Энергоинформ / Опыт профессионалов / Сжигание в высокотемпературном кипящем слое
Сжигание в высокотемпературном кипящем слое
Александр ЛЕОНОВ, директор ООО «Котлосервис», Клавдия МИШИНА, гендиректор ООО «Петрокотел-ВЦКС»
Уголь до сих пор остается основным или даже единственным видом топлива в большинстве регионов России. При этом качество угля, поставляемого для нужд энергетики, далеко не всегда высшее. Серийные же котлы со слоевыми топками, разработанные 30–40 лет назад для сжигания высококалорийных углей, практически не способны эффективно работать на низкокачественном топливе из за слабой устойчивости их воспламенения и неполного выгорания.
Задача эффективного сжигания проблемных видов топлива давно и успешно решается путем использования технологий кипящего и циркулирующего слоя. Однако внедрение этих технологий в традиционном виде на действующих котлах встречает ряд технических и экономических трудностей (необходимость установки пусковых горелок, сложной автоматики, мощных вентиляторов, «горячих» циклонов и т. д.) и не находит распространения в промышленной энергетике.
В Санкт-Петербурге разработан и успешно внедряется более простой, надежный и рентабельный вариант использования кипящего слоя. Это технология высокотемпературного циркулирующего кипящего слоя (ВЦКС), которая сводит к минимуму объем и стоимость реконструкции серийных котлов, сохраняя при этом все преимущества передовой технологии.
За основу в технологии ВЦКС была взята переработанная узкая наклонная подвижная решетка французской фирмы «Игнифлюид», применявшаяся на энергетических котлах мощностью 300 т/ч и более.
Реконструкция типовых слоевых котлов с переводом их на технологию ВЦКС позволяет повысить производительность котла на 50% (за счет интенсификации теплообмена в кипящем слое и установки дополнительных поверхностей) и тем самым снимать с той же площади котельной большее количество тепла.
Эта технология позволяет при реконструкции практически полностью сохранить традиционные конструктивные решения по котлам, системе шлакозолоудаления и автоматике, что значительно снижает общие затраты на проведение работ. При этом реконструкция сохраняет котел в своей ячейке на своем старом месте и не затрагивает вспомогательного оборудования.
Обычные слоевые топки требуют пневмо-механических забрасывателей (одного из самых ненадежных механизмов) для равномерного распределения топлива по всей площади широкой решетки.
Поскольку сжигание в ВЦКС происходит на узкой решетке, котлы ВЦКС оборудуются для подачи топлива простыми пневмо-гравитационными питателями без забрасывателей. Кипящий слой сам равномерно распределяет и перемешивает поданное топливо.
Эксплуатация котлов с топками ВЦКС не предъявляет высоких требований к квалификации обслуживающего персонала и практически ничем не отличается от типовых слоевых котлов.
В настоящее время разработаны, изготовлены и запущены в эксплуатацию десятки котлов ВЦКС мощностью от 1,5 до 50 МВт с высокой надежностью и КПД, недостижимыми для серийных слоевых котлов.
Все угли горят
Применение технологии сжигания твердых топлив в высокотемпературном циркулирующем кипящем слое (ВЦКС) в промышленной энергетике в последние годы расширяется благодаря возможности вовлечь в использование достаточно широкий диапазон дешевых местных углей низкого качества.
Отличительные особенности котлов на основе ВЦКС:
1. Кипящий слой формируется на узкой наклонной подвижной решетке, собранной из чугунных колосников.
2. Для образования кипящего слоя не требуется никаких специальных инертных материалов (песка, шамотной крошки и т. п.). Слой формируют частицы топлива, кокса и золы. Не требуется применение высоконапорного дутьевого вентилятора, т. к. отсутствие инерта позволяет снизить рабочую высоту кипящего слоя до 300 350 мм. Циркуляция материала слоя обеспечивается путем многоступенчатого осаждения и возврата в топку основной массы уноса без применения «горячих» циклонов.
3. Для розжига котлов не требуется применения пусковых горелок. Котел может разжигаться от костра.
4. Основная часть летучей золы выгружается вместе со шлаком прямо с решетки благодаря применению мощной системы возврата уноса и эффекту агломерации золовых частиц в ВЦКС.
5. Требования к фракционному составу топлива невелики: допускается наличие кусков до 50 мм.
6. Топливо в топку подается методом пневмо-гравитационного заброса, т. е. не требуется механических забрасывателей.
7. Сжигание топлива осуществляется в две ступени:
— непосредственно в кипящем слое, куда подается 40 60% воздуха, необходимого для горения (образуется зона пиролиза и газификации топлива);
— в надслоевом пространстве топочной камеры, куда мощными струями вдувается вторичный воздух (происходит полное дожигание продуктов газификации и тонких фракций топлива).
Как реконструировать котлы?
Перевод слоевых котлов на ВЦКС происходит путем простой реконструкции:
— замены широкой слоевой топки на узкую (из типовых колосников ТЛЗМ, валов, механизмов передачи) — от 300 до 800 мм в зависимости от теплопроизводительности котла;
— размещения топки ВЦКС в зольном отделении (при его наличии) для увеличения высоты топочного пространства;
— дополнительной установки фронтового, поворотного экрана и регистров охлаждения топки;
— использования одного питателя вместо двух забрасывателей.
Реконструкция котлов сохраняет типовые конструктивные решения серийно выпускаемых котлов со слоевым сжиганием, в результате чего технология ВЦКС имеет высокую степень готовности к внедрению.
Экологические аспекты
С точки зрения снижения твердых выбросов реконструкция типовых слоевых промышленных котлов на сжигание угля в ВЦКС обеспечивает:
— увеличение высоты и объема топочного пространства за счет размещения решетки ВЦКС ниже штатной отметки обслуживания котла (т. е. в зольном отделении котельной), что позволяет существенно улучшить условия выгорания топлива;
— установку в топочной камере дополнительного поворотного экрана для организации встроенного сепаратора (поворотной камеры) непосредственно перед конвективным пучком для осаждения основной массы грубых фракций уноса;
— реконструкцию системы возврата уноса для повышения ее производительности, эффективности и надежности;
— применение эффективных золоуловителей последнего поколения со степенью очистки газов до 96%.
Чем ловить золу?
К основным загрязнителям атмосферы относятся оксиды азота, оксиды серы и летучая зола.
За рубежом в связи с чрезвычайно жестким природоохранным законодательством наиболее широкое применение для очистки дымовых газов котлов кипящего слоя нашли тканевые фильтры, эффективность которых достигает 97–99%.
В отечественной промышленной энергетике установки тканевой фильтрации практически не применяются. Причины, сдерживающие внедрение этих высокоэффективных аппаратов, — высокие капитальные затраты на установку; серьезные ограничения по температуре очищаемых газов и содержанию в них паров серной кислоты, высокую стоимость специальной термокислотостойкой ткани; отсутствие на отечественном рынке серийно выпускаемых тканевых фильтров и т. д.
Второе место по востребованности в качестве золоуловителей за промышленными котлами кипящего слоя в ведущих странах мира занимают электрофильтры. В России электрическая очистка газов используется главным образом при крупных энергетических котлах на многозольном топливе.
Но использование электрофильтров в энергетике, целесообразное в ряде случаев с точки зрения экологии, требует, как правило, значительной реконструкции старых и сооружения новых помещений, так как габариты наименьшего из приемлемых к установке электрофильтров типа ЭГА составляют 4,9×9,3×12,4 м, а масса — 38,9 тонны.
К высокоэффективным золоуловителям, более широко используемым в отечественной промышленной энергетике, чем тканевые и электрические фильтры, относятся аппараты мокрой очистки дымовых газов — скоростные газопромыватели с турбулентными коагуляторами Вентури конструкции ОРГРЭС-ВТИ. Степень очистки газов в установках этого типа может составлять 92 97% в зависимости от степени орошения (т. е. расхода впрыскиваемой воды) и скорости дымовых газов в горловине трубы Вентури (т. е. аэродинамического сопротивления). Однако следует иметь в виду, что возможность применения мокрой очистки газов, тем более при реконструкции котельных, достаточно ограничена. Подпитка технической водой или полный перевод мокрого золоуловителя на техническую воду в ряде регионов уже невозможен ввиду предельного загрязнения водоемов.
Заслон загрязнителям
По указанным причинам наибольшее распространение при реконструкции на ВЦКС действующих котлов получили батарейные золоуловители БЦ-512 — мультициклоны последнего поколения с улиточными завихрителями газов, специально разработанные для эффективного инерционного улавливания уносов из промышленных и отопительных котлов. Эти аппараты отличаются предельно высоким для инерционных сепараторов КПД при умеренном аэродинамическом сопротивлении, простотой обслуживания, надежностью, компактностью и приемлемой стоимостью. В ряде случаев (при высокой зольности топлива и наличии свободного места за котлом) перед мультициклонами устанавливается предварительная ступень очистки газов в виде одного или двух параллельно включенных прямоточных циклонов. Среднеэксплуатационная эффективность одноступенчатого золоуловителя типа БЦ-512 составляет не менее 92%, двухступенчатого — 94 95%, что обеспечивает после реконструкции котла снижение твердых выбросов в атмосферу как минимум в 2,5 3,5 раза и, как правило, является достаточным для соблюдения установленных норм по ПДВ летучей золы.
Применение высокотемпературного сжигания в кипящем слое с золоуловителями БЦ-512 позволяет:
— только за счет особенностей способа сжигания топлива снизить выбросы оксидов азота в 1,3–1,5 раза по сравнению с уровнем NOx слоевых котлов, т. е. обеспечить их концентрацию в пределах 250–300 мг/м3;
— при сжигании углей с содержанием серы до 0,6–0,7% снизить выбросы оксидов серы до нормативных величин без применения специальных дорогостоящих методов очистки;
— при сжигании углей с повышенным содержанием серы обеспечить подавление оксидов серы наиболее простым и наименее затратным методом — путем присадки к топливу известняковой добавки;
— обеспечить как минимум троекратное снижение выбросов летучей золы без применения дорогостоящих и громоздких аппаратов электрической, тканевой и мокрой очистки газов.
Экономная решетка
Экономические преимущества новой технологии достигаются за счет возможности применения малокалорийных дешевых углей, повышения эффективности выгорания топлива до 93 95% и уменьшения вследствие этого затрат на уголь на 30 40%, увеличения теплопроизводительности котлов после реконструкции на 30 50% (за счет повышения интенсивности тепло — и массообменных процессов), снижения затрат на ремонт и содержание оборудования в силу уменьшения количества деталей решетки и отсутствия их физического износа и т. д. При этом срок окупаемости реконструкции, в зависимости от конкретных технико-экономических показателей, составляет всего от полугода до двух лет.
Эти преимущества позволили успешно применить технологию ВЦКС на целом ряде объектов: котельных разрезах «Бачатский», «Черниговец», «Вахрушевский», «Караканский», «Кедровский», шахтах «Ульяновская», «Томусинская 5–6» и др.
В настоящее время работы по реконструкции котлов с применением технологии сжигания в высокотемпературном кипящем слое ведутся в центральной котельной г. Алдана (Якутия) и в котельных г. Улан-Удэ.
В коммунальной котельной № 48 г. Прокопьевска, например, пуск в эксплуатацию котла с использованием технологии ВЦКС дал возможность эффективно использовать уголь с повышенной зольностью до 30% и обеспечить его полное выгорание. При этом резко сократились выбросы в атмосферу, дым из трубы поменял цвет на белый, что особенно важно для г. Прокопьевска, где 130 котельных «закоптили» весь город.
Источник: «Энергетика и промышленность России»
