Эффективные технологии сжигания различных видов топлива и отходов производства
Заказать звонок
Нажимая Отправить, вы даёте согласие на обработку персональных данных в соответствии с политикой конфиденциальности и принимаете условия пользовательского соглашения.
Основные схемы организации топочного процесса в пылеугольных энергетических котлах известны, по-видимому, ещё с момента их появления [1]: инвертная, с U – образным факелом; с фронтовым расположением горелок и L – образным факелом; с боковым, встречным расположением горелок и с угловым расположением горелок – тангенциальная.
Среди появившихся в отечественной практике следует отметить низкотемпературные вихревые топки, НТВ и ВИР технологии. Они были предложены и обоснованы профессором В.В. Померанцевым с учениками. Горизонтальный горящий вихрь, рис.1, вовлекает в интенсивный топочный процесс дополнительный объём и экраны холодной воронки (ХВ).
Рис. 1. Схема НТВ-топки полуоткрытого типа:
1, 2 – нижний и верхний выступы; 3 – вихревая зона активного горения (ЗАГ); 4 – прямоточный факел; 5 – граница между ЗАГ и прямоточным факелом; 6 – выходное окно топки; 7 –горелка;
8 – нижнее дутье; 9, 10 – нижнее и верхнее третичное дутье; · – крупные частицы; o – мелкие частицы; 
– топливовоздушная смесь; 
– воздух
Эти топки применяются для реконструкций котлов [2], хотя и не всегда успешных [3]. Заметным достижением по использованию ХВ являются разработанные НПО ЦКТИ и ПО «Сибэнергомаш» [4] топки со встречно смещенным дутьем, расположенном в ХВ. Типично они используют тангенциальную схему и вертикальный вихрь.
На сегодня в странах бывшего СССР и ближнего зарубежья - прибалтийских республиках, Польше, Румынии, Болгарии и других странах, обеспечивавшихся преимущественно отечественными котельными заводами, осуществляется останов ТЭС из-за их несоответствия, прежде всего их котлов, требованиям директив ЕС по экологическим показателям. В зарубежной энергетике с 1980-1990 г.г. значительное развитие получили котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС), как самые эффективные [5] по экологии – связывание серы и низкая эмиссия NOx. Котлы ЦКС имеют большую глубину регулирования, 40–100% при отсутствии масштабных ограничений, широкий круг и возможность совместного сжигания дробленых топлив. Конструкции котлов ЦКС упростились и приблизились к пылеугольным при указанных преимуществах. При сжигании высокозольных полуантрацитов их КПД достигает 93,6%, они могут утилизировать шламы с зольностью до 60%, влажную биомассу и др.
*Опубликовано в журнале Энергетик №4, 2017г. С 44-47.
С другой стороны, технология ЦКС фактически не может применяться для реконструкции пылеугольных котлов без их дорогостоящей замены, поэтому за рубежом, наряду с высказываниями об отказе от угольной энергетики, уделяется внимание и совершенствованию пылеугольных котлов, прежде всего по экологическим характеристикам и экономичности. Внимание акцентируется [4] на схемах ступенчатой подачи дутья и дожигания выхлопа, обеспечивающих значительное снижение эмиссии NOx, и мерах по поддержанию чистоты топочных экранов. Так для сжигания низкореакционных тощих углей и антрацитов усовершенствованы инвертные топки. Они имеют разделение и подогрев потоков пыли, утепление топки и рециркуляцию горячих газов в корень U – образного факела. Стабильность и эффективность топочных процессов обеспечивается работой топки в целом как устройства, а не её отдельных элементов.
Повышенные требования предъявляются не только к атмосферным выбросам. Зола и шлак по нормам ЕС также должны быть утилизированы. ТЭС переводятся, в том числе, и с жидкого шлака на сухое шлако- и золоудаление, причем очаговые остатки должны быть хорошо выжжены, допускается не более 6% горючих, а имеющиеся отвалы золы утилизируются и рекультивируются.
На сегодня в России ситуация достаточно сложная. Новые энергетические котлы практически не вводятся, характерно старение их парка, существенное отставание имеется в техническом развитии топочных процессов. Наряду с созданием котлов ЦКС, разработка которых была сорвана перестройкой, настоятельно необходимо усовершенствование и замена устаревших пылеугольных котлов, в том числе и в связи с принятием на саммите в Париже высоких экологических обязательств в 2016 г. президентом РФ.
Разработанные Компанией «НТВ-энерго» для усовершенствования котлов НТВ топки первоначально применялись для высокореакционных бурых углей, торфа и сланцев, но на сегодня реконструирован и успешно работает в г. Рубцовск на каменном угле котел БКЗ-75.
Разработка нами усовершенствованной V-образными горелками НТВ схемы по патенту [6] позволила первыми использовать низкореакционный каменный уголь марки СС при реконструкции трех котлов ЭЧМ–60–2 в районной коммунальной котельной с отопительного сезона 1998/99г. Тепловая мощность котлов, причем без подсветки, повысилась до 50–64 Гкал/час, вместо 30–35 Гкал/час с подсветкой мазутом, стабилизировалось теплоснабжение г. Междуреченск. Недостатком схемы является в два раза более частый пережог и замена труб заднего экрана в зоне натекания мощных струй факела. По этой же схеме на местный каменный уголь был переведен котел ЧКД-35 на ТЭС в г. Габрово, Болгария. По усовершенствованной согласно [7] НТВ схеме также были реконструированы два котла БКЗ-75 на совместное сжигание бурых углей с дроблеными кородревесными отходами, причем с обеспечением глубокого выжигания и охлаждения шлака и провала в соответствии с требованиями директив ЕС, рис.2.
.jpg)
Фото.2. Дожигание провала под котлом БКЗ-75-39 (Иркутская ТЭЦ 6, г. Братск)
По нашим оценкам такие достоинства НТВ схем, как стабилизация зажигания факела в его корне восходящим потоком, вовлечение в топочные процессы ХВ с переходом к низкотемпературному сжиганию с понижением эмиссии вредных выбросов, применение дожигания провала и V – горелок уже исчерпали свой положительный потенциал и бесперспективны, особенно в котлах малой мощности. По собственному опыту (реконструкция 6 котлов) и публикациям ВИР и НТВ схемы имеют принципиальные недостатки. Они непригодны для небольших камер сгорания, имеют большой недожог топлива с провалом и уносом, неравномерность и повышенные теплонапряжения в зоне активного горения (ЗАГ), пережог и износ труб в зонах локального натекания мощных струй на экраны [3]. Хотя НТВ схемы и могут рассматриваться как варианты реконструкции, но они не позволят вывести показатели отечественных энергетических котлов на уровень современных требований.
Предлагаемая комплексная модернизация котлов с переводом их на низкотемпературное сжигание в вихревой топке «Торнадо» с вертикальной осью вращения вихря является развитием НТВ технологии. Она выполняется с использованием имеющегося опыта и технических решений, отраженных в патенте РФ №2582722 от 05.08.2013, заявке на патент РФ №2015149577 от 18.11.15г, №2015155848 от 24.12.15 и др., и может быть также, как и НТВ схема реализована в традиционной камерной топке путем ее реконструкции. На сегодня котлы Компании «ПроЭнергоМаш» малой и средней мощности с вихревыми топками «Торнадо» используются для сжигания широкой гаммы топлив, включая шлакующие: угли, торф, щепу, лузгу, кородревесные и разные отходы.
Схема пригодна для создания новых и реконструкции пылеугольных и газомазутных паровых котлов: прямоточных, с естественной и принудительной циркуляцией, включая водогрейные котлы, и перевода котлов с жидким шлаком (ЖШУ) на твердое удаление шлака со снижением вредных выбросов, обеспечением чистоты экранов и повышением нагрузки. Реконструкция сопровождается компьютерным моделированием и введением, рис. 3, ряда элементов:
Для введения собственно топки «Торнадо» достаточно выполнить поз. 1-3. Позиции 4-8 дополнительные, и они, как, например, использование пыли высокой концентрации (ПВК) и других мер должны обосновываться.
Рис. 3.Основные элементы реконструкции котла при введении топки «Торнадо»
Технические решения, заложенные в схему «Торнадо», рис. 3, обеспечивают верхнее (пережим и сопла) и нижнее удержание (сопла нижнего дутья) в вихревом образовании значительной массы излучающих частиц и выжигание из них горючего. Отставание частиц от топочных газов с увеличением времени их пребывания в ЗАГ и вихрь обеспечивают следующие преимущества:
Топки «Торнадо», рис. 3, более эффективны в сравнении с ВИР и НТВ, рис. 1, схемами благодаря следующим принципиальным преимуществам.
1. Контролируемое теплонапряжение qv=QT/VT и однородность параметров.
1.1. Возможность перемещения пережима по высоте топки, рис. 3 и 4, позволяет легко выделить нужный объём VT зоны ЗАГ и обеспечить требуемое теплонапряжение qv и низкотемпературное сжигание. По оценкам, с учетом вовлечения в теплосъем ХВ и дополнительного экрана схема позволяет обеспечить нужную для стабильного охлаждения ЗАГ поверхность теплосьёма, причем вне зависимости от мощности QT топки. В большинстве случаев при введении твердотопливной ХВ схема позволяет перейти от ЖШУ на удаление шлака в твердом виде и допускает перевод мазутных котлов на сжигание угля.
1.2. Введение нескольких ярусов тангенциальных горелок и сопел дутья обеспечивает активную вихревую аэродинамику и равномерное распределение по высоте и объёму ЗАГ тепловыделения и параметров, причем без ударного натекания мощных струй горящих потоков на экраны, характерного для НТВ и ВИР топочных устройств. Экраны равномерно нагружены, работают надежно, без пережога.
Топка «Торнадо» ХВ – холодная воронка, НТВ и ВИР схемы
Рис. 4. Сравнение геометрии и объёмов ЗАГ (зона активного горения) топки «Торнадо» и НТВ и ВИР схем (справа)
Из сравнения схем, рис. 4, предлагаемой слева и НТВ и ВИР видно, что вихревая зона и ЗАГ в НТВ схеме сосредоточена в небольшом объёме холодной воронки. Процессы в НТВ сопровождаются ударным натеканием мощных струй горящих потоков на задний экран, здесь наиболее интенсивны и очень высоки локальные теплонапряжения. Расположенная выше ЗАГ камера дожигания заполняется вялым, склонным к прилипанию на одну из стен уходящим потоком газов с догорающим уносом.
В топке «Торнадо» ЗАГ может быть выполнена со "в разы" большим объёмом VT и большей поверхностью экранов. Она также имеет активную вихревую аэродинамику, но равномерную, без ударного натекания мощных струй горящих потоков и частиц на экраны, причем с безопасными по уровню и равномерным объемным qv и поверхностным теплонапряжениями.
2. Преимущества от применения пережима в схеме «Торнадо»
В отличие от НТВ и ВИР [2, 3] топок с угловым размещением горелок [1], схемы БКЗ [4] и др., топки «Торнадо» имеют выполненный экранами пережим. Пережим диафрагмирует выход, и это стабилизирует вихрь [8], причем, как и в циклонах, только пережим позволяет удержать частицы от выноса. При входе в сужение вихрь ускоряется, быстро очищается центробежными силами от частиц, частицы с пристенным потоком газов рециркулируют и заполняют вихревое образование. Компьютерное моделирование показало, что заметно повышается время пребывания частиц топлива в ЗАГ, теплоемкость, теплоотдача и степень черноты ЗАГ, топка «Торнадо» приближается к топкам ЦКС.
Введение направленного в топку дожигающего дутья в пережим улучшает улавливание и возврат частиц в ЗАГ и дожигание выхлопа и мехнедожога, характерных для НТВ. Это позволяет использовать низкореакционные топлива, повышает экономичность котла, а благодаря низкотемпературному режиму и ступенчатой подаче дутья обеспечивает высокие экологические характеристики. Подача высокореакционнго топлива (газ, топкая пыль) в пережим подавляет NOx по наиболее эффективной на сегодня схеме дожигания [4].
Важно, что пережим обеспечивает управление и глубокое регулирование, причем наиболее эффективно, как единого топочного устройства [4], а не набора горелок и/или мельнично-горелочных систем, независимо от сочетания их включения. В итоге, пережим - это наиболее важный элемент топки «Торнадо». По оценкам, топка «Торнадо» позволит, например, при реконструкции котла с ЖШУ снизить NOx от 1600-900мг/куб.м до норм ЕС, ниже 150-100мг/куб.м.
3. Преимущества нижнего дутья и дожигания шлака
По схеме «Торнадо» вводится ХВ с соплами нижнего дутья. Встречно-смещенная установка [4] сопл нижнего дутья НПО ЦКТИ и БКЗ усовершенствована и не только вовлекает в активную работу ХВ, но и подкручивает вихрь и формирует восходящие потоки на стенах ХВ, удерживает провал, причем, в отличие от ВИР и НТВ, здесь нет зон ударного натекания мощных струй, опасных по износу и пережогу экранов. Кроме того, в ВИР и НТВ на наклонном участке фронтового экрана ХВ нижнее дутье удерживает большую массу частиц, которые также изнашивают экран.
Скапливающиеся в ХВ витающие частицы периодически проваливаются, и это является серьезной проблемой ВИР технологии, недожог достигает до 4-16%. Введение дожигающих механизированных, охлаждаемых водой колосников, фото. 2, и транспортера удаления шлака обеспечивает дожигание горючих и охлаждение шлака с выгрузкой его в сухом виде, а также использование угля угрубленного помола и даже в мелко дробленом виде. По оценкам, потери тепла со шлаком, по аналогии с широко применяемой за рубежом схемой «Drycon», снижаются не менее, чем на 0,5-1,5%.
Пример применения. На Благовещенском комбинате молочных продуктов в 2006г. были реконструированы два мазутных котла ДКВр-20-13 с их переводом на сжигание каменного угля мелкого дробления в топках «Торнадо». Котлы работают без дымления. Согласно замерам ЦЛАТИ по Алтайскому краю определено: температура уходящих дымовых газов - 134°С; концентрация SO2 36мг/м3; концентрация NOx 110мг/м3; концентрация СO 472 мг/м3; по всем выбросам вредных веществ превышений нормы нет. Шлак хорошо выгоревший, светлого цвета, используется в собственном строительстве и продается.
ВЫВОДЫ
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.
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
