Сжигание бурых углей в топках с низкотемпературным кипящим слоем с вертикальным вихрем

Тихонов С. Б., Беломестнов Ю. А.

Спроектированные на сжигание газа или мазута ТЭС перевести на уголь технически очень трудно, а может, и невозможно, однако существует немало ТЭС, которые были переведены с угля на газ. Возврат к сжиганию твердого топлива для них непростая задача. Топки этих котлов имеют конкретные требования к углю (по условиям шлакования, жидкоплавкого состояния золы или способа пылеприготовления) и в большинстве случаев не приспособлены для сжигания низкосортного топлива.
Подобные проблемы появляются у станций, сжигающих каменные угли в теплонапряженных топках и планирующих сжигать низкосортные бурые угли. Зачастую оказывается, что сжигание низкосортных углей либо невозможно, либо связано с уменьшением производительности котлов на 30 - 40%. Все заявления о возможности обогащения углей и изменения их технических характеристик пока не имеют никакого практического результата, поскольку обогащенное топливо неконкурентоспособно.

Таким образом, глобальная задача перевода электростанций на сжигание низкосортных углей и снижения доли использования газа и мазута - проблема более чем сложная, а на фоне существующего положения дел со старением основного оборудования практически неразрешимая.
Переход на сжигание низкосортного топлива и перевод газомазутных котлов на сжигание твердого топлива невозможен без принципиально новых топочных устройств. Современные топки должны не только решать указанные проблемы, но и обеспечить жесткие экологические требования к выбросам, быть более экономичными и “всеядными”.
Не секрет, что такие топочные устройства есть, правда, в основном за рубежом - это топки с низкотемпературным кипящим слоем (НТКС). Бурное развитие конструкции топок с НТКС в 70 - 80-е годы привело к созданию циркулирующего кипящего слоя (ЦКС). За короткий период в мире пущено и эксплуатируется более 250 котлов с ЦКС различной производительности. В 1995 г. во Франции введен в эксплуатацию энергоблок 250 МВт с котлом с ЦКС 700 т/ч.
В России внедрение топок с НТКС затормозилось перестройкой. Единственный крупный котел производительностью 420 т/ч был смонтирован на Барнаульской ТЭЦ-3 (изготовитель ОАО Сибэнергомаш), но в силу различных причин до настоящего времени пока не работает. В последнее время котлостроительными заводами совместно с отраслевой наукой разработано несколько проектов котлов с ЦКС (250, 500 и 1000 т/ч), однако, к сожалению, все они не имеют внедрения.
Одной из первых энергосистем, рискнувших внедрить топку с НТКС, стало ОАО Читаэнерго. В 1999    г. на Читинской ТЭЦ-2 были объявлены тендерные торги на проект реконструкции слоевого котла ТС-35У производительностью 35 т/ч с переводом его на топку с НТКС. Необходимость реконструкции была вызвана низким КПД слоевых котлов и значительными ремонтными затратами при сжигании харанорского бурого угля марки 2БР (2^ = 12,48 МДж/кг; Ар = 12%; Wv = 39%).
В тендерных торгах приняли участие ОАО “Белгородский завод энергетического машиностроения” (г. Белгород) и НИЦ (Научно-исследовательский и проектно-конструкторский центр) ПО Бийскэнергомаш (г. Барнаул). Решением тендерного комитета единогласно победителем торгов был признан НИЦ ПО Бийскэнергомаш. Эта организация на сегодня имеет наибольший практический опыт по внедрению топок с НТКС. Совместно с заводом Бийскэнергомаш они детально отработали технологию сжигания в НТКС на котлах малой производительности в промышленных котельных.
В августе 2000 г. на Читинской ТЭЦ-2 была начата реконструкция котла ст. № 7, а уже в октябре котлоагрегат был сдан в эксплуатацию. Затраты на приобретение оборудования и строительно-монтажные работы составили менее 3 млн. руб. Реконструкция затронула следующие узлы котла (рисунок):
изменен профиль нижней части топки. Цепная решетка демонтирована, фронтовой и задний экраны продлены вниз. Боковые стены закрыты тяжелой обмуровкой на высоте от воздухораспределительной решетки 1 до оси охлаждающих панелей 2, экраны боковых стен остались без изменения;
на воздухораспределительной решетке приварены колпачки 3 с направленным дутьем для циркуляции материала слоя. Решетка и две трубы слива слоя 4 охлаждаются водой;
для растопки котла в отдельном воздушном коробе под решеткой установлено растопочное устройство 5, состоящее из форсунки, ЗЗУ и завихрителя. Горячие газы, образующиеся при сжигании дизельного топлива, нагревают слой снизу и обеспечивают зажигание подаваемого в топку угля. После устойчивого зажигания угля в слое растопочное устройство отключается;
на фронтовой и задней стене топки установлены сопла острого дутья 6. Воздух, предварительно подогретый в воздухоподогревателе 7, подается к соплам штатным вентилятором ВД-13,5 8;
для обеспечения ожижения слоя дополнительно установлены два высоконапорных вентилятора ВДН-8,5 х 30009, производительностью 17 тыс. м3/ч и напором 10 кПа;
второй по ходу газов пакет пароперегревателя 10, расположенный в поворотном газоходе, увеличен и полностью заменен;
демонтирован второй по ходу газов куб воздухоподогревателя;
экономайзер котла 11 увеличен на 3,5 петли; лопатки штатного дымососа Д-15,5 12 наращены, двигатель заменен на более мощный.
Реконструированная топка с НТКС принципиально отличается от традиционных топок подобного типа, а именно:
высокая скорость ожижения (9 - 10 м/с), как у топок с циркулирующим кипящим слоем. За счет интенсивного перемешивания неравномерности температуры и концентрации топлива по площади слоя отсутствуют. Слой выносится в объем топки
и,  интенсивно охлаждаясь, “стекает” по заднему экрану;
под топку подается только 50 - 60% воздуха, участвующего в горении, остальной воздух подается через сопла. Недостаток воздуха в слое приводит к частичной газификации топлива и двухстадийному горению;
вторичный воздух, подаваемый через фронтальные и задние сопла, образует мощный вертикальный вихрь и способствует дожиганию газов и выносимой мелочи. Половина золы топлива остается в топке.
Указанные конструктивные решения позволили значительно улучшить показатели топок с НТКС, в частности:
повысить выжиг топлива без применения дорогостоящих сепарационных устройств и возврата уноса, используемых в котлах с ЦКС. Максимальные потери с механическим недожогом не превышают 2,5%;
расширить предел регулирования температуры перегретого пара за счет интенсификации теплообмена в топке, вызванного вертикальным вихрем;
регулировать температуру слоя с помощью изменения расхода воздуха под решетку без применения погруженных поверхностей нагрева. При переходе в режим газификации температура слоя снижается. Зависимость температуры слоя от расхода воздуха под решетку имеет явно выраженный максимум в точке их стехиометрического соотношения, при увеличении или уменьшении воздуха в слое температура падает. Благодаря этому котел не имеет ограничений по нагрузке из-за высокой температуры слоя;
добиться умеренного износа конвективных поверхностей. Доля уноса золы из топки 45 - 55%; 60 - 70% всего уноса - это “проскок” относительно крупных частиц (100 - 1000 мкм), не попавших в вертикальный вихрь, остальное - очень тонкая зола, которая мало влияет на износ. Фактически доля уноса абразивной золы в конвективные поверхности значительно меньше, чем у пылеугольных котлов с твердым шлакоудалением, и практически такая же, как для котлов с топками с ЦКС;

Топка с низкотемпературным кипящим слоем с вертикальным вихрем

снизить в 2 раза (относительно слоевых и факельных топок) выбросы оксидов азота. За счет двухстадийного горения и низких температур слоя во всем регулировочном диапазоне нагрузок и при любых избытках воздуха в топке максимальная концентрация NOx не превышает 200 мг/м3;
исключить значительные потери с химическим недожогом. Концентрация окиси углерода за счет дожигания в вертикальном вихре не превышает 100 ppm.
Технические характеристики котла до и после реконструкции приведены далее.

Результаты наладочных опытов показали, что максимальная паропроизводительность котла после реконструкции ограничена производительностью дымососа и составляет 44 т/ч. Заполнение топки на нагрузках выше 35 - 38 т/ч улучшается, содержание окиси углерода в газах снижается.
Минимальная нагрузка на котле составила 22 т/ч. Так как заполнение топки начинается снизу, добиться минимально допустимого перегрева пара (425°С) при меньших нагрузках не представляется возможным.
Во всем диапазоне нагрузок котел работает с полностью отключенным пароохладителем, корректировки температуры перегретого пара при изменении нагрузки осуществляются только вторичным воздухом. При увеличении доли вторичного воздуха от 20 до 40% температура перегретого пара снижается на 20°С.
Яркостная температура факела, измеренная оптическим пирометром над слоем около 1100°С, на уровне задних сопл - 1040°С. Температура газов за пароперегревателем не более 480°С, что на 150 - 190°С ниже, чем при слоевом сжигании. Относительно низкие температуры в топочной камере и в поворотном газоходе способствуют более надежной работе пароперегревателя и ограждающих поверхностей топки. Поскольку горение происходит при температурах ниже температуры плавления золы, шлакование неэкранированных стен топки и поверхностей нагрева отсутствует.
Топочный режим характеризуется высокой стабильностью. Отклонения температуры перегретого пара в стационарном режиме кратковременны и по амплитуде не превышают 1 - 5°С. Перекосов температур по ширине топки и пульсаций нет, устойчивое горение возможно в диапазоне температур слоя от 550 до 1140°С. В зимнее время за счет газификации и прочих внешних условий рабочая температура слоя снижается до 850°С.
В ходе наладочных испытаний выявлено, что минимальные тепловые нагрузки, обеспечивающие саморазогрев слоя, полностью удовлетворяют заданный график растопки котла. Расход угля для поддержания минимальной температуры слоя примерно 1,5 т/ч, что составляет около 15% расхода топлива на котел при номинальной нагрузке.
Растопка котла начинается на дизельном топливе. После устойчивого загорания угля в слое при температуре 500 - 550°С растопочная форсунка отключается, устанавливается минимальный расход топлива и прогрев котла продолжается без постороннего вмешательства в режим горения. Расход дизельного топлива для разогрева слоя при растопке из холодного резерва не более 200 л. После простоя котла менее 6 ч расход дизельного топлива уменьшается вдвое. При простое котла менее 3 ч растопка производится без использования жидкого топлива, при этом уголь зажигается от аккумулированного слоем тепла. Вместо дизельного топлива может использоваться топочный мазут.
В настоящее время котел отработал около 4000 ч в отопительный сезон 2000 - 2001 гг. с нагрузкой 35 - 42 т/ч. Сейчас заканчивается аналогичная реконструкция второго котла. В 2002 г. планируется реконструкция еще двух слоевых котлов Читинской ТЭЦ-2.

Выводы

1. В результате реконструкции удалось получить более надежный и управляемый котел с КПД брутто не менее чем на 4% выше, чем до реконструкции. Надежность, безопасность и экологические характеристики новой топки не только не уступают слоевым и факельным топкам, но и превосходят их.
2. Учитывая простоту конструкции и возможность сжигания любого низкосортного топлива, новое топочное устройство может идеально подойти для проектирования и реконструкции пылеугольных и газомазутных котлов малой и средней мощности. Применение более сложных котлов с ЦКС целесообразно уточнять с помощью техникоэкономических расчетов.
3. В связи с планируемым увеличением темпов добычи канско-ачинских углей (до 40 - 42% к концу 2015 г.), а также необходимостью срочного проведения реновации основных фондов ТЭС с целью скорейшего внедрения передовой технологии в производство следует продолжить работы по внедрению котлов с новыми топочными устройствами.
4. Перевод пелеугольных топок на сжигание углей по данной технологии позволит не только экономить жидкое топливо на растопку, но и исключить расход мазута на подсветку факела. Доля мазута, используемого для этих целей, может сократиться на порядок.