|
|
|
Развитие энергетики сегодня происходит на фоне изменения топливно-энергетического баланса в сторону угольной составляющей. В связи с этим становится актуальным все более широкое использование чистых угольных технологий. Одной из таких технологий является способ сжигания горючих материалов в кипящем слое. Применительно к углю способ позволяет эффективно и экологически безопасно сжигать угли различного качества, в том числе низкосортные и отходы углеобогащения. Технология привлекательна также возможностью создания компактного топочного оборудования и автоматизации топочного процесса.
Вместе с тем эффективность сжигания угля в кипящем слое зависит от выполнения определенных требований к топливу и к самому процессу. К таким требованиям относятся, например, сортировка угля, стабильность свойств и расхода при подаче в топку, равномерность подачи угля на пло-щадку слоя, параметры ведения топочного процесса - температура слоя, скорость псевдоожижения, давление в топке.
В мировой практике нашли широкое применение котлы с топкой кипя-щего слоя различной мощности. Причиной медленного внедрения этих ме-тодов в нашей стране, помимо требующих лабораторной и пилотной проработки вопросов параметров процесса и качества топлива, можно считать также дефицит инвестиций в угольные технологии. Поэтому переход от лабораторного масштаба установок кипящего слоя к промышленному представлял определенный технический и экономический риск. В настоящее время ввиду изменений в топливной конъюнктуре и повышения требований к выбросам с продуктами сгорания интерес к данной проблеме повышается.
При рассмотрении перспектив использования твердого топлива, в частности для энергоблоков нового поколения, одним из основных вопросов является его эффективное сжигание. Под последним в первую очередь понимается выполнение двух требований: сжигание должно быть полным, т.е. экономичным, и оно не должно приводить к большим выбросам вредных веществ (в первую очередь оксидов серы и азота). .
Долгое время для сжигания использовался и продолжает использоваться так называемый факельный метод, при котором смесь мелкоразмолотого угля и горячего воздуха непрерывно подается в зону горения, поддерживая горящий факел, являющийся источником лучистой и тепловой энергии для нагрева рабочего тела. Для выполнения указанных выше требований разработан и внедрен в практику целый ряд режимных и конструктивных мероприятий, которые, тем не менее, не могут решить проблему в полной мере. Поэтому последние 15 лет ведутся поиски экологически чистых технологий сжигания широкой гаммы твердых топлив, особенно энергетических твердых топлив низкого качества. В числе таких технологий находится технология сжигания твердых топлив в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) при атмосферном давлении.
Теоретической основой функционирования котлов с ПКС является представление о кипящем слое. Если в некоторой камере установить решетку, на которую поместить слой угля, и к решетке подать в небольшом количестве воздух, то после предварительного разогрева слоя начнется горение топлива с поверхности с выделением газообразных продуктов сгорания. При восполнении сгорающего топлива на решетке будет поддерживаться горящий фиксированный слой. Будет осуществляться так называемое слоевое сжигание твердого топлива. Если увеличивать подачу воздуха под решетку, то на частицы топлива, находящегося на решетке, будет действовать скоростной напор, который будет противодействовать силе тяжести, действующей на каждую частицу топлива. При некоторой скорости воздуха частицы топлива окажутся во взвешенном состоянии в подъемном потоке воздуха, а толщина горящего слоя возрастет.
При дальнейшем возрастании скорости в слое появляются отдельные пузыри воздуха, и толщина слоя возрастает еще больше. Это так называемый пузырьковый кипящий слой. Он ведет себя так, как ведет себя кипящая жидкость, отсюда и название метода — сжигание в кипящем слое.
При еще большем расходе воздуха подъемная сила, действующая на частицы топлива, оказывается настолько большой, что они не успевают сгорать и вырываются из кипящего слоя. При дальнейшем увеличении расхода воздуха видимый слой исчезает и происходит горение скоплений частиц топлива во всем объеме камеры с интенсивным перемешиванием. Большее количество частиц топлива не успевает сгореть и выносится из камеры. Здесь на их пути устанавливают циклон — цилиндрический сосуд, в котором продукты сгорания отделяются от несгоревших частиц. Продукты сгорания направляются во вторую часть котла — конвективную шахту — для нагрева рабочего тела (воды и пара), а несгоревшие частицы движутся в закрученном потоке, отбрасываются к стенкам, падают вниз и снова направляются в камеру горения. Это и есть циркулирующий кипящий слой. Главная его особенность состоит в том, что циркулирующий материал в сотни раз превышает количество воздуха, подаваемого для горения. .
Имеется целый ряд схем, реализующих технологию ЦКС. Рассмотрим одну из них. Уголь из бункера направляется на воздухораспределительную решетку топки, под которую для горения подается горячий воздух. На нее же из другого бункера поступает известняк, который вступает в химическую реакцию с серой, связывает ее и в дальнейшем вместе с сухой золой отводится из котла. Таким образом, исключается попадание серы в дымовые газы и затем в воздушный бассейн. Образующийся кипящий слой передает часть своей теплоты рабочему телу, движущемуся в экранах, которыми облицованы стены топки. Из верхней части топки смесь продуктов сгорания и частиц топлива, не сгоревших в кипящем слое, направляется в циклон, где происходит отделение частиц несгоревшего топлива от продуктов сгорания. Несгоревшие горячие частицы смешиваются с частицами свежего топлива, и эта смесь поступает в горящий кипящий слой топки. Продукты сгорания поступают в конвективную шахту, в которой расположены другие поверхности нагрева рабочего тела: конвективный первичный и промежуточный пароперегреватели, экономайзер, воздухонагреватель. На выходе из конвективной шахты из продуктов сгорания удаляется летучая зола, и затем они поступают в электрофильтры для удаления остатков летучей золы, после чего они направляются в дымовую трубу для рассеивания в верхних слоях атмосферы.
Одна из основных идей, реализуемых в котлах с ЦКС, состоит в том, что температура кипящего слоя оказывается невысокой — на уровне 820—900 °С. При таких температурах образование окислов азота идет очень медленно. Заметим, что в факельных пылеугольных топках температура горения достигает 2000 °С. В свою очередь, низкая температура горения обеспечивается большим размером частиц угля (от 2 до 25 мм) и их разобщенностью в кипящем слое, в отличие от пылеугольного сжигания, когда размер пылевых частиц находится на уровне 200 мкм.
Другая важная идея — многократная циркуляция горячей смеси золы, известняка и сравнительно небольшого количества подводимого свежего топлива. Это обеспечивает не только хорошую сероочистку продуктов сгорания, но и существенно интенсифицирует процесс сжигания.
Котлы с ЦКС, кроме отмеченных выше преимуществ имеют ряд дру-гих.
Вместе с тем, по сравнению с пылеугольными котлами, котлы с ЦКС более сложны, работают в более тяжелых условиях (эрозия поверхностей нагрева запыленным потоком), имеют повышенный расход электроэнергии на привод высоконапорных вентиляторов для подачи воздуха в зону горения и создания кипящего слоя.
Технико-экономические оценки показывают, что котлы с ЦКС в энер-гоблоках 150—200 МВт обеспечивают себестоимость электроэнергии, капитальные затраты, затраты на топливо, на обслуживание и ремонт, не превышающие аналогичные затраты для пылеугольных котлов с сероочисткой. При этом подчеркивается, что результаты сравнения зависят от большого числа факторов и определяются конкретными условиями. .
Область применения котлов с ЦКС — сжигание низкосортных твердых топлив при паропроизводительности до 250 т/ч как для новых ТЭС, так и проходящих модернизацию. В мире в настоящее время эксплуатируется более 200 энергетических котлов с ЦКС, в том числе освоен энергоблок мощностью 250 МВт. В России разрабатываются котлы с ЦКС паропроизводительностью 160, 500 и 1000 т/ч для сжигания каменных и бурых углей различных месторождений.
На рисунке 1 показана конструкция топки НТКС, работа которой в форсированном режиме позволяет получать заявленные экономические и экологические характеристики котлов малой и средней производительности. Внизу на воздухораспределительной решетке 1 расположен кипящий слой 2 с подачей первичного дутья по тракту 3 от вентилятора 4. В надслоевом объёме 5 на участках 6 набегания потока установлены сопла 7 вторичного дутья. Сопла 7 вторичного дутья ориентированы тангенциально к условному телу вращения 8 и направлены в сторону застойных зон 9, в корень восходящего из кипящего слоя потока. Движение частиц в восходящем потоке и после их сепарации в топке совпадают с вихревым течением, горение и топочные процессы равномерно распространяются во всём объёме топки над слоем. Профиль надслоевого объема образован обмуровкой 10 и топочными экранами 11. Дымоходы топки имеют золоосадительные бункера 12 с эжекторами 13 возврата уноса, которые, как и система пневмозаброса топлива 14, трактами 15 вторичного дутья подключены к вентилятору 4. Должны быть в наличии и другие элементы, необходимые для эксплуатации и обслуживания топки кипящего слоя (приборы КИПиА, растопочное устройство и т.д.).
