hueston, Ohio : б.н., 1968. Proceeding of the First International Conference On Fluidized Bed Combustion.

3. Joseph Yerushalmi, Morris Kolodney, Robert A. Graff, Arthur M. Squires and Richard D. Harvey.

Agglomeration of Ash in Fluidized Beds Gasifying Coal: The Godel Phenomenon. Science, New Series, Vol. 187, No. 4177. 21 Feb. 1975 г., стр. 646-648.

4. В.И.Ковенский. Условия эффективного сжигания твердого топлива в топках кипящего слоя. Теплоэнергетика. №8 2012 г., стр. 34-38.

5. Rayaprolu, Kumar. Boilers. A Practical Reference. Boca Raton : CRC Press, 2013.

6. М.Кубин. Сжигание твердого топлива в кипящем слое. М. : Энергоатомиздат, 1987.

7. Ignifluid Contribution To Air Pollution Control. J.J.Svoboda. Research Triangle Park, North Carolina : б.н., 1970. Proceedings of Second International Conference On Fluidized Bed Combustion.

8. N.Oka, Simeon. Fluidized Bed Combustion. New York, Basel : Marcel Dekker, Inc, 2004.

9. Ohman, M., Nordin A. A new method for quantification of fluidized bed agglomeration tendencies: a sensitivity analysis. Energy & Fuels. 1998 г., №12.

10. Г.А.Рогинский. Дозирование сыпучих материалов. М. : Химия, 1978.

11. В.А.Бородуля, Л.М.Виноградов. Сжигание твердого топлива в псевдоожиженном слое. Минск : Наука и техника, 1980.

12. Мишина К.И., Леонов А.Н. Особенности и преимущества технологии сжигания углей в высокотемпературном кипящем слое. Теплоэнергетика. №9 2008 г., стр. 19-23.

13. Basu, Prabir. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Boca Raton : CRC Press, 2006.

14. К.Б.Мазур. Фонтанирующие слои. [авт. книги] под ред. И.Ф.Дэвидсона и Д.Харрисона. Псевдоожижение. М. : Химия, 1974.

15. Н.И.Гальперин, В.Г.Айнштейн, В.Б.Кваша. Основы техники псевдоожижения. М. : Химия,

1967.

16. О.М.Тодес, О.Б.Цитович. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Л. : Химия. Ленинградское отделение, 1981.

17. П.Г.Романков, Н.Б.Рашковская. Сушка во взвешенном состоянии. Л. : Химия. Ленинградское отделение, 1979.

18. Д.М.Хзмалян, Я.А.Каган. Теория горения и топочные устройства. М. : Энергия, 1976.

19. С.Н.Миронов. Организация и регулирование режимов камерного сжигания угольной пыли.

М. : Энергия, 1972 .

20. И.В. Обухов, Д.Е. Целяк, И.В. Коломеец. Разработка и внедрение технологии КС-НТВ сжигания угля для котлов малой и средней мощности. Новости теплоснабжения. 2014 г., №2.

21. А.В.Смирнов. Котлоагрегаты малой мощности стопками высокотемпературного кипящего слоя в коммунальной энергетике. Новости теплоснабжения. 2009 г., №3.

А.Э. Карапетов, А.В. Роор, О проблемах при внедрении технологии сжигания в высокотемпературном кипящем слое в котлах коммунальной и промышленной энергетики

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения", www.ntsn.ru

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Тематические закладки пользователей:

Tеги: кипящий слой

Похожие статьи:

Подбор теплообменника!

Теплообменник ТТАИ для ГВС, отопления, промпроизводств. Эффективней пластинчатого!

+7(495)741-20-28, info@ntsn.ru

Программы Auditor