Вихревые топочные устройства

 

  Специалистами нашего предприятия проведена большая научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа по созданию эффективных топочных устройств на основе низкотемпературной вихревой технологии сжигания топлива. Изготовлены и поставлены Заказчику более 200 паровых и водогрейных котлов с вихревыми топками различных модификаций и мощностей для сжигания производственных, сельскохозяй-ственных отходов, низкосортных твердых топлив, отходов углеобогаще-ния.

     Особенностью разработанной технологии, получившей название «Торнадо», является совместное слоевое и факельно-вихревое сжигание, что применимо практически для любого вида твердого топлива и отходов. Крупные фракции топлива сжигаются в слое на механизированной колосниковой решетке, а мелкие, уносимые частицы удерживаются потоком в топке и заполняют вихрь излучением горящих частиц. Соответственно в вихревой топке сглаживаются неравномерности тепловыделения с подавлением температурного максимума ядра факела, появляется заметная доля конвективной составляющей теплообмена, повышается излучательная способность топочного объема. Тепловосприятие топочных экранов заметно увеличивается, но при этом максимум тепловосприятия понижается. Тепловая нагрузка экранов повышена, но распределена равномерно, что увеличивает надежность их работы.

       Разработка низкотемпературной вихревой технологии «Торнадо».

Котлы с топками «Торнадо».

     Разработка котлов, топок и технологии низкотемпературного вихре-вого сжигания под брендом «Торнадо» касается широкого круга вопросов, включая обеспечение чистоты экранов и котельных пучков, равно-мерного заполнения топки низкотемпературным топочным процессом с удержанием и дожиганием частиц. 
     Касаясь сути комплекса проведенных, раскрытых и описанных ниже в разделах исследований и работ, перечислим основные из них:
1. Разработка котлов с топками «Торнадо» и котельно-вспомогательного оборудования к ним.
2. Развитие и совершенствование аэродинамических схем, работающих по низкотемпературной технологии организации топочных процессов «Торнадо».
3. Исследование свойств золы, её отложений и характеристик топлив.
4. Разработка и совершенствование топочного процесса «Торнадо».

      Мониторинг котельных маслозаводов РФ показал, что установленные там котлы с вихревыми и другими топками зачастую спроектированы неправильно. В топках не выдерживается низкотемпературный режим горения, они интенсивно зашлаковываются, часто останавливаются на длительную очистку и работают с понижением паропроизводительности в 2-3 раза. Иногда для уменьшения натрубных и внутритопочных отложений лузгу сжигают с большим недожогом, не экономично и с большими вы-бросами загрязнений. Практически на всех обследованных котельных наблюдаются выбросы искр, короба дымоходов и циклоны ржавые, покоробленные и иногда прогоревшие от частых пожаров. В итоге котлы Бийского (БиКЗ) и других котельных заводов, которые имели слоевые, Шершнева и ПМ топки, оказались непригодными для растительных отходов. Низкотемпературные вихревые топки (НТВ) также не позволили организовать их сжигание.


     Вихревые топочные устройства в соответствии с нашими патентами РФ могут иметь вихрь с горизонтальной и вертикальной осью вращения или выполняться в виде сдвоенной, дубль топки, с двукратно повышенной площадью экранирования. Низкотемпературные дубль топки, фото.1, важны именно для сжигания интенсивно шлакующей лузги подсолнечника и позволяют поднять паропроизодительность до 25 - 50 т/ч (блочный котел).

      

Фото 1. Газоотводящие окна дубль-топки в котле Е-25

Фото 2. Устройство паровой обдувки УПО-250

 

В котлах «Торнадо» применяется низкотемпературная вихревая технология сжигания, реализующая совместное слоевое и факельно-вихревое сжигание с удержанием и дожиганием выхлопа и уносимых частиц, а также выгружаемого шлака острым дутьем, практически применимая для любых видов топлив. [1]. Котлы используют мелкие или измельченные растительные отходы и дробленое топливо, мельче, 13-20 мм при непрерывной подаче.

Достоинством разработок также является возможность реконструкции установленных котлов с введением в их топочный объём топок «Торнадо» компактных конструкций. При этом используется инфраструктура (паро- и водопроводы, тракты топлива, золы и др.), повышается мощность котлов и минимизируются затраты на их очистку.

Котлы изготавливаются в различных вариантах:

-       паровые, с паропроизводительностью от 1 т/час до 100 т/час, давление пара Рп=0,6-3.9МПа и температурой перегрева пара до Тпп=440°С;

-       водогрейные мощностью 0,7-70 МВт с температурой воды 95-150 °С;

-       работающие на угле, торфе, лузге, растительных и древесных отходах и других измельченных топливах (универсальность по топливам);

-       котлы-утилизаторы с дожиганием утилизируемых отходов.

Для комплектации котлов Компания «ПроЭнергоМаш» производит устанавливаемые под вихревыми камерами сгорания и широкий типоразмерный ряд котельно-вспомогательного оборудования, многотопливные слоевые топочные устройства. Это питатели, дозаторы и эжектор-питатели для подачи топлива; транспортеры различных видов для золы и топлива, в том числе герметичные и/или охлаждаемые водой; вентиляторы и ТДМ; системы КИП и управления; дымовые трубы; золоулавливающее оборудование; склады топлива и другое. Для очистки труб от отложений золы созданы серийно производимые устройства паровой обдувки УПО – 250, фото. 2. Обдувка сжатым воздухом или паром с давлением 0,6-1,3 МПа через сопла, размещенные на вращающейся штанге, движущейся возвратно-поступательно.

 

Для примера на фото.3 показан один из двух модернизированных котлов для сжигания лузги подсолнечника в котельной ООО «Донское золото». На момент запроса о реконструкции котлы останавливались на очистку каждую неделю с удалением вручную до тонны отложений. В работе на лузге постоянно мог находиться один котел, а недостаток технологического пара обеспечивался двумя газовыми котлами. При модернизации в котлах были установлены топки «Торнадо» с вертикальной осью вихря, по две УПО-250 и тракты автоматического удаления золы. Периодическая обдувка снижает температуру уходяхих газов на 60-70 оС.

Фото 3. Модернизированный паровой котел КЕ-10

Показатели работы реконструированных котлов:

  • Увеличена производительность каждого с 6 до 11 тонн пара в час;
  • Вихревое низкотемпературное сжигание обеспечивает безшлаковочную работу, остановка котлов для очистки не требуется;
  • Выбросы СО~350 мг/м3, NOx до 75 мг/м3;
  • Механизированное золоудаление свело к минимуму ручной труд;
  • Расчётный срок окупаемости от экономии газа 4,5 месяца.

Успешный опыт этой и других реконструкций дают перспективы для маслоэкстракционных заводов по улучшению эксплуатационных характеристик при малых вложениях.

2. Развитие и совершенствование аэродинамических схем, работающих по низкотемпературной технологии организации топочных процессов «Торнадо»

Развитие и совершенствование аэродинамики схем организации вихревых низкотемпературных топочных процессов наиболее важно при разработке проектов новых котлов и переводе установленных котлов на технологию «Торнадо». Известные схемы НТВ, низкотемпературных вихревых топок, оказались непригодными из-за плохого удержания частиц [1]. Оказалось, приемлемое удержание мелких и легких парусных частиц можно обеспечить в неохлаждаемых циклонных топках, предложенных Г.Ф. Кнорре [2].

Доведение этой аэродинамической схемы до возможности её практического применения, непременно при низкотемпературном [3] сжигании и с возможностью встраивания топок «Торнадо» в топочный объём котлов потребовало большого объёма стендовых исследований [3, 4]. На аэродинамических моделях была доказана возможность удержания парусных частиц не только в циклонах [2], но и в многоугольных призматических, фото 4. а), б), в) – сообщающихся парных и групповых, фото 4. г) – неправильноугольных радиальных, фото.4. д) – а также с вертикальными и горизонтальными осями вихрей и другой геометрией.

Фото 4. Некоторые из образцов исследованных аэродинамических моделей

Экспериментально было доказано, что за счет дутья можно формировать и устанавливать в различных сечениях камер вращающиеся структуры частиц, фото.4 г). Моделирование показало, что есть критическая загруженность частицами и при её превышении эти структуры обрушиваются, топка «захлебывается». Разработанные меры позволили увеличить загруженность топки в десятки раз по сравнению с равномерным распределением дутья.

Интенсивная осевая циркуляция удерживает частицы, рис. 5. Она благоприятна для создания однородного температурного поля и предопределяет высокую эффективность вихревых топок.

 

Рис. 5. Поля статического давления и вектора скорости на выходе и в сечениях вихревой камеры

Наличие сужения в виде газоотводящего окна и его конструкция важны. Окно диафрагмирует выход, обеспечивает стабильность вихревых образований [5]. Пережим ускоряет вращение вихря, улучшает удержание частиц в камере сгорания и очистку потока от витающих частиц при входе вихря в газоотводящее окно. Подача острого дутья в пережим встречно выходящим продуктам сгорания улучшает удержание частиц и дожигание выхлопа, обеспечивает экономическую и экологическую эффективность схемы.

На сегодня при проектировании топок «Торнадо» конкретных объектов также используется численное моделирование, рис. 6. При моделировании просчитываются поля скоростей, формирование потоков частиц и другие элементы аэродинамической обстановки, оптимизируется профиль топки, вводы топлива, распределение дутья, размеры и геометрия газоотводящих окон и др. Это позволяет уверенно обосновать и принять технические решения.

 

Рис. 6 Моделирование аэродинамической обстановки в вихревой дубль-топке "Торнадо"

3. Исследование свойств золы, её отложений и топлив

В твердых топливах наиболее проблемной составляющей является зола, поэтому свойства золы углей подробно изучались [6]. Однако, при всей известности и проблемности вопроса, до сих пор нет методики для однозначного предсказания поведения золы углей в ходе топочных процессов. Проблема обострилась из-за вовлечения в энергетику нового класса, "зелёных" СО2 нейтральных топлив, представленных древесными и растительными топливами и отходами. Их минеральная часть (зола) исключительно материнская и богата соединениями щелочных металлов, которые обычно выщелачиваются из углей в процессах их метаморфизма. Особенно их много, причем в виде соединений калия, содержит зола лузги подсолнечника, К2О =30¸80%.

Анализ проблем образования отложений золы при сжигании лузги подсолнечника четко выявил такие стороны проблемы:

-       Зола лузги образуется из оболочек растительных клеток и по исследованиям лабораторных проб существенно отличается от золы углей. Она мягкая, хрупкая, мелкая, на 95% мельче 20мкм, средний размер частиц около 6мкм [3]. Теоретически она должна витать в дымовых газах.

-       При малой зольности лузги, от долей до 2-3%, в котлах могут формироваться мощные отложения золы, плотно забивая межтрубные проходы для газов в котельных пучках, иногда за смену, фото 7.

-       Практика показала, что зола лузги в ходе топочного процесса претерпевает существенные изменения. Зола укрупняется и остается в виде отложений в котле и это самая важная проблема при его эксплуатации.

Фото 7. Вид отложений в камере дожигания (слева) и экономайзере

В итоге исследований был выявлен сублимационно - конденсационный механизм формирования отложений из возгонов калия и других щелочных элементов золы. В структуре отложений непосредственно на более холодных трубах всегда есть, фото.7, есть холодный тонкий рыхлый, непрочный слой первичных отложений с низкой теплопроводностью. Эти отложения имеются на всех трубах. Затем, в зоне высоких температурна трубах КП1, причем со стороны набегания потока газов, над этим слоем формируется плотный слой золы за счет прилипания прилетающих расплавленных частиц и проплавления их слоя с формированием плотных отложений.

На топочных экранах слой отложении конденсируется более медленно, но при закрытии экранов золой, температура в топке возрастает. Соответственно возгонка золы увеличивается, зона повышенных температур смещается вглубь КП1, а процесс налипания золы обретает лавинообразный характер. Крупные отложения обрушаются с котельных труб и закрывают проход выходящим газам с остановом котла по отсутствию тяги. В низкотемпературных зонах, фото 7 справа, отложения рыхлые, выносятся потоком и стабильны по толщине.

Для подавления отложений золы был разработан низкотемпературный топочный процесс с периодической очисткой труб. Для очистки котлов Компания «ПроЭнергоМаш» серийно производит устройства паровой обдувки УПО‑250, фото. 2. Обдувка паром с давлением 0,6-1,3 МПа через сопла, размещенные на конце вращающейся и движущейся на 1-8 м возвратно-поступательно штанги. Её включение через 3-12 ч, например, в котле КЕ-10 снижает температуру уходяхих газов на 60-70 оС.

Помимо изучения характеристик различных топлив наша Компания проводит прямые опытные сжигания углей и углесодержащих отходов в промышленных котлах «Торнадо» с выполнением комплекса исследования.

Сжигание промпродукта ОФ ОАО «Междуречье». Имеющимися исследованиям было определено, что горючие содержатся в капсулах, упакованных в зольную оболочку промпродукта. Его сжигание в типовых котлах котельной были безуспешными, при переходе с угля на промпродукт горение становилось неустойчивым, мощность котлов резко снижалась.

Опытное сжигание промпродукта проводилось в котле ДКВр‑6,5 котельной БМПЗ, который ранее был переведен с мазута на уголь путем установки вихревой топки «Торнадо». Котел работал устойчиво и надежно нес нагрузку. Сожжено топлива 6900 кг с выделением 1700 кг шлака и 80 кг летучей золы и генерацией 61 т пара. КПД котла определенный прямым методом составил 80,5% и при модернизации котла может быть увеличен до 87-90%. Экологические характеристики хорошие, унос минимальный - дыма из трубы не наблюдалось. В зависимости от нагрузки и температуры в топке содержание СО изменялось в пределах 100 – 170 ррм, содержание оксидов азота в пределах 110 – 130 ррм, SО2 соответственно 20 – 50 ррм.

Сжигание водоугольного топлива (ВУТ), приготовленного из промпродукта и его смеси с пресскеком ОФ в специализированном котле ОАО «Междуречье» с топкой «Торнадо» также было устойчивым при низшей теплоте сгорания топлива не ниже 2670 ккал/кг.

Сжигание мелких отсевов угля. Отсеивание частиц мельче 6мм часто позволяет удалить частицы с повышенной зольностью и получить качественный, обогащенный, дорогой уголь. Но это дает многотоннажный выход мелкого отхода, который трудно сбыть, транспортировать. Строительство мини ТЭС и котельных на месте выхода отсева позволит решить эту проблему.

Было сожжено 7000 кг отсевов с зольностью 14,1 %, калорийностью 5100 ккал/кг и средним размером 1,0 мм. Такие мелкие частицы непригодны для сжигания в типовых слоевых котлах. Генерация пара - 48 т при выделении 840 кг шлака и 350 кг летучей золы. КПД котла определенный прямым методом составил 78,5 % и был пониженным из-за малой нагрузки котла в летний сезон - 3,5 т/час (около 50 %).

Во всех промышленных испытаниях котлы с топками «Торнадо» работали с приемлемой надежностью и имели достаточно высокие экономические и экологические показатели, которые естественно будут повышены при создании котлов, приспособленных под специфическое топливо.

 

 

4. Разработка и совершенствование топочного процесса «Торнадо»

 

Переход от схемы циклон [2] к низкотемпературному сжиганию в соответствии с законом Аррениуса сопровождается заметным снижением скорости горения и накоплением горящих частиц в экранированной, охлаждаемой вихревой топке. Удержание в такой топке большого потока взвешенных в вихре даже легких частиц приводит к режимам с пульсациями давления, выбросами дымовых газов и искр из топки, особенно в режиме «захлебывания» двухфазного потока и это оказалось существенным недостатком схемы «Торнадо» и первых котлов.

 

Совмещение «Торнадо» со слоевой схемой оказалось очень продуктивным при сжигании быстро горящих частиц лузги и сухих древесных отходов. Её применение положительно сказалось на всех характеристиках комбинированной топки «Торнадо». Обеспечивался быстрый старт, стабилизация горения, увеличение мощности топки на 15-25%, а также повышение экономических и экологических показателей. Например, в котле Е-10-14 ДВО, рис. 5, при сжигании древесной пыли и стружки концентрация NOx снизилась в 1,5 раза, а СО в 3-5 раз.

Рис. 5 Зависимость выбросов от избытков воздуха и схемы сжигания

В итоге, для стабилизации были разработаны комбинированные низкотемпературные топки «Торнадо» с верхней двухступенчатой схемой подачи дутья и топлива в охлаждаемый излучением и конвекцией слой, находящийся на механизированном охлаждаемом водой колоснике.

Эта схема оказалась универсальной и позволила распространить технологию «Торнадо» на широкий круг топлив. На сегодня она позволяет использовать дробленые бурые и каменные угли и углесодержащие отходы, включая прокаленные электроды. Успешно сжигаются требующие длительной стадии сушки влажные: сырые кородревесные отходы (КДО), торф, подстилочный куриный помет и другие. При этом реализуется с указанными преимуществами совместное слоевое и факельно-вихревое сжигание:

  • используется дробленое топливо, до 13-20 мм, с непрерывной подачей;
  • крупные фракции сжигаются в слое на колосниковой решетке с полностью механизированной и автоматизированной шуровкой слоя, выгрузкой и возможно с дополнительным дожиганием шлака и очаговых остатков;
  • мелкие частицы удерживаются в топке и заполняют вихрь потоком горящих частиц обеспечивая взаимное поддержание горение слоя и вихря;
  • заполнение топки частицами и вихрем повышает и обеспечивает равномерное тепловосприятие, подавляя возгонку золы – экраны топки чистые:
  • интенсификация процессов, позволяет вписать вихревую топку «Торнадо» в топочный объём большинства типовых котлов и минимизирует массогабаритные характеристики производимых котлов;
  • низкотемпературное дожигание выхлопа с применением ступенчатой подачи дутья дополнительно подавляет эмиссию вредных оксидов СО, NOх и SO2, снижает химический и механический недожог топлива - дает высокий КПД.

Выбор типа топочных устройств определяется шлакующими свойствами угля, влажностью отходов и поведением очаговых остатков [7]. Собственно колосниковые слоевые топки, встраиваемые в нижней части вихревой камеры, исполняются согласно патентам РФ №№ 2627757, 2627752, 2591070. Заявлены, в том числе следующие топки:

-       охлаждаемые водой с шурующей планкой – угли и отходы;

-       ретортного типа – угли и сухие гранулированные топлива и отходы;

-       механические, прямого и обратного хода – угли и отходы;

-       топки с высокотемпературным кипящим слоем - угли и отходы;

-       с наклонным колосником двухстороннего воспламенения - сырые и крупные древесные отходы.

 

Рис. 6 Сравнение габаритов котельных агрегатов мощностью 10 МВт.

 

Компактность топок «Торнадо» существенно влияет на габариты котлов и строительной части котельной. На рис.6 видно, что предлагаемый котлоагрегат с топкой «Торнадо», на рисунке внизу, компактнее котлоагрегата на основе жаротрубного котла 3, топки 1 с вращающейся колосниковой решеткой «Biograte» и камерой дожигания 2. Котлы эффективно сжигают корьевые и кородревесные отходы, но котел с топкой «Торнадо» требует заметно меньших инвестиций в строительство и эксплуатацию.

Разработка вихревых топок для энергетических котлов.

С целью повышения экономических и экологических характеристик энергетических котлов предложена низкотемпературная вихревая топка «Торнадо» и другие элементы, доказавшие свою эффективность в котлах малой и средней мощности и обоснованные их компьютерным моделированием.

Схема развивает НТВ технологию, пригодна для создания новых и реконструкции большинства котлов, включая мазутные и котлы с жидким шлакоудалением. Благодаря пережиму, подаче нижнего и верхнего дожигающего дутья по ступенчатой схеме топочный процесс сопровождается удержанием частиц в вихре и глубоким выжиганием горючих.

Введение технологии «Торнадо» позволяет достичь высоких преимуществ при реконструкции и создании мощных энергетических котлов, в том числе:

  • обеспечить бесшлаковочный режим работы пылеугольных топок;
  • увеличивать мощность котлов в существующей котельной ячейке;
  • снижать сроки строительства и капитальные затраты на фундаменты и строительную часть здания котельного цеха;
  • переводить котлы с расчетных топлив на более дешевые местные угли и углесодержащие отходы простой перенастройкой котлоагрегата;
  • переводить котлы с жидким шлаком на экологически более эффективную работу с удалением шлака в твердом виде;
  • переводить на пылеугольное сжигание газомазутные котлы с заменой газа и мазута на более дешевый уголь, в том числе местных месторождений;
  • снижать эмиссию оксидов азота NOx до 100-200 мгм/м3 и ниже за счет применения ступенчатой схемы дутья и дожигания выхлопа вихревой топки, включая подачу в неё дожигающего топлива;
  • просто и экономично регулировать перегрев пара путем управляемого дожигания выхлопа вихревой топки «Торнадо»;
  • использовать летучую золу и шлакозольный остаток для продажи в стройиндустрию.

По кругу применяемых топлив, экономичности и экологическим характеристикам топка «Торнадо» приближается к ЦКС. В комплексе с экономичной системой дожигания, охлаждения и выгрузки шлака в сухом виде это позволит обеспечить требования директив ЕС, Китая и других стран по экологическим показателям для твердотопливных котлов. Благодаря высокой конкурентоспособности и эффективности предлагаемых технических мероприятий отечественное котельное оборудование может вернуться на зарубежные рынки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пузырев Е.М., Афанасьев К.С. Опыт разработки вихревых топок на дробленом угле для котлов малой и средней мощности. Энергетик, №4, 2009, с. 11-12.

2. Кнорре Г.Ф. и др. Теория топочных процессов. — М–Л.: Энергия, 1966. — 491 с.

3. Пузырев Е.М. Исследование топочных процессов и модернизация котлов для низкотемпературного сжигания горючих отходов и местных топлив. Диссертация, д.т.н. — г.Барнаул, 2003 — 232 с.

4. Щуренко В.П., Пузырев Е.М., Сеначин П.К. Моделирование и разработка низкотемпературных вихревых топочных устройств. //Ползуновский вестник. 2004. №1. — с. 152–156.

5. Алексеенко С.В. и др. Введение в теорию концентрированных вихрей. – Новосибирск: Институт теплофизики, 2003 г - 402 с.

6. Алехнович А.Н. Зола и шлакование в пылеугольных котлах — Челябинск.: Абрис-принт, 2016. — 798 с.

7. Нечаев Е.В., Лубнин А.Ф. Механические топки для котлов малой мощности. —Л.: Энергия, 1968. —с.