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

Проблемы сжигания местных видов топлива в котлах мини-ТЭЦ

С.М. Замара, инженер 1-ой категории по наладке котельного оборудования, исследователь в области технических наук,
филиал «Инженерный центр» ОАО «Белэнергоремналадка», г. Минск, Республика Беларусь

Введение

При сжигании местных видов топлива (МВТ) в котельных и на ТЭЦ возникает множество проблем, связанных с обеспечением устойчивого режима горения и температуры слоя (слоевые топки и топки с кипящим слоем), увеличением межрасшлаковочного периода, экологическим аспектом (выбросы вредных веществ), процессами в конвективных поверхностях нагрева (коррозионная агрессивность продуктов сгорания) и др. В связи с недостаточным опытом сжигания основных видов МВТ необходимо глубже изучить теплотехнические характеристики топлива и определить их влияние на эффективность работы котельного оборудования.

На примере эксплуатируемых на Осиповичской мини-ТЭЦ (г Осиповичи, Республика Беларусь) котельных установок, сжигающих МВТ, выполнен анализ их работы, а также рассмотрена и изучена проблематика эксплуатации этих котлов.

Особенности работы котельных установок

На мини-ТЭЦ находятся в работе котельные установки КЕ-10-2,4-300 ОГМВ ст. № 1 и 2, конструкция которых, в отличие от ранее известных установок этого типа, предусматривает одновременно вихревое и слоевое сжигание твердого топлива и использование в качестве растопочного и резервного топлива природного газа.

Двухбарабанные паровые котлы с естественной циркуляцией (рис. 1) спроектированы для работы со следующими параметрами:

■ номинальная паропроизводительность - 10 т/ч;

■ давление пара за котлом (абс.) - 2,4 МПа;

■ температура перегретого пара за котлом - 300 ОС.

Рис. 1. Схема парового котла КЕ-10-2,4-300 ОГМВ:

1 - шнековый питатель топлива; 2 - газовая горелка ГМГ-4 с ЗЗУ; 3 - вихревая топка; 4 - предтопок скоростного горения; 5 - топка с «шурующей планкой и колосниковой решеткой»; 6 - золовой бункер с опрокидывающейся решеткой; 7 - «зажимающая решетка»; 8 - устройство возврата уноса; 9 - аэродинамический щит (перегородка); 10 - шлюзовый затвор.

Котел типа КЕ-10-2,4-300 ОГМВ предназначен для сжигания древесного топлива с размером кусков до 100 мм влажностью до 60% и зольностью до 5%, а также фрезерного торфа с размером фракций 0,5-25 мм, влажностью до 50% и зольностью до 5% [1].

Котел имеет топочный блок с вихревой топкой и предтопком скоростного горения. Вихревая топка, расположенная над предтопком, предназначена для сжигания торфа во взвешенном состоянии. В вихревой топке благодаря тому, что торф, подаваемый питателем, подхватывается газовоздушным вихрем, создаваемым струями тангенциально подведенного воздушного дутья, подсушивается и сгорает в турбулентном потоке. Несгоревшие крупные частицы падают в предтопок и в топку с «шурующей планкой» и догорают, а зола удаляется в золовой бункер. В свою очередь, предтопок скоростного горения предназначен для сжигания древесных отходов в зажатом слое, через который продувается подогретый воздух.

В вихревой топке установлена газовая горелка с запально-защитным устройством. Газ используется в качестве растопочного и резервного топлива. Под конвективным пучком предусмотрено устройство возврата уноса. Для снижения температуры дымовых газов после котла и подогрева первичного воздуха установлен трубчатый воздухоподогреватель. Воздух от вентилятора первичного дутья поступает в воздухоподогреватель, после которого может подаваться под пережим и под топку с «шурующей планкой». После воздухоподогревателя дымовые газы дымососом подаются на золоуловитель.

Для очистки дымовых газов применяется золоуловитель, представляющий собой блок циклонов. Дымовые газы, поступающие в циклоны через тангенциальные завихрители, получают вращательно-поступательное движение. Под действием центробежной силы происходит сепарация частиц золы. Очищенные газы отводятся из циклона через центральные трубы в выходной газовый короб и далее в дымовую трубу. Золоуловитель эксплуатируется под давлением, т.к. установлен после дымососа. Котел и воздухоподогреватель работают под разрежением дымососа.

На котле предусмотрено механизированное удаление золы и шлака. Зола (шлак) из топки котла посредством опрокидывающейся решетки попадает в бункер золоудаления котла, далее по скребковому транспортеру и конвейеру с погружными скребками - в бункер-накопитель для золы и шлака, откуда автотранспортом вывозится на золоотвал.

В процессе пусконаладочных работ были выявлены основные недостатки конструкции котельной установки, внедрены некоторые мероприятия по их устранению, а также усовершенствования, разработанные ООО НКЦ «Бийск- энергопроект», что позволило достичь основных проектных параметров при работе котла [2].

Однако режимно-наладочные испытания показали, что при сжигании древесного топлива, а также его смеси с торфом, не обеспечивается формирование зажатого слоя в зоне пережима топки - нерасчетные (непроектные) режимы горения - и, следовательно, организация «интенсивного процесса горения» в предтопке скоростного горения, предусмотренная проектом. Топливо практически не попадает на колосниковую решетку, расположенную на фронте топки под пережимом, и, не задерживаясь на зажимающей решетке в зоне пережима, ссыпается в топку с «шурующей планкой», где в основном осуществляется его сжигание. В связи с этим проектный воздуховод подачи горячего воздуха под пережим топки практически не используется, т.к. подаваемый воздух не участвует в горении, является балластом и приводит к снижению экономичности работы котла (рис. 2). Это обусловлено достаточно высокими значениями оптимальных коэффициентов избытка воздуха (согласно [1] расчетный коэффициент избытка воздуха на номинальной нагрузке за котлом составляет 1,45 (рис. 3)) и повышенным содержанием окиси углерода (рис. 4).

Поэтому воздух под пережим топки подается в минимальном количестве для охлаждения элементов ввода воздуховода в топку.

Следует отметить, что снижение содержания окиси углерода режимными мероприятиями не представляется возможным, о чем свидетельствуют наличие зон избыточного количества воздуха, не участвующего в горении, а также наличие зон горения с недостаточным количеством организованно подаваемого воздуха.

Последующие наблюдения за работой котла в условиях длительной эксплуатации показали, что период работы котла до остановки для расшлаковки топки не превышает одного месяца, что объясняется прежде всего следующим:

■ «низким» качеством сжигаемого топлива (повышенные влажность и зольность, наличие минеральных примесей в топливе, таких как песок и др.);

■ топливо, сжигаемое в котле, различно как по влажности и зольности, так и по фракциям, а это, в свою очередь, сказывается на ведении (перенастройке) должным образом режимов работы котла оперативным персоналом станции;

■ нерасчетными (непроектными) режимами горения в котле, о чем было сказано ранее.

Также происходит накопление и спекание золы на поверхностях внутри котла (на колосниковой решетке топки с «шурующей планкой», в устье воронки бункера золоудаления, на заднем экране, на аэродинамических перегородках и щитах и др.). Удалить спекшиеся образования штатной системой золоудаления не представляется возможным. При несвоевременной расшлаковке котла куски шлака за счет дальнейшего налипания укрупняются и, попадая под шурующую планку и опрокидывающуюся решетку, а также в бункер золоудаления, полностью блокируют их работу, в результате чего выход золы из котла прекращается (происходит ее накопление внутри топочного объема), что кардинально нарушает режим горения в топке. Кроме того, происходит занос золой мелкой фракции труб воздухоподогревателя, образование наружных отложений на змеевиках пароперегревателя, которые вследствие снижения тепловосприятия приводят к росту температуры уходящих газов, увеличению аэродинамического сопротивления газового тракта котла из-за уменьшения проходных сечений. В результате этого снижается разрежение в топке котла, что влечет за собой увеличение загрузки дымососа (увеличение удельного расхода электроэнергии на собственные нужды). При дальнейшей эксплуатации в топке котла начинают появляться пульсации и выбивание дымовых газов и искр по причине недостаточного разрежения в топке и отсутствия запаса по тяге и, как следствие, вынужденное снижение нагрузки котла.

Через непродолжительный период эксплуатации возникают:

■ зашлаковывание коробов с перфорированными листами в зоне пережима с последующим прогоранием коробов и труб подачи первичного воздуха к ним;

■ повреждения перфорированных труб в нижней части топки (зона наклонных боковых стен), в которые организована подача первичного воздуха (температурная деформация труб);

■ повреждения нижнего яруса перфорированных труб на задней стене топки, в которые предусмотрена подача воздуха от вентилятора вторичного дутья.

Бесперебойная работа котла связана также с надежностью работы механизмов топливоподачи, шнековых питателей топлива и удаления из котла золы и шлака, к которым относятся:

■ скребковые и ленточные транспортеры топлива;

■ узел сортировки топлива;

■ топливные модули со станциями гидротолкателей;

■ шнековые питатели топлива на двух бункерах топлива;

■ шлюзовые затворы котлов;

■ скребковые транспортеры золы и шлака котлов;

■ выносной скребковый транспортер золы и шлака.

Работа указанных систем и узлов сопряжена с механическим износом вращающихся и трущихся деталей, а также поломкой скребков в результате попадания негабаритных включений (в том числе твердых кусков шлака в систему золоудаления) и запрессовывания мелкофракционного топлива повышенной влажности в тракте топливоподачи.

Так, для очистки топочного объема котла от неудаляемых при штатной работе системы золоудаления наростов и трудноразрушаемых спекшихся кусков золы необходим периодический останов котла с его расхолаживанием и полным удалением отложений и скапливающейся золы в элементах системы возврата.

Следует также отметить, что для обеспечения межрасшлаковочного интервала требуются кратковременные переводы котлов на сжигание газа без их останова, при которых возможно разрыхлить находящиеся на колосниковой решетке и в устье воронки бункера золоудаления мелкие спекшиеся образования во избежание их дальнейшего агрегирования.

Существующая конструкция узла сортировки топлива системы топливоподачи не обеспечивает его тщательную сортировку, вследствие чего при подаче топлива с размером фракции, превышающим установленный заводом-изготовителем, периодически происходит заклинивание шлюзового затвора.

При наличии большого содержания мелкофракционной золы в продуктах сгорания периодически возникает необходимость в замене рабочего колеса дымососа, металл которого подвергается сильнейшему эрозионному износу (абразиву) по нескольким причинам:

■ золоулавливающая установка (блок циклонов) находится после дымососа по газовому тракту котла;

■ неэффективно работает система возврата уноса продуктов сгорания в топочное пространство.

Дополнительное исследование коррозионной агрессивности продуктов сгорания

На котле КЕ-10-2,4-300 ОГВМ ст. № 1 по экспресс-методу [3] с помощью коррозионного зонда определялась коррозионная агрессивность продуктов сгорания (КАПС) при сжигании смеси щепы и торфа со следующими характеристиками:

■ щепа: низшая теплота сгорания - 9118 кДж/кг, влажность - 45,2%, зольность - 0,5;

■ торф: низшая теплота сгорания - 7578 кДж/кг, влажность - 47,6%, зольность - 11,0%, сера - 0,2% (при допустимом содержании - 0,3%);

■ соотношение смеси по массе: 60% - древесная щепа, 40% - фрезерный торф.

Характер коррозии металла и интенсивность протекания коррозионных процессов зависят от многих факторов, но главный из них - состав топлива. Основным коррозионным агентом в котлах, сжигающих топливо, содержащее серу, является серный ангидрид (SO3). На его генерацию оказывают влияние такие факторы, как коэффициент избытка воздуха, нагрузка котла, рециркуляция дымовых газов, компоновка котла и др.

Показатель КАПС определяется массой металла, прореагировавшего с пленкой серной кислоты, образующейся на поверхности датчика с заданной температурой в течение определенного времени выдержки его в потоке продуктов сгорания (два часа):

где 1,225 - коэффициент пересчета массы цинка в эквивалентное количество SO3; ΔGZn - убыль массы цинкового датчика, мг; S - площадь наружной поверхности датчика, м2; τ - время выдержки датчика в потоке продуктов сгорания, с. Расчетная абсолютная погрешность определения КАПС составляет ±0,08 мг/(м2.с).

Коррозию металла воздухоподогревателя, змеевиков пароперегревателя, экранных поверхностей вызывают как газообразные компоненты продуктов сгорания, так и минеральные, образующие золу, которая оседает на металлических поверхностях и образует отложения. Наличие отложений на поверхностях нагрева в зависимости от их состояния может как препятствовать, так и способствовать протеканию коррозии. Поскольку варьирование (изменение) некоторых из этих факторов не представлялось возможным (по режимным факторам работы котла, отсутствию однородности фракционного состава сжигаемых видов топлива, постоянно изменяющейся рабочей влажности древесного топлива в смеси), изменение величины КАПС определялось только в зависимости от тепловой нагрузки котла (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость изменения КАПС (скорости коррозии) от тепловой нагрузки котла при сжигании смеси древесного топлива и торфа.

Выводы

1. Изучение вопроса сжигания МВТ в котлах со слоевыми топками на примере Осиповичской мини-ТЭЦ показало, что существует целый ряд проблем, связанных, прежде всего, с невозможностью обеспечения достаточно длительного (более одного месяца) межрасшлаковочного периода работы котлов. Основной причиной являются нерасчетные (непроектные) режимы горения в топке котлов, приводящие также к повышенному содержанию окиси углерода на низких нагрузках при высоких значениях коэффициента избытка воздуха («балластный» воздух) и, как следствие, снижению экономичности работы установок.

2. Для обеспечения качественной и бесперебойной работы котельных установок, сжигающих МВТ, необходимо больше внимания уделять качеству (влажность, зольность, размер фракций, наличие минеральных примесей и др.) поставляемого топлива в соответствии с требованиями заводов-изготовителей.

3. На котлах, сжигающих МВТ, при плановых периодических остановах в обязательном порядке следует не только очищать топочный объем котла от неудаляемых при штатной работе системы золоудаления наростов и трудноразрушаемых спекшихся кусков золы, но и удалять золу из золоуловителей, очищать трубы пароперегревателей и воздухоподогревателей, а также выполнять регулярное профилактическое (техническое) обслуживание механизмов системы топливоподачи.

4. Применительно к Осиповичской мини-ТЭЦ необходима доработка узла сортировки в системе топливоподачи для более тщательной сортировки топлива и недопущения отказов в работе шнекового питателя и, как следствие, аварийных остановов котлов.

5. По определению скорости коррозии при сжигании смеси древесного топлива и торфа на одном из котлов Осиповичской мини-ТЭЦ получена зависимость изменения КАПС от тепловой нагрузки котла (Qкбр). С ростом тепловой нагрузки величина КАПС увеличивается и составляет порядка 7 мг/(м2.с) на нагрузке 7,15 МВт (10 т/ч).

6. Большое содержание мелкофракционной золы в продуктах сгорания при сжигании МВТ приводит к заносу теплообменных поверхностей, расположенных в конвективных шахтах котлов, образованию наружных отложений на экранных поверхностях и змеевиках пароперегревателей.

Эрозионный износ металла рабочего колеса дымососов на котлах Осиповичской мини-ТЭЦ связан в большей степени с тем, что золоулавливающие установки находятся после дымососов по газовому тракту котлов, а также с неэффективной работой системы возврата уноса продуктов сгорания в топочное пространство.

Литература

1. «Котлы паровые типа КЕ-10-2,4-300 с комбинированными топочными устройствами». Руководство по монтажу и эксплуатации. 55.002.0011 РЭ. Россия, ООО «Бийскэнергопроект» ОАО «БиКЗ», 2005.

2. Технический отчет «Тепловые испытания котла КЕ-10- 2,4-300 ОГВМ ст. № 1 Осиповичской мини-ТЭЦ при сжигании древесной щепы, торфа и совместном сжигании древесной щепы и торфа», ОАО «Белэнергоремналадка» инв. № 5280. Мн., 2006.

3. Метод определения коррозионной агрессивности продуктов сгорания: Отчет / Южное отделение Союзтехэнерго, инв. № 9542. Львов, 1974. 28 с.

С.М. Замара, Проблемы сжигания местных видов топлива в котлах мини-ТЭЦ

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №08 (168), 2014 г. , www.rosteplo.ru/nt/168

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

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

Тематические закладки пользователей:

Tеги: биотопливо

Похожие статьи:

Программы Auditor