Подборка публикуемых в этом подразделе статей основана па материалах третьей научно-практической конференции, проведенной УралВТИ в Челябинске.
Влияние схем сжигания и режимов на шлакование. Трехступенчатое сжигание
Алехнович А. Н., Богомолов В. В.
Эффективным методом снижения выбросов оксидов азота является применение трехступенчатой схемы сжигания топлива (схема с восстановлением оксидов азота или “ребенинг”, rebuming). Сущность схемы заключается в сжигании основной части топлива с избытками воздуха выше стехиометрического, например, а = 1,05 и организации после практически полного завершения выгорания топлива зоны восстановления. Зона восстановления образуется за счет подачи в нее топлива восстановителя при избытке воздуха в зоне а = 0,9 -:-1,0. Третья ступень - зона дожигания организуется путем подачи в конец зоны восстановления избыточного третичного воздуха. По результатам исследований сжигания высокореакционных углей в стендовых условиях применение такой схемы позволяет снизить выбросы оксидов азота до 60% [ 1 ]. На котлах из-за неравномерности смешения потоков восстановителя и окислителя с продуктами сгорания эффективность снижения NO, получена 40 - 50%.
Априори, создание восстановительной зоны неблагоприятно с позиций шлакования поверхностей котла. Однако внедрение схемы трехступенчатого сжигания на котлах, за исключением единичных случаев неоптимального конструктивного решения, не столкнулось с проблемой усиления шлакования. Более того, на ряде котлов отмечено улучшение ситуации по шлакованию экранов и пароперегревателя.
Рис. 1. Прочность при спекании уносов (а); окисленность железа в стекловидной фазе уноса Ост, доля железа в стекле Fест| и доля двухвалентного железа в стекле Fe (б); относительное число центров кристаллизации в стекловидной фазе уноса в зависимости от схемы сжигания (в):
а - экибастузский уголь, котел ПК-14; б - экибастузский уголь, котел ПК-14 ВТ ГРЭС; в: 1 - кузнецкий, стенд; 2 - экибастузский, ПК-14; 3 - азейский ПК-24
Известно, что ситуация по шлакованию определяется как характеристикой газового потока с частицами летучей золы (температура, тепловые потоки, газодинамика), так и шлакующими свойствами частиц летучей золы. По аналогии с работой котла при низких избытках воздуха и по результатам выполненных в УралВТИ исследований можно констатировать, что прохождение летучей золы через зону восстановления усиливает ее шлакующие свойства, правда, в разной мере для разных углей. Исследования также показали, что последующее прохождение золы через зону дожигания с высокими избытками воздуха не в полной мере “ликвидирует” усиление шлакующих свойств [2]. Изложенное указывает, что при внедрении трехступенчатого сжигания благоприятные изменения характеристик газового потока оказываются “весомее” усиления шлакующих свойств либо, что изменения шлакующих свойств не существенны.
Рис. 2. Прогнозируемое изменение показателя R& (склонности к шлакованию топки) при ступенчатом сжигании силезских углей
Рис. 3. Результаты расчетного анализа соотношений теплового напряжения зоны активного горения котла ОР-210 и шлакующих свойств сжигаемых в нем углей при традиционном и трехступенчатом сжигании:
Экспериментальное и расчетное изменение шлакующих свойств.
К настоящему времени имеются лишь упомянутые ранее исследования изменения шлакующих свойств при применении трехступенчатого сжигания, выполненные УралВТИ на котлах и огневых стендах. Некоторые из полученных результатов показаны на рис. 1.
Приведенная в [2] совокупность результатов исследований при некоторых частных противоречиях однозначно указывает на возможность усиления шлакующих свойств золы при переходе на ступенчатое сжигание как в топочной камере, так и на выходе из нее. По крайней мере, для некоторых углей (с высоким содержанием в минеральной части компонентов кислого состава) это проявляется в снижении температуры начала шлакования росте интенсивности шлакования и прочности образующихся отложений (спекаемости летучей золы, рис. 1, а). По аналогии с ситуацией, изученной при низких избытках воздуха, также возможно усиление образования прочных первичных (железистых) отложений.
Экспериментально обоснованы следующие механизмы изменения шлакующих свойств:
увеличение (из-за низких избытков воздуха или восстановительной среды в зоне основных горелок) доли двухвалентного железа в расплаве, которое для углей с кислым составом золы является плавнем. Повышенное отношение Fe2+/Fe3+ измерено и на выходе из топки после прохождения частичками золы зоны дожигания с повышенными избытками воздуха (рис. 1, б ) из-за медленного окисления Fe2+ в Fe3+;
уменьшение степени выгорания пирита по длине факела;
образование более гомогенных расплавов золы (расплавов с меньшим числом центров кристаллизации, рис. 1, в) и повышение доли расплавленной золы (стекловидной фазы в охлажденной пробе).
По-видимому, к настоящему времени выявлены не все механизмы, ответственные за усиление шлакующих свойств, и не все, известные из них в данное время, можно оценить. На этом этапе учитывается изменение степени окисленности железа в расплаве и выгорания пирита, но учет влияния этих факторов делается с запасом, чтобы компенсировать неучтенные.
х - традиционный котел; о - котел с “rebuming”
Степень окисленности железа в стекловидной фазе летучей золы при традиционной схеме сжигания углей исследована в УралВТИ при помощи мессбауэ- ровской спектроскопии. На базе этих данных предложена эмпирическая зависимость для оценки отношения Fe2+/Fe3+ от химического состава золы [3]. Изменение окислительно-восстановительных отношений железа в стеклофазе летучей золы в зависимости от избытка воздуха измерено для четырех марок углей: экибастузский, бурые КНДР, кузнецкий и донецкий марки Г. Оказалось, что при снижении избытка воздуха доля Fe2+ во всех случаях возрастает, но темп роста зависит от исходной степени окисленности железа.
Для оценки влияния ступенчатого сжигания на изменение tшл и показателя склонности к шлакованию топки Rst предложено принимать расчетную долю Fe2+ такую же, как при работе с низкими избытками воздуха. Принятие одинакового влияния ступенчатого сжигания и низких избытков воздуха дает определенный запас при прогнозировании. Дополнительно анализ выполняется для варианта сохранения всего железа в расплаве в виде Fe2+, т.е. максимально возможного влияния этого фактора (реально такая ситуация наблюдалась лишь для летучей золы экибастузского угля из зоны горения с восстановительной средой).
Для оценки влияния степени окисленности железа на шлакующие свойства предложены показатели, по сути, совпадающие с используемыми в методике УралВТИ - Уральской теплотехнической лаборатории, но отличающиеся от них более общей формой выражения соотношения кислых (ΣΚ — SiО2 + А12О3 + ТiО2) и основных (ΣΟ = СаО + MgO + К2O+ Na2O) оксидов. Например, температура начала шлакования углей с кислым составом оценивается как
tтл = 925 + 6,91 (ΣΚ+ Fe2O3 · Fe3+)/(O + Fe2O3. Fe2+), (1)
где Fe3+ и Fe2+ - доля трех- и двухвалентного железа в стеклофазе уноса.
Рис. 4. Разница фактических и расчетных температур на выходе из топки в зависимости от превышения допустимых по условиям шлакования значений
Выгорание пирита.
При организации ступенчатого сжигания возможно затягивание выгорания пирита, что наблюдалось в некоторых из выполненных в Урал- ВТИ опытов. При наличии экспериментальных данных о доле пиритного железа в летучей золе (железа в составе невыгоревшего пирита и пирротина) влияние этого фактора на шлакующие свойства предложено учитывать путем условного увеличения содержания пиритного железа (серы) в исходном угле (в процентах)
(2)
где ΔSρ - пересчитанная на серу разница содержания пиритного железа в летучей золе при ступенчатом и традиционном сжигании. При отсутствии таких данных на этапе до разработки инженерной методики расчета кинетики выгорания пирита в топочном процессе (по отдельным несистематическим результатам)
Температура горения.
В последних разработках по прогнозированию шлакующих свойств углей в качестве одного из основных показателей, определяющих склонность угля к шлакованию экранов, принят индекс Рс,. По физической сути индекс Рс, представляет собой нормированное значение разности θгор -tшл. Значение температуры горения для сравнительной оценки углей принято
, и различие схем организации сжигания дополнительно учитывается различием адиабатической температуры горения θ3 в показателях Pfe и Рс
Результаты анализа изменения шлакующих свойств при переходе к ступенчатому сжиганию на примере показателя склонности к шлакованию топки
показаны на рис. 2.
