Циркулирующий кипящий слой

Е.М. ПУЗЫРЁВ, В.А. ГОЛУБЕВ, М.Е. ПУЗЫРЁВ, И.В. ПЛАТОВ 
(ООО «ПРОЭНЕРГОМАШ-ПРОЕКТ», г.Барнаул, Россия)

В современной зарубежной энергетике с 1980 по1990 годы наибольшее развитие получили котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) [1, 2] наиболее эффективной разновидностью котлов с кипящим слоем (КС). Котлы ЦКС на сегодня самые экономичные, эффективные по экологии и кругу применяемых топлив (всеядные), включая отвалы и терриконы углесодержащих отходов. Котлы ЦКС применяются в Китае [3], Польше [2], США, в том числе для энергоблоков (600 - 800МВт) с перегревом пара свыше 600°С. Наиболее крупные блоки мощностью 1100МВт построены в Республике Корея. Котлы ЦКС дают наибольший вклад при строительстве новых и реконструкции существующих котельных и электростанций [2, 3], причем Китай имеет ведущие позиции [3, 4]. При этом, рис.1, [5] температура v в ЦКС оптимальна по подавлению оксидов SO2, NOx, химнедожога CnHm и других выбросов на уровне 850(800-900)°С.

Ранее отечественные исследования и промышленные испытания соответствовали уровню передовых стран, начальные этапы и история отечественных разработок были близки к китайским [4], но на сегодня в России существенное отставание. Применяются схемы первого уровня, типа КС, топки с высокотемпературным КС [1] на узкой наклонной цепной решетке (ВТКС) и котлы с форсированным КС (ФКС) [6].
Освоение в России технологии ЦКС в зарубежном варианте [7] на блоке № 9 Новочеркасской ГРЭС не дало прорыва. Выявились многочисленные дефекты футеровки, разрывы труб, шлакование и агломерация частиц в циклонах, внизу топки и в зольных теплообменниках с частыми аварийными остановами котла. Котел оказался не работоспособен из-за высокого среднего уровня температуры при большой неравномерности её распределения в слое и дополнительном росте температуры газов в циклонах, приводящих к аварийным остановам. В итоге проблемы свелись к мнению о неправильной подготовке топлива, крупному дроблению АШ. Укрупненный состав топлива даёт меньшую долю циркулирующих частиц (ЦЧ), их размер около 0,2 мм, что понижает тепловосприятие экранов и управляемость ЦКС. Таким образом, для ликвидации отставания в технологии ЦКС требуются помимо заинтересованности энергетиков ещё и отечественные разработки нового, более высокого уровня.

Кратко технология ЦКС заключаются в организации горения топлива в донном КС над воздухораспределительной решеткой (ВРР) и в охлаждаемом топочными экранами восходящем потоке вторичного дутья и дымовых газов с увлекаемой из КС массой горячих ЦЧ, поднимающихся в режиме пневмотранспорта. Далее ЦЧ отделяются в горячем циклоне и регулируемо возвращаются совместно с недогоревшими частицами топлива и с углем в донный КС топки ЦКС, а дымовые газы охлаждаются в конвективном газоходе котла по обычной схеме.

Касаясь инжиниринга, отметим, что при освоении технологии ЦКС не пригодны нормы [8] расчета. Аэродинамика, горение частиц и теплообмен принципиально, в том числе и по нашим рассморенным ниже исследованиям, отличаются от вариантов пылеугольного и слоевого сжигания. Для проектирования требуются современные подходы с использованием компьютерного моделирования процессов в ЦКС.
Влияние частиц на вынос и аэродинамику изучалось в опытах на плоском стенде [9, 10] с прозрачной фронтовой стенкой, рис.2. Стенд имитировал расширяющуюся часть топки ЦКС над ВРР 1. Расход ЦЧ через внешний циклон 10 и непосредственно в модели ЦКС замерялся качающимися расходомерами 9 собственной разработки. Скорость воздуха 2 замерялись чувствительным в диапазоне от 0,04 до 10м/с диффманометром с певмотрубками.
Без циркуляции частиц, рис.2. б, засыпаемые частицы выносятся и не влияют на аэродинамику. Как и в чистом потоке образуется характерное для диффузоров неустойчивое течение с несимметричным профилем скорости и вихрями 6.
При включении циркуляции на ВРР 1 появляется КС 8 с характерными всплесками и кумулятивными выбросами групп частиц, кластеров, формирующихся из шлейфов всплывающих пузырей, течение становится симметричным, рис.2 а.
Выходящий из слоя поток 4 обтекает облако 5, обеспечивает его удержание и подпитку частицами, которые влетают в облако при обтекании. Обработка опытов по доле w выноса монофракций частиц из засыпаемых порций массой 0,5 кг со средними размерами 198 мкм и 410 мкм при скорости воздуха w над ВРР 1 дана на рис.3. Кривые 1 получены в опытах, кривые Т теоретические, рассчитаны по модели выноса частиц восходящей струей. Данные Т и 1 при отсутствии циркуляции близки по значениям для разных частиц, 198 и 410мкм.
Вынос частиц при включении циркуляции показан на рис.3 кривыми 2. Видно, что доля выносимых частиц x значительно, многократно ниже, чем при простом выносе. Кривые 2 и 1 отличаются и качественно, теоретические модели сепарации частиц из восходящего газового потока непригодны даже для оценок.
Далее изучался вынос частиц из узкой зоны донного КС 8 с измерением расходомерами 9 плотности потоков qs, кг/м2сек, выноса частиц песка 1=410 мкм, полиэтиленовой крошки 2=3600 мкм в условиях ЦКС отдельно и в бинарной смеси. Кривые, рис.4, соответствуют потокам:
    1- Поток монофракции песка 1=410 мкм.
    2- Поток полиэтиленовой крошки 2=3,6мм.
    3- Общий поток бинарной смеси.
    4- Поток полиэтиленовой крошки в потоке бинарной смеси.
    5- Поток песка в потоке бинарной смеси.
На рис. 4 видно, что вынос песка 5 при циркуляции бинарной смеси резко снижается по сравнению с циркуляцией чистого песка, кривая 1, а вынос полиэтилена 2=3600 мкм, кривая 4, из слоя с бинарной смесью наоборот существенно возрастает по сравнению с уносом монофракции, кривая 2. Бинарный ансамбль ЦЧ ведет себя как поток ЦЧ осредненного размера. Мелкие частицы выносят из слоя крупные, но вынос мелочи начинается при больших скоростях газа и снижается почти в 2 раза. С другой стороны, унос крупных частиц наоборот начинается при меньших скоростях, и многократно, на порядок, усиливается в сравнении с уносом из крупной фракции.
Циркуляция улучшает перемешивание в донном КС, мелочь задерживается в КС, обеспечивая дожигание частиц уноса. Предел существования КС, находящийся в диапазоне от скорости начала превдоожижения до скорости уноса частиц (для мелочи 78, а для крупных 8,7) расширяется, увеличивая диапазон регулирования котлов до 40–100% без зашлаковывания топки ЦКС при маневре мощности.
Оказалось, что поведение частиц, как единого ансамбля, распространяется и на огромные, диаметром до 10м циклоны, хорошо улавливающие крупные ЦЧ. Крупные удерживают более мелкие ЦЧ, и переход к сжиганию дробленого, до размера 0–5 мм, топлива при высокой скорости газов, до 5–7 м/с и циркуляции частиц привел к качественному скачку, повышению к.п.д. циклонов до 99%, и возникли [1, 2] топки ЦКС. 
Касаясь наладки котла ЦКС блока № 9 Новочеркасской ГРЭС [7], по нашему мнению, проблему нужно решать не заменой угольных дробилок, а достаточно установить мельницу (дробилку) на выводе золы из донного КС с возвратом помола в топку ЦКС, так как ЦЧ состоят преимущественно из золы, на 95% и более.
В горячих опытах, также на монофракциях размером п различных углей было определено время: сушки, воспламенения летучих и кокса и их догорания [10], процессы формирования из них механического недожога с уносом в динамике, рис.5, и в стационарных условиях работы КС, рис.6. В опытах, рис. 5, сжигались порции 0,3-0,5кг монофракций, что обеспечивало одновременность процессов превращения во всех частицах угля, суммирование и осреднения исследуемых эффектов. 

Рис.5 Характеристики уноса из КС в динамике, при выгорании порций узких фракций различных углей. Содержание горючих в КС и мелкий унос разных углей
В опытах отбирались пробы уноса и из КС с определением: расхода уноса Вун, содержания горючих в КС Гсл, в уносе Гун и расхода горючих в уносе Вунк=ГунВун/100. Пробы уноса и из КС изучались более детально после рассевки на стандартном наборе сит с определением массы фракций, содержания горючих и вычислением дифференциальных функций распределения уноса Вун и горючих (кокса) Вкун в уносе. Были выявлены три стадии формирования уноса: начальная, 0-60сек, с высокой интенсивностью, основная, с мало меняющейся интенсивностью, и заключительная, более 420сек, с исчезающим уносом.
Применение монофракций топлива позволило чётко выявить бимодальный закон формирования уноса в КС и три стадии горения частиц углей. На первой стадии выделяется крупный унос от термического удара, далее при горении кокса появляется унос истирания поверхности горения, мехнедожог с мелким  уносом q465 (65мкм).
В опытах сжигания монофраций в стационарном режиме замерялась концентрация кокса Гсл в КС, рассчитывалась площадь горящей поверхности и q465. Здесь 1 - кузнецкий Т; 2 - кузнецкий СС; 3 - кузнецкий Г; 4 - ирша-бородинский Б2. Интенсивность мелкого уноса q465оказалась постоянной, рис.6. В КС нет наблюдаемого при пылеугольном или слоевом сжигании замедления скорости догорания частиц. В условиях КС частицы кокса горят и догорают с истиранием и более интенсивно.
Отметим, что по исследованиям В.В. Мацнева константу для расчёта износа труб [8] нужно уточнить, частицы золы в ЦКС и КС округлые и менее опасны по износу.
Котлы с топками классического КС дают большой мехнедожог в уносе, до 15-25%, требуют погруженной в КС быстро изнашиваемой поверхности нагрева, плохо управляются, часто зашлаковываются и сейчас мало применяются.
Выход из проблемы был найден [11] за счет циркуляции частиц, рис.4, по схеме ФКС, дающей потоки ЦЧ за счёт форсировки КС до 7-12МВт/м2, с увеличением выноса частиц и внутритопочной сепарации ЦЧ с дожиганием уноса над наклонным экраном вихрем при подаче в него вторичного дутья до 50-40%.
Промышленное внедрение ФКС выполнялось по проекту НЦ.047.00.00.ПЗ. Реконструированы все слоевые котлы ТС-35-40-440 Читинской ТЭЦ-2 с повышением их паропроизводительности до 42т/час. Есть статья сторонних авторов [6], на основе отчетов НИЦ ПО «Бийскэнергомаш» по проекту и наладке. При работе на харанорском 2Б дробленом угле мельче 25мм Qрн=12,48МДж/кг при Ар=12% и Wр=39% NOx меньше 200мг/м3, СО не превышает 100 ppm, мехнедожог 1,5- 2,5% и КПД котла 86%.
В топках ФКС нет погруженных поверхностей нагрева, они работают на дробленом угле с подачей под ВРР 50–60% дутья при скорости газов 4-9 м/сек, развитие технологии ФКС дано в патентах [12 и 13]. В патенте [13] предложены простые схемы, пригодные не только для создания новых, но и реконструкции действующих пылеугольных котлов, основанные на сдвиге ВРР к фронтовой или задней стене топки, с образованием наклонного экрана и организацией на нём, причём безциклонной, гравитационно-вихревой сепарации с дожиганием и удержанием ЦЧ в топке ФКС.
Котел ФКС 1, рис.9, имеет тракты подачи топлива 2, подачи вторичного дутья 3, систему возврата уноса 4, реактор ФКС 5 (донный КС), ограниченный вертикальными или установленными с небольшим расширением вверх стенами 6, выполненными обмуровкой или экранами 13 и снизу ВРР 8. К ВРР 8 подключены: система растопки 9, система вывода слоя 10 и тракт подачи высоконапорного первичного дутья 11. Собственно ФКС представлен частицами золы с малой долей топлива и заполняет не только реактор ФКС 5. ЦЧ выносятся дымовыми газами и распространяются в выделенном экранами 13 топочном объёме 14, высыпаются на наклонный участок 15 экрана и скатываются с высоким теплосъёмом этой части экрана, поддерживая низкотемпературный режим работы ФКС. Котел ФКС 1 имеет конвективный газоход 16 с пароперегревателем 17 и другими поверхностями нагрева 18.
На стенах, экранах 13 или в аэродинамических выступах 19 расположены верхние 20 и нижние 21 сопла вторичного дутья, подключенные к трактам подачи вторичного дутья 3 и тракту рециркуляции 22 дымовых газов. Нижние сопла 21 вторичного дутья направлены на наклонный участок 15 экрана, а верхние сопла 20 вторичного дутья направлены взаимно встречно, и струи, воздействуя импульсами, создают зигзагообразную траекторию 23, обеспечивают горение с заполнением всей топки по высоте и низкую эмиссию оксидов азота. Кроме того, над наклонным участком 15 экрана формируется заполненный частицами горящий вихрь 24. Наклоном сопл 20 и 21 возможно управлять траекторией течения 23 и работой горящего вихря 24, обеспечивая эффективное улавливание ЦЧ, выжигание из ЦЧ топлива и охлаждение донного КС 5 потоком ЦЧ, причем рециркуляция дымовых газов усиливает эти процессы. При этом циркуляция ЦЧ, как было показано на рис.4, обеспечивает удержание и увлечение мелких частиц, существенно улучшая качество донного КС, а экраны холодной воронки активно работают, поддерживая низкотемпературное сжигание.
В топках ФКС и ЦКС, на наклонных экранах и в других элементах ЦЧ выпадают, создавая потоки, увлекая газы и индуцируя вторичные течения. Падение частиц сопровождается увеличением массы потока М, кг/с за счет притока ЦЧ с расходом qs(y), кг/см. Движение потока частиц рассмотрено, как задача динамики тела переменной массы, задача Мещерского. Для вертикального течения уравнение баланса импульсов, связывающее скорость u и массу М потока на уровне у принимает вид: 
.
При этом масса потока рассчитывается по уравнению баланса массы:
    или    .
Решение уравнения в этом частном случае имеет вид:
.
Для М(0)=0 и М(у)=М0=const решение имеет вид , по отношению к свободному падению скорость частиц снижается в  раз. Другие решения этой задачи важны при расчетах движения потоков ЦЧ на наклонных скатах, рис. 8 и 9, для расчета теплообмена и их износа.
Технология ЦКС в типично применяемом конструктивном исполнении сложна, поэтому наши разработки [14] были направлены на упрощение конструкции за счет отказа от вынесенных циклонов с контурами циркуляции ЦЧ при увеличении эффективности работы, экологических характеристик котлов ЦКС.
Котел 1 ЦКС, рис.10, имеет выполненную внешними 2 и двусветными 3 экранами камеру сгорания 4 с соплами 5 вторичного дутья и ВРР 6, поддерживающую донный КС 19. К камере сгорания 4 подключены соплами 7 два горизонтальных циклона 8, имеющих простую встроенную конструкцию. Под ними расположены охлаждаемые сливные каналы 9, подключенные через сопла 10, 11 к камере сгорания 4.
Элементы 4, 7, 8, 9, 10 и 11 образуют контуры управляемой циркуляции ЦЧ. ЦЧ охлаждаются экранами 2 и 3 в циклонах 8 и сливных каналах 9 и выносят тепло из донного КС 19, обеспечивая управляемый теплосьём и поддержание экологически эффективного низкотемпературного режима сжигания топлива.
Очищенные от ЦЧ дымовые газы из циклонов 8 уходят на охлаждение в конвективные газоходы 13 через выходные патрубки 14 и камеры дожигания 15. При этом выходные патрубки 14 и камеры дожигания 15 могут устанавливаться с одной или с обеих сторон циклонов 8 с соответствующим увеличением мощности котла ЦКС и образованием П или Т – образной компоновок котла.
Котел 1 ЦКС имеет вспомогательное оборудование, включая систему подачи топлива 18, трубы 26 слива донного КС, дымососы 20, дымовую трубу 21, тракт рециркуляции 22, подключенный через вентиляторы 24 первичного дутья к ВРР 6, а через вентиляторы 25 вторичного дутья к соплам 5 вторичного дутья. Рециркуляция повышает глубину регулирования и устойчивость работы котла.
Заметим, что упрощение конструкции котлов ЦКС характерно и для ведущих зарубежных компаний [2-4], так как на сегодня они заметно дороже пылеугольных. Например, ведущая тему фирма «Фостер-Уиллер» [2] разработала и с 2002 года изготавливает по патенту [15] и другим перспективное второе поколение котлов ЦКС типа «Compakt», рис. 10. В этих котлах решены не только вопросы экономичности и экологии, но и технические проблемы компенсации тепловых расширений, стыковки циклонов и топки, минимизации объёма обмуровки, износа циклонов и их ремонта. Котлы «Compakt», в сравнении с другими котлами ЦКС, существенно упростились. В технологии производства они приблизились к пылеугольным.
В нашей разработке [16] предлагаются новые возможности повышения эффективности технологии ЦКС с применением испытанного наклоненного экрана.
Котел 1 имеет камеру сгорания 2, газоотводящие сопла 3, циклоны 4 с газоотводящими патрубками 5 и стояками 6 ЦЧ, а также вынесенные теплообменники 7 и дозаторы 8 ЦЧ, и эти элементы образуют контур управляемой циркуляции частиц через донный КС 9. Камера сгорания 2 и циклоны 3 образованы боковыми экранами и экранами 10, 11, 12, причем экраны 11 и 12 наклонены и совместно с аэродинамическим выступом 14 вызывают сепарацию, удержание и циркуляцию ЦЧ в камере сгорания 2, как показано стрелками 13. Окончательно ЦЧ улавливаются в циклонах 4 квадратного сечения с экранами 15, которые скашивают углы, увеличивая улавливание ЦЧ и площадь теплосьёма котла.
При работе котла 1 частицы топлива горят в донном слое 9 в состоянии псевдоожижения на ВРР 27 и далее в потоке дутья, поступающем через сопла 28 из системы дутья 18 с вентиляторами 19 при низкотемпературном режиме, который поддерживается управляемой циркуляцией ЦЧ. Для защиты на экраны 10 устанавливают износостойкие накладки 31. Поток раскаленных ЦЧ может управляемо отбираться через сливные отверстия 20 для термоконтактной обработки топлива в камере 22 с удалением влаги из загружаемого питателем 23 топлива или его пиролиза. Летучие и смолы используются в блоке 25 для получения жидкого топлива, а пары влаги топлива конденсируются в теплофикационном подогревателе 24, повышая КПД котла.
Котел является многоцелевым. Он может перерабатывать горючие отходы с высокой влажностью, подавая в камеру сгорания 2 сухое топливо. Может перерабатывать высокозольные углесодержащие отвалы на жидкое и газообразное топлива с производством тепловой энергии и выжженной золы как строительного материала. При этом из камеры 22 дозатор 26 подает на сжигание сухое топливо или коксозольный остаток. Соответственно снижается объем дымовых газов с уменьшением сечения конвективного газохода 29, площади поверхностей нагрева 30 и габаритов котла. В обоих случаях эффективность использования топлива и работы котла повышается.

Список литературы

    1. Баскаков А.П. Котлы и топки с кипящим слоем. [Текст] / Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов И.В. // — М.: Энергоатомиздат, 1996. — 352 с.
    2. Лундквист Р.Г. Технология сжигания в циркулирующем кипящем слое. [Текст] / Лундквист Р.Г. // Электрические станции №10, 2002. С. 61-67.
    3. Рябов Г.А. Опыт эксплуатации котлов ЦКС в Китае. [Текст] / Рябов Г.А., Ханеев К.В. // Современная наука. Сб. статей №3 (11), 2012.
    4. Yue G.X. Latest development of CFB boilers in China [Текст] / Yue G.X., Yang H.R., Lu J.F., Zhang H. // Proceedings of the 20th International Conference on Fluidized Bed Combustion. Tsinghua University Press, Beijin, 2009. — P.3-12.
    5. Пузырев Е. М. Организация топочного процесса в кипящем слое. Обзор. [Текст] / Пузырев Е.М. // ‑ М.: ЦНИИТЭИтяжмаш Сер. 3, Выпуск 12, 1990. — 36 с.
    6. Тихонов С.Б. Новая технология сжигания бурых углей в топках с низкотемпературным кипящим слоем с вертикальным вихрем. [Текст] / Тихонов С.Б., Беломестнов Ю.А. // Электрические станции. №11, 2001. — С.28–30
    7. Рябов Г.А. Опыт пуска и начальной эксплуатации блока № 9 с котлом с ЦКС Новочеркасской ГРЭС. [Текст] / Рябов Г.А., Фоломеев О.М., Антоненко Е.В., Крутицкий И.В. // Сб. докл. IV конференции «Использование твёрдых топлив для эффективного и экологически чистого производства электроэнергии и тепла». − М.: ОАО «ВТИ», 2018. С. 73-82.
    8. Тепловой расчёт котельных агрегатов (Нормативный метод): Издание 2 – е переработанное. / – Москва: Энергия, 1973. – 296 с.
    9. Пузырёв Е.М. Перспективы применения котлов с топками циркулирующего кипящего слоя в коммунальной энергетике. [Текст] / Пузырёв Е.М., Голубев В.А., Пузырёв М.Е. // Новости теплоснабжения. №10, 2016г, С.31-33. 
    10. Пузырёв Е.М. Механизм формирования механического недожога при сжигании угля в кипящем слое. [Текст] / Пузырев Е.М., Пронь Г.П., Сидоров А.М. Кротов О.Г. // Горение органического топлива. / V Всесоюзной конференции. Часть 2. - Новосибирск,1985. - С.157-161.
    11. Способ сжигания в кипящем слое. [Текст]: патент №2217658 РФ: МКП F23С 10/18 / Пузырёв Е.М., Сидоров А.М., Скрябин А.А., Щербаков Ф.В. патентообладатель НИЦ ПО «Бийскэнергомаш» // №2002109885/06, заявл. 15.04.2002, опубл. 27.11.2002. Бюл. № 33.
    12. Топка с реактором форсированного кипящего слоя. [Текст]: Полезная модель РФ №142005, МКП F23С 10/20 / Сидоров А.М., Скрябин А.А.; П атентообладатель НИЦ ПО «Бийскэнергомаш» // №2014102409/06, заявл. 24.01.2014, опубл. 20.06.2014. Бюл. № 17.
    13. Котел форсированного кипящего слоя. [Текст]: патент №2698173 РФ: МКП F23С 101/00 / Пузырёв Е.М, Щербаков Ф.В., Голубев В.А., Пузырёв М.Е.; патентообладатель Пузырёв Е.М. //№2018120853/20(032890), заявл. 05.06.2018, опубл. 22.08.2019. Бюл.24.
    14. Котел с циркулирующим кипящим слоем со встроенными циклонами. [Текст]: Заявка на патент РФ №2019129150/06(057251): МКП F23С 101/00т / Пузырёв М.Е., Пузырёв Е.М., Голубев В.А. // Заявлено 17.09.2019.
    15. Способ и сепаратор для отделения частиц от горячих газов. [Текст]: патент №2229345 РФ: МПК B04C5/085, B04C5/08 / Хюппянен Тимо (FI); Патентообладатель ФОСТЕР ВИЛЕР ЭНЕРГИЯ ОЙ (FI) // №2002129505/15, заявл. 06.04.2001, опубл. 27.05.2004 Бюл. 15.
    16. Котёл с циркулирующим слоем. [Текст]: патент №2675644 РФ: МКП F23С 10/10 / Пузырёв Е.М., Голубев В.А., Пузырёв М.Е.: Патентообладатель Пузырёв Е.М. // №2017136769, заявл. 18.10.2017, оубл. 21.12.2018. Бюл. 36.