|
|
|
Розвиток енергетики сьогодні відбувається на тлі зміни паливно-енергетичного балансу у бік вугільної складової. У зв'язку з цим стає актуальним усе більш широке використання чистих вугільних технологій. Однією з таких технологій є спосіб спалювання горючих матеріалів в киплячому шарі. Стосовно вугілля спосіб дозволяє ефективно і екологічно безпечно спалювати вугілля різної якості, у тому числі низькосортні і відходи вуглезбагачення. Технологія приваблива також можливістю створення компактного паливневого устаткування і автоматизації паливневого процесу
В той же час ефективність спалювання вугілля в киплячому шарі залежить від виконання певних вимог до палива і до самого процесу. До таких вимог відносяться, наприклад, сортування вугілля, стабільність властивостей і витрати при поданні в топку, рівномірність подання вугілля на майданчик шару, параметри ведення паливневого процесу - температура шару, швидкість псевдозрідження, тиск в топці.
У світовій практиці знайшли широке застосування котли з топкою кипя-щего шару різної потужності. Причиною повільного впровадження цих методів в нашій країні, окрім питань параметрів процесу і якості палива, що вимагають лабораторного і пілотного опрацювання, можна рахувати також дефіцит інвестицій у вугільні технології. Тому перехід від лабораторного масштабу установок киплячого шару до промислового представляв певний технічний і економічний ризик. Нині зважаючи на зміни в паливній кон'юнктурі і підвищення вимог до викидів з продуктами згорання інтерес до цієї проблеми підвищується
При розгляді перспектив використання твердого палива, зокрема для енергоблоків нового покоління, одним з основних питань є його ефективне спалювання. Під останнім в першу чергу розуміється виконання двох вимог : спалювання має бути повним, тобто економічним, і воно не повинне призводити до великих викидів шкідливих речовин (в першу чергу оксидів сірки і азоту).
Довгий час для спалювання використовувався і продовжує використовуватися так званий факельний метод, при якому суміш дрібнорозмеленого вугілля і гарячого повітря безперервно подається в зону горіння, підтримуючи факел, що горить, є джерелом променистої і теплової енергії для нагріву робочого тіла. Для виконання вказаних вище вимог розроблений і впроваджений в практику ціла низка режимних і конструктивних заходів, які, проте, не можуть розв'язати проблему повною мірою. Тому останні 15 років ведуться пошуки екологічно чистих технологій спалювання широкої гамми твердих палив, особливо енергетичних твердих палив низької якості. В числі таких технологій знаходиться технологія спалювання твердих палив в циркулюючому киплячому шарі (ЦКШ) при атмосферному тиску
Теоретичною основою функціонування котлів з ПКШ є уявлення про киплячий шар. Якщо в деякій камері встановити грати, на які помістити шар вугілля, і до грат подати в невеликій кількості повітря, то після попереднього розігрівання шару почнеться горіння палива з поверхні з виділенням газоподібних продуктів згорання. При заповненні палива, що згорає, на гратах підтримуватиметься фіксований шар, що горить. Здійснюватиметься так зване шарове спалювання твердого палива. Якщо збільшувати подання повітря під грати, то на частки палива, що знаходиться на гратах, діятиме швидкісний натиск, який протидіятиме силі тяжіння, діючого на кожну частку палива. При деякій швидкості повітря частки палива опиняться в зваженому стані в підйомному потоці повітря, а товщина шару, що горить, зросте.
При подальшому зростанні швидкості в шарі з'являються окремі пухирі повітря, і товщина шару зростає ще більше. Це так званий бульбашковий киплячий шар. Він поводиться так, як поводиться кипляча рідина, звідси і назва методу - спалювання в киплячому шарі.
При ще більшій витраті повітря підйомна сила, діюча на частки палива, виявляється настільки великий, що вони не устигають згорати і вириваються з киплячого шару. При подальшому збільшенні витрати повітря видимий шар зникає і відбувається горіння скупчень часток палива в усьому об'ємі камери з інтенсивним перемішуванням. Більша кількість часток палива не устигає згоріти і виноситься з камери. Тут на їх шляху встановлюють циклон - циліндричну посудину, в якій продукти згорання відділяються від незгорілих часток. Продукти згорання спрямовуються в другу частину котла - конвективну шахту - для нагріву робочого тіла (води і пара), а незгорілі частки рухаються в закрученому потоці, відкидаються до стінок, падають вниз і знову спрямовуються в камеру горіння. Це і є циркулюючий киплячий шар. Головна його особливість полягає в тому, що циркулюючий матеріал в сотні разів перевищує кількість повітря, що подається для горіння.
Є цілий ряд схем, що реалізовують технологію ЦКШ. Розглянемо одну з них. Вугілля з бункера спрямовується на повітророзподільні грати топки, під яку для горіння подається гаряче повітря. На неї ж з іншого бункера поступає вапняк, який вступає в хімічну реакцію з сіркою, зв'язує її і надалі разом з сухою золою відводиться з котла. Таким чином, виключається попадання сірки в димові гази і потім в повітряний басейн. Киплячий шар, що утворюється, передає частину своєї теплоти робочому тілу, що рухається в екранах, якими фанеровані стіни топки. З верхньої частини топки суміш продуктів згорання і часток палива, не згорілих в киплячому шарі, спрямовується в циклон, де відбувається відділення часток незгорілого палива від продуктів згорання. Незгорілі гарячі частки змішуються з частками свіжого палива, і ця суміш поступає в киплячий шар топки, що горить. Продукти згорання поступають в конвективну шахту, в якій розташовані інші поверхні нагріву робочого тіла : конвективний первинний і проміжний пароперегрівачі, економайзер, воздухонагреватель. На виході з конвективної шахти з продуктів згорання видаляється летка зола, і потім вони поступають в електрофільтри для видалення залишків леткої золи, після чого вони прямують в димар для розсіювання у верхніх шарах атмосфери.
Одна з основних ідей, що реалізовуються в котлах з ЦКШ, полягає в тому, що температура киплячого шару виявляється невисокою - на рівні 820-900 °С. При таких температурах утворення оксидів азоту йде дуже повільно. Помітимо, що у факельних пылеугольных топках температура горіння досягає 2000 °С. У свою чергу, низька температура горіння забезпечується великим розміром часток вугілля (від 2 до 25 мм) і їх роз'єднаністю в киплячому шарі, на відміну від пылеугольного спалювання, коли розмір пилових часток знаходиться на рівні 200 мкм.
Інша важлива ідея - багатократна циркуляція гарячої суміші золи, вапняку і порівняно невеликої кількості свіжого палива, що підводиться. Це забезпечує не лише хороше сіркоочищення продуктів згорання, але і істотно інтенсифікує процес спалювання.
Котли з ЦКШ, окрім відмічених вище переваг мають ряд інших.
В той же час, в порівнянні з пылеугольными котлами, котли з ЦКС складніші, працюють у важчих умовах (ерозія поверхонь нагріву запиленим потоком), мають підвищену витрату електроенергії на привід високонапірних вентиляторів для подання повітря в зону горіння і створення киплячого шару.
Техніко-економічні оцінки показують, що котли з ЦКС в энер-гоблоках 150-200 МВт забезпечують собівартість електроенергії, капітальні витрати, витрати на паливо, на обслуговування і ремонт, що не перевищують аналогічні витрати для пилевугільних котлів з сіркоочищенням. При цьому підкреслюється, що результати порівняння залежать від великого числа чинників і визначаються конкретними умовами.
Сфера застосування котлів з ЦКШ - спалювання низькосортних твердих палив при паропроизводительности до 250 т/ч як для нових ТЕС, так і що проходять модернізацію. У світі нині експлуатується більше 200 енергетичних котлів з ЦКС, у тому числі освоєний енергоблок потужністю 250 МВт. В Росії розробляються котли з ЦКШ паропроизводительностью 160, 500 і 1000 т/ч для спалювання кам'яного і бурого вугілля різних родовищ.
На малюнку 1 показана конструкція топки НТКШ, робота якої у форсованому режимі дозволяє отримувати заявлені економічні і екологічні характеристики котлів малої і середньої продуктивності. Внизу на повітророзподільних гратах 1 розташований киплячий шар 2 з поданням первинного дуття по тракту 3 від вентилятора 4. У надслоевом об'ємі 5 на ділянках 6 набігань потоку встановлені сопла 7 вторинного дуття. Сопла 7 вторинного дуття орієнтовані тангенціально до умовного тіла обертання 8 і спрямовані у бік застійних зон 9, в корінь висхідного з киплячого шару потоку. Рух часток у висхідному потоці і після їх сепарації в топці співпадають з вихровою течією, горіння і паливневі процеси рівномірно поширюються в усьому об'ємі топки над шаром. Профіль надслоевого об'єму утворений обмуруванням 10 і паливневими екранами 11. Димарі топки мають золоосадительные бункери 12 з ежекторами 13 повернення віднесення, які, як і система пневмозаброса палива 14, трактами 15 вторинного дуття підключені до вентилятора 4. Мають бути в наявності і інші елементи, необхідні для експлуатації і обслуговування топки киплячого шару (прилади КВПіА, розпалювальний пристрій і т.п.).
