Применение вихревых топок «Торнадо» для перевода котлов на использование растительных и кородревесных отходов

Пузырев Е.М., Афанасьев КС., Голубев ВА., Пузырев М.Е., Каширских МВ., Лаптов А.В.//ПроЭнергоМаш-Проект. Жуков ЕБ., Красуцкий ЕВ., Якимова ИС.//СКБ Промышленной Энергетики

Сегодня на предприятиях (рис.1) образуются многотоннажные потоки отходов деревопереработки, лигнина, лузги, растительных и других отходов, которые быстро накапливаются, гниют, самовоспламеняются и представляют значительную пожарную и экологическую угрозу. С другой стороны, вовлечение в топливный баланс предприятий горючих отходов позволяет уменьшить или исключить покупку энергоносителей – природного газа, жидкого и твердого топлива и существенно повысить их рентабельность. Например, для предприятий по переработке древесины, зерна, маслозаводов, птицеферм и ряда других, возможно, полностью базировать энергетику на собственных горючих отходах, уменьшить загрязнение окружающей среды, исключить экологические штрафы и расходы на вывоз и содержание свалок.

Рис. 1. Отвал кородревесных отходов (КДО)

Кроме того, кородревесные (КДО) и растительные отходы являются биотопливом. Они относятся к возобновляемым источникам энергии и СО2 нейтральны, не создают парникового эффекта. Поэтому в ЕС и даже на Украине законодательно (и будем надеяться, скоро будет и у нас) мини-ТЭЦ на биотопливе дотируются (цена закупки этой электроэнергии примерно в три раза дороже, тарифа ТЭЦ на энергетических топливах) и получили наиболее ускоренное распространение в последние годы.

Использование такого сырья в качестве топлива имеет минимальные затраты на доставку и другие преимущества. Но из-за типично высокой  влажности, 50-60%, минеральных примесей (песок, глина и т.д.) и коры в древесных отходах данный вид топлива имеет низкое качество и для его сжигания необходимы специальные топочные устройства.

Обзор существующих конструкций котлов показал, что сжигание в вихревых топочных камерах является наиболее перспективным направлением утилизации отходов. Вихревая технология «Торнадо», развиваемая в «НПО ПроЭнергоМаш» является практически универсальной и может использоваться путем встраивания вихревых топок в топочный объем существующих котлов. При этом специалисты компании «ПроЭнергоМаш» на основе натурного и численного моделирования разработали критерии обеспечения устойчивости вихревых структур в камерах отличных от круглой формы.

При сравнении топок «Торнадо» для сжигания отходов, передовой технологии с топкой низкотемпературного кипящего слоя и типовой схемы сжигания в топке скоростного горения ПМ можно указать следующее. Типовая схема сжигания ПМ (топка Померанцева В.В.) в зажатом слое хорошо известна и широко применяется. Её главные недостатки: нестабильность движения слоя, резкая переменность и малая величина полезной нагрузки, большие затраты ручного труда, большой недожог топлива, особенно при наличии мелких включений (стружка, опилки, пыль шлифования), пониженный КПД.

Топки НТКС при обученном, опытном и грамотном персонале имеют хорошие показатели. Главная проблема эксплуатации НТКС – локальный перегрев слоя или залегание частиц слоя и последующее спекание слоя в глыбы. Требуется постоянная замена песка, заполнителя кипящего слоя, мелкие частицы не удерживаются в слое; слой переохлаждается и создается повышенный недожог, поверхности нагрева котельного пучка быстро заносятся натрубными отложениями золы.

Вихревые топки «Торнадо», отличительной особенностью которых является наличие на выходе из топки пережима с газовыпускным окном, позволяют обеспечить не только простоту эксплуатации:

1. Высокий КПД и экономичность предлагаемой технологии.
2. Высокие экологические показатели.
3. Возможность сжигания измельченных горючих отходов.

Для более общего и детального понимания процессов горения кородревесных отходов проводились эксперименты по сжиганию частиц топлива на установке для определения динамики термического разложения топлива, состоящей из ваттера 2, регулирующего температуру в печи по данным потенциометра 1, коромысла 5 с закрепленным на нем топливом, весов 6 и регистрирующего прибора 7. Закрепленная на коромысле частица топлива помещалась в печь, где происходило ее сгорание, при этом изменение массы в течение времени горения фиксировалось регистрирующим прибором. В ходе экспериментов по сжиганию частиц топлива определена динамика термического разложения топлива в зависимости от вида топлива, массы и размера частичек топлива и температуры в топке. С помощью полученной динамики разложения (рис.3) определялись скорость выхода летучих из частицы и характерные времена: время сушки частицы, время выхода летучих и время горения углерода в растительном топливе.

Рис.2. Схема установки для определения динамики термического разложения топлива.

1 – потенциометр, 2 – ваттер, 3 – термопара, 4 – печь, 5 – коромысло, 6 – весы, 7 – регистрирующий прибор

Рис.3. Динамика термического разложения топлива

τ0 – время до разогрева частицы, τс – время сушки частицы, τвл – время выхода летучих из частицы, τгк – время горения коксового остатка,

 τг – время выгорания частицы, τг = τс+ τвл+ τгк

Разработка технологических схем и оптимизация геометрий вихревых топок, пригодных для встраивания в топочные объёмы котлов КЕ, ДКВр и КВТС топок «Торнадо» проводились в «ПроЭнергоМаш-Проект» экспериментально и численным моделированием с опытной проверкой на различных топливах: опилках, лузге и других легких частицах. Математическое (рис.4 и рис.5) моделирование аэродинамической обстановки, применяемое при выполнении проектов реконструкции в значительной мере позволяет принять обоснованные технические решения, снизить риск ошибок.

Рис.4. Линии тока в модели вихревой топки реконструируемого газового котла ДЕ-10-14ДВО с переводом его на торф, щепу и древесные отходы

Рис.5. Заливки полного давления в модели вихревой топки реконструируемого котла КВ-ГМ 10-150ДВО. Перевод с природного газа на щепу

Помимо реконструкции «ПроЭнергоМаш» предлагает водогрейные котлы с вихревыми топками «Торнадо», в том числе многотопливные. Например, для сжигания смеси угля и лузги гречихи мощностью 0,8 МВт (рис.6). Данные котлы изготовлены и установлены. Проведены пуско-наладочные испытания котла мощностью 0,8 МВт при работе только на угле и только на лузге. Котлы обеспечивают экономичное, стабильное несение нагрузки и заявленные характеристики.

Рис.6. Котел КВм-0,8 для работы на лузге и угле

Рис.7. Горение топлива в котле КВм-0,8 для работы на смеси лузги и угля (на фото в режиме работы на лузге)

В 2010г. в «ПроЭнергоМаш-Проект» были разработаны и реализованыпроекты реконструкции котлов ДКВр-6,5-13ПМ (Чунский лесопромышленный комбинат), ДЕ-10-14 ГМ (центральная котельная г.Браслав), КВ-ГМ 10-150 (г.Миоры). Проведен авторский надзор монтажа элементов реконструкции и пусконаладочные работы на котлах ДКВр-6,5-13ПМ, ДЕ-10-14ГМ и КВ-ГМ 10-150. Котлы ДЕ-10-14ГМ и КВ-ГМ 10-150 переведены по республиканской программе Республики Беларусь с природного газа на местные топлива: торф, щепу и древесные отходы (рис.8 – рис.10).

Рис.8. Реконструированный котел КВ-ГМ 10-150 для работы на щепе.

Рис.9. Реконструированный котел ДЕ-10-14 ГМ для работы на торфе (горизонтальный разрез)

Схемы реконструкции трубой системы при переводе котла ДЕ-10-14ГМ (рис.10) использовалась ранее при переводе котла ДЕ-10-14ГМ на щепу в котельной г.Ганцевичи. Всего в республике Беларусь переведено нами с газа и мазута на щепу и торф 7 котлов. На сегодня все котлы в работе, включая ДКВр-4-13ДВО, 2 шт., с Межлесье и ДЕ-6,5-14ДВО, 2 шт., с Полесье. КПД котельных агрегатов варьировался от 79,4 до 85,7 в зависимости от характеристик топлива и настройки распределения дутья.

Рис.10. Трехмерная модель трубной системы котла ДЕ-10-14 ГМ

Реконструированные котлы предназначены для работы на щепе, торфе, отходах и возможно с применением угля как резервного топлива. Важно, что конструкция топок «Торнадо» позволяет решить столь трудную задачу как перевод газовых котлов с природного газа на твердое топливо и тем более такое низкокачественное как влажная щепа, торф и кородревесные отходы. Помимо модернизации котлов котельные дополнены складами топлива системами топливоподачи, золоулавливания и золоудаления. Оборудование преимущественно производства НПО «ПроЭнергоМаш.

Схема сжигания – в вихревой топке с удержанием мелких частиц до практически полного выгорания над механизированным колосником. Используется факельно-слоевое сжигание с дожиганием уноса в потоке острого дутья. За счет глубокого выжигания горючих предлагаемый топочный процесс обеспечивает повышенную экономичность и высокие экологические показатели котла. Объединение слоевого и факельного сжигания обеспечивает взаимное поддержание горения и однородное заполнение всей топки факелом.

При первоначальных пусконаладочных работах на котле ДЕ-10-14ГМ не удалось достичь проектных температур в топке и выйти на номинальный режим при работе на торфе. Этому препятствовали такие факторы, как низкая теплота сгорания торфа и малая площадь футеровки топочной камеры, в связи с чем подаваемый торф горел, в основном, по краям топки на горячей обмуровке. На водоохлаждаемой колосниковой решетке же новая порция топлива перед воспламенением какое-то время лежала и прогревалась от обмуровки и горящего на ней торфа. Следует отметить, что при увеличении количества раскаленного шлака в слое этот эффект практически пропадал и топливо начинало гореть равномерно по слою. Еще одной проблемой в реконструированном котле является недостаточная площадь горения топлива, так как изначально котел являлся газомазутным и имеет сечение топки меньше, чем твердотопливные котлы той же мощности. Кроме того, в топливном бункере наблюдалось постоянное образование сводов и зависание топлива, в связи, с чем оно подавалось неравномерно, держать слой топлива необходимой толщины было невозможно. Тем не менее, при пробной установке на бункер топлива вибратора количество поступающего топлива увеличилось до расчетных значений, при этом температура в топке поднималась до 800°С, температура горячего воздуха до 180°С.

1 – зона интенсивного горения торфа в районе обмуровки,

2 – зона сушки торфа и слабого горения

По результатам пуско-наладки был дан ряд рекомендаций, в их числе: установка ворошителя в бункер топлива, футеровка экранов топки для образования зажигательного пояса и, при необходимости, сжигание торфа в смеси с древесной щепой. После выполнения этих рекомендаций мощность котлов была выведена на номинальный режим.

При пусконаладочных работах на котле КВ-ГМ 10-150 при работе на древесной щепе и смеси щепы и торфа температура в топке практически достигла проектных значений, котел быстро выходил на режим, удалось добиться устойчивого горения и работы котла в автоматическом режиме. Слой топлива на колосниках четко можно разделить на участки сушки топлива, выхода летучих и горения коксового остатка (рис.14).

Горение топлива равномерное по всему слою, а не только в районе обмурованных участков, зависание топлива в топливном бункере отсутствует, топливо подается равномерно, толщина слоя поддерживается с помощью шурующих планок, работающих в автоматическом режиме.

В 2010г. для сжигания КДО и торфа была разработана конструкция наклонно переталкивающей топки (рис.15). Топка была установлена в котле ДКВр-6,5-13НПР, г.Чуна, вместо топки скоростного горения типа ПМ.

Котел ДКВр-6,5с-13НПР рассчитан на использование в качестве топлива опилок, щепы и КДО со следующими проектными характеристиками:

Рабочая влажность 40 (до50%)

Зольность не более 10%

КДО не крупнее 50 мм, по наибольшей стороне частиц.

В ходе пусконаладочных работ были выявлены большие колебания влажности и гранулометрического состава топлива и его влажности, которая достигала 55-60% . В древесных отходах из-за отсутствия системы сортировки и измельчения топлива также присутствовали крупные включения (150-200мм), затрудняющие надежную топливоподачу. Топливо в большинстве случаев подавалась из открытых буртов, и при низких уличных температурах зачастую попадало в котел смерзшимися комьями.

Применение наклонно переталкивающей решетки (НПР) новой охлаждаемой конструкции (рис. 15) позволило обеспечить глубокое выгорание смерзшихся, полифракционных (0-200мм, преобладает мелочь) древесных отходов повышенной влажности (55-60%) в стесненном объеме типового котла ДКВр-6,5. При этом котел удалось вывести на номинальную паровую нагрузку, 6-6,5т/час не смотря на уличные температуры до -50°С.

Процесс горения на НПР происходит при коэффициенте избытка воздуха, меньшем теоретически необходимого (αслоя<1), недостающее количество окислителя подается по ходу движения продуктов сгорания за счет вторичного воздуха. Наличие устойчивого вихря, расположенного над колосниковой решеткой, и организация системы движения потоков высокотемпературных топочных газов к зоне термической подготовки высоковлажного топлива, а также наличие системы предварительного подогрева воздуха в воздухоподогревателе значительно повысили надежность и экономичность работы котлов, даже при сжигании топлива, содержащего смерзшиеся включения. Кроме того, спиральное движение частиц увеличивает время пребывания продуктов сгорания в топке. Центробежные силы инерции, возникающие при вращении потока, вызывают сепарацию горящих топливных частиц в зону начального участка слоя свежего топлива на решетке, создавая очаги горения. Конструкции решеток и системы раздачи дутья обеспечивали надежный безшлаковочный режим работы топок.

Для сравнения соседние котлы аналогичной мощности, с типовой топкой системы Померанцева, установленные ранее, и неоднократно модернизированные силами обслуживающего персонала, несли в лучшем случае половину нагрузки даже на специально отсортированном топливе. Подача в них не отсортированного топлива с большим включением мелкой фракции приводила к потере проницаемости зажатого слоя вплоть до полной остановки котлов. После ввода в работу котла с НПР предприятие планирует дополнительно реализовывать технологическую щепу, ранее сжигаемую в старых котлах и полностью исключить вывоз в отвал древесной мелочи.

В целом касаясь техники и программы «ПроЭнергоМаш» разработки топок для утилизации КДО и использования торфа можно сделать положительные выводы. Все котлы и реконструкции работоспособны. Накоплен значительный опыт практического решения вопросов организации топочных процессов для утилизации КДО, щепы, опилок и торфа с использованием технологии вихревого сжигания в топках «Торнадо».

Традиционно значительное внимание в «ПроЭнергоМаш» уделяется утилизации КДО в энергетических котлах. На сегодня специализированные для огневой утилизации КДО котлы КМ-75-39-440 не производятся, а имеющиеся устарели физически и морально. С другой стороны ТЭЦ ЦБК, промышленные и городские ТЭЦ с пылеугольными котлами могут быть переведены на совместное сжигание КДО с частичной заменой отходами угля.

Например, сейчас выполнен и реализуется проект вовлечения в топливный баланс одной из ТЭЦ потока КДО с сопутствующим разрешением имеющихся экологических проблем региона и экономией затрат на закупку угля путем реконструкции типового котла БКЗ-75-39-440Ф.

Рис.16 План расположения оборудования

 

Котел переводится на совместное низкотемпературное вихревое сжигание КДО, до 35% по теплу, и размолотого угля по патенту РФ, [1]. Установка дожигателей шлака и сопел нижнего дутья под холодной воронкой котла, в совокупности с подготовкой КДО к сжиганию, обеспечивает полное выжигание горючих как из мелких летучих частиц, так и из крупных частиц, выпадающих из вихря, решает имеющиеся проблемы недожога и холодной воронки котла БКЗ-75-39-440Ф, реконструированного ранее на ТЭЦ Селенгинского целлюлозно-картонного комбината (СЦКК).

Для подготовки, сушки КДО, используются отработанные дымовые газа или горячий воздух поступающие по каналам ДГ2, ДГ1, ГВ, СА1. Слад с суточным запасом подготовленного топлива объёмом 300куб.м. выполнен в виде двух силосов С1 (рис.16). Сырье загружается из бункера БП30 конвейером КЛ23, сортируется дисковой сортировкой ДС25. Крупные фракции дробятся рубильной машиной РМ26. Далее поток КДО питателями ШП7, ШП8, ШП9 и ШП12 с частотными приводами загружается в систему, сушится и подается на накопление суточного запаса в силосы С1 или непосредственно по линии ПТ2 через горелки Г17, Г18 совместно с угольной пылью в вихревую топку реконструированного котла.

При реконструкции котла существенные изменения вводятся в организацию подачи дутья, за счет установки воздуховодов для нижнего заднего дутья в холодную воронку и под колосники выгружателей шлака ВШо. Подача нижнего дутья приводит к формированию вихревой аэродинамики в топочном объеме и существенно повышает надежность воспламенения и устойчивость топочного процесса, что позволяет замещать значительную долю угля, до 35% по теплу, на КДО.

 Вихревой топочный процесс вовлекает в теплообмен весь объем топки, все топочные экраны и становится низкотемпературным. Уменьшается эмиссия оксидов серы, азота и угарного газа, неравномерность теплосъема по экранам и зашлаковывание труб.

При работе котла регулируется подача угля, используется существующая штатная система управления с дополнениями. Она поддерживает постоянное давление пара в барабане котла, поддерживает требуемую паропроизводительность котла, оптимальное соотношение подачи дутья и топлива; обеспечивает блокировки и защиты.

Литература

1. Пузырев Е.М., Голубев В.А., Жуков Е.Б. Патент РФ на ПМ №86705 «Низкотемпературная вихревая топка», от 06 апреля 2009г.