/
Author: Алехнович А.Н.
Tags: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления теплоэнергетика теплотехника котельные установки журнал энергетик
ISBN: 0013-7278
Year: 2012
Text
Библиотечка электротехника. 2012. ns 11
А. Н. Алехнович
ТОПОЧНО-
ГОРЕЛОЧНЫЕ
УСТРОЙСТВА
ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ
КОТЛОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ К ЖУРНАЛУ
ФНЕРГЕТ1Ж
Вниманию специалистов
Вышли в свег следующие выпуски
«Библиотечки электротехника»:
Костюшко В. А. Анализ расчетных и экспериментальных оценок
потерь мощности на корону на воздушных линиях электропереда-
чи переменного тока
Арцишевский Я Л , Задкова Е. А. Кузнецов Ю П Техперевооруже-
ние релейной защиты и автоматики систем электроснабжени я
предприятии непрерывного производства
Долгополов А. Г. Релейная защита управляемых шунтирующих
реакторов
Беляков Ю. С Распределенные параметры в расчетах режимов
электрических систем
Киреева Э А Современные приборы и устройства для измере-
ния и контроля состояния коммутационного электрооборудования
в сисгемах электроснабжения: Справочные материалы
Киреева 3. А. Современные приборы и устройства для контроля
работоспособности электрооборудования в системах электро-
снабжения: Справочные материалы (части 1 и 2)
Каргин С В., Краснова А Н., Бекбулатов Р. Р. Управление качеством
электроэнергии в распределительных сетях общего назначения
АнчаронаТ В., Рашевская М Л Электроснабжение зданий (части 1 и 2)
Ростик Г В Поддержание живучести турбогенераторов
Николаев В. Г, Ганага С. В , Перминов Э М Состояние л перспек-
тивы развития мировой и отечественной ветроэнергетики (части
1 - 2)
Подписку можно оформить в любом почтовом отделении связи по
объединенному каталогу «ПРЕССА РОССИИ». Том 1. Российские
и зарубежные газеты и журналы, а также н РЕДАКЦИИ.
Подписной индекс «Библиотечки электротехника» —
приложения к журналу «Энергетик»
88983
Адрес редакции
журнала «Энергетик»:
115280, Москва, ул. Автозаводская д. 14 23.
Телефон (495) 675-19-0G.
E-mail: eneigetick@mail.ru
Библиотечка электротехника
Приложение к журналу «Энергетик»
Основана в нюне 1998 г.
Выпуск 11 (167)
А. Н. Алехнович
ТОПОЧНО-
ГОРЕЛОЧНЫЕ
УСТРОЙСТВА
ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ
КОТЛОВ
Москва
И ГФ «Энергипрогрссс», Энергетик»
2012
УДК 621.772
ББК 31.361
А 45
ГПНТБ России
: Экзс •.
| чиггальнсгэ ?-ла
Главный редактор журнала «Энергетик* А Ф ДЬЯКОВ
РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ
« Б и бл и отсч ки эл е ктроте х н и ка»
И. И. Балок (зач. председателя) t К. М. Антипов, Г. А. Бсзчастнов,
А. Н, Жулев, В. А. Забегалов, Ф. Л. Коган, В. И. Кочкарев.
Н. В. Лисицын, В. И. Пуляев, А. И. Таджибаев
Атсхнович А Н.
А 45 Топочно-горелочные устройства пылеугольных кот-
лов. — М.: НТФ «Энергопрогресс», 2012. — 114 с.: ил.
[Библиотечка электротехника, приложение к журналу
«Энергетик». Вып. 11 (1б7)|.
Брошюра подготовлена по материалам обзора перспективных техни-
ческих решений и тенденций развития топом но-горелочных устройств
пылеугольных котлов, выполненного Уральской теплотехнической ла-
бораторией для котлостроительных заволог
Рассмотрены вопросы снижения выбросов оксидов азота технологи-
ческими мерами.
Приводятся сведения о тенденциях развития угольной нерп-тики и
основных мероприятиях по повышению экономичности пылеугольных
блоков с паросиловы м циклом.
/Y
ISSN 0013-727S
© НТФ «Энсргопрогресс», )нергетик». 2012
Предисловие
Рост цен на топливо, непрерывное ужесточение норм по вы-
бросам вре шых веществ в атмосферу, кампания по снижению вы-
бросов парниковых газов снижают привлекательность электро-
энергетики, использующей природные горючие ископаемые,
особенно угольных ГЭС. К недостаткам угля по сравнению с при-
родным газом относятся увеличение выбросов в j(тмосферу; более
высокая в 1,5 — 2 раза стоимость угольных станции, которая воз-
растает с ужесточением нормативов по выбросам; относительно
низкая эффективность и существенное усложнение, удорожание
технологии для обеспечения высокой эффективности.
К основным преимуществам угля как энергетического топлива
относятся его большие природные запасы, превышающие совме-
стные запасы газа, нефти, торфа, сланца, я его широкая распро-
страненность, в отличие от газовых и нефтяных месторождений,
которые сконцентрированы в отдел» ных регионах. На Земном
шаре насчитывается около 3000 угольных бассейнов и месторож-
дении, экономически извлекаемые резервы угля имеются более
чем в 70 странах. Важным преимуществом угля по сравнению с
природным газом, что еле уст и из изложенного, является мень-
шая привязанность к политической конъюнктуре и меньший рост
цен. Сами по себе угольные ТЭС с резервными склад ми топлива
относятся к числу менее уязвимых в жстремальных ситуациях
объектов.
Сейчас, при реализуемой в мире и в стране неновой политике,
при которой уголь на единицу энергии с гоит примерно вдвое де-
шевле природного газа, себестоимость продукции на угольных
1 )С ниже. т. с. испол ьз<эвание угля на ТЭС сегодня коммерчески
эффективно, и с учетом его громадных запасов человечество не
сможет развивать электроэнергетику без его широкого использо-
вания в обозримом будущем |1| Вместе с тем, для сохранения
3
привлекательности угольных электростанции они должны суще-
ственно совершенствоваться, прежде всего, в части повышения
эффективности и снижения вредных выбросов.
Внедрение технологических методов снижения вредных
выбросов создает проблемы неполного выгорания топлива, высо-
котемпературной коррозии и шлакования, и ограниченное коли-
чество разработанных схем (методов) позволяет получить прием-
лемое решение по всем проблемам при необходимом значитель-
ном снижении оксидов азота.
Кроме того, в силу непостоянства качества топлива и перемен-
ного топливного баланса ТЭС внедряемые решения должны быть
«гибкими», обеспечивать работоспособность и необходимый ре-
зультат при возможных изменениях качества топлива.
Замечания и пожелания по брошюре
просьба направлять по адресу:
115280, Москва, ул. Авюзаводская, 14.
Редакция журнала «Энергетик*
Автор
ГЛАВА ПЕРВАЯ
Основные вызовы
и перспективные решения
1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Для сохранения коммерческой привлекательности и конку-
рентоспособности угольных ТЭС другим источникам энергии в
мире успешно ведутся разработки технологии, позволяющих ра-
дикально повысить эффективность ТЭС и снизить выбросы.
К сожалению, признанные и освоенные или разрабатываемые в
мировой практике перспективные технологии производства
электроэнергии на твердом топливе: сжигание угля в циркули
рующем кипящем слое (ИКС) и кипящем слое под давлением
(КСД), газификация угля с использованием генераторного газа в
парогазовых установках (ПТУ), переход на суперсверхкритиче-
ские (ССКД) параметры пара 30 МПа и 600/650 °C (даже
700 — 720 °C по европейской профамме 1 ерми*), предваритель-
ная сушка влажных поплин в России отсутствуют даже в виде пи-
лотных или опытно-промышленных установок |2|
По оценке, в том числе зарубежных специалистов [3J, уголь бу-
дет сохранять с вою роль в энергетике России. При этом специфи-
кой отечественных условии является то, что:
• реновационная ак ивность по отношению к российским
угольным электростанциям будет сфокусирована на снижении
выбросов, усовершенствовании старого оборудовзмия и повыше-
нии общего КПД;
• преимущественное внедрение будут иметь относительно де-
шевые технологии;
• в целом сохранится переменность поступающего на ТЭС
угля, и внедрение новых технологии должно быть в дальнейшем
проведено для углей с различны м содержанием золы и раз-
ными свойствами.
За последние 15 лет в мировой энергетике достигнут значи-
тельный прогресс в повышении экономичности работ ы угольных
энергоблоков (рис. 1.1).
Рост экономичности новых энергоблоков обеспечивается за
счет реализации ряда мероприятий, среди которые увеличение
параметров острого пара, применение вторичного перегрев i
пара, совершенствование турбинной технолог чи, многоступенча-
тый подогрев питательной воды, снижение величин впрысков на
регулирование температур пара, минимизация избытка воздуха и
недожога, максимальная утилизация сбросного тепла, снижение
расхода электроэнергии на собственные нужды.
1.2. ПОВЫШЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАРА
В части котельной техники повышение экономичности энер-
гоблоков, в первую очередь, связывается с повышением темпера-
туры перегретого пара. Структура достигнутого в последние годы
повышения эффективности пылеугольных блоков приведена на
рис. 1.2.
Влияние температуры острого пара на эффективность блока
показано на рис. 1.3. Повышение температур в ближайшем буду-
щем достигнет уровня 620 — 630 вС. Выход на этот уровень возмо-
жен практически без использования аустенитных сталей для ос-
Рис. /./. Рост М1Д угояьвых блоков:
/ — Дания, угольные блоки 350 - 420 МВт; 2— Финляндия, блок550 МВт; J —
1 ермания, блоки 400 — 1012 МВт; 4 Япония, блоки 700 1000 МВт; 5 ев
ропеиская программа «Терми»
Рис. 1.2. Источники повышения >ффеь iинностн ТЭС ! воопы в °0-е годы с тгпio-
си товым никлом 14]
Рис. 1.3. Рост КПД энергоб юков с поимнением эффекi явной (с учетом различий
в значения*, пявления р температуры иромперегрева) температуры острого пара (5J:
/ — Япония; 2 — Китай; 3 — США и Капала; 4— Западная Европа
новных конструктивных элементов котла, турбины и высокотем-
пературных паропроводов (за исключением труб выходных
секций пароперегревателей котла). Разработки новых конструк-
ционных материалов позволяют ожидать в середине 2010-х голов
появления чергоблоков сверхкритического давления (СКД) с
параметрами пара порядка 28 МПа. 630/650 вС и далее пилотных
энергоблоков ультрасверхкригического давления (УСКД) с пара-
метрами пара 35 МПа, 700 720 *С и КПД на уровне 50 — 51 % [5]
Важный этап повышения экономичности ТЭС создание энер-
гоблока на температуру пара 700 ’С с КПД 50 % (в первую оче-
редь, проект «Термин, который достаточно широко освещается в
печати).
/
Рис. 1.4. Повышение температуры пара на ТЭС Японии в период после 1995 г.
Повышение уровня температур пара для новых вводимых бло-
ков в каждой из стран происходит •ступенчато», по мере накопле-
ния опыта эксплуатации. Так, в Китае за серией блоков с темпера-
турой пара 540 °C последовали блоки с температурами пара
566 566 Си затем — 600/600 *С. Сейчас в Китае на 46 пылеуголь-
ных котлах мощностью 1000 МВт, введенных в 2007 — 2011 гг.,
температура перегретого пара /)С = 600/600 С (6J.
Рост температуры перегретого пара в котлах Японии показан
на рис. 1.4. Видно, что в 1997 — 2001 гг. температура перегрева по-
вышена с 566 до 610 °C.
Возможное дальнейшее повышение эффективности энерго-
блоков путем повышения давления (суперсверкритическое давле-
ния 30 МПа и выше) и применения вторичного перегрева пара на
данном этапе в число приоритетных задач не входит. Ниже по ло-
му вопросу приведена информация, заимствованная из [5].
Для периода после 2005 — 2006 гг. имела место общая тенден-
ция к повышению среднего для вводимых энергоблоков значения
давления свежего пара. Современные эффективные блоки СКД
имеют значения давления свежего пара 24 - 28 МПа. Дальнейшее
повышение давления пара до 30 М Па и более не ставится в каче-
стве первоочередной задачи, несмотря на дополнительный рост
эффективности. Дальнейшее повышение уровня давления пара
(при тех же значениях температур пара) приводит к все меньшему
увеличению располагаемого теплоперепада и КПД цикла. При
этом требуется использовать более толстостенные трубы поверх-
8
ностеи нагрева, паропроводы, коллекторы и корпусные детали,
более мощные насосы питательной воды, что удорожает установ-
ку, одновременно усложняя и ведение переходных режимов из-за
более высоких температурных напряжений в более толстостен-
ных элементах конструкции.
Эффект ивность энергоблоков также возрастает при примене-
нии вторичного промперсгрева. Однако на данном этапе исполь-
зование вторичного промперсгрева признается нецелесообраз-
ным из-за чрезмерного увеличения затрат и усложнения компо-
новки блока. По расчетным оценкам фирмы Siemens применение
второго промежуточного перегрева пара дает повышение КПД
блока на 0,8 %. Однако при этом существенно усложняется ком-
поновка пароперегревателей котла, появляются дополнительная
высокотемпературная секция турбины и, главное, дополнитель-
ные «горячие паропроводы второго промперсгрева большого
диаметра, что существенно усложняет компоновку энергоблока и
увеличивает капитальные затраты. Необходимость применения
паропроводов большого диаметра связана с малой плотностью
пара при относительно низком давлении и высокой температуре.
1.3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ СУШКА БУРОГО УГЛЯ
Известно, что КПД котлов и блоков при сжигании углей с вы-
сокой влажностью значительно ниже, чем при сжигании камен-
ного угля того же сорта из-за высоких потерь тепла с уходящими
газами и энергии на собственные нужды. В силу этого эффектив-
ность блоков, даже при повышении параметров пара до 600 °C,
остается ниже 40 % (рис. 1.5).
Кроме того, большие объемы сырого топлива и дымовых га юв,
низкая температура горения приводят к существенному удорожа-
нию оборудования из-за роста его габаритов и расходов на экс-
плуатацию и ремонт.
Основная составляющая потерь тепла при сжигании влажного
топлива приходи гея на потери со скрытой теплотой парообразо-
вания (рис. 1.6), которая при реальных температурах \ хотящих га-
зов не используется. Реализуются два пути уменьшения этих по-
терь:
• работа оборудования с конденсацией водяных паров при
снижении температуры дымовых газов ниже точки росы Этот
9
Рис. 1.5. КПД блока сверхкритических параметров (перегрев 600/600 ’С, расчет
на в зависимости от типа топлива:
I — биомасса; II — бурые угли (1 Б, 2Б); III — суббитуминозные (ЗБ, Д); IV —
битуминозные (каменные ДГ-Т); V — антрацит (7)
Потери тепла
Потери
Потери
с влагой 9 Т
Потери
с сухим газом 4,3 %
Внутренняя теплота
парообразования 8 %
Потери с влагой
из водорода 3.7 %
Потери с влагой
по теплосодержанию I
Рис. 1.6. Пример теплового баланса котла при сжигании влажного топлива с КПД
брутто 82 % [7]
путь реализован в маленьких котлах с коррозионностойкими «хо-
лодными» поверхностями, а также прорабатывается для промыш-
ленных котлов, например, путем использования пластмассовых
воздухоподогревателей;
Сушилка
Лишит (0 - Я0 мм) | Циклон
Размол
О — 2 мм
Внешний пар
как источник тепла
Охлаждение лигнита
Электрофильтр
циркуляции
и
Выпар
в атмос<1>еру
Высушенный лигнит 0 — 1 мм
свыше 1 мм — 9 %
свыше 90 мкм — b6
Конденсат для утилизации на ТЭС
Рис. Л 7. Схема пре- ва ригельной сушки по технологии W1A [8]
♦ предварительная сушка топлива. Этому варианту в послед-
ние годы уделяется все большее внимание. Разработаны различ-
ные схемы и конструкции сушилок, в том числе при сушке дымо-
выми газами, гидротермический методе центрифугами и механи-
ко-термически и метод удаления влаги с применением прессов
(Mechanical Thermal Expression — М ГЕ) [8J.
На втором и третьем шергоблоках ТЭС Niederaussem
(А = 1100 МВт) планируется с помощью утилизируемого сброс-
ного тепла использовать подсушенный в кипящем слое бурый
уголь по технологии WTA (рис. 1.7).
Сравнение концепций традиционного сжигания влажных бу-
рых углей и с предварительной сушкой по технологи и WTA пока-
зано на рис. 1.8-
В настоящее время на первом энергоблоке ТЭС Niedeiaussern
сооружается полномасштабная предпромышленная установка
для подсушки бурого yi ля по технологии WTA. Ее производитель-
ность составляет 110 т/ч, что соответствует 28 % тепловой мощно-
сти топки После успешных испытаний такие установки будут
включены в проекты буроугольных ТЭС, которые планируется
ввести в строй в середине этого десятилетия [10, 11]. Результаты
освоения этой установки планируется, в частности, использовать
при сжигании влажных греческих пигнитов [9, 12|.
Очевидно, что уровень влияния предварительной сушки на эф-
фективность энергоблока зависит от эффективности базового
(безеушки) варианта и влажности исходного топлива (рис. 1.9).
1 котел
Сырой
бурый уголь
Размол и сушка
газами рециркуляции
Дымовые
газы
1000 *С
Высушенный бурый уголь
+ дымовые газы
+ испарившаяся влага
о)
Котсл
Низкотемпературный пар
с паровой турбины
Испарившаяся влага
из УСГА-сушилки
WTA-
CyilJHJiKd
Сырой
бурый )ГОЛЬ
Размол
Дымовые
газы
J Высушенный уголь
Конденсат (остаточная влага 12 - 15 %)
Рис, 1.8. Схема традиционного сжигания влажных бурых углей с газовой сушкой (а)
и сжигания бурого угля в комбинации с предваритель» и сушкой соплива (б) [9]
Считается. что применение предварительной сушки позволяет
повысить КПД перспективных энергоблоков на 4 %. Результаты
исследовании прототипа установки приведены в [13].
При иенение предварительной сушки помимо повышения
К 1Д котла и блока за счет уменьшения расхода топлива, дымовых
газов, дает ряд дополнительных н/или косвенных преимуществ
[12 14] среди которых уменьшение габаритов оборудовании,
12
Относительное увеличение
Рис. 1.9. Относительное увеличение эффективности ТЭС при применении претва-
рительной сушки низконотеншшльным теплом в ивисимости от исходной влаж-
ности топлива В/[9]
снижение износа, повышение эффективности электрофильтров,
уменьшение выбросов.
Шлакование зоны горения топки из-за более высокой темпера-
туры в ней возрастает, что подтверждается экспериментами [9].
ГЛАВА ВТОРАЯ
Общие характеристики котлов и топок
2.1. КОМПОНОВКИ котлов и топок
Компоновка крупных котлов в определенной мере определяет
компоновку топочных камер и располагаемых на их выходе по-
верхностей нагрева. Наибольшее распространение имеют котлы с
башенной и П-образной компоновкой газохолов (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схемы компоновки газохолов котлов [15]:
а — башенный котел (объем 166000 м3, площадь в плене 2975 м*. К ПД = 95 );
б— П-обрааный котел (197000 м , 41Ь4 м3. 9s %)
б)
14
Рис. 2.2. Образование золош. м-
ковьсх завалов 5 в конвективной
шахте 2 котла 11-57 при относи-
тельно небольшом шлаковании
потолка, фестона и первых по
ходу факела гр} б птрм 4
/ — топка: 3 — горелки
Преимуществами когловс башен-
ной (single-pass) компоно*ч ой являют-
ся меньший размер котельной ячей-
ки в п 1ане, более равномерные поля
температур и концентраций в полу-
радии ион ной и конвективной час-
тях, а также логичное расположение
поверхностей нагрева с меньшим
поперечным шагом над поверхно-
стями с большим шагом. В свя и с
этим обеспечивается меньшее шла-
кование и износ поверхностей на-
грева.
К преимуществам котлов с П-об-
разной компоновкой относятся мень-
шая высота топки и вывод продуктов
сгорания из нижней части конвек-
тивной шахты. В котлах с П-образ-
ной компоновкой имеется больше
вариант >в взаимной компоновки га-
зоходов, и из-за наличия двух нс ш-
висимых газоходов сокрушается время монтажа котла.
Недостатки этой компоновки: неравномерное заполнение га-
зами топочной камеры и неравномерное омывание продуктами
сгорания поверхностей нагрева, расположенных в верхнем части
топки, а также неравномерная концентрация золы по сечению
конвективной шахты. С позиций шлакования и загрязнения от-
летим, что при такой компоновке расположенные ниже поверх-
ности нагрева для у лишения теплообмена и снижения металло-
емкости имеют меньшие зазоры для прохода газов, чем располо-
женные выше. В результате образование отложений, допустимое
для верхних поверхностей нагрева размеров, приводит к золошла-
ковому заносу ио всей высоте конвективной шахты (рис. 2.2)
«Визитной карточкой» многих отечеств^ иных котлов служит
Т-образная компоновка газоходов (рис. 2.3), первоначально вы-
бранная для уменьшения эрозионного износа конвективных по-
пер ч ноете нагрева при сжигании высокозольных j глеи с абра-
зивной золой и ограничения длины (вы ста • глубоковыдвижных
аппаратов паровой очистки для углей с высокими шлакующими и
ia грязня кип и ми свойствами Такая компоновка по сравнению с
15
Рис. 2.3. Т-образная компо-
новка газоходов. Котел 11-571*
б.юка 500 МВт тля экибаспз-
ского угля
П-образной оказалась более удобном
для котлов со встречным и по пери-
метру размещением горелок.
Все современные энергоблоки
СКД проектируются со скользящим
давлением в пароводяном тракте при
переменных нагрузичх. Характери-
стики маневренности энергоблоков
СКД позволяют привлекать их к по-
крытию неравномерностей суточных
и недельных графиков потребление в
энергосистемах.
Другим признаком классификации
современных котлов служит тип ис-
пользуемою экранирования топоч-
ной камеры: топки со спиральной на-
вивкой труб и с вертикальными пане-
лями топочных экранов.
По высоте и периметру топки наблюдается неравномерное рас-
пределение тепловых потоков. В соответствии с этим при приме-
нении вертиь альных экранов тепловосприятие по отдельным па-
нелям и трубам существенно неравномерное (рис. 2.4).
( чиральная навивка, при которой трубы проходят через зоны с
разным тепловым потоком, обеспечивает почти ровное по ieтем-
ператур среды на выходе, даже при се размещении на части топки
[15]. В частности, в котле мощное iwo 1000 МВт со сверхкритиче-
скими параметрами, произведенном фирмой Babcock-Hitachi К. К.
(ВПК), который с декабря 2003 г. работает на ГЭС Hilachi-Naka
(ст. № I) Япония, нижняя часть топки выполнена спиральной на-
вивкой. По мнению фирмы, такая навивка, по сравнению с тради-
ционной вертикальной, обеспечивает более равномерный про-
филь температур среды на выходе из крана (рис. 2.5) и не требует
какого-либо дополнительного регулирования при низких нагруз-
ках [1?].
В этой связи в современных котлах СКД нижнюю часть топки,
где имеются макси мольные тепловые потоки и их неравномер-
ность, экранируют спиральном навивкой. Выше, в области уме-
ренных тепловых потоков и их градиента используют экранирова-
ние верти кальными панелями.
16
Относительное
тепловосприятие, %
% максима ibHOiо
Рис. 2.4. Неравномерное тепловоспрнятнс по высоте (о) и периметру (б) топни (16]
Рис. 2.5. Сравнителыпяй профи ль температуры среды для вертикального (а) и
спиральною (б) типов экранов (16]
В качестве преимуществ использования вертикальных панелей
экранных поверхностей компания MHI называет следующие
факторы
• меньшие потери дав 1ения благодаря меньшей массовой ско-
рости среды, что обусловливает сокращение расходов на собст-
венные нужды:
17
Внутренняя температура стенки, ’С
Рис. 2 6- Влияние риф вевых груб на охлаждение металла [16] (давление 150 бар;
расчо оный поток 500 кг/(м2* *с); тепловой ш ток 300 кВт /м2):
/ — рифленая труба; 2 — гладкостенная труба
• более простая структура, что упрощает подвеску панелей,
повышает надежность их работы и обеспечивает при необходимо-
сти ремонт и замену;
• меньшая степень шлакования и загрязнения [5].
Кроме того, из-за относительной простоты и способности не-
сти собственную нагрузку (свойств самонесущей стены) топка с
вертикальными жранными панелями значительно дешевле и
проше в изготовлении и монтаже.
Конкурентоспособность вертикальных кранов повышается
при использовании рифленых труб, которые обеспечивают луч-
шее охлаждение металла труб (рис. 2.6).
В частности, приводимые в проспекте фирмы Siemens [17] све-
дения показывают возможность создания котла с сохранением
параметров пара до 20 Яс нагрузки против традиционных 40 %
(рис. 2.7).
Применение рифленых труб позволяет применять вертикаль-
ное экранирование по всей высоте топки (рис. 2.8) и, в частности,
со шавать так называемые плечевые топки со сверхкритическими
параметрами, поскольку такие топки могут быть изготовлены
только с использованием вертикальных экранов [ 1 SI-
18
Рис. 2.7. Достигаемая разгру ка котла при сохраненои параметров острог- пар
при применении рифлены (/) и гладкостенных (2) труб (18]
Спиральный экран
Гладкое генные
трубы
Рифлен
трубы
Вертикальные (Benson) экран
Рис. 2.8. Экранирование топ>и только при npnv женим гладкостенных труб (а) и
комбинации рифленых и гладкостенных труб (б)
Котлы энергоблоков СКД выполняются как П-образными, так
и башенного типа, со спиральной навивкой труб и с вертикальны-
ми панелями топочных экранов. Эксперты — представители раз-
ных котлост роительных фирм не сходятся но мнении о том, какие
19
Рис. 2.9 Котел Европейского сообщест-
ва на с)персвсхкри1ические парамет-
ры Steam Turbine Power Plant (700 С/
720 *C/350 бар; КПД > 50 %) [3]
котлы — башенные или П-об-
разные — обеспечивают мень-
шие капитальные затраты.
В отличие от фирм Babcock &
Wilcox, Babcock Hitachi, MHI и
др., производящих П-образные
котлы, фирма Alstom и некото-
рые другие выпускаю! котлы
башенного типа. Топочные эк-
раны котла выполнены со спи-
ральной навивкой в нижней и
вертикальными панелями — в
верхней частях топки. Харак-
терный пример — козел фирмы
Alstom энергоблока СКД
Niederaussem К мощностью
нетто 965 МВт. Котлы того же
типа установлены на блоках
СКД мощностью 900 МВт ки-
тайской ТЭС Waigaoqiao П и
800 МВт южно-корейской ТЭС
Yonghung. Применительно к
энергоблоку мощностью брутто 600 М Вт проекта RPP NRW было
проведено сопоставление габаритов котлов разных типов при ис-
пользовании одних и тех же систем лылеприготовления и мало-
токсичных горелочных устройств, задании одних и тех же пара-
метров питательной воды и уходящих газов. Наименьшие габари-
ты оказались у котла башенного типа, требующего также
минимальной массы стальных конструкций при практически та-
ких же затратах на фундамент, как и для котлов других типов. По
инженерным соображениям предпочтение также было отдано ба-
шенному котлу. Правда, по другим оценкам котлы башенною
типа характеризуются более высокими капитальными затратами
по сравнению с П-образными, особенно для блоков большой
мощности 15J.
На рис. 2.9 показана компоновка котла Европейскою сообще-
ства на суперсвехкритические параметры с планируемым вводом
в 2015 г.
20
В настоящее время практически все пылеугольные коглы про-
ектируются с гранулированным (твердым) шлакоудалением
( I ШУ), даже для сжигания углей с высокими шлакующими свой-
ствами и для низкореакционных топлив, таких как нефтяной
кокс, антрацит и тошие угли. Такая ситуация, в первую очередь,
связана с высоким уровнем образования оксидов азота в топках с
жидким шлакоудалением, возможностью использования про-
блемных топлив в альтернативных топках (например с циркули-
рующим кипящим слоем) и с определенным прогрессом в разви-
тии топок с 1 ШУ.
Для пылеугольных котлов наиболее широко используются сле-
дующие компоновки горелок: топочные устройства с настенным
(встречным и фронтальным) расположением горелок и топки с
тангенциальной (в частном случае угловой) компоновкой горелок.
1опки с настенным (встречным и фронтальным) расположени-
ем горелок- Естественно, что тип, конструкция и компоновка го-
релок в определяющей мере зависят от реакционных свойств
углей, в частности от выбора типа мельниц и пылесистем. Отече-
ственная энергетика в основном создана в 60 — 70-е годы двадца-
того века и ориентировалась преимущественно на сжигание низ-
кореакционных каменных углей, антрацита и бурых у глей 1руппы
ЗБ. При этом широкое внедрение получили шаровые барабанные
мельницы с промбункером пыли для каменных углей и молотко-
вые — для бурых. Соответственно, это позволило применять топ-
ки со встречным расположением преимущественно вихревых го-
релок для каменных углей и антрацита и с фронтальным располо-
жением — для бурых. При расширении использования бурых
углей 2Б и освоении мельниц вентиляторов более широко начала
использоваться тангенциальная компоновка с вертикальными
блоками горелок в неско ibko ярусов. При этом обычно одна пы-
лесистема обслуживает один блок горелок.
Примеры компоновки относительно небольших топок с фрон-
тальным и встречным расположением горелок показаны на
рис. 2.10.
За рубежом в развитых странах при сжигании в целом более ре-
акционных и заметно более шлакующих углей по сравнению с
российскими, схемы пыдепри готовлен ия с промбункером пыли
практически не применяются, и встречная компоновка горелок
используется реже
Рис. 2.10. Схемы фронта.1ьной (о) и встречной двухяр>снон с неотннаковым чис-
лом горелок в ярусе (б) компоновок горелок:
/— горе 1ки; 2 — воздух заднего (утья; 3— сбросные горелки; «г, Лт — глубина и
ширина топки в свету; Л ф — рас стояние ме * ду ярусами горелок
Более характерно оасположение горелок по однофронтальной
схеме. Широко применяется многоярусное расположение горе-
лок для котлов как небольшой мощности, так и крупных, при
этом горелки яруса подключают к одной мельнице, как правило,
среднеходной, которые в отечественной энергетике до сего вре-
мени не используются. Такая компоновка позволяет снизить теп-
ловое напряжение зоны активного горения и дополнительно ре-
ryj ировать температуру газов на выходе из топки за счет перерас-
пределения нагрузки по ярусам (рис. 2.11).
В силу разнообразия углей, традиций фирм-изготовителей и по
патентным соображениям разработано и внедрено большое раз-
нообразие горелок применительно к настенному их расположе-
нию, начиная с прямоточных горелок с одним каналом по аэро-
22
Рис. 2.11 Схема котла Pnt =
= 950 т/ч с фронтальной мно-
гоярусной компоновкой юре-
лок (пять ярусов по четыре го-
релки на ярус). Блок 300 МВт,
> лсктростаниин Sines Power
смеси и вторичному воздуху до много-
поточных вихревых горелок, в
которых каждый из потоков регулиру-
ется самостоятельно. Не рассматри-
вая деталей конструкции отдельных
горелок, обобщенно можно выделить
несколько типов вихревых горелок,
получивших наибольшее распростра-
нение:
• лопаточно-лопаточные, в кото-
рых закручивание потоков вторично-
го воздуха и аэросмеси обеспечивает-
ся аксиальным (рис. 2.12) и/или тан-
генциальным лопаточными аппарата-
ми;
• д вухул иточ и ые (ул иточ но- ул и -
точные) (рис. 2.13, а);
• прямоточно-лопаточные или
пря моточ но- ул иточ н ые. в к< поры х
аэросмесь подается по прямоточному
каналу, а также может раздаваться в
стороны без закрутки при помощи
рассекателя (рис. 2.13, (7);
• улиточно-лопаточные с закручиванием потока вторичного
воздуха лопаточным аппаратом (завихрителем) (рис. 2.13, в).
Рис. 2.12. Лопаточно-лопаточная вихревая горелка 114:
/ — короб пениального воздуха; 2 — короб аэросмеси;5 — короб вторичного
воздуха; 4 — канал центрального воздуха; 5 — канал аэросмеси. 6 канал вто-
ричного ноз чуха: 7 — форсунка; ! юпаточный завихрите ь
23
Рис, 2.13, Вихревые пылеугольные горелки [20]:
а — двухули точная горелка, 6 — прямоточно-улиточная горе *ка, н — улиточ-
но-лопаточная горелка; / — улитка аэросмеси; Г — входной патрубок аэросме-
си; 2 — улитка вторичного воздуха; 2’ — короб ввода вторичного воздуха; 3 —
ко тьцевой канал аэросмеси; 4 — кольцевой канал вторичною воздуха; 5, 5* —
мазутная форсунка; 6 — рассекатель аэросмеси; 7 — завихритель; д’ — подвод
во здухп
При использовании вихревых горелок с закруткой вторичного
воздуха и закруткой или раскрытием м счет рассекателя струи
аэросмеси в топочном объеме по оси горелок возникает зона об-
ратных токов. Поступление горячих газов к корню факела обеспе-
чивает прогрев потока аэросмеси и ее воспламенение. Интенсив-
ность обратных токов возрастает с увеличением угла раскрытия
факела.
Круглые вихревые горелки с высокой степенью крутки приме-
няют для низкореакиионных углей. Дополнительным резервом
повышения устойчивости воспламенения служит применение
полуразомкнутых схем пылеприготовления с подачей пыли горя-
чим воздухом и за балластированного влагой холодного суши ш-
ного агента через специальные сбросные горел» и (сопла) выше
зоны активного горения.
24
Рис. 2.14. Плоскофакеиьная горелка:
а — горелка верхнею яруса для угля марки СС; б — горелка нижнего яруса для
угля марки СС и обеих ярусов для угля марки Г; 1 — каналы аэросмеси; 2— ка-
налы вторичного воздуха
К недостаткам вихревых горелок относятся относительная
сложность и нетехнологичность конструкции» сложность выпол-
нения разводки экранных труб для амбразуры, повышенный эро-
зионный износ элементов и самого канала аэросмеси и обгорание
выходных насадок. Кроме того, при использовании этих горелок,
если не рассматривать варианты их разгрузки или останова, не ре-
гулируется положение факела по высоте толки
Часть этих недостатков при сохранении в определенном преде-
ле преимущества по высокой устойчивости воспламенения, пре-
одолена в разработанной в ЦК! И и ТКЗ оригинальной конструк-
ции, названной плоскофакельнои (или за рубежом «русской >) го-
релкой. Схема такой горелки показана на рис. 2.14.
7опки с тангенциальным расположением горелок. Рассмотрен-
ные в 119] традиционные варианты компоновки горелок в танген-
циальных топках показаны на рис. 2.15.
По [19] допускается отклонение от квадратной формы топки
при соотношении сторон bT п аТ п < 1,2 (дт п, дт п — размеры топки
в плане) с размещением горелок на более широких стенах. При
этом даже для квадратных топок при настенном расположении
шести - восьми блоков горелок декларируется предпочтитель-
ность углового расположения горелок, поскольку считается, что
такая компоновка позволяет получить более совершенную аэро-
Рис. 2.15. Варианты тангенсиальной компоновки горелок
динамику топки, с большей круткой факела и лучшим заполнени-
ем угловых зон топочной камеры.
Очевидно, что при расположении горелок в углах условия вос-
пламенения топлива не оптимальны, и для низкорекционного то-
плива в Японии разработана и применяется схема ультравихрево-
го сжигания (circular ultra firing — CUF) с расположением горелок
на стенах вдали от углов топки (см. гл. 4).
Из регламентируемых [19] размеров и соотношений приведем
следующие. Углы расхождения между осями горелок при установ-
ке шести — восьми горелочных блоков не должны рахличаться бо-
лее чем на 10е (рис. 2.15, д. е). При сжигании шлакующих углей
для предотвращения «прилипания» факела к экрану в зоне актив-
ного горения угол отклонения геометрической оси горелки от эк-
рана должен быть не менее 40*. Для всех топлив диаметр вообра-
жаемой окружности касания осей горелок рекомендуется прини-
мать равным 0,1дтп. Для улучшения заполнения холодной
воронки в мощных котлах неподвижные прямоточные горелки
можно устанавливать с наклоном вниз под углом 10е.
Исследования и совершенствование топочных камер с исполь-
зованием трехмерных математических моделей и необходимость
нижения оксидов азота определяют появление новых техниче-
ских решении, в том числе и по тангенциальным топкам. Приво-
димые ниже примеры представляются интересными, хотя не от-
работаны или опробованы недостаточно в промышленных усло-
виях.
26
Отличающийся по ярусам диаметр
воображаемой окруж ности касания.
Анализ теплообмена в котле Е-500,
оборудованном гремя ярусами тан-
генциально расположенных горелок
(рис. 2.16), с использованием трех-
мерной зональной математической
модели подтвердил неравномерность
распределения тепловых потоков по
высоте зоны активного горения По
результатам анализа предложено усо-
вершенствовать конструкцию танген-
циальной топки путем использования
ориентации осей горсток по касатель-
ным к условным окружностям, диа-
метр которых различается для каждо-
го яруса |21 ]. Предложена формула
для определения диаметра условной
окружности, к которой должны быть
направлены горелки каждого яруса:
^=(0,226 -0,05ЛХ,
где /V — порядковый номер яруса при
начале счета снизу.
По расчету такое решение позволя-
ет уменьшить неравномерность тем-
Рис. 2.16. Вариант тангенци-
альной топки, в котором оси
горе ЮК направ лены К MHI 4ПИ
окружности различающегося
по ярусам диаметра 121]:
/ — камера сгорания; 2 — го-
релочные блоки; < 5 — ось
горелок верхнего, среднего и
нижнего ярусов, соответст-
венно: а — топливо, воздух;
b — газы рециркуляции
пера гур и тепловых потоков по высоте за счет снижения соответ-
ствующих максимальных значений: температуры газов в пристен-
ных слоях на 70 — 90 е( и плотности падающих радиационных
потоков на 24 кВт/м2.
Размещение соседних горелок со со в игом по высоте топки. Повы-
шение устойчивости воспламенения углей с пониженными реак-
ционными свойствами сотрудниками МЭИ [22, 23] предлагается
достичь путем смешения соседних угловых горелок по высоте
опки.т. е. размещения традиционного яруса горелок надвухяру-
ах (по две противоположные горелки в каждом из них) На
рис 2.17 показаны предлагаемые схемы применительно к топкам,
которые при традиционной компоновке имеют один и два яруса
редок
2
Рис. 2.17. Схема размещения горелок со сдвигом пар no Bbicoie и сопл в топке
котла Чк-10 (слева) и в когда БКЗ-210-140Ф с видом на левую боковую стенку
(справа):
7 — 8— горелки: 9, /0—сопла третичного дутья; а — d— комбинированные со-
пла; 77 — основная пылсутольная горелка; 72 — уголковые рассекатели ПВК;
73 — сбросная горелка; 77 — фронтальное согло третичного дутья; 75 — боко-
вое сопло третичного дутья; 16 — заднее сопло третичного дутья; 77—направ-
ление движения тангенциального потока топочных газов у левой боковой
стенки топки; 18 — точка пересечения осей всех сопл третичного дутья
В схеме со смещением горелок по вертикали корни факелов
омываются более интенсивно.
Двухвихревая схема с холостым ходам. На отечественных котлах
двусветные экраны между полутонками (см. рис. 2.15, г?) показали
ненадежную работу. Согласно [19] допускается двухвихревая схе-
ма без двусветного экрана (см. рис. 2.15, г). Практика показала
применимость подобной схемы только на котлах с промбункером
пыли и равномерным распределением пыли по горелкам и нена-
дежную работу при применении схем прямою вдувания пыли
из-за существенной неравномерности температурных и концен-
трационных полей в топке. Кроме того, из рассмотрения самой
схемы видно, что по центру топки за счет взаимодействия двух
вихрен формируется газовый поток к фронтальной стене (в при-
веденном на рисунке варианте направления крутки).
В последнее время для уменьшения наброса факела на тыльную
стену при многоярусном расположении горела >к применяется схе-
Рис. 2.18. Сечение двухвихревой топки с холосчым ходом на уровне нижнего яру
са горелок
ма, получившая название «двухвихревая схема с холостым ходом».
В этой схеме вместо центральных задних горелок устанавливают-
ся воздушные сопла (рис. 2.18), что позволяет уменьшить темпе-
ратуру и повысить избыток воздуха в «набегающем» на экран фа-
келе [24].
В то же время, эта схема, как и традиционная вихревая, успеш-
но может применяться только при равномерном распределении
топлива по горелкам в плане, что проблематично для схем с пря-
мым вдуванием.
2.2. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТОПКИ
Габариты топки выбираются из условий предотвращения шла-
кования и достаточно полного выгорания топлива. Для крупных
котлов в плане соотношения размеров и габаритов определяю-
щим фактором является процесс шлакования. Задача выбора оп-
тимальных по условию шлакования размеров топки традиционно
формулируется следующим образом. Габариты топки и соотно-
29
шение ее размеров должны обеспечить необходимое охлаждение
газов до поступления в последующие полурадиаимонные и кон-
вективные поверхности нагрева, а в самой топке исключить или
уменьшигь существование участков и юн, в которых расплавлен-
ные частицы золы могут попадать и закрепляться на поверхности.
Реально, с учетом формирования отложений разных типов и кон-
курирующим характером их образования ш 1ача оптимизации
размеров топки ботее многогранная и сложная
В нашей стране размеры топки выбираются по методическим
указаниям по проектированию топочных устройств (разработки
ЦК I И и В1 И), в которых обобщен многолетний опыт создания и
эксплуатации котлов и которые опубликованы в открытой печа-
ти. В последней по времени публикации [19] объединены и не-
сколько дополнены выпушенные ранее методические указания
по проектированию топок с твердым [25] и жидким [26] шлако-
удален нем.
Универсальная рекомендация по выбору размеров зоны горе-
ния из [ 19). которая учитывает совокупность разных факторов,
включая шлакующие свойства топлива, состоит в выполнении ус-
ловия 3, < fluJp где — температура газов на расстоянии 100 мм от
экрана, °C; /11Ц1 — температура начала шлакования, эксперимен-
тально определяемая как температура газов, при которой начина-
ется образование шлаковых отложении на неохлажлаемом попе-
речно омываемом зонде, С. И хотя современные трехмерные ма-
тематические модели позволяют рассчитывать температурные
поля в топочной камере при варьировании конструктивных и
режимных факторов, данная рекомендация пока имеет скорее
теоретический, чем практический характер. Эю связано с недос-
таточным тестированием и опытом ее применения, а также с от-
сутствием надежных рекомендаций по выбору термического со-
противления натрубных отложений, что определяет результаты
расчета температуры в пристенном слое [27].
Другая рекомендация состоит в ограничении температуры на
выходе из юны активного горения через ваданне допустимых тем-
ператур в зависимости о г шлакующих свойс в топлива. Она имеет
те же недостатки, но. несомненно, будет находить все большее
применение. Рекомендуемые в [19] максимальные значения ггой
температуры по условиям шлакования и минимальные по услови-
ям устойчивости воспламенения привезены в табл. 2.1, 2.2.
30
Таблица 2.1. Допустимая по условиям шлакования температура в конце зоны
активного горения топок с твердым ulukov.'пленном при номинальной нагрузке
1191
Топливо Темпераrvpa 8Г0 г, ’С
Бурые угли (канско-ачинские, подмосковный) и сланцы * 1250 - 1270
Каменные угли: типа Г, Д, ГСШ** типа СС (экибастузский, кузнецкий, нерюнгринский) тоший уголь 1400- 1500 1550 1500
* Меньшие значения — для углей типа березовского.
•• Меньшие значения — для сильно шлакующих каменных углей.
Табл и на 2.2. допустимая по устойчивости горения температура в конце зоны
активного горения топок с твердым шлакоудален и ем при минимальной нагрузке
[19]
Топливо Температура Э;гт,п, ’С
Каменные угли:
нерюнгринский 1350
кузнецкий 2СС* 1300- 1350
кузнецкий ICC 1250
•кибастузскии СС 9 1300
донецкий ГСШ 1250
Бурые угли (канско-ачинские и подмосковный) 1150
Низкосортные бурые угли и лигниты, И7/ > 55 % (болгарские, александрийские) • 950 - 1020
Фрезерный торф 1050
Северо-западные сланцы 850
• Меньшие значения при ошипованных и торкретированных экранах в оне
активного горения.
Пока, до накопления опыта по тестированию математических
моделей топочного процесса и обобщения результатов, для выбо-
ра размеров зоны горения широко используются эмпирические
рекомендации по выбору тепловых напряжений зоны активного
горения <?, и сечения топки (табл. 2.3 и 2.4).
31
Таблица 2.3. Допустимое по условиям шлакования тепловое напряжение юны
ак I и иного горения г 119 J
ToiUlMBO Рас по пожен ис горелок
одж >фронтал ьж >е встречное и тангенциальное
Бурые шлакующие угли (канско-ачинекие С ППОПОИ СУШКОЙ. ПОДМОСКОВНЫЙ) И СЛКНЩяГ* 0,7 0,8 - 0,9
Каменные угли: типа ГСШ** типа СС*** 0,8 - 0,95 1.1 0,95- 1,05 L1 - 1,35
• Меньшие значения — для березонскоги угля и сланца
** Меньшие значения — для сильно шлакующих каменных углей
*** Большие значения — для углей типа эки( лсгузского.
Значения тепловых напряжении рассчитываются следующим
обра юм, МВт/м2:
1,16В(Г
Л. Г г~
1.16£(У
а. ।
^Т. II
Т Н^Т II ^1Уг
1,16^0/ i,i6/?(?'
Qf------------~’
@т. п^т. и
(2 3)
где В — общий расход топлива, т/ч; Qf — теплота сгорания, ккал/кг;
А, г — сечение активного горения, м2; а^, Z?Tll — размеры топки в
плане, м; т — количество двухсветных экранов; — число горе-
ло* и площадь амбразу ры горелки, м2; у' — коэффициент, характе-
ризующий отдачу тепла излучением из юны активною горения в
верхнюю часть топочной камеры; уср — средний коэффициент теп-
ловой эффективности стен зоны; , — число ярусов горелок; Ла г —
высота зоны активного горения, м (в разных редакциях методиче-
ские указаний принимается не одинаково, также по иному она при
Таблица 2.4. Допустимое по условиям шлакования тепловое напряжение сече-
ния топки [19]
Тепловое напряжение сечения топочной камеры, МВт, м Топливо Расположение вихревых или прямогонных горелок Тангенци- альное расположение щелевых горелок
фронтальное вс гречное
Многоярусное раепп 'ожение горелок
Обшее qp Шлакующие каменные и бурые угли 3,5 3,5 при DK S 280 кг/с 4, 1 при DK £ 445 кг/с 4,1 - 4,6 при Z)K > 445 кг/с
Нешлакуюшие угли (типа экибастуэского) 4,6 6,4 —
Сланиы северо-западных месторождений 2,3 2,3 2,3
Фрезторф 2,9 —
Малореакционные угли (АШ и Г) 2,3 2.9 —
На один ярус горелок 9ляр Шлакующие каменные и бурые угли, а также АШ 1,15 1,5 1,15*
Нешлакующие угли (типа экибястуэского) 1.75 — 2,3 2,3 - 3,2 1,75-2,3
Сланцы северо-западных месторождений 1.15 1,15 —
Одноярусное расположение горелок
Обшее qF Шлакующие каменные и бурые угли, а также АШ 1,75-2,3** при Ок £ 90 кг/с 2,3 - 2,9** при D < 140кг с
Нешлакующие угли (типа эки бастуй ко го) 2.9 3,5 - 4,0 2,9 при DK< 140 кг/с
* Включая ярус сбросных горелок при установке пыле концентраторов.
*♦ Меньшая цифра для бурых углей
33
нимается в разработке Урал ВТИ — Уральской теплотехнической
лаборатории).
При неравномерном распределении топлива по ярусам, нали-
чии сбросных горелок, пылеконцентраторов на значение расхода
топлива вносятся поправки, неодинаковые в разных разработках.
Из приведенных данных видно, что шлакующие свойства углей
в методических указаниях учитываются дискретно. Кроме того,
деление углей на группы по шлакующим и иным признакам стро-
го не регламентировано.
В разработке УралВТИ — Уральской теплотехнической лабо-
ратории шлакующие свойства углей характеризуются непрерыв-
ными количественными показателями, отражающими склон-
ность к образованию отложении разных типов и/или их свойства
(температурные условия образования, прочность) [28, 29]. С ис-
пользованием этих показателей рассчитываются рекомен туе.мые
приведенные значения тепловых напряжений сечения топки и
зоны активного горения, МВт/м2:
q™ < 6.82 - 5,32РГ„;
(2 4)
?лпрг < 1.98 - 1,65/^, при FD= 1; (2.5а)
1,8, при /7) = 0,
(2.56)
где PFc — склонность к образованию железистых отложении; А\( —
склонность к шлакованию топки [29]; FD= 1 при PFc > 0,5 или при
PFc < 0,5 и q1^ — 6,75 + 7,81 = 0* если эти условия не
выполняются.
1 ермин «приведенные» означает, что эти значения применимы
к котлу с многоярусным встречным или тангенциальным распо-
южением горелок, с равномерным распределением топлива, воз-
душной сушкой топлива и отсутствием рециркуляции газов в
нижнюю часть топки.
Для отличающихся конструкции топки рекомендуемые по ус-
ловиям шлакования тепловые напряжения определяются введе-
нием следующих поправок, МВт/м2:
qF< M?A<p/[(l + DftJ
34
где к^ к2. к^ Ь< — коэффициенты, характера ующие соответственно
количество ярусов горелок, компоновку горелок, тепловую мощ-
ность котла и долю топлива в основные горелки; г доля рецирку-
ляции дымовых газов.
Дополнительно регламентируется тепловое напряжение зоны
от холодной воронки до горелок нижнего яруса, МВт 'м2:
^^3-1,8^,
(2.5в)
гле </г.х в = 1.16Л((?,72)Л„ я(от „ + Z>Tn)^p.
Высота пояса йм я, м, принимается равной расстоянию от осей
горелок нижнего яруса до начала холодной воронки для котлов с
горизонтальным расположением осей горелок. В случае их
наклона йня = 0,5(Л1гх + А2гх), где Л|ГХ — расстояние от осей
горелок о холодной воронки в центре топки; Л2гх — то же в
плоскости экрана.
Разработка Урал В ГИ-Уральской теплотехнической лаборато-
рии в целом не противоречит рекомендациям методических ука-
зании [19] и позволяет более детализировано и обоснованно вы-
бирать показатели топки для «новых» углей.
С учетом нетрадиционных методов и схем сжигания, повсеме-
стного применения газоплотных экранов и потенциального роста
параметров рабочей среды отечественные методы выбора пара-
метров топки, что характерно для всех эмпирических методов,
требуют обновления и уточнения. В настоящее время такие рабо-
ты не проводятся.
Высота топки (тем самым и ее объем) в отечественной практике
выбираются на основе теплового расчета топочной камеры. Рас-
четная температуры на выходе из топки 9” сравнивается с допус-
тимой по условиям шлакования последующих поверхностей на-
грева (0")л0л. Значения температуры (0"),хоп для освоенных углей
принимаются на основании опыта работы оборудования, для
малоисследованных углей ее значение в нашей стране оценивает-
ся по температуре начала шлакования углей г|Ш1.
Рекомендуемые по результатам обобщения опыта эксплуата-
ции котлов при сжигании ряда углей, а также по результатам из-
мерения УралВГИ прочностных характеристик отложений значе-
ния (0")лол приведены в | |Ш
Таблица 2.5.. (опусти.мая по условиям шлакования температура газов на выво-
де из топки (0;>wn j и я рила углей
Угли Температура «азов на выходе из топки (О'У10", ’С
по обобщению исследовании и опыта эксплуатации оценка по предлагае- мому методу
Экмбастуэский 1300 1305
К} энецкие: 1230 1215
таллинский ДГ 1150 1185
грамотсинский 1 СС 1200 1195
черниговски и СС 1200 1190
сибиргински» 2СС 1215 1205
челябинскии 1090 1090
приозерный 1150/1150* I145/1165*
минусинский 1180
башкирский 1200 1162
подмосковный 1125 1132
азейский 1160 1160
канско-ачинские угли (березовский, бородинский* 1120 —
* Числитель — 1986 г., знаменатель — 1989 г.
Дополнительный анализ показал, что регламентируемые [19]
значения (Ь")хоп неоптимальные и в большинстве случаев зани-
женные. Такая ситуация, прежде всего, не позволяет выполнить
достоверный анализ применимости непроекгных углей. В [30|
приведено обобщение и анализ допустимых по шлакованию тем-
ператур (О" )лоп по опыту эксплуатации и различным методам ис-
следования и рекомендации по опенке этой температуры для не-
исследованных углей по сведениям о химическом составе мине-
ральной части (табл. 2.5).
Эмпирические уравнения оценки допустимой по условиям
шлакования разности температуры ДО" для углей с кислым
составом золы, С
с невысоким потенциалом образования прочных железистых
отложений
АО = 645 - 0.446г1Ш1 - 39,117Р2; (2.6а)
Ц
склонных к формированию прочных железистых отложений
до; = 1115 - 0,939/111Л - 274.76Р2,
(2.66)
где — экспериментальное или рассчитанное по алгоритму [29]
значение температуры начала шлакования, °C: отношение
Р = K2O/(Na2O + СаО + MgO).
Расчетная (прогнозируемая) допустимая температура (0^)про'
для углей, не склонных к образованию прочных первичных отло-
жений.
(е:)прог </^сч + до;,
где ЛО" вычисляется по уравнению (2.6а)-
Для углей, склонных к формированию железистых отложений,
выбирается меньшее из значений ДО", вычисленных по уравне-
ниям (2.6а) и (2.661.
Зависимости разности рекомендуемой (принятой для анализа)
температуры на выходе из топки и температуры начала шла-
кования АО311 = (в")ан — от показателей Р1 и Л’^сч показаны на
рис 2.19.
Некоторые ;арубежные фирмы используют различающиеся
соотношения размеров топочной камеры в зависимости от харак-
теристик угля и аже неодинаково ранжируют угли, например по
шлакующим свойствам. При этом используемые соотношения и
правила выбора в полном объеме в открытой печати не публику-
ются. Сошлемся на ранее приводимый пример, согласно которо-
му по заданию EPRI (ведущего американского энергетического
научно-исследовательского института) пять а иериканских фирм
для одинаковых углей предложили существенно разные по габа-
ритам, соотношению р ; меров и числу обдувочных аппаратов то-
почные камеры котла блока 500 МВт |31 ].
Приводимые ниже зарубежные рекомендации по выбору пара-
метров топ» и даны только для информации. Они не анализирова-
лись применительно к отечественным углям и опыту и изданном
этапе не рекомендуются к применению без специального анализа.
Дополнительно на рис. 2.20 noi аза но ра шичие в выборе разме-
ров топки некоторыми зарубежными фирмами для дного и тою
же топ ива |32|.
V
Рис. 2.19. Зависимость разности рекомендуемой (принятой для андтиза) темпера-
туры на выходе из топки и темпера гуры начала шлакования ЛЭ?Н от показателей
/А(а)и/£Г (*):
/ — угли не склонные к образованию прочных первичных отложений; 2 —
угли, склонные к образованию железистых отложений
Естественно, что с ростом размеров и параметров пара стандар-
ты фирм по выбору размеров топки изменяются. В частности, для
снижения шлакования котла со сверхкритическими параметрами
фирма Hitachi [ 17] увеличила размер топки по сравнению с разме-
рами существую in их котлов (рис. 2.21).
В печати в качестве примера влияния характеристик топлива на
выбор размеров топочной камеры наиболее часто приводятся ре-
комендации [331 (табл. 2.6). Шлакующие свойства углей оценива-
ются по разработанным этой компанией и широко используемым
за рубежом ин тексам R различающимся, лля углей с золой биту-
38
микозного и лигнитного типа. Методика
расчета этих индексов приведена в [19].
Отметим нсоптимальность этих индек-
сов. в частност и для отечественных углей
по результатам нашего авали. а и для дру-
гих не американских углей по результа-
там многих зарубежных исследовании.
В качестве исключения из тезиса об
отсутствии в открытой зарубежной печа-
ти используемых соотношений и правил
выбора размеровтопочной камеры в пол-
ном объеме ниже приведены сведения из
учебного курса Технического универси-
тета Nova Scotia (Канада) без ссылки на
фирму разработчика [34].
Приведенные на рис. 2.21 сведения
расширяют диапазон сочетании «тип
угля — шлакующие свойства», для кото-
рых даются рекомендации по выбору раз-
меров и соотношении топки по сравне-
нию с табл. 2.6; приведенные начения
несколько различаются.
Рис. 2 20. Сравнение выбо-
ра соотношений размеров
плечевой толки фирмы
Фостер-Виллер и других
фирм (топка FW меньше
ниже плеч для jiynijero про-
никновения струй, но выше
нал плечами в мелях боль-
шего о^ лаждения газов)
D I.06D I.08Z) I.24D I.26D
Рис. 2.21 Выбор размеров и соотношении размеров топ: и п зависимости от типа
угля и шлакующих свойств [34]:
а — битуминозный со средним выходом летлчих; б — битуминозным с высо-
ким ш входом летучих и суббитуминозный; в — с чтбошлакуюн.ии иг ник г —
среднеш . (ий лигнит. Л- высокошлакумшиЙ лигнит
39
Табл и и а 2.6. Соотношение размеров топки и числа настенных об ду ночных ап-
паратов н зависимости от i и па угля и его шлакующих свойств (33)
Показатель Значение показателя дчя
битуминоз- ною угля C5WM ту микоз- ного у] ЛЯ лигнита
Шлакующие свойства ни 1кое/ среднее высокое очень высокое
Относительная площадь топки в плане 1.0 1JI 1.24
Относительная площадь поверхности топки 1.0 1,18 1,50
Число настенных обдувочных аппаратов 30 36 70
Таблица 2 7. Рекомендации по выбору теплового напряжения сечения топки qf
в зависимости от мощности котла н плавкости золы [34]
Мощность КОТ 13 °пс*. т/ч МВ г/м2
ST” S 1300 ’С 57 = 1300 Л Л 7’>1300 ’С
130 2,13 2,56 2,59
220 2,79 3.37 3,9!
420 3,65 4,49 5.12
500 3,91 4,65 5,-44
1000 4,42 5.12 6.16
1500 4,77 5,45 0,63
• I т/ч примерно соответствует тепловой мощности 0,75 МВт или для пере-
хода к электрической мощности станции > множа? гея на эффективность ТЭС
и делится на 100 Приблизительно I т/ч соотвегств>ст0,3 МВт электрической
мощности.
* • ST —температура размягчения (размер высоты равен размеру основания).
. аблица 2.8. Рекомендации по выбору । силового напряжения площади юны
। прения qb в зависимости от вида топлива |34]
Топливо qbt М Вт/м2
Битуминозные и бурые угли 0,93-1,16
Антрацит и полуантрацит 1.4-2,1
Лишит 1.4-2,32
40
Рис. 2.22. И вменение формы обрата при опр< юлении плавкости и принятые ха-
рактерные температуры (гл, tR. tcuo I OCT): DI или ID — начало деформации,
ST — температура размягчения или плавления, HD — температура полусферы,
ЕТ — температура жидко гы а в кого состояния
Битуми- Полубиту-
нозные минозный
Лигниты Тип угля
Рис. 2 23. Сравнение рекомендуемых температур на выходе из топки по разработ-
кам УралВТИ с котлостроительаымм компаниями США (36J:
А - F— условные обозначения углеи; /, Л. L — условные обозначения котло-
строительны компаний: /?} R — опин из безразмерных показателей У ралВТИ
для характеристики склонности углеи к загрязнению полурадианионных по-
верхностей нагрева
В табл. 2.7 — 2.9 приведены рекомендации по выбору теплового
напряжения объема сечения топки площади зоны горелок
Тепловое напряжение зоны горелок используется как вариант
принятого в нашей стране показателя тепловою напряжения
зоны активного горения г, МВт/ м2:
q - 1.16^,7К«т + й1)//,|. (2.7)
Г
где В — общий расход топлива, т/ч; Q[ — теплота сгорания, ккал кг;
Н — высота юны горения, м.
В [35] рекомендуется иметь максимальную локальную темпе-
ратуру на выходе из топки на 38 — 66 °C ниже температуры раз-
мягчения ST, т. е. при 5 %-ной разверке температур
<°г)доп< 0.9557 - (35 4-65),’С.
Отметим, что определение плавкости по ГОСТ 2057—94 и аме-
риканскому стандарту ASTM 185? не вполне совпадают
(рис, 2.22). По отечественной методике температура размягчения
5/ не определяется. В то же время, разница значений НТ— ЗТлм
углеи с «длинными» шлаками можсгдостигать, например я угля
Иллинойс-1 65 °C в окислительной среде и 30 °C — в восстанови-
тельной.
Использование различающихся подходов и показателей пред-
определяют несовпадение выбора в общем виде температуры
по приводимым плавкостным характеристикам и по отече-
Табл и ця 2.9. Типичные значения теплового натяжения объема топки «и в за-
висимости 01 гипа топлива [34]
Топливо МВг м
Антрацит 0,110-0,140
Полуантрацит 0,116-0,163
Биту мин ) ныс yi ли 0,14-0,20
Лигнит 0,09- 0.15
Таблица 2.10. Сравнение выбора температуры (0'РОП по мето, тческим укя и-
ниим [19], рек омецлацням УралВТИ И температуре начала ефо! мании по
заб I. 2.12
) голь Температуря (О'уюп, ’С
по методическим указаниям 1t >| ПО рекомендациям Ур 11ВТИ по плавкости 1 по /<)
кибастузский. КСН 1250 1305 1200
КузненкиЙ, ССР, СибергинскиВ разрез И50- 1200 1205 1160
Кэнсхо-ачинск ий. 2 Б, Березовский разрез - - — 1050 1120 — 1260
42
ственнои практике и разработкам Урал В i И, что на при лере трех
углей показано в табл. 2.10.
Приводимое широко в литературе использование показателя
плавкости золы при проектировании котлов и для контроля их ра-
боты вызывает определенное недоумение с учетом прогресса в ис-
следованиях шлакующих свойств углей и широко признанной не-
оптимальности этого показателя. В то же время по некоторым
публикациям можно заключить, что реально котлостроительные
фирмы США используют разные и не совпадающие показатели
для выбора температуры (0£)доп. В частности об этом говорят све-
дения. приведенные в [31], графическая интерпретация которых
по [36] показана на рис. 2.23.
Видно, что для одного и того же угля выбор температуры может
различаться более чем на 100 °C.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
Внутритопочные технологии
снижения вредных выбросов
Одно из основных требований к новым и реконструируемым
котлам заключается в необходимости обеспечения регламенти-
руемого уровня выбросов вредных газообразных продуктов, в
первую очередь, оксидов азота NOr Эго может достигаться уста-
новкой систем санитарной доочистки уходящих газов, однако
такой путь достаточно дорогой. Так, реали >ация метола селектив-
ного каталитического восстановления (SCR — selective catalytic
reduction) обходится в 200 — 300 дол/кВт. Для уменьшения инве-
стиционных затрат во всем мире широко внедряются внутрито-
почные (технологические) методы снижения выбросов NOr в ,ко-
торы с гем или иным образом изменяется процесс горения.
Основные методы включают:
• топки с низкими тентовыми напряжениями и температурой
факела;
• горелки с низким образованием оксидов азота;
• нестехиометрические и сту пенчатые схемы сжигания по воз-
духу;
• ступенчатые схемы с восстановлением оксидов азота, в част-
ности «reburning».
Изменения процесса горения в этих методах связаны с форми-
рованием зон с пониженными избытками воздуха, ч/о создает
проблемы неполного выгорания топлива, высокотемпературной
коррозии и шлакования, и только некоторые из разработанных
хем (мсгодов) позволяют получит ь приемлемое решение по всем
проблемам при необходимом значительном снижении оксидов
азота. Кроме тою, в силу непостоянства качества топлива и пере-
менного топливного баланса ТЭС внедряемые решения должны
41
ныть «гибкими», обеспечивать работоспособность и необходи-
мый результат при возможны*, изменениях качества топлива
3.1. ГОРЕЛКИ С НИЗКИМИ ВЫБРОСАМИ NOX
3.1. /. Вихревые горелки
В конструкции горелок с низким выходом NO реализуется сту-
пенчатое сжигание топлива в пределах факела каждой отдельной
горелки.
Азот в топливе в основном находится в термически неустойчи-
вых фрагментах органических соединений и при нагревании и
горении переходит в летучие соединения. Считается, что преобра-
зование летучих в условиях нехватки кислорода приводит к фор-
мированию промежуточных радикалов, которые восстанавлива-
ют образовавшиеся оксиды азота в молекулярный азот N2. За пре-
делами зон выделения и горения летучих образования оксидов
NOX из азота топлива не происходит.
На рис. 3.1 схематично показан процесс горения в горелках со
ст) пенчатым сжиганием топлива, а на рис. 3.2 принципы оптими-
зации конструкции и режима работы таких горелок [37].
Для зоны воспламенения ставится цель обеспечить максималь-
ное выделение и выгорание летучих (рис. 3.2, а). Оптимизация
выпо шлется по отношению доли первичного и вторичного возду-
ха (w. + т2) к теоретически необходимому для сгорания летучих
(/nov). Очевидно, что для углеи с низким выходом летучих количе-
ство первичного и вторичного воздуха необходимо уменьшать.
Для зоны восстановления (рис. 3.2, б) не лью является органи-
зация максимальной области восстановления (ОВ). Оптимизация
выполняется по соотношению скоростей вторичного воздуха
( И г) и первичного воздуха (И^).
К настоящему времени разработано и внедрено большое число
конструкции вихревых горелок. Принципиальная схема харак-
терной горелки с низким образованием \<)л на примере горелки
MBEL (Mitsui Babcock Energy Lid Low-NOJ показана на рис. 3.3.
Ьодобные вихревые горелки характеризуются разделением вто-
ричного воздуха на два потока (скажем, вторичный и третичный
воздух), различ пошиеся по количеству, скорости и величине
крутки, и регулированием соотношения вторичного и третичного
во !л\ха
45
Рис. 3.1. Схема процесса горения в горелке с низким образованием NOX (а) и из-
менение содержания NOX по длине факела (б).
А — зона выход л летучих; 5 — выделение промежуточных радикалов; С— зона
восстановления оксидов азота; D — окислительная зона; 1 — зависимость для
горелки с низким образованием NOX, 2 — для традиционной горелки [38]
Рис. 3.2. Оптимизация малотоксичной горелки [37]:
а — по условию зоны воспламенения; б — по юне в< ^становления
46
Рис. 3.3. Схема горелки МВГЪ с низким образованием NOt (39]:
|_ форсунка; 2 — воздух; 3 — регулируемый вторичный воздух; 4— завихри
ель вторичною воздуха; 5— завихритель третичного воздуха; 6 — аэросмесь
Рис. 3 4 Малотоксичная горелка для реконструкции котлов, Корейски я Респуб-
лика [37]:
/— мазутная форсунка: 2 — пылсуголыюс сопло; 3— воздушный короб; 4 —
регулятор; 5 — завихритель вторичного воздуха; 6 — завихритель третичного
воздуха; 7— уголь и первичный гю иух
Горелки разных фирм различаются отдельными элементами и
уровнем проработанности в стендовых и промышленных услови-
ях. В настоящее время для оптимизации конструкции горелок все
в большей мерс привлекаются трехмерное моделирование и круп-
номасштабные стенды [см. например 37, 10]. Схемы некоторых
зарубежных горелок показаны на рис. 3.4 - 3.6.
Малотоксичная горелка для реконструкции котлов Республи-
ки Корея [37] имеет профилированный канты аэросмеси и лши гу
от н ш(юа входного пылеугольног о сопла i рис. 3 4).
Рис. 3,5. Вихрева^ горелка с низким выходом NO* фирмы Foster Wheeler второго
поколения |32J:
/ — подвижная заслонка 2— перфорированный вход вторичного воздуха; 3—
внешний регистр; 4— внутренний регистр; 5— подвод аэросмеси
Вихревые горелки с низким выходом NO^ фирмы Foster
Wheeler (рис. 3.5) применяются при настенном размещении горе-
лок и с небольшими изменениями при тангенциальной компо-
новке. Регулирование распределения вторичного воздуха между
каналами обеспечивается подвижной цилиндрической заслонкой
(шибером). В горелках происходит разделение аэросмеси на не-
сколько потоков, что достигается использованием спенииального
профиля выходного сопла (см. п. 3.1.2).
В горелках 1 osier Wheeier серии Vonex (рис. 3.6) применяется
цельный швихритель» который генерирует мощный вихрь и про-
филь рециркуляции, что обеспечивает более эффективное пере
мешивание топлива с воздухом по сравнению с лопастными аппа-
ратами с радиальными лопатками.
К достоинствам горелки относится минимальное количество
подвижных элементов при обеспечении глубокого регулирова-
ния, что повышает надежность и снижает эксплуатационные рас-
ходы при обеспечении эффективного снижения NOX (в приведен-
ной конструкции всего три подвижных элемента: аксиальный за-
вихритель /, заслонка перераспределения расхода 2 и внутренний
сердечник регулирования аэросмеси 4). Г редки также обеслечи-
48
Рис. 3.6. Горелка Фос1ер Вилчер из серин Vortex:
1 — аксиальный завихритель; 2 — передвижная заслонка для регулирования
расхода; 3 — пыпеугольнач насадка для формирования отдельных струи; 4 —
подвижный внутренний сердечник для регулирования распределения и рас-
хода пыли углей широкою диапазона; 5 — направляющая труба средств роз-
жига; 6- - привод заслонки; 7—труба растопочного газа/мазута, 8— зашита от
износа; приспосабливаемое к су шествующим конструкциям подсоедине-
ние по аэросмеси; 10 — контроль пламени; 11 — устройство регулирования
воздушной зоны; /2— трубки системы контроля потоков
вают надежный контроль основных параметров воздушных пото-
ков без использования аэродинамических трубок.
В нашей стране в настоящее время нет крупномасштабных го-
релочных стендов для отработки элементов конструкции и тести-
рования трехмерных математических моделей. Чаще отечествен-
ные горелки отличаются отсутствием или меньшим количеством
регулирующих органов. По заложенным принципам они анало-
гичны зарубежным и в них используются апробированные в ми-
ровой практике решения. В частности, в горелке при модерниза-
ции котла 11-5011 Каширской ГРЭС (рис. 3.7) внедрены следую-
щие широко применяемые в горелках с низкими выбросами КО
решения [411:
• вторичный воздух ле гится на два потока с разными углами
крутки:
49
P.iC Л 7. ОбшиА вид ннхревон горелки котла Г1-5ОР:
/ — воздушные короба; 2 —* коллекторы природного газа; 3 — газораздающие
трубы, 4— завихрители: 5— груба ПВКд: 6— клапаны распре теления волуха;
7 — установочные грубы мазутном форсунки и запально-защитного устройст-
ва (411
• наружным канал и мее г больший угол крутки, и часть во щуха
отрывается от основного по гока пыли на начальном участке факе-
ла в зоне выхода и воспламенения летучих веществ;
• внутренний поток закручивается и служит для стабилизации
факела.
На рис. 3.8 показана вихревая пылеугольная горелка, пре. сло-
женная для нового котла энергоблока мощностью 600 МВт, рабо-
тающего на жибастузском угле [42|. В этой разработке такими го-
релками оснащается топка с их тангенциальной компоновкоп
Горелка выполнена с одним цилиндрическим на выходе кана-
лом аэросмеси и двумя диффузорными на выходе каналами вто-
ричного воздуха. В канале аэросмеси в ею выходной части уста-
новлена коническая диффузорная вставка с осевым лопаточным
завихрителем .малой круп и (п — 1,5). Диффузорная вставка пред-
назначена для концентрации угольных частиц ближе к наружной
стенке канала а росмеси. Считается, что умеренная крутка потока
аэросмеси обеспечит вместе со вторичным воздухом активную
зону приосевого обратного тока, и в то же время ограничит вынос
угольных частиц н воздушный поток.
Канал вторичного воздуха разбит на два кольцевых потока Пе-
рераспределение вторичного воздуха между каналами обеспечи-
50
Рис. 3.8. Вихревая низко: мнсснониая многоканальная гор. 1кд
вает цилиндрический регулирующий клапан. В обоих кольцевых
каналах устанавливаются двухсту пенчатые осевые лопаточные за-
вихрители, в которых переменная крутка создается поворотными
лопатками-элеронами, установленными на выходе неподвижных
лопаток. Завихрители позволяют изменять параметр крутки воз-
душного потока в пределах 2 < п < 4,5 По нашему мнению такое
решение в условиях отечественных Т )С неработоспособно.
3.1.2 Горелки с концентрацией аэросмеси
На отечественных копах, оборудованных пылесистемами с
промбункером пыли заметное распрос гранение получила система
транспорта пыли с высокой концентрацией (ПВК) 20 — 40 кгтоп-
лива/кг воздуха вместо традиционных 0,3 - 0,8 кг/кг. Такое ре-
шение при рациональной конструкции горелки, в том числе, по-
зволяет снизить выбросы оксидов азота (ПВК обеспечивает более
быстрый прогрев концентрированной пыли, выходи воспламене-
ние летучих при недостатке воздуха).
При расположении рассекателя аэросмеси в выходном сечении
горелки достигается практ ически максимальное для этого метода
снижение. Однако такая конструкция подвержена высоким тем-
пературам. коробится, обгорает и может создавать сепарацию
5I
1
Рис. 3.9. Горелка с транспортом пыли высокой концентрации установленная ня
ТУГРЭС:
а — котлы 50 МВт с твердым ш гакоудалением; б — котлы 100 МВт с жидким
шл а коуд злением*, / — пылепровод ПВК; 2 — пылевыдающий патрубок; 3 —
рассекатель
пыли (под топки или в холодную воронку). При расположении
рассекателя на входе в горелку, как в ранних работах Bi И, или
достаточно далеко от выходного сечения горелки, показатели по
Рис. 3.10. Фито модели порез-
ки со вставками в канале аэро-
смеси со стенда 145 ]
NO практически соответствуют тра-
диционным горелкам.
На Томь-Усинской ГРЭС разрабо-
тана и внедрена конструкция, решаю-
щая это противоречие с использо-
ванием, так называемого, пылсвы-
дающего патрубка [43,44]. Эскиз
внедренных горелок показан на
рис. 3.9. На котлах с жидким шлако-
удалением (ЖШУ) при сжигании куз-
нецких углей, характеризующихся вы-
соким содержанием азота в топливе,
с использованием таких горелок уро-
вень NOX снижается до 450 — 550 мг/м3.
В горелках систем пылеприготов-
ления с прямым вд в гнием или тради-
ционным транспортом пыли повыше-
ние концентрации потока аэросмеси
решается применением пылеконцен-
траторов или разделением потока на
Рис. 3.11. Горелки ( pti-Flow конструкции фирмы Siemens:
а, б—для топки со встречно расположенными горелками; в, г—для тангенци-
альной топки [46]
отдельные потоки при помощи вставок в тракте аэросмеси и про-
филированных обечаек (рис. 3.10).
В горелках фирмы Siemens разделение пылеугольного потока
обеспечивает стабильность воспламенения и низкие значения ок-
сидов азота за счет специального профиля с износостойкими на-
кладками (рис. 3.11). При небольших изменениях в конструкции
горелки такого т ипа применяются лтя топок со встречным и угло-
вым их расположением.
В последнем случае они выполняются поворотными (позиция
С на рис. 3.11, г), что вообще характерно для зарубежного котло-
строения. При комбинации горелок Opti-Flow конструкции
Siemensc OFA (третичный воздух выше факела) может быть полу -
чен хровень оксидов азота NO ниже 0.3 г/ГДж на каменных углях
и 0,15 на бурых уг; ях
53
Рис. 3.12. Выходное сопло аэросмеси конструкции Foster Wheeler
Рис. 3.13. Мотернизированная горелка кот .л ПК-39 на Рефтинской ГРЭС
Выходное сопло с плоскими струями конструкции Foster
Wheel т [32J по? ню на рис 3.«2.
Рис. 3.14 Como а >росмесн горелки LNCFS-P2 фирмы klstom
Вариант реконструкции горелок на котлах ПК-.’’9 блоков
300 МВт Рефтинской ГРЭС с применением эрозионно стойких
материалов и разделением аэросмеси вставками показан на
рис. 3.13. Решая успешно задачу износа каналов а >росмеси горе-
лок при сжигании высокозольного жибастузскогоугля, заметных
преимуществ по снижению оксидов азота при внедрении этой
конструкции нс получено [47].
Снижение оксидов азота в прямоточной горелке фирмы Alstom
LNCI S-P2 (рис. 3.14) достигается за счет более быстрого нагрева
частичек при использовании концентрированной аэросмеси, оп-
тимизации зон и дополнительной турбулизации пламени [4S]
3 1.3. Горелкн с предварительным подогревом пыли
Условия быстрого прогрева пыли, выделения летучих в услови-
ях низкого содержания кислорода, что необходимо для снижения
образования топливных оксидов азота, могут реализовываться не
только в топочном объеме у горелок, нп в и горелках за счет сжига-
ния внутри их дополнительного топлива. При этом горение 1ету-
чич и образование восстановителя в газообразной фазе преиму-
щественно происходит непосредственно у устья горелки. Пер-
спективность ггого направления, предложенного В. И. Бабием,
5ыла подтверждена опытами на экспериментальной установке
ВТИ Горелки с предварительным подогревом угольной пыли по
разработкам ВЛ И и Уралтехэнерго были пне рены на котлах
—
ээ
Вторичный воздух
Рис. 3./5. Схема установки встроенного узла подогрева угольной пыль в полости
нылегазовой горелки котла:
/ — штатная пылегазовая горелка; 2— камера сжигания дополнительного то-
плива; 3 рабочий г анал узла подог рева пыли; 4 — вспомогательная горелка;
5— пыл с под водящий патрубок ПВК; б — запальное устройство
Рис. 3.16. Уровень оксидов азота при различи способах сжигания подотрется
угольной пыли в топке когда TJ1-87:
/ — штатные вихревые горелки, переоборудованные на сжигание ПВК; 2 —
горелки, переоборудованные на сашанис ПВК и оснащенные ВСП, при от-
ключенной подаче вспомогательного топлива; 3— тс м е горелки, что и в схеме
2, но в режиме подогрева пь и (600 С): 4 — работа котла на природном газе
56
г. к
2100
1К00
1500
1200 |
900 ®
600
300 -
и /
Рис. 3.17. Поле температур (а) и схема ор1энн1ацин термохичичес! ого процесса
(ТХП) (б):
1 — комбинированный короб пылеподачи; 2— муфельная камера IХП; 3—
клапан-распределитель пылеподачи (I — на ГХП, 11 — мимо ТХП); 4, 5 — ia-
ювый и воздушный коллекторы; б, 7— газовые струи; 8— термопары, 9— ре-
гулятор расхода газа; 10 — запально-сишальное устройство
ТГ1-87 с жидким шлакоудалеиием (ТЭЦ-22, Ижевская ТЭЦ-2),
сжигающих кузнецкие угли с высоким содержанием азо га в топ-
ливе. Схема конструкции Уралтехэнерго [49) и эффективность
снижения NOV показаны на рис. 3.15 и 3.16.
В настоящее время эксплуатация mix разработок в России по
разным причинам прекращена.
57
На Украине в связи с необходимостью обеспечить «ффектив-
ное сжиган не низкореакционных углей марок Г и А при от раниче-
нии использования природного газа на подсветку факела разра-
ботка горелок с Подосеком пыли получила новый импульс. На
рис. 3 17 показано поле температур потока в горелке и схема го-
релки с термохимической подготовкой пыли по терминологи и ав-
торов разработки Института угольных энерготехнологии НАН
Украины [50].
3.2. СТУПЕНЧАТОЕ СЖИГАНИЕ ПО ВОЗДУХУ
Для снижения оксидов азота при с + игании углей наиболее час-
то используется нестехиометрическое (неравномерное распреде-
ление топлива и воздуха по горелкам) и ступенчатое (подача части
воздуха через специально оборудованные сопла) сжигание топли-
ва в объеме топки.
Комбинация ступенчатого сжигания и малотоксичных горелок
позволяет достичь эффективности снижения оксидов азота на
74 % [51].
При разнообразии реализуемых схем в зависимости от конст-
рукции топочно-горелочных устройств и качества, топлива общим
в них является организация низких избытков воздуха и темпера-
тур на стадии выхода и выгорания летучих веществ для уменьше-
ния топливных оксидов азота. Принципиальная схема двухсту-
пенчатою сжигания показана на рис. 3.18.
За рубежом ступенчатое (двухступенчатое по отечественной
терминологии) сжигание в основном реализуется в виде схемы с
подачей третичного воздуха выше зоны горения через располо-
женные здесь специальные сопла (схема OFA — over-fire air, воз-
дух выше факела).
Первичный
во пух *’
Дымовые газы
(Оз. СО. Сг...)
Топливо
Третичный воздух
(OFA, пиан се дутье и тр )
11ринннпн 11ьна я схема тралниконного двухступенчатого сжигания [52]
Рис. 3.19. Влияние доли гретичного вощуха на оксиды азота и недожог на с генле
137]:
/- NOX;2- Сг
Рис. 3.20. Влияние юли третичного ьозтуха на оксиды азота и не южог на котле
ст. № 11 )( Bran ion Shores со встречным расположением низкотоксичных горе-
лок [53]
Определяющие факторы эффективности снижения оксидов
азота:
• расход третичного воздуха на сопла. Выбросы NO (снижаются
при увеличении доли третичного воздхха (рис. 3.19 и 3.20);
Ступенчатое сжигание не эффективно в п iane снижения окси-
лов азота, если расход воздуха на горелки близок или немного
Рис. 3.21. Влияние положения сопел ipc-
тинного воздуха на оксиды азота [37]
меньше количества, необхо-
димого для сгорания летучих.
Для топливе низким выходом
летучих обеспечить условия
их сжигания с недостатком
кислорода сложно, и ступен-
чатые схемы могут оказаться
i геэффекти вн ы м и. Дру ги м и
словами по [23] при избытке
первичного воздуха, который
в процентном выражении
выше содержания летучих в
сжигаемом угле, процессы го-
рения летучих и генерации
топливных NO протекают
при и убыточном локальном
количестве воздуха. Поэтому
образование топливных ок-
сидов азота практически не
зависит от организации сту-
пенчатого сжигания угольной
пыли при суммарном избытке
воздуха на выходе из танген-
циально направленных горе-
лок, равном 0,75 — 0,90, осо-
бенно при его максимальном значении. В то же время уменьше-
ние суммарного избытка воздуха ниже 0,70, например, путем
повышения доли третичногодутья может привести к увеличению
механического недожога и коррозии;
• расположение сопел третичного воздуха. 11ри удалении от го-
релок эффект OFA возрастает (рис. 3.21).
Совместное влияние положения сопел третичного воздуха и
его доли по результатам исследования на стенде одиночной горел-
ки (рис. 3.22) показаны на рис. 3.23.
Видно, что чем сильнее влияние одного из факторов на выбро-
сы NOa, тем более сильное с обратным знаком влияние оказывает
этот фактор на механический недожог;
• условия перемешивания за соплахш третичного воздуха. При
быстром смешении эффект уменьшения NO снижается [371.
60
4 /, м
Рис. 3.22. Схема стенда для исследования влияния положения сопел i peins нот о
воздуха и его количества [37]:
/т — расстояние от горелки до сечения ввода третичного воздуха^ /ф — длина
факс ш (зоны активного горения)
Очевидно, что быстрое смешение, по сути, равноценно уменьше-
нию расстояния до сопел третичного воздуха. Принцип увеличе-
ния расстояния до сопел третичного воздуха и лтем организация
быстрого смешения использован в так называемом бустерном
двуступенчатом сжигании.
Бустерное двухступенчатое сжигание — метод BOFA (Boosted
OFA) отличается от обычного двухступенчатого сжигания распо-
ложением сопл третичного воздуха (они устанавливаются выше,
почти на выходе изтопки), а также интенсивностью перемешива-
ния третичного воздуха с прозуктами сгорания, поднимающими-
ся от основной зоны горения. Для обеспечения этой интенсивно-
сти обычно требуется дополнительный дутьевой вентилятор, на-
пор которою позволяет выбрать нужную скорость струи
третичною воздуха [54].
В такой схеме двухступенчатого сжигания горение коксовых
частиц происходит в сре те с низким содержанием кислорода, что
приводит к интенсификации восстановительных реакций на по-
верхности углерода. При этом третичный воздух используется
только для дожигания газообразных продуктов неполного сгора-
ния (догорание СО и Н- не требует много времени, важно только
обеспечить максимально полное перемешивание).
По оценкам специалистов Mitsui Babcock Energy Limited
(MBEL, Великобритания), бустерное двухступенчатое сжигание
дает бо 1ьшии эффект, чем обычное двухступенчатое сжигание
(ри 3 4) Пои работе котла с тангенциальной топкой на к а.мен-
61
NOx, ppm
280
240
200
160
120
80
° 10 20 30 'OFA’ %
Puc. 3.23. Совместное влияние положения сопел третичного воздуха и его доли на
ом ил । аэоп (о) и недожог (б) в опыт ix на стенде [37 J:
/ - /т//ф = 1.67; 2- /т//ф = 2,33; 5- 4//ф = 3,0
ном угле определено более глубокое (на 10 ‘с) снижение выбросов
NO^ по сравнению с традиционным двухступенчатым сжиганием.
Проблема использования системы OFA состоит в ряде слу чаев
в чрезмерном увеличении коррозии [55]. Некоторыми фирмами
применяется дополнительное воздушное дутье (типа воздушной
завесы), помимо сопел OFA. На рис. 3.25 показана схема Babcock
Hitachi [56] ввода воздуха с высокой скоростью вдоль боковых
стен (side stream air inje tion system SS \p).
62
В гоп как фирмы Siemens сопла
воздушного дутья (wing ports к
располагаю! между отметками го*
редок и третичных сопел OF А по
высоте и между горелками и сте-
нами в горизонтальной и носко-
сти [18]. Расположение дополни-
тельных воздушных сопел ниже
сопел OFA, кроме того, увеличи-
вает расстояние от ввода части
воздуха до выходного окна топки
и способствует снижению хими-
ческого недожога СО, который
для комбинации топок с фрон-
тальным расположением горе-
лок, горелок с низкими NOX и
ступенатого сж и га н ия достаточ н о
большой вдоль боковых экранов.
Па котлах ПК-39 Аксускои
(ранее Ермаковсжой) ГРЭС для
решения проблемы шлакования
нижней части топки и снижения
оксидов азота успешно внедрена
система ввода третичного воздуха
вдоль экранов ниже уровня ос-
новных горелок.
За рубежом и при реконструк-
ции и разработке отечественных
котлов с тангенциальной компо-
новкой горелок сопла третичного
воздуха располагают выше горе-
лок с направлением их осей таким
образом. чтобы создавать крут ку в
противоположную по отноше-
нию к крутке основных горелок
сторону (рис. 3.26). Считается,
что такое решение улучшает пере-
мешивание ВОЗДучаС ПОТОКОМ ДЫ-
rfOBwx газов и уменьшает неравномерности газового потока.
Рис. 3 24 Схемы обычного двухсту-
пенчатого OF А (д) н бустерного
двухступенчатого сжигания ВОРА
(б):
I — основные горелки: 2 сопла
трети ч ного возд) ха; 3 — сопла тре-
тичного воздуха с повышенной
ту рбулент костью
Рис. 3.25. Схема расположения со-
пел ввода воздуха в юль боковых
с ген
63
Рис. 3.26. Схема реконструкции топ» з котлз II К-10 ЮК1 РЭС по проект) < ии-
КОТЭС [57]:
/ — основные горелки первого яруса; 2 — сопла вторичного воздуха; 3 — ма-
зутная горелка; 4 — сбросная горелка второго яруса; 5— шлицы третичного
дут ья
Тыл
Рис. 3.27. Оптимизация направления осей сопел в тангенциальной топке по ре-
зулыатам авалиш трехмерной модели [58]:
/ — аэросмесь. 2— основной вторичный воздух, J — выделенный вторичный
воздух; 4— ни книг сопла третичного во щуха схеме OF Мвоздух выц г факе-
ла); 5 - верхние сопла в сх ме ОТА
(Ч
г
Как отмечалось, ис-
пользование трехмер-
ного математического
h оделирования позво-
ляет оптимизировать,
в том числе, ком по-
новь у сопел гретично-
ю воздуха. Пример та-
кой оптимизации по-
казан на рис. 3.27.
согласно этой разра-
ботке при расположе-
нии сопел третичного
воздуха в несколько
ярусов целесообразно
в верхних ярусах уве-
личивать диаметр уо
ловной окружности
направления осеи го-
релок с круткой, про-
тивоположной основ-
ному потоку.
Технаюгия ROFA." ех-
нология ROFA (Rota-
ting Opposed Fire Air) —
Рис. J.JA. КомПОНОНКа сопел НО 1ЯЧ11 воздуха с вы-
сокой скоростью (технология ROI А):
а — вид сверху. б — вид сбоку
в вольном переводе технология «с противоположным вихрем*
широко внедряется при сжигании различных топлив фирмой
Nalco Mobotec (Финляндия). Наибольший объем внедрения — на
пылеугольных котлах. По [59) из 34 пылеугольных котлов США
мощностью44 — 570 МВт. оборудованных ROFA, 19 имеют одно-
стороннюю (фронтальную) компоновку горелок, 14 — тангенци-
альную и 1 — встречную.
Кроме того, технология внедрена на других типах топки (ЦКС.
сгокер) и при сжигании альтернативных топлив (биомасса,
уголь + биомасса). Сущность технологии состоит в подаче выше
яруса горелок воздуха с высокой скоростью при помощи допол-
нительных вентиляторов. При этом сопла подачи располагаются в
несколько ярусов асимметрично (рис. 3,28) таким образом, чтобы
Топливо Третичный воздух — ROFA
Рис. 3.29. Принципиальная схема техно юг ин ROFA [52]
выходящие струи воздуха создавали вращательное в плане движе-
ние [60].
Оптимальное расположение сопел и режима их работы рассчи-
тываются совместное пэпкой по трехмерной математической мо-
дели (computational fluid dynamics — CFD).
В отличие от рассмотренных выше схем с тангенциальным рас-
положением сопел третичного воздуха эта технология, как отме-
чалось, применяетсядля топок с различном компоновкой горелок
и, главное, дает перестройку всего топочного процесса ja счет вы-
сокой энергии воздушных сопел. Отличие процесса от процесса
подачи третичного воздуха выше горелок OFA видно из сравне-
ния их принципиальных схем (рис. 3.29 и 3.18).
В процессе ROFA дымовые газы хорошо перемешиваются с до-
бавляемым воздухом, образуя вихрь газов. Это генерирует турбу-
лентность, вращение в объеме всей топки и лучшее использова-
ние ее объема, включая улучшение тепловосприятия, снижение
температуры факела и избытка воздуха при уменьшении недожо-
га. При том в поперечных сечениях топки генерируется более
равномерное распределение продуктов сгорания.
Уровень кинетической энергии уменьшается по ходу факела.
Для варианта без R( >FA она быстро уменьшается выше горелок со
слабым ростом на выходе из топки, связанным с влиянием аэро-
динамического выступа (рис. 3.30). Сопла ROFA резко увеличи-
вают кинетическую энергию и турбулентное перемешивание в
верхней части топки.
Как отмечалось, внедрение объемного ступенчатого сжигания
за рубежом сопровождалось не только повышенны ми значениями
недожога, но в ряде случаев и интенсивной коррозией экранов
В отечественной литературе при широком внедрении разнообраз-
ных схем такое явление не отмечалось, включая угли с повышен-
ным содержанием пирита FeS?.
66
Рис. 3.30. Изменение кинетической энергии по высоте топки [52J:
/ —топка без технологии ROFA, 2 — топка с технологией ROFA
В определенной мере это связывается с внедрением схем с ниж-
не» подачей третичного воздуха (топочно-горелочные устройства
с нижним дутьем) и топок с концентрическим сжиганием (с тан-
генциальным вводом третичного воздуха с радиусом больше, чем
условный радиус подачи аэросмеси).
Топки с нижнем дутьем разработаны в ЦКТИ и широко вне-
дряются в конструкциях Сибэнергомаш [61]. Схематичный при-
мер такой топки показан на рис. 3.31.
Отличительной особенностью указанной технологии сжигания
является использование части воздуха, поступающего на горение,
в качестве нижнего дутья и его подача через крупные сопла на ска-
ты холодной воронки с долей ан д = 0,2 4- 0,3.
Применение этого способа помимо снижения выбросов окси-
дов азота позволяет:
• снизить шлаков тис и коррозию поверхностей нагрева то-
почной камеры из-за уменьшения температурного уровня факела
и создания окислительной атмосферы у поверхностей нагрева в
зоне активного горения и воронки котла;
• уменьшить потерю тепла с механической неполнотой сгора-
ния топлива в провале;
• повысить устойчивость горения и управлять возду шным ба-
лансом и аэродинамикой в зоне горени i изменением подачи воз-
духа на нижнее дут ье.
67
Рис. 3.31. Схема гоночно-горелочного устройства с нижним дутьем:
/ — горелка; 2 — сопло нижнего дутья
Рис. 3.32. Схема нижней части рекон-
струируемого котла ьКЗ-640
Рис. 3.33. Схема организации ступен-
чато-вихревого процесса [62}:
/, // — вихревая и прямоточная
зоны факела; 1 — пылеугольмая го
редка; 2 — мазутная растопочная
горелка; 3 — система нижнего ду-
тья; 4. 5 — сопла третичного дутья,
соответственно нижнего и верхнею
яруса
68
Рис. 3.34. Схема организации ви левого процесса (63, Ь4]:
а — реконструкция котла БКЗ-75 «СКБ Проэнергомаш*, г. Барнаул; б— схема
процесса по ВИР-техиологии, «Политехэнерго>, г. Санкт-Петербург; /-пы-
леугольная горелка; 2— система нижнего дутья, 3 — задние сопла третичного
дуть
Рис. 3.35. Модернизация котлов Рязанской ГРЭС на иизкоэмиссиинное ьихреын.
сжигание канско-ачянских углеи но ВИР-технологии (64]
Топки с нижним дутьем применяются при различной компо-
новке горелок и числе и к ярусов. Вариант организации нижнего
дугья в проекте Сибэнергомаш реконстру! ции котла БКЗ-640 по-
казан на рчс. 3.32.
Ь9
Для предотвращения шлакования ввод части воздуха через хо-
лодную воронку используется в плечевых топках комп нии Mitsui
I abcock [39]. Подробнее это рассматривается в гл. 4,
При наклоне нижних горелок вниз, что возможно в силу избы-
точного возя /ха в этой части топки, конструкция нижней части
топки, по существу, соответствует вихревым топкам (рис. 3.33 —
3.35). Уменьшение шлакования такой топки дополнительно свя-
зано со снижением температурного напряжения зоны активного
горения г
3.3. КОНЦЕНТРИЧЕСКОЕ СЖИГАНИЕ
Широкое распространение, в те м числе в реконструируемых и
проектируемых отечественных котлах, получил метод концентри-
ческого [54] или стали ино-ступенчатого сжигания топлива по
другой используемой терминологии. Этоз метод* как и топки с
нижним дутьем, обеспечивает снижение выбросов NO. с одно-
временной шшитой экранов от коррозии и шлакования (цель, с
которой он был впервые внедрен в 1970-е годы).
Сущность .метола состоит в организации топочного процесса,
при котором ступенчатость по вертикали (т. е, ввод части воз лука
выше зоны горения или нер шномерно по высоте блока горелок)
сочетается со ступенчатостью по гори юнтали. Последнее гости-
Ввод 4 ВнодЗ
«Смешенный
воздух
А фосмесь и часть
в горяч ноги воадуха
Ввод 1
53,5- 57
Ввил 2
/'чс. 3.36. Схема реализации (пшн)
к< ищентрнческою сжигания । ивух-
НИХревой I >П| мпча ГЭС kinpsnorth.
UK [66]
гается за счет отклонения части
воздуха от направления струи
а >росмес« в тангенциальной
топочной камере (рис. 3.36 и
3.37), Направление определен-
ной части воздуха между осью
горелок и гоночным экраном
создаст гра иент концентраций
в горизонтальном сечении топ-
ки: ближе к центру образуется
юна с недостатком окислителя,
а периферийная часть вихря,
омывающая топочные краны,
имеет повышенное содер канне
кислорода. За счет того созда-
ется «ступенчатость по гори юн-
т ал и»».
’)
Рис. 3.37. Обычная тангенциа ьная (а) и концентрическая (б) схема сжигания в
гори дентальном сечении топки:
/ _ аэросмесь и часть вторичного воздуха; 2 — часть вторичного воздуха, по-
даваемая в периферийную зону; 3 — обогащенная топливом центральная
зона; 4 — аэросмесь и весь вторичный воздух
Рис. 3.33. Прямоточная горел ;а стадийного сжигания я гашении чаюй топки:
/ — потоки аэросмеси; 2 — вторичного воздуха (20 — 40 'Е); 3 — вторичного
воздуха (60 - НО с) (67 j
Во внедренных в разных странах схемах концентрического
сжигания подача части воздуха тангенциально по окружности
большего, чем аэросмеси, гиаметра реализуется тем, что воздух
подается через разные сопла, как, например, показано на рис. 3.38
[67]. То есть каждый блок горелок имеет часть сопел вторичного
воздуха, в которых струи направлены соосно струям аэросмеси,
и сопла, в которых вторичный воздух отклоняется в сторону эк-
ранов.
В разработке СибКОТЕС (рис. 3.39) предусмотрено регулируе-
мое отклонение части вторичного воздуха сл соосного в пределах
одного канала вторичногс воздуха.
!'ис. 3.39. Низкоэммисионная прямо точ-
ная горелка СибКОТЕС для топок со
сталиино-еппенчатым сжиганием (кон-
центрическое сжигание в п шне + OF А)
Ступенчатость сжигания
по высоте топки реализуется
размещением сопел третич-
ного воздуха в верхней части
горелок, либо в других вари-
антах их расположением
выше горелок (OFA). В по-
следнем случае направление
крутки сопел третичного воз-
духа может выбираться про-
тивоположным и перемен-
ным по высоте по отношению
к крутке потока в горелках,
как рассмотрено выше.
Внедренные фирменные
варианты концентрического сжигания отличаются оптимизацией
сопел аэросмеси и расстояния до ввода третичного воздуха а так-
же применением ротационного (динамического) сепаратора (сис-
тема TJFS-2000 фирмы ABB Combustion Engineering, ABB С-Е) и
системы для регулирования избытка воздуха в нижней части то-
почной камеры и распределения всех воздушных потоков
[TLN-system фирмы Foster Wheeler Energy Corporation (FWEC)J.
Реконструкция котла с использованием концентрического
сжигания TLN-system при сжигании лигнита позволила снизить
оксиды азота на 70 % в среднем до уровня 110 ppm [68].
Комплекс исследований, выполненный фирмой АВВ С-Е на
экспериментальной установке, показал высокую эффективность
метола по снижению оксидов азота при низком недожоге приме-
нительно к бурым, даже шлакующим, и реакционным каменным
углям и в меньшей мере к низкореакционным каменным углям
типаСС [63]. Отметим, что эффект снижения NOA дополнительно
получен за счет уменьшения шлакования топочных экранов и со-
ответственно температуры факела.
3.4. СХЕМА СЖИГАНИЯ С ВОССТАНОВЛЕНИЕМ
ИЛИ ТРЕХСТУПЕНЧАТОЕ СЖИГАНИЕ,
РЕБЕНИНГ (REBURNING)
Схема с восстановлением принципиально отличается от схем
со ступенчатым по воздуху и нестехиометрическим сжиганием
/ Z
Рис. 3.40. Схема сжигания с восстановлением (трехступенчатое сжигание, ребе-
ниш) (69]:
/ — основные горелки; 2 — дополнительные горелки; 3 — третичный воздух
(OFA)
тем, что основное количество топлива сжигается в оптимальных
или близких к ним условиях. Не важно, что при этом образуется
повышенное количество оксидов азота, поскольку за зоной горе-
ния они в значительной части восстанавливаются до N2 за счет
подачи в эту зону части топлива и создания в ней восстановитель-
ной атмосферы (рис. 3.40).
Восстановление оксидов азота происходит, как за счет газооб-
разного восстановителя, образующегося из летучих (примерно
70 %), и в существен но меньшей мере за счет недожога (примерно
20 %). Выгорание топлива восстановителя происходит в верхней
части топки в зоне догорания, куда подается третичный воздух
(OFA).
Наиболее сложно реализуемым и определяющим в процессе
ребенинг является обеспечение равномерного распределения то-
плива восстановителя по продуктам сжигания основного топлива
(по сечению топки). Для полного восстановления оксидов азота
требуется небольшое количество газообразного восстановителя,
как, например, в системах каталитического и некаталитического
восстановления аммиаком. Однако из-за перехода лишь части то-
плива восстановителя в форму газообразных радикалов восстано-
73
Рис. 3.4 L Влияние доли топлива восстановителя на эффективность снижения
NO, (/) и механический не ложе (2)
вмлелей и, главное, неравномерного распределения топлива по
сечению в схеме ребенинг в качестве основного топлива в зоне го-
рения (В г) используется лишь 80 — 85 % топлива (Лт) и 15 — 20 %
в качестве топлива восстановителя (£. т).
С повышением доли топлива восстановителя эффективность
снижения NO €птч0 ) возрастает (рис. 3.41 и 3.42), но при этом
увеличивается недожог (рис. 3.41) (70]. То есть, доля топлива вос-
становителя может служить одним из факторов оптимизации при
наладке, и во внедряемых системах целесообразно иметь возмож-
ность изменять в определенных пределах этот показатель.
В силу определяющего влияния на эффективность t]NO факто-
ра обеспечения равномерного распределения топлива восстано-
вителя и продуктов ею преобразования, значение rjNO в про-
мышленных условиях ниже, чем на стендовых установках. Также
из-за определяющего влияния равномерности распределения то-
плива восстановителя нивелируется влияние в определенном
диапазоне 17 ч- 20 %) реакционных свойств топлива вос-
становителя. Считается, что при равных условиях эффективность
метода возрастает по мере повышения выхода летучих в исполь-
зуемом для восстановления угле, и далее при переходе в качестве
восстановителя к га юобразному топливу (рис. 3.42) (71 ]. В боль-
шей мере эта зависимость проявляется на стендах.
В настоящее время использование трехмерных компьютерных
программ позволяет оптимизировать размеры и режимы работы
74
Рис, 3.42. Влияние топлива восстановилеля на ффекливносль снижения NO^
/ — природным газ; 2 — лигнит (2Б); 5 — суббитум и но зны и уголь (ЗБ, Д); 4 —
битуминозные (каменные) угли
различных зон рассматриваемого процесса. В качестве исходного
варианта можно учитывать следующий ряд обоснованных экспе-
риментально положений. Оптимальное стехиометрическое соот-
ношение кислорода в зоне восстановления составляет азв» 0,9;
его уменьшение слабо снижает или не снижает выбросы NOV
(рис. 3.43 и 3 44), но ведет к росту недожога (рис. 3.44) [72].
В качестве транспортирующего агента топлива восстановителя
целесообразно использовать дымовые газы, что позволяет созда-
вать струи с большим проникновением в топочный объем, более
турбулизированные и с низким избытком воздуха. В частности
применяются двухпоточные горелки, в которых топливо с неболь-
шой долей воздуха для исключения эрозионного износа подается
через внутренний канал и газы рециркуляции с высокой скоро-
стью через внешний канал.
Основное топливо преимущественно выгорает в зоне активно-
го горения (в первом приближении по [19] длина зоны активного
горения принимается как сумма горизонтального участка факела
плюс половина расстояния между ярусами горелок). Поэтому
расстояние по вертикали до уровня горелок топлива восстанови-
теля менее принципиально, чем расстояние до сопел третичного
воздуха. Время пребывания в зоне восстановления должно быть
достаточным для выхода летучих из топлива и протекания реак-
NOX, ppm
Рис. 3.43. >ффектинность снижения оксидов азота г|ЧОт в зависимое!и от стехио-
метрического от ношения кислорода в зоне восстановления и, топлива восстано-
вителя:
/ — пропан; 2 — 5—угли (2— Yalloum, С Н = 14,1; J — Utah, С/Н = 14,2; 4 —
лигнит Белах. Beulah, С/Н = 15,1; 5— Colstrip, С Н — 15,1)
ций восстановления в газовой фазе. В качестве первого прибли-
жения высоту зоны можно выбрать из условия времени пребыва-
ния газового потока в ней т|1С1 = 0,45 ч- 0,6 с. Для .менее реакцион-
ных углей время пребывания должно быть больше.
По ограниченному экспериментальному материалу до после-
дующего уточнения в Методических рекомендациях Ц9] предло-
жены следующие уравнения для оценки высоты зоны восстанов-
ления АЛ зст, м (от осей основных горелок до осей горелок топлива
восстановителя) и зоны дожигания восстановления Дйджг м (от
осей горелок топлива восстановителя до выхода из топки):
^вст (Г, )н, ,
3600 Г ’ 273 ’
^ДЖ1
WU (77U.
3600 Г. 273
Рис. 3.44. Эффективность снижения оксидов азота njsojr стехиометрического
отношения кислорода в зоне восстановления:
1 — Э = 1080 *С; 2 — 3 = 880 *С; 3— Э = 680 "С (бурый уголь (лигнит) Туров»
циклонная топка, размер частиц 80 — 100 мкм)
Рис. 3.45. Расположение горелок и сопел в топочной камере:
а —поперечное сечение; б —планотм. 10400; в — планотм. 19200; I — основ-
ные пылеугольные горелки; 2— пылсмазугные горелки; 3— растопочные ма-
зутные горелки; 4 — пылеугольные горелки восстановительной ступени; 5 —
сопла третичного воздуха; 6 — боковые сопла вторичного воздуха
где т = 0,7 - 0,8 с - время дожигания; Иг, Гг — объем и темпера-
тура дымовых газов: — поперечное сечение топки;
Топки с восстановлением оксидов азота получили заметное
распространение в отечественной практике реконструкции кот-
лов и ра работки нового оборудования. В качестве примеров на
рис. 3.45 и 3.46 показаны схемы реализации рассматриваемого ме-
тола. На рис. 3.45 показана схема успешной реконструкции котла
ОР-210 ТЭС Скавина (проект СибКОI ЭС-ЗИО), в котором сжи-
гается реакционный силезский уголь [73].
На этом котле в качестве восстановигельного топлива исполь-
зуется не уловленная в циклонах пылесистем часть мелкой уголь-
ной пыли. Сушка топлива осуществляется дымовыми газами и в
сбросном сушильном агенте пылесистем, несущем восстанови-
тельное топливо, обеспечивается концентрация кислорода на
уровне 7 — 8 % (асбр = 0.45 4- 0.75). В результате суммарное сте-
хиометрическое отношение в восстановительном зоне составляет
авст = 0*9 * 0,95.
На ярусах осн увных горелок (в зоне горения) организована ста-
дийная подача воздуха путем отвода части вторичного воздуха от
горелок и подачей его в топку отдельными соплами. При этом из-
быток воздуха в зоне выхода и горения азотсодержащих состав-
ляющих летучих топлива (на выходе из горелок) составляет
а = ОЛ 4. 0,75, что с учетом высококонцентрированной подачи
угольной пыли в топку уже на начальном участке факела обеспе-
чивает минимум образования NO.
Проведенные испытания показали, что примененная на котле
OP-2 ЮМ схема трехступенчатого сжигания с пылеугольной вос-
становительной ступенью обеспечивает во всем эксплуатацион-
ном диапазоне нагрузок при избытках воздуха за пароперегрева-
телем опп = 1J6 ч- 1,25 и тонкости угольной пыли ЯСг1 == 15 -ь 17 %
достаточно низкие концентрации оксидов азота (NOt =
= 320 т- 350 мг/м3). Коэффициент полезного действия котла при
этом составил 91.5 92,2 %.
В проекте котла Пп-ЮОО-24,5-565К7 (Таганрогский филиал
ОАО <ЭМАльянс») паропроизводи ельноегью Ю00т/ч, предна-
значенного .для работы в составе энергоблока № 4 мощностью
330 МВт Череповецкой ГРЭС, принята П-образная компоновка.
Котел прямоточный, со сверхкритическим давлением пара
(СКД). используется для сжигания кузнецкого угля марки *Д».
Топочные экраны выполнены в виде г а зоп. ютных нельносварных
вертикальных панелей.
Я
Топка (см. рис. 3.46) выполнена с квад-
ратным сечением и с тангенциальным рас-
положением горелок и всех топливных и
воздушных вводов в топочную камеру.
В проекте приняты следующие решения
174]:
• прямоточные (горизонтально-щеле-
вые) горелки располагаются в три яруса в уг-
лах топки;
• ступень восстановления реализована
путем нотами 16 — 20% мелкой пыли угля
(Лд0 = 7 %) выше верхнего яруса горелок с
избытками воздуха а < 0,35;
• горизонтальная стадийность сжигания
обеспечена путем подачи части вторично-
го воздуха через боковые сопла в зону яру-
сов горелок с внешней стороны топочного
вихря;
• ввод третичного воздуха организован
над восстановительными vcrpo гствами в ко-
личестве 20 — 23 %.
Размол и сушка топлива производятся в
системе пылеприготовлен ия замкнутого
типа, с использованием среднеходных мель-
ниц. Обшес количество устанавливаемых
среднеходных мельниц на котел — 7 (шесть
основных и одна для ребернинга). В основ-
ных мельницах тонкость помола принята Я,, < 30 %, в ребернин-
говои — Rjq 7 %. Сушка топлива в ребернииговой мельнице осу-
ществляется горячим воздухом с присадкой «холодных* дымовых
газов, отбираемых за основными дымососами.
Восстановительные горелки двухпоточные и имеют по одному
вводу пыли, находящемуся в центральной части. По наружному
каналу восстановительной горелки подаются холодные газы ре-
циркуляции, презнэзначенныедля понижения концентрации ки-
слорода в зоне восстановления и охлаждения восстановите тьных
горелок при отключении мельницы.
Для улучшения перемешивания ввод а эрос меси, газов рецир-
куляции и третичного воздуха в топку осуществляется с противо-
положным направлением крутки по отношению к основным го-
лкам
Рис. 3.46. Золка котла
Пп-1000-24,5-565 565 КТ
Череповецкой ГРЭС
79
Рис.З.47, Горелочный блок котла Пп-10и0-24.5-565/5ь5КТ Череповецкой
ГРЭС:
I — мазутные горелки; 2 — вторичный воздух; 3 — аэросмесь
Основные горелки в каждом из трех ярусов выполнены конст-
руктивно в виде единого горелочного блока. Каждый блок горе-
лок (рис. 3.47) имеет два ввода топлива от разных мельниц и две
растопочные газомазутные горелки.
Насадки горелок каждого горелочною блока имеют возмож-
ность поворота в вертикальной плоскости для регулирования по-
ложение факела в топке по высоте.
Использование в приведенных примерах и за рубежом в качест-
ве топлива восстановителя тонкой пыли, очевидно, необходимо
для обеспечения приемлемого механического недожога. Собст-
венно на эффективность снижения оксидов азота этот фактор
значительною влияния не оказывает. Результаты исследований,
проведенных на стенде небольшого масштаба (вергик«1льная
трубчатая печь), показаны на рис. 3 48 [70]. Похожие в качествен-
ном отношении результаты получены в разных странах.
Особого внимания заслуживает отечественный опыт внедре-
ния упрошенных схем трехступенчатого сжигания, ребенинга, в
которых заменяется и реконструируется лишь небольшая часть
существующего топочно-горелочного оборудования. В качестве
примеров на рис. 3.49 приведены схемы, успешно внедренные на
ряде KOT iot Уральского региона по p.i работки и V ралОРГРЭС
80
Рис. 3.48. Влияние тонкости помола топлива восстановителя на эффективность
снижения оксидов азота при ра шой доле топлива восстановителя гВаст
Рис. 3.49. Схема организации трехступенчатого сжигания на действующих кот-
лах:
а — котел ПК-14 (ВТГРЭС): /— короб аэросмеси от мельницы; 2 — завихри-
тель первой ступени; 3— завихритель второй ступени; 4 — патрубок слабо за-
пыленного воздуха; 5— короб подвода к горелке основною потока аэросмеси;
6— короб вторичного воздуха; 7— короб подвода к верхней горелке обеднен-
ной аэросмеси;б— котел ПК-10 (ЮУГРЭС): / —шахтамельницы; 2— патру-
бок отвода обогащенной аэросмеси; 3— патрубок подвода воздуха к основно-
му факелу; 4 короб вторично! о воздуха; 5 — патрубок подвода воздуха на до-
жигание
81
При работе гаже на зольном экибастузском
угле с умеренными реакционными свойства-
ми по схеме на рис. 3.49, а получено снижение
выбросов азота на 45 — 50 %.
Создание концентрированных потоков аэро-
смеси за счет использования упрощенных кон-
струкций пылеконпенграторов применяются
и на зарубежных котлах. На рис. 3.50 показана
схема пылеугольной горелки РМ. Япония.
3.5. СХЕМА СЖИГАНИЯ
С ОБОГАЩЕНИЕМ КИСЛОРОДОМ
Рис. 3.50. Схема пы-
леугояыюй горелки:
/ — концентриро-
ванный поток аэро-
смеси; 2— обеднен-
ный пылью поток
аэросмеси
Обогащение зоны горения кислородом ис-
пользуется в технологических топках в целях
получения высот их температур при снижении
температурной (воздушной) составляющей
оксидов азота. Применение этого метода для
энергетических котлов сдерживается эконо-
мическими факторами. Однако при ужееюче-
нии нормативов выбросов метод снижения путем обогащения ки-
слородом. в котором не используется дорогое дополнительное
оборудование как в селективном каталитическом методе, может
оказаться привлекательным. Фирмой Praxair разработан и испы-
тан в стендовых и промышленных условиях метод с добавкой ки-
слорода. который позволяет повысить эффективность применяе-
мых методов, таких как сочетание горелок с низким образованием
NO* и верхнею дутья (OFA) (рис. 3.51). При этом даже небольшая
добавка кислорода дает эффективность, которая в традиционных
методах с использованием воздуха не достигается [75J
3.6. СХЕМЫ СЖИГАНИЯ С ВВОДОМ РЕАГЕНТОВ В ТОПКУ
Здесь не рассматриваются методы снижения вредных газооб-
разных выбросов, эффект которых достигается преимущественно
ш счет ввода в топку реагентов и в небольшой мере за счет техно-
логических (внугритопочных) мероприятий. Среди не рассматри-
ваемых «в чистом виде» методов: селективная некаталигическая
очистки газов от оксидов азота путем ввода в выходное сечение
опки аммиака через систему раздающих труб, сухая известняке-
OFA
Зона
с обогаще- 4Б
нием О?
Рис 3.51 Схема топки с обогащением кис.юро юм (слева) и зависимость сниже-
ния NOt при номинальной нагрузке и обогащении кислородом менее 5 %:
/ — смесь углей; 2 — битуминозный уголь [75]
вая распылительная адсорбция для снижения оксидов серы, ввод
мочевины для уменьшения оксидов серы, азота и ряд других.
Эффективность по снижению газообразных вредных выбросов
может быть повышена путем комбинации технологических меро-
приятий и дополнительно ввода в топочный объем реагентов.
В частности в усовершенствованной системе ребенинг (improved
reburning) в топочный объем помимо топлива восстановителя по-
лается присадка азотосодержашего восстановителя (чаше амми-
ак), распределение которого по сечению топки осушествляе;ся,
как и топлива восстановителя, за счет проникновения и переме-
шивания струй. Ввод азотосодержашего восстановителя обычно
осуществляют выше третичного дутья, однако исследуются мето-
ды ввода его с третичным воздухом и. даже, с топливом восстано-
вителя (рис. 3.52).
Дополнительный ввод азотосодержашего соединения позволя-
ет повысить эффективность снижения оксидов азота с примене-
нием схемы ребенинг (рис. 3.53) в ряде случаев до уровня, отве-
чающего требованиям развитых стран без применения дорогого
метода селективной каталитической очистки.
Сокращение выбросов оксидов серы может быть достигнуто
либо выбором малосернистых углей для сжигания, либо исполь-
зованием различных скрубберных технологий десульфуризации
дымовых газов (FGD — flue gas desulfurization). Удельные капи-
гальные затраты на реализацию технологии FGD сейчас состав-
ляют от 300 до 450 дол кВт На действующих ГЭС проблема усу-
83
Рис, 3.52. Схема ус ouepuieftci кованного ребенимга:
а — зона горения основного топлива; 6 — зона восстановления; в — юна до-
жигания: / — воздух; 2 — основное Топливо; 3—топливо восстановитель; 4 —
третичное дутье; 5— присадка азотосодержащего восстановителя
губляется отсутствием места для размещения газоочистных со-
оружений, складов реагентов и побочных продуктов [77].
В США разработана малозатратная техноло! ия чистых уходя-
щих газов» (clean stack technologic) АВ ГЕСН CST. Она предпола-
гает подачу в верхнюю частьтопки небольшого количества очи-
щенных в электрофильтре или рукавном фильтре дымовых газов
рециркуляции вместе с растворенными сорбентами (известняком
и мочевиной) для связывания SO2 и NOX и активированным углем
для связывания ртути. Этот поток распыляется сжатым воздухом
до входа в пароперегревательные поверхности нагрева (рис. 3.54),
Гехлология позволяет весьма рационально использовать сор-
бент за счет равномерного его распределения ио поперечному се-
чению газохода и полного переметив шия распыляемом суспен-
зии с основным газовым потоком. Повышение эффективности
процесса достигается выбором оптимальных температур, при ко-
торых протекают кинетические реакции связывания газообраз-
ных загрязнителей. При этом не требуются никакие внешние кон-
струкции и устройства, которые необходимы в технологиях FGD
'4
NOj, ppm
1000
800 ----
600
400
200 —
Доля то пл им восстановителя
или третичного воздуха (OFA), %
-50 %
-20 %
60%
30 %—I
Исходный Горелки* Горелки* Горелки* Горелки* +
уровень + OFA + ребенинг рсбенинг +
аммиак
Рис. 3.53. Снижение выбросов оксидов азота при внедрении различных техноло-
гических методов хтя типичного угольного котла с настенным расположением го-
релок (о) [711, газовый рсбенинг [76] (б):
/ — исходный уровень; 2 —двухступенчатое с верхним дутьем; 3 — ребенинг;
4 — ребенинг с присадкой азотосодержашего восстановителя (* — горелки с
низким NOJ
0
Рис. 3.5*1. Схема технологии «чистых уходящих газов»:
I — сжатый воздух для распыления суспензии; 2 — водяная суспензия из реа-
гентов (измельченный известняк, мочевина и пр.); 3 — ввод гаюв рециркуля-
ции в объем топочной камеры; 9 — электрофильтр (рукавный фильтр); 5— ды-
мосос; б — очищенные дымовые газы; 7— дымосос рециркуляции газов; А’ —
сорбент в виде водяных капель на входе в пароперегревательные поверхности на-
i рева; 9 - сухом сорбент в зоне оптимальных температур д ;я удаления NC\ и SOj
85
Рис. 3.55. Полача сорбента в нижнюю часть ш. ниюл рециркуляции сыновых га-
и>н (фотография с котла ТПП-312 к)
Рис, 3.56. Схема Rotamix:
/ — сопла ROFA; 2 — воздухо-
подогреватель; 3 — дымовая
труба; 4~ мтектрофильтр; 5 —
вторичный воздух; 6 — насос
аммиака; 7 — бак аммиака; Afc—
вентилятор ROFA
и 4CR. Технология отрабатывается на пилотной установке тепло-
вой мощностью около 1 МВт.
В промышленных условиях идея распределения сорбента в то-
почном газоходе путем подачи его в сопла рециркуляции реализо-
вана на Украине на котле ГПП-312А [78|. Котел предназначен для
работы на донецком газовом угле. Пневматическая подача сор-
бента в топку производится по трубам с помощью исполнитель-
ного автономного компрессора в нижнюю часть пяти шлицов
системы дымососов газовой рециркуляции ДРГ (рис. 3.55). Оче-
видно, более эффективной может бьп ь подача сорбента в середи-
ну шлицов, в зону максимальных в них скоростей.
Поскольку технология «с противоположным вихрем» ROFA
обеспечивает интенсивное перемешивание вводимых воздушных
<86
Рас. 3.57, Узел Rofamix с подачей воздуха, разбавленной мочевины и волы [79]
струй стопочными газами (см. 3.2), естественно ее использование
для ввода в топку химических реагентов (рис. 3.56 и 3.57). Такая
технология получила общее название Rotamix. подразделяясь на
ряд технологий с зависимости от вводимых реагентов и ставящих-
ся задач.
Как элемент селективной некаталитической азотоочистки
(selective non catalytic reduction — SNCR) технология ROFA полу-
чила название Rotamix-SNCR, и при использовании для ввода
твердых сорбентов для снижения оксидов серы в системе сухой
распылительной адсорбции (furnace sorbent injection — FSI) —
Rotamix-FSL
Высокие скорости и хорошее смешение вводимых потоков, не-
сущих реагенты, с факелом в этой системе обеспечивает «ффек-
тивное снижение вредных газообразных выбросов и имеет неко-
торые преимущества по сравнению с традиционными. Так, в час-
ти снижения оксидов азота технология Rotamix-SNCR позволяет
вводить сорбент в зону оптимальных температур и может быть де-
шевле, чем традиционная система селективной некаталитической
азотоочистки. По публикациям эффективность сочетания техно-
логии «с противоположным вихрем» ROFA плюс Rotamix-SNCR
часто дает эффективность снижения оксидов на 75 % и более. Эта
технология применяется нс только дня ввода аммиака или моче-
вины. но и сорбента (активированный уголь) для снижения ртути
в дымовых газах. Эффективность снижения оксидов серы при
вводе в топочный объем пушенки или известняка по технологии
Rotamix-FS! достигает 50 — 70 % [59|.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
Топки для низкореакционных топлив
Отечественным ко пос троением и практикой ТЭС накоплен
большой опыт сжигания низкореакционных углей Технология их
сжигания включает [ 19J:
• применение схем пылеприготовления с промбункером. с
подачей сушильного агента в сбросные горелки и транспортом
пыли горячим воздухом (рис.4.1);
Рис. 4.1. Схема пылепршотивлеиия с промбункером ныли, ШБМ, подачей пыли
горячим воздухом:
/ — горелки; 2 — сбросные горелки; J — шаровая барабанная мельница; V —
циклон; 5 — бункер пыли; О — тракт сушильного агента с вентилятором; 7-
тракт вторичного влзд) ха; 8 — тракт первичного воздуха
88
Рис. 4.2. Схема процесса и котла с плечевой топком (Arch-Fired Boiler) [6]
• тонкий помол пыли (/^0 = 6-7% для антрацита и Яд0 =
= 8 * 10 % для тощих углей);
• высокий подогрев горячего воздуха /г в > 400 -г 420 °C, низ-
кая доля первичного воздуха;
• создание зон интенсивной циркуляции газов к устью горел-
ки (горелки с интенсивной круткой потока, большой диаметр со-
пел аэросмеси и др.);
• применение высокотемпературных топок преимущественно
с жидким шлакоудален нем и с зажигательными поясами.
В той или ином мере подобные мероприятия используются в
альтернативных и в современных новых технологиях. Среди них
уменьшение доли первичного воздуха за счет использования пы-
ле кон центраторов и оптимизированных мельниц, циркуляция
высокотемпературных газов к устью горелки, тонкий регулируе-
мый размол топлива.
Новые технологии вынуждены учитывать отказ от схем пыле-
приготовления с промбункером и необходимость внедрения ме-
роприятии по снижению оксидов азота Проблема снижения ок-
сидов азота при сжигании низкореакционных углеи достаточно
89
Рис, 4.3, Двойная циклонная го-
релка:
/ — труба сброса; 2 — двойная
циклонная горелка; 3 сопло
горелки; 4— короба вюрична-
го воздуха; 5 — мазутная фор-
сунка; 6 — пыледелитель; 7 —
ввод аэросмеси: 8 — контроль
пламени
сложная как из-за более высокой
температуры горения, ограниченных
возможностей влиять на процесс за-
тягиванием горения и выгорания,
так и из-за трудности обеспечения в
зоне воспламенения избытков воз-
духа ниже стехиометрического соот-
ношения по условию сгорания лету-
чих.
За рубежом для низкореакцион-
ных углей и антрацитов наиболее
широко используется так называе-
мая плечевая или арочная топка
(«arch-fired technology» в терминоло-
гии фирмы Foster Wheeler или
«downshot firing technology» в терми-
нологии фирмы Mitsui Babcock).
Расположение горелок н топке
Foster Wheeler и схема процесса по-
казаны на рис. 4.2. более детально
особенности конструкции горелки —
на рис. 4.3 [6]. Топка характеризу-
ется:
• применением двойных ци-
клонных горелок с отделением части воздуха из аэросмеси;
• пречварительным подогревом аэросмеси до температуры
вторичного воздуха до ее поступления в топку;
• наличием короба воздуха, разделенного на секции с регули-
рующими шиберами для управления количеством воздуха, посту-
пающим в зону воспламенения;
• геометрией горелок и «плеча» топки для создания рецирку-
ляции горячих газов в зону воспламенения;
• наличием в нижней части зажигательных поясов для радиа-
ционного нагрева.
R проекте Mitsui Babcockдля антрацита и тощего угля перемен-
ного качества (выход летучих в пересчете на сухое без минераль-
ной части состояние -4 ч- 14 %, ld = 15 ч- 40 %) использо-
ваны шаровые барабанные мельницы, циклонный пылеконпен-
ратор на каждую горелку и дополнительно ввод части воздуха в
90
Рис. 4.4. Схема плечевой топки •downshot firing technology фирмы Mitsui
Babcock:
/ — зона первичного горения; 2— зона вторичного горения; 5— нижнее дутье;
4—третичный воздух; 5— вторичный воздух высокой скорости; 6 — рецирку-
ляция горячих газов; 7— циклонный пылеконцентратор
конце (в нижней части) зоны первичного горения и через холод-
ную воронку (рис. 4.4) [401.
Повторимся, что к достоинствам плечевой топки относится
возможность создания рециркуляции горячих газов к устью го-
релки для улучшения прогрева и воспламенения пыли, при этом
стабильность процесса определяется работой топки в целом, а не
отдельных горелок, дополнительно в этой зоне создается интен-
сивный радиационный тепловой поток. Другое достоинство —
легко реализуемая возможность ввода вторичного и далее третич-
ного воздуха в оптимальные с позиций снижения окси лов азота
зоны.
Топочные устройства с плечевой топкой разработки компаний
Foster Wheeler (FW) и Mitsui Babcock успешно внедряются
( табл. 4.1) при сжигании ан гранита в Китае и во Вьетнаме [6, 40].
В Китае, где велика доля низкореакционных углем в дальней-
шем планируется построить 20 блоков ( КД по 600 — 660 МВт с
91
плечевыми топками Foster Wheeler, изготовленными на заводе
Китая [ 16).
Однако, стоимость плечевой топки больше, чем топки с на-
стенными горелками, и в мире приводятся работы по более адек-
ватному измерению реакционных свойств топлива [80], определе-
нию границ применимости топок с настенными горелками и их
совершенствованию [81].
Опыта работы отечественной плечевой тонки нет. Разработан-
ный на । аганрогском котельном аводе (ТКЗ) проект такой топки
о г приведенных выше отличается использованием схемы с пром-
бу н кером пыли, что позволяет отказаться от применения пылс-
кон центраторов (рис. 4.5) [82].
К числу низкореакционных твердых топлив относится и неф-
тяной кокс — твердый остаток глубокой вторичной переработки
тяжелых нефтепродуктов, внешне напоминающий уголь. По на-
шим и зарубежным данным значение может изменяться в диа-
пазоне 5,0 + 13 %, что соответствует выходу летучих в углях высо-
кой стадии метаморфизма и в антраците.
Специфика нефтяною кокса как топлива, а именно, низкие ре-
акционные свойства, значительное содержание серы и ванадия,
высокие коррозионные и шлакующие свойства, определяют ме-
юты и устройства его исполь ювания в энергетике. Наиболее рас-
пространены в мире методы сжигания нефтяного кокса в котлах с
1 з б л и ц а 4,1. Объем внесения котлов с плечевой топкой для сжигания антра-
цита Китае и Вьетна
Станция Число, электрическая мощность. МВт Год ввода в эксплуатацию, фирма
Hubei Ezhou 2x335 1999, FW
Higciieng 6хЗМ) 200и - 2002. FW
Hebei Hanfeng 2x716 2000, FW
Jiangzi Jiujiang 2 х 385 2004, ГМ.
Y ue Yang 2 х Зе>2 Mitsui Babcock
Pha Lai 2x300 Mitsui Babcock
Heze 2 х 300 Mitsui Babcock
Liaocheug 2 к 600 Mitsui Babcock
92
Рис. 4.5. Котел ТПП-2 ЮМ с плечевой тонной:
1 — первичный и вторичный воздух; 2 — третичный воздух; 3 — сушильный
агент
Рис. <6. Схема горелки (о) и компоновки i орелок (б) в котле ия сжигания нефтя-
ного кокса в топке с твердым шлакоулаленнем:
/ — концентрированная зона факела; 2—- зона с низкой концентрацией пыли;
J— встроенный пыле кон центратор
ЦКС при вводе в топку сорбента для связывания серы и в смеси с
углем в пылеугольных котлах, оснащенных эффективной систе-
мой сероулавливания. Сказанное не исключает сжигание нефтя-
93
кого кокса в «чистом» виде в традиционных пылеугольныч топ-
ках, спроектированных как для низкореакционного угля. Обычно
это высокофорсирлванные утепленные тонки или топки с жид-
ким шлакоудадснием с промбункером пыли [83].
В Японии по результатам предварительных исследований ра <-
работай и внедрен котел для сжигания нефтяного кокса с
pdaf = 9 ± 2 % с твердым шлакоулалением и схемой прямого вду-
вания пыли. Котел отличается применением мельнице понижен-
ной вентиляцией, компоновкой специально разработанных круг-
лых горелок с концентрацией подачи аэросмеси по схеме ультра-
вихревого сжигания (circular ultra iring, CIJF). От традиционной
тангенциальной топки данная схема сжигания отличается распо-
ложением горелок в центральной зоне (рис. 4.6) [84].
ГЛАВА ПЯТАЯ
Вопросы шлакования
Вопросы шлакования и загрязнения пылеугольных кот юн сис-
темно изложены, например, н [28]. В данной главе рассмотрены
лишь некоторые из вопросов, касающиеся возможного влияния
на шлакование общих тенденций развития и совершенствования
пылеугольных котлов и технических решений по внутритопоч-
ным технологиям снижения вредных выбросов.
За более чем столетний период исследований минеральной
части энергетических топлив, ее преобразования при сжигании в
топках и шлакования пылеугольных котлов накоплены достаточ-
ные знания и опыт создания, успешно работающего оборудования.
Можно также говорить о научной революции в этой области
знаний, произошедшей в 80 - 90-е голы двадцатого века. Освое-
ние в это время применительно к энергетике электронных скани-
рующих микроскопов, скомпонованных с анализаторами изобра-
жения и компьютерами, например метод CCSEM, позволило
определять состав и размеры индивидуальных минеральных
включений в угле и индивидуальных частиц летучей олы. Сведе-
ния об индивидуальном размере и составе частиц в совокупности
с разработанными методами трехмерного моделирования топоч-
ных процессов послужили базой перехода от эмпирических зави-
симое гей к научно обоснованным моделям шлакования.
Тем не менее, вопросы шлакования и за1рязнения котлов со-
храняют высокую актуальность в силу большого экономического
ущерба в результате этих явлений, постанови и и решения новых
задач [86|.
ак, поданным американского института EPR1 за 2007 г. шла-
кование и ассоциированные с ним проблемы обходятся в США
)риблизител1 но в 2,4 трлн ю ежегодно [87]. Значигельно более
95
Рис. 5J 1емнер.1Г}р.< начала
шлакования экмбастуэског о (/)
и майкубснского (2) угля раз-
ных групп по юлыюсти и раз-
ных iCT поставки
скромная оценка по [881 мирового
ущерба по причине уменьшения выра-
ботки электроэнергии и увеличения
стоимости эксплуатации оборудова-
ния из-за шлакования и загрязнения
котлов, тем не менее составляем не-
сколько миллиардов долларов в год.
Факторы, влияющие на шлакование.
Среди новых факторов, влияющих на
шлакование и направленность соот-
ветствующих исследовании, приме-
нительно к пылеугольным топкам, от-
метим следующие:
а) сращивание или более тесные
коммерчесь ие и финансовые связи уг-
ледобывающих компании и ТЭС в на-
шей стране и за рубежом повысили
долю сжигания непроекгного топлива
и усугубили проблемы шлакования. В частности, из отечествен-
ных и казахстанских примеров можно выдели гь сжигание гораздо
более шлакующих углей в котлах с высокими теплонапряжения-
^6 лво/ЮО
Рис. 5.2. Зольность К, необходимая ггепень очистки дымовых |дзов от оксидов
серы 4sO2 и показатель склонности к шлакованию топки /?гГ*
/ — береювский уголь; 2 кузнецкий (ра врез Т лдинскииг, 3 к ибастуз-
ский
96
ми и высокой температурой дымовых газов по тракту, спроекти-
рованных на нешлакующий экибастузский уголь. Сравнение тем-
пературы начала шлакования экибастузского и, например, май-
кубенского угля показано на рис. 5.1;
б) замена проектного угля альтернативным для снижения вы-
бросов оксидов серы и твердых частиц с позиций шлакования в
целом неоднозначна, в том числе может усугублять проблемы
шлакования в силу более высоких шлакующих и загрязняющих
свойств углей с малой зольностью. В частности, наиболее эколо-
гически чистый березовский уголь имеет весьма высокие шла-
кующие и загрязняющие свойства (рис. 5.2);
в) мировая тенденция увеличения параметров пара для повы-
шения эффективности энергоблоков пока не реализуется в отече-
ственной энергетике. Очевидно, что при этом, наряду с необходи-
мостью решения проблем по повышению надежности работы
металла, прогнозируется и обострение проблем шлакования.
В частности, с ростом температуры поверхности ее шлакование
начинается при более низкой температуре газового потока (сни-
жается температура фактического начала шлакования, рис. 5.3).
Кроме того, при этом снижается температура газов, при которой
начинается образование прочных железистых отложений
(рис. 5.4).
Приведенные на рисунке зависимости получены при исследо-
ваниях, выполненных в кратковременных опытах при помощи
зондов. В количественном отношении они могут отличаться от
тех, которые наблюдаются в длительной эксплуатации. Вместе с
гем, можно сделать заключение, что при использовании достаточ-
но холодных поверхностей нагрева образование железистых отло-
жений можно, по-видимому, предотвратить.
Для проектируемых и реконструируемых котлов разработан
ряд технических решений, направленных на уменьшение шлако-
вания путем применения «холодных» поверхностей нагрева. В ча-
стности, в Красноярском политехническом институте (КПИ)
предложены компоновки пароперегревателя с размещением «хо-
лодных» поверхностей нагрева в зоне максимальных температур
газов, что, однако, не оптимально с позиций теплообмена.
В Урал ВТ И предложено использование таких поверхностей на-
грева в качестве локальных защитных в местах максимального
шлакования.
97
Рис, 5.3. Граничные условия образования ш аконых отложении в завнсимосги от
сочетаний значений температур газов Э и поверхности гп:
/— экибастузский уголь; 2— кузнецкий Г; 3— кузнецкий СС: 4— кузнецкий
2ССОКП; 5— челябинский; 6— кизеловский; 7—башкирский
Образование первичного слоя и прочность его сцепления с тру-
бами зависят от материала последних» и этот фактор может
использоваться для локальной защиты особо опасных по шлако-
ванию мест. Например, на ширмах котла П-57 образование желе-
зистых отложений в неоптимальных режимных условиях наблю-
далось на трубах из стали перлитного класса. На аустенитных тру-
бах даже в зоне более высоких температур их образование не
происходило или было в значительно меньшей мере.
Для низкореакционных углей применяются утепленные зажи-
гательные участки. Их использование во многом сводит на нет
достоинства таких углей, которые не склонны к образованию
прочных железистых отложений и имеют низкий шлакующий по-
тенциал. В частности серьезные проблемы со шлакованием то-
пок, вплоть до их реконструкции, наблюдались при сжигании
кузнецких углей марок СС и Т и отсутствии при этом прочного
первичного слоя. Уменьшение шлакования топок с утепленными
98
Рис. 5 4. Граничны jmmw образования железистых отложении в зависимости оз
сочетания температур повер сности и дымовых газов, о пре зеленные в опытах
УралВТИ на котлах при помощи зондов:
/ — приозерный уголь; 2— азейский уголь; /— зона образования железистых
отложений в кратковременных опытах для азейского угля
участками достигается, в первую очередь, оптимизацией их рас-
положения и размеров:
г) внедрение мероприятии по повышению параметров пара
экономически оправдано для котлов мошньнх блоков, что связано
с повышением тепловых напряжении и температуры газов в топ-
ке, ростом неравномерности полей температур. Уровень локаль-
ных температур является определяющим в процессах шлакова-
ния. Ниже температуры начала шлакования шлаковые отложения
не образуются, при ее превышении интенсивность образования
отложении и их упрочнение возрастают с ростом температуры.
С увеличением температуры горения увеличивается возгонка ак-
тивных компонентов и образование загрязнении на базе актив-
ных щелочей. Повышение эффективности цикла га счет предва-
рительной сушки топлива, как отмечалось в гл. 3, ведет к повыше-
нию температур по газовому тракту и шлакования топочных
камер.
В то же время наблюдаются благоприятные последствия роста
гемператх рного ровня сжигания с по ипий шлакования. скоре-
99
Рис, 5.5. 11рочность при спекании летучей золы (уноса), отобранной при сжигании
углей с разными избытками воздуха:
/ — экибастузский уголь, температура спекания уноса /С(1 - 118(1 ’С, ки - 35,2;
2 — кузнецкий уголь. Таллинский разрез, /tn — 1150 ’С, ко = 12,1
ние выгорания пирита ведет к ликвидации или уменьшению обра-
зования прочных железистых отложении, уменьшается склон-
ность к образованию сульфатно-связанных отложений;
д) в общем виде внедрение технологических методов сниже-
ния оксидов азота из-за создания зон с низкими избытками возду-
ха и с восстановительной атмосферой ведет к усилению шлакую-
щих свойств летучей золы в разных аспектах [28]. При локальном
и общем недостатке воздуха изменяется объем дымовых газов и
выгорание топлива с изменением температуры газов и частиц ле-
тучей золы. Для некоторых углей при этом ухудшаются шлакую-
щие свойства летучей золы из-за затягивания выгорания пирита и
возрастания в силу этого склонности к образованию железистых
отложений, а также из-за уменьшения степени окисленное гм
железа и изменения в худшую сторону свойств шлаковых отло-
жений.
Влияние избытка воздуха на упрочнение отложений для двух
углей с отличающимися шлакующими свойствами показано на
рис. 5.5. Отметим различие влияния для разных углей и при раз-
ном исходном уровне избытков воздуха на шлакующие свойства и
шлакование в целом. Отмечена закономерность в том, что, чем
менее шлакующий уголь, выше значение отношения кислых к ос-
новным оксидам ко, тем сильнее влияние изменения избытка воз-
духа. Из исслс девавшихся углей наиболее существенное влияние
и. в частности, снижение /1Ш] (более 50 °C) определено для экиба-
стузского угля в диапазоне низких избытков воздуха (а =
100
Л. . 5.6. Окисленное!ь железа в стешювмш - фи* уноса ((У1), лол - железа в
стекле (FeVT) н доля двухвалентного железа в стекле при сжигании экнбастузского
угля в котле ПК-14 Всрхне-Танглыкои ГРЭС
= 1,08 ч- 1,2); при более высоких значениях а влияние этого фак-
тора проявляется, по-видимому, слабее.
Неблагоприятное влияние на шлакование низких избытков
воздуха, в том числе и для углей гипа КАУ. для которых инстру-
ментально не зафиксировано изменение шлакующих свойств,
чаще всего, связано с уменьшением объемов дымовых газов и рос-
том температуры дымовых газов на выходе из топки, которое до-
полнительно растет за счет увеличения шлакования экранов. Од-
нако, в схемах со ступенчатым сжиганием топлива и подачей вы-
сокой доли рециркуляции в зону горения и в схемах с набросом
факела на экраны эффект по исследованиям СибВТИ на котле
БКЗ-420 Абаканской ТЭЦ может быть противоположным из-за
изменения степени вьпорания гоплива.
Отметим при этом, что ухудшение шлакующих свойств летучей
золы за счет меньшей окисленности в ней железа нс исчезает пол-
ностью при последующем прохождении зон с повышенными из-
бытками воздуха что, в частности, иллюстрируется результатами
измерения степени окисленности и форм железа при трехступен-
чатом сжигании угля (рис. 5.6).
В этой связи снижение образования оксидов азо га топочными
мероприятиями диктует создание топок большего размера и с бо-
лее низкой температурой факела, что способствует уменьшению
101
Л/с. 5.7. Темп образования отложении при сжигании термически обработанного и
необработанного углей рашых типов [90]
I.
проблем шлакования [88]. Однако в отечественной практике сни-
жение оксидов азота реализуется пока путем реконструкции су-
ществующего обор\ пования. что в ряде случаев из-за затягивания
окисления пирита и железа в расплаве при недостаточном объеме
топки ведет к возникновению или усилению проблем шлакова-
ния. Также не всегда оптимально перераспределение температур
факела в реконструируемых топках;
е) предварительная температурная обработка угля, В гл. 3 по-
казано, что в нашей стране технологии предварительной термооб-
работки разрабатывались для снижения оксидов азота, на Украи-
не — дополнительно для уменьшения расхода природного газа
при сжигании антрацита и тощего угля. В США технология отра-
батывается и применяется в качестве одного из вариантов удале-
ния ртути (в основном технологии удаления ртути связаны с обра-
боткой продуктов сжигания). В этом варианте удаляется пример-
но 70 Я ртути. Исследования интенсивности образования отло-
жений с помощью зондов не выявили заметного различия для
суббитуминозного угля и показали заметное увеличение темпа
образования отложений i 1Я термообработанного лигнита по
сравнению с необработанным (рис. 5.7) [89].
Чераприятия по снижению ущерба от имакснания. Снижение
ущерба от шлакования достигается га счет:
• выбора параметров топки, лучше отвечающих специфике
топлива и его минеральной части, м го рассмотрено в гл. 2:
102
• внедрения пылеприготовительных и топочно-горелочных
устройств, позволяющих управлять шлакованием. Для персонала
ТЭС важно иметь возможность влиять на ситуацию по шлакова-
нию работающего оборудования помимо крайнего случая его раз-
грузки, и оборудование должно отвечать этим требованиям. За ру-
бежом отработаны следующие, наиболее влияющие операции:
увеличение избытка воздуха, уменьшение оборотов классифика-
тора (угрубление помола топлива), увеличение третичного возду-
ха выше факела (ОГА), перераспределение топлива по ярусам;
• совершенствования систем мониторинга и контроля шлако-
вания (мониторингусловий, определяющих шлакование, прямой
или косвенный мониторинг шлакующих свойств, мониторингси-
туации по шлакованию) |85, 86];
• совершенствования средств и регламента работы средств
очистки от отложений.
Общая и очевидная тенденция в мире, наряду с использовани-
ем уникальных установок и методов для решения отдельных за-
дач, заключается в получении и использовании более подробных,
чем справочные данные, сведений о характеристиках и свойствах
углей. Уголь имеет гетерогенную природу и необходимо несколь-
ко аналитических методов исследования, чтобы охарактеризовать
его достаточно адекватно даже, если рассматривать только мине-
ральную часть. Помимо дорогого и сложного определения разме-
ра и состава индивидуальных частичек минеральных примесей
(метод CCSEM и подобные), используется ряд более доступных
методов. Цель исследований этими методами состоит в лучшем
понимании природы минеральном части углей, в выяснении в ка-
ких вещественных (минеральных) формах она присутствует, сте-
пени ассоциированности (связанности) с собственно угольным
веществом, наличия и состава органоминеральных элементов и
других аспектов. Перечень широко исполыуемых методов вклю-
чает флуоресцентный анализ, рентгеновскую дифракцию, диф-
ференциальный термический анализ (ДТА), дифференциальную
сканирующую калориметрию, термохимический анализ, химиче-
ское фракционирование [90].
Поведение минеральной части в котле в существенной мере
также зависит от характеристик органической части топлива, и
сост ш исследований, касающийся шлакования, также включает в
гой или ином комбинации характеристику степени мезаморфиз-
103
ма, петрографического состава» вспучиваемое™ и фрагментации
при горении. Для зарубежных исследовании характерна комбина-
ция: генерация летучей золы с использованием вертикальных
трубчатых печей, в которых при небольшом расходе пыли (грам-
мы в минуту) с определенной достоверностью воспроизводится
температура, время пребывания и среда промышленных котлов —
лабораторные исследования. Достоверная информация для но-
вых углей, как правило, достигается сравнением результатов ис-
следования лабораторных проб, проб из трубчатой печи и допол-
нительно проб с огневых стендов и промышленных котлов осво-
енных углей.
Оптимальные решения по компоновке и конструкции топоч-
но-горелочных устройств в настоящее время разрабатываются с
использованием трехмерных математических моделей, в которых
рассчитываются, в том числе, поля температур, тепловых пото-
ков, концентраций частиц, состав дымовых газов и эпюры скоро-
стей В принципе, при условии достоверности использованной
модели и выбора соответствующего количества расчетных ячеек
(масштаба разбиения на геометрические элементы) такой инфор-
мации достаточно для разработки и проверки технических реше-
ний в части шлакования.
За рубежом на базе такого расчета, дополненного субмоделями
формирования летучей золы, ее закрепления, упрочнения и раз-
рушения отложений аппаратами очистки, разрабатываются науч-
но обоснованные модели шлакования топки. При концептуаль-
ной завершенности еще в начале 90-х годов прошлого века такие
модели все еще находятся в стадии совершенствования и не могут
претендовать на получение достоверных результатов для произ-
вольного котла и угля. Наиболее сложным в модели оказалось
достоверное прогнозирование состава, размеров и свойств инди-
видуальных частичек летучей золы.
Наиболее надежным на сегодня считается использование ком-
бинации эмпирических индексов, накопленной информации в
сочетании с математическими моделями [88].
Содержание и форма эмпирических индексов и методов их
применения за последние годы также претерпели существенные
изменения. В построении новых индексов вместо сведении о
среднем составе золы часто используются данные CCSEM о раз-
мерах и составе индивидуальных частичек минеральных включе-
104
ний, результаты химического фракционирования, например [91].
В новых индексах шлакования также используются результаты,
полученные с применением трубчатых печей и нетрадиционных
установок. В некоторых случаях для построения индексов ис-
пользуется математический аппарат нечеткой логики [92], в дру-
гих — нейронных сетей. Естественно, что из-за отсутствия соот-
ветствующих исходных данных для отечественных углей само-
стоятельное использование этих индексов невозможно; кроме
того, для части из них не публикуется алгоритм расчета.
Вместе с тем, упрощенные методы на базе широко доступных
сведений не потеряли своей актуальности. В том числе это связа-
но с тем, что метод CCSEM обычно не используется в коммерче-
ской практике. Внедрение методов непрерывного контроля со-
става минеральной части посту лающего топлива также требует
совершенствования и использования упрощенных индексов на
базе данных о среднем составе золы [93]. На современном этапе
приборно определяемые характеристики золы среднего состава
могут быть элементом компьютерной программы, что позволяет
учитывать не только характеристики минеральной части, но и
конструкцию, и режим работы топки [94].
Совершенствование очистки поверхностей нагрева, помимо
конструкции аппаратов очистки, в первую очередь касается сис-
темы управления их работой. Наиболее эффективными из мето-
дов контроля является разработка и внедрение так называемых
методов «интеллектуальной» очистки. Эффективность очистки
повышается при внедрении систем, в которых очистка выполня-
ется по программам искусственного интеллекта. Особенно эф-
фективны такие системы при серьезных проблемах с образовани-
ем отложении и при использовании углей переменною качества.
Такие системы работают по прямому и косвенному принципам.
В системах по прямому принципу компьютерными программами
воспроизводятся действия опытного оператора. В косвенныхсис-
темах используется математическое моделирование, математика
нечеткой логики и нейронных сетей, теоретические представле-
ния, экспертные системы. Такие системы на основе опыта «обу-
чаются», вырабатывают алгоритм, как максимально уменьшит!»
рост отложении [95].
105
Список литературы
1. Ольховский Г. Г., Тумановскин А. Г. Проблемы и перспективы ис-
пользования угля в электро »нергетике России // Энергетик. 2004.
№ 12. С. 9- 13.
2. Совершенствование топливного баланса тепловых электростанций
России — настоятельное требование времени // Энергетик. 2004.
№ 11. С. 4-9.
3. Cabal V. L. Technologies of cost effective clean coal improvements to
Russian utility plant // EU-Russia Energy Technology Centre. Moscow.
26 - 27 May. 2003.
4. Jayadevan C. Coal fired Boilers Technologies for Improved Efficiency &
Reduced Emissions // Clean Coal Technologies. September. 2008.
5. Современные пылеугопьные паротурбинные энергоблоки сверхкри-
тического давления A. Ш. Лейзерович, Г. Д. Авруцкий. И. А. Савен-
кова и др. /Энергохозяйство за рубежом. 2009. № 5(246). С. 38 - 52.
6. Technology Status and Project Development Risks of Advanced Coal Power
Generation Technologies in APEC Developing Economies N Lusica,
T. Xie, Y. Lu // Energy Working Group Project EWG 06/200"A. USA,
October 2008.
7. Kaneko Sh. Advances in Combustion Technologies and Power Plant
Performance Improvements//International Symposium «Low rank coal»,
Australia, Melbourne. 2010.
8. Allardice D, J., Younn В. C. Utilisation of Low Rank Coals // Eighteenth
Annual International Pittsburg Coal Conference. Newcastle. New South
Wales. Australia. December 3 - 7. 2001.
9. Experimental investigation on the combustion behaviourof Greek brown
coal with varying moisture content / E. Kakaras, P. Grammelis, M. Agrani-
otis et al. // Presentation at the Third International Conference on Clean
Coal Technologies for our Future. Sardinia. Italy, May 15 — 17. 2007.
10 Буроугольные энергоблоки с оптимизированными основными ком-
понентами //Энергетика за рубежом. 2010. Вып. 4. С. 18 - 25.
11. Новые проекты и технологии производства электроэнергии в Герма-
нии // Энергетика за рубежом. 2010. Вып. 5. С. 11 - 16.
12. Ness М., Bullinder Ch. Pre-Dry ing the Lignite to GRE’s Coal Creek Station
// www.netl.doe.gov/technologies/coalpower/.../GRE/Coal0505_l.pdf.
May, 2005.
13. One Year of Operating Experience with a Prototype Fluidized Bed Coal
Dryer at Coal Creek Generating Station 1 N. Sarunac, M Ness, Ch.
Bullinger // Presentation at the Third International Conference on Clean
Coal Technologic'; for our Future, Sardinia Italy, May 15 - 17, 2007.
106
14. Power Plant Optimi ation Demonstration Projects Clean Coal Techno-
logy, Topical Report, September 2007, No 25.
15. Susta M. R. Ultra-supercritical pulverized coal fired Power Plants //
COALGEN 2006. USA. Cincinnati. August 16 — 18. 2006.
16. Mao J. Supercritical Boiler Burning Anthracite in China Cleaner Coal
Workshop, Vietnem, Ha Long Sity, August 19 — 21,2008.
17. Supercritical Boiler Technology Matures / Mark Richardson, Yoshihiro
Kidera, Yoshio Shimogori www.hitachipowersystems.us.
18. Benson Boilers for Maximum Cost-Effectiveness in Power Plants //
Siemens AG, www pg siemens.com, 2001
19. Методические указания по проектированию топочных устройств
энергетических котлов Под ред Э. X. Вербовецкий, Н. Г. Жмерик.
СПб.: ВТИ-ИКТИ, 1996.
20. Резников М. И.. Липов Ю. М. Паровые котлы тепловых электро-
станций. М.: Энергоизлат. 1981
21. [Пишканов О. Г.,Анлруняк И. В. Снижение температурных неравно-
мерностей в тангенциальной топке котла Е-500 // Электрические
станции. 2008. № 3. С. 23 — 27.
22. АрхиповА. М. Возможные пути оптимизации ступенчатого сжига-
ния угля с пониженным выходом летучих //Теплоэнергетика. 2009.
№ 1. С. 60-62.
23. Архипов V М., Путилов В. Я. Ступенчатое факельное сжигание куз-
нецких углей на ТЭС // Теплоэнергетика. 2009. № 8. С. 52 — 57.
24. Сравнительный анализ по математической модели аэродинамики, те-
плообмена и температурных полей 'вухвихревой топки с наличием и
без заднего холостого дутья Н. В. Артемьева, М. К). Чернецкий,
Г. Н. Хрусталев // Сб. докладов V научно-практической конферен-
ции «Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов,
улавливание и использование юлы». Т. III. Проблемы и совершенст-
вование угольной энергетики. Челябинск: И ЦЭУ, 2011. С. 157 — 166.
25. Проектирование топок с твердым шлакоудален ием (руководящие
указания, дополнение к нормативному методу теплового расчета ко-
тельных агрегатов). Л.: ЦКТИ-ВТИ. 1981
26. Проектирование топок с ЖШУ (руководящие указания, дополнение к
нормативному методу теплового расчета котлоагрегатов) / Под ред.
Ю. Л. Маршака, М. М. Рубина. М.: B’i И, 1983.
27 Уточнение показателей загрязнения и шлакования для слабошлакую-
ших углеи применительно к нормативному и зональным метопам
теплового расчета топочных камер и математическим моделям
А. Н. Алехнович, Н. В. Артемьева, М Ю. Чернеикии // Сб докладов
V научно-практической конференции -Минеральная часть топлива,
шлакование, очистка котлов, улавливание и использование юлы».
107
T. IL Очистка котлов, золоулавливание и использование золы. Челя-
бинск: ИЦЭУ, 2011. С. 57 - 65.
28 Шлакование и образование отложений в газовом тракте котла / А. Н.
Алехнович, В В. Богомолов, В. Е. Гладков и др.//Теплоэнергетика.
1997. № 3.
29. Алехнович А, Н. Шлакование энергетических котлов. Челябинск:
ЧФПЭИпк, 2006.
30. Допустимая по условиям шлакования температура газов на выходе из
топки // А. Н. Алехнович. Н. В. Артемьева, В. В. Богомолов , Элек-
трические станции, 2007. № 2.
31. Barrett R. Е. Designing boilers to a void slagging, touhng / 1990. Vol. 134.
No 2. P. 41,42, 44,46.
32. Wall fired low NOX burner evolution for global NOX compliance /Т. Sleitz,
J. Grusha, R. Cole // The 23rd International Technical Conference on
Coal Utilization & Fuel Systems. Cicarwater. Florida. USA. March 9—13.
1998.
33. Steam: its generation and use T he Babcock W Icox Company. 41 st
edition, 2005.
34. Basu P, Pulverized coal fired furnace. Unit 15 / poisson.me.dal.ca/sitc2/
courses/mech4840/15_PF%20Furnace’07.pdf.
35. Better Testing R. F. Storm. St. K. Storm, S. Tuzcnew // Word Coal, Sep-
tember 2003.
36. Алехнович А. Н», Богомолов В. В. Выбор температуры газов на выхо-
де из топки по условиям шлакования // Теплоэнергетика. 1994. № 8.
С. 23 - 26.
37. (iun-Myung Lee. Application of Low NOX PC Burner in Coal Fired Boiler
Retrofit Project // Presented at Ама Pacific Partnership Peer Review. July
7, 2009.
38. The latest low-NOx combustion technologies for pulverized coal fired
boilers / H. Okazaki, K. Kiyama, H. Yoshizako el al. // www.powcrgenworldwide.com, 2008.
39. Mitsui Babcock Energy Ltd Low-NOx axial swirl burner // UK, ETSU,
Case Studs, March 19%.
40. Combustion of Low Volatile Coals in Wall Fired Plant — Phase 1 //
J. Gillespie, S. Bedi, J Gibbins, C. Man Mitsui Babcock, Report No:
32/01/031, 2002.
41. Модернизация котельной установки для блока № 3 Каширской ГРЭС
с целью снижения выбросов оксидов азота / А А. Смышляев,
С. А. Евдокимов. Л. Г. Дубовицкая и др. // Электрические станции.
2008. № 1.С. 2-8.
42. Сердит Ф. А. Котел для блока 600 МВт на экибастузских углях с тан-
генциальной топкой и вихревыми низкоэмиссионными горелками //
108
Сб. докладов VII Всероссийской конференции « Горение твердого то-
плива». Новосибирск, 2009. Ч. 1. С. 89 — 96.
43. Бондарев А. М. Технология сжигания топлива в высококонцентри-
рованной аэросмеси — залог эффективного снижения NOX// Энер-
гетик. 2006. № 7.
44. Бондарев А. М. Технология сжигания топлива в высококонцентри-
рованном потоке аэросмеси — залог эффективного снижения NOX//
доклад на VII конференции «Горение твердого топлива». Ново-
сибирск. 10—13 ноября 2009.
45. Inhomogeneous panicle loading in pulverized-fuel and Low-NOX burners//
UK, ETSU, Project Profile 185, February 1997.
46. Opti-Flow — T Low NOX System forTangentially-Fired (T-fired) Boilers//
www.energy.siemens.com.
47. Повышение надежности работы котлов на высокозольном топливе /
Е. В. Чернышев, А. Г. Жугрин, О. А. Давыдов и др. // Электрические
станции. 2009. № 8. С. 20 - 23.
48. Ultra-Low NOX Integrated System for Coal Fired Power Plants / G. H.
Richards, Ch. Q. Maney, R. W. Borio et al. //Alstom Power Inc . Final
Report № PPL-02-CT-19. December 2002.
49. Шульман В. Л. Встроенные системы предварительного подогрева
угольной пыли энергетических котлов // Материалы 4-й Междуна-
родной научно-практической конференции «Угольная теплоэнерге-
тика: проблемы реабилитации и развития», Украина, Алушта, 2008.
50. Вихревая пылеугольная горелка для сжигания антрацита с предвари-
тельной термохимической подготовкой / К). П. Корчевой, Н. И. Ду-
наевская, Ю. П. Кукота и др. // Материалы 4-й Международной на-
учно-практической конференции «Угольная теплоэнергетика: про-
блемы реабилитации и развития», Украина, Алушта, 2008.
51. http://www.iea-coal.org.uk/site/ieacoal_old/clean-coal-technologies-pages.
52. Blasiak W. Fuel switch from fossil to 100 % biomass on tangential fired PC
boiler// POWER-GEN Europe, 3 — 5 June 2008, Milan, Italy.
53. Advanced Furnace Air Staging and Burner Modifications for Ultra-Low
NOX Firing Systems К McCarthy, S. Laux, J. Grusha / Foster Wheeler
Energy Corporation Clinton, NJ 08809 — 400.
54. Котлер В. P. Усовершенствованный метод двухступенчатого сжига-
ния топлива//Теплоэнергетика. 2007. № 2. С. 73 — 75.
55. Алехнович А. Н. Высокотемпературная коррозия с участием соедине-
ний серы при ступенчатом сжигании угля // Энергетик. 2011. № 11.
С. 34 - 36.
56. Application of High Steam Temperature Countermeasures in High Sulfur
Coal-Fired Boilers S. Phillips, N. Shinotsuka, K. Yamamoto et al. /
Electric Power. 2003.
109
57. Григорьев Д. Р. Николаев Л. Проблемы экологически чистого и
экономичного сжигания тощего угля на котлах ПК-10 Южно-Куз-
басской ГР )С Электрические станнин. 2006. jV? 2. С. 2 — 8.
58. Utility Boiler / Презентация Process Simulations Ltd. // http://
www.psLbc.ca/downloads/brochures utility boiler.pdf.
59. Fessenden J. Multi-pollutant Emission Reduction Technology for Small
Utility Boilers Nalco Mobotec // Presented to: Lake Michigan Air Direc-
tors Consortium Innovative Industrial Source Control and Measurement
Technologies Workshop, USA. March 24. 2010.
60. ROFA' — Rotating Opposed Fire Air PGE, NPE. REWE (June 2011).
61. Повышение эффективности работы котлов в результате применения
системы нижнего лутья конструкции НПО ЦК*1 И Е. Э. Гильде.
И. С. Клепиков, Л. Н. Гусев и др. Теплоэнергетика. 2003. №? 2.
С 55 - 57.
62 Опыт ступенчато-вихревого сжигания кузнецкого каменного угля /
Р. Г. Аношин, Ф. Р. Валиев, К А. Григорьев и др. Сб. докладов
IV научно-практической конференции. Челябинск: ЧФПЭИпк
Т.П. 2007. С. 110-115
63. Моделирование и численная оптимизация вихревых топочных уст-
ройств / Е. Б. Жуков, В. А. Голубев, К. С. Афанасьев и лр. // Сб. док-
ладов IV научно-практической конференции. Челябинск: ЧФПЭИпк
Т. I. 2007. С. 52-61.
64. Модернизация котлов Рязанской ГРЭС на низкоэмиссионное вихре-
вое сжигание канско-ачинских углей (ВИ Р-технология) / Ф. 3. Фин-
кср, В, М. Кацман. В. В. Морозов и др. // Энергетик. 2003. № 2.
С. 14- 16.
65. Котлер В. Р., ( ерков Д. Е. Влияние концентрического сжигания на
экологические характеристики мощных энергоблоков на твердом то-
пливе Электрические станции. 2000. № 9 С. 65 — 69.
66. Colechin М. Carbon Burnout Project — Coal Fineness Effects // Report
No. COAI R242, DTI Pub, UK, February 2004.
67. Левит Г. T, Совершенствование организации топочного процесса /
Тепло энергетика 2005 № 2. С. 43 - 57.
68. Grusha J., Woldehanna S. Application of Simulation Tools and Expe-
nmental Methodologies in the Design and Performance Optimization of
Low NO, Retrofits to a Lignite Tangential Fired Boiler / Presented at
EPRI-DOE EP\ Combined Utility Air Pollutant Control Symposium,
Atlanta, GA., August 16 — 20, 1999.
69 Coal-over-coal rebum testing, modeling and plant feasibility // UK, FTSU,
Project Summary 196, March 1998.
7( Experiment and mechanism investigation on advanced ' eburning for NOX
reduction: influence of CO and temperature W ng Zht-hua. Zhou
110
Jun-hu, Zhang Yan-wei et al. // Journal of Zhejiang University SCIENCE.
2005. № 6B(3). PP. 187 - 194.
71. Tobin J. Rehum & Advanced NOX Control Technologies APEC Clean
Fossil Energy Seminar Seoul, Korea — December 9 — 12, 2003.
72. Resuming /http://fiuid.wme.pwr.wroc.pl/~spalanic/dydaktyka •combus-
tion Mi В M/NOx, 7.rebuming.pdf
73. Опыт разработки и внедрения систем двух и трехступенчатого сжига-
ния для снижения выбросов NOX на пылеуго. 1ьны.х котлах Ф. А. Се-
рант., Л. С. Воронова, В. Е. Остапенко и гр. // Сб. докладов VI Все-
российской конференции «Горение твердого топлива». Новосибирск:
2006. Ч.З. С. 263 - 271.
74. Новые разработки пылеугольных котлов конструкции ОАО
«ЭМАЛЬЯНС» А. А. Смышляев, В И. Щелоков, С. А. Евлот имев и
др. // Сб. докладов международной научно-технической конферен-
ции Технологии эффективного и экологически чистого использова-
ния угля». М- ОАО ВТИ». 2009. С. 22 - 31.
75. Boni L., Kobayashi Н. NO* Reduction From A 44-MW Wall-Fired Boiler
Utilizing Oxygen Enhanced Combustion // Presented at Clearwater
Conference, March, 2003.
76. NOX Emission Control from Industrial Boilers, Furnaces, and Gas Turbines
/ L. Swanson, D. Moydeda I I Control Technologies Symposium, Canada,
Alberta, 9 April 2008.
77. Вихпев В. Ю, Разработки и исследования малозатратных технологий
снижения вредных выбросов от энергетически к котлов// Энергетика
за рубежом. 2010. Вып. 5. С. 41 — 45.
78. ВольчинИ.А.. Давыдович К. Г. Реализация сухой сероочистки на
блоке 300 МВт// Презентация VI Научно-практической конферен-
ции Угольная теплоэнергетика: проблемы реабилитации и разви-
тия -, Украина. Алушта, сентябрь 2010 г.
79. ROFA and Rotamix System Reduced NO4 below 200 mg Nm3 at Elckt-
rownia Opole / B. Higgins, B. Gong, Ed. Pozzobon, et al. // The 35 th
International Technical Conference on Clean Coal & Fuel Systems,
Clearwater, Florida. June 6—10, 2010.
80. Реакционные свойства энергетических углей / А. Н. Алехнович, В. В.
Ьогомо.юв, Н. В. Артемьева //Сб. докладов VII Всероссийской кон-
ференции «Горение твердого топлива». Новосибирск. 2009. Ч. 3.
С. 92- 101.
81. Combustion of low volatile coals. Application to Wall Fired Power Plant //
UK, DTI, Project Summary 344, August 2005.
82. Фезотов ГЕ H., Хлмченко С. А, Основные направления технологий
i жигания твердых топлив, применяемые на ОАО ТКЗ «Красный ко-
тельщик» Сб. докладов VI Всероссийская конференция «Горение
гвердоготоплива*. И восцбирск. 2006 Ч 2. С 265 — 2
111
83 Cofiring coal with other fuels / R. M. Davidson, A. Doig, J. M. Ekmannetal
// 1EA Clean Coal Centre. Browse the coal online, httpz/./ww'w.coalon-
line org/site/coalonline.
84. . Operation results of power station with petroleum coke firing boiler
Y. Hirayama, M. Hishida, Y. Yamamoto et al. // Technical Review. 2007.
Vol. 44. No. 4.
85. Алехнович A. H. Актуальные вопросы исследования шлакующих
свойств углей и шлакования котлов // Электрические станции. 2011.
№ 9. С. 2 - 7.
86. A Review on Boiler Deposition Foulage Prevention and Removal
Techniques for Power Plant N Hare, M.G. Rasul, S. Moazzcm / Recent
advances in Energv A Environment, Proceedings of the 4th
IASME/WSEAS International Conference on ENERGY & ENVIRON-
MENT (EE'09), Cambridge, UK, Februaiy 24 - 26,2009. PP. 217 - 222
87. Neville A. New Laser Technology Helps Reduce Coal-Slagging Headaches
Power (www.powermag.corn coal), February 1,2009.
88. Barnes I. Slagging and fouling in coal-fired boiler^ // Profiles IEA, PF
09 - 04, United Kingdom, June 2009
89. Lokare Sh. S. A mechanistic investigation of ash deposition in puhei-
ized-coal and biomass combustion // A dissertation for the degree of Doc-
tor of Philosophy, Brigham Young University, USA, December 2008.
90. liupta R. Advanced Coal Characterization: A Review 2006 Sino-Australia
Symposium on Advanced Coal Utilization Technology, July 12 — 14,20' >6,
Wuhan, China
91. Benson S. A. Ash Formation and Behavior tn Utility Boilers / Microbeam
Technologies Inc. Newsletter Articles. 2001.
92 Prediction of the slagging state on coal-fired boilers based on vague sets Xu
Zhi-ming, Wen Xiao-qiang, /hang Ai-ping et al. // Proceeding of
International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning VIII,
Austria, Schlandming, 2009, June 14 - 19.
93 Benson S. Application of On-line Coal Analyzer to Plant Performance
Minnesota Energy Ingenuity Conference, November 6 — 7, 2008.
94. Yamashita Tooru. Development of Slagging Prediction fool for Pulverized
Coal Fired Boilers / Nippon Enerugi Gakkai Sekitan Kagaku Kaigi
Happyo Ronbunshu (Japan). 2005. Vol. 42. P. 57 — 58.
95 Monitoring and prediction of fouling in coal-fired utility boilers using
neural networks E. Terucl, C. Cortes, L. 1. Diez, et al Chemical
Engineering Science. 2005. Vol. 60. No. 18. PP. 5035 - 5048.
Содержание
Предисловие................................................3
ГЛАВА ГП РВАЯ. Основные вьвовы и перспективные решения .... 5
1.1. Общие положения....................................5
1.1. Повышение параметров пара..........................6
1.2. Предварительная сушка бурого угля..................9
ГЛАВА ВТОРАЯ. Основные характеристики котлов и топок.......14
2.1. Компоновки котлов и топок.........................14
2.2. Выбор основных параметров топки...................29
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Внутритопочные технологии снижения
вредных выбросов........................................44
3.1. Горелки с низкими выбросами NOV...................45
3.1.1. Вихревые горелки..............................45
3.1.2. Горелки с концентрацией аэросмеси.............51
3.1.3. Горелки с предварительным подогревом пыли.....55
3.2. Ступенчатое сжигание по воздуху...................58
3.3. Концентрическое сжигание..........................69
3.4. Схема сжигания с век становлением или трехступенчатос
сжигание, ребенинг (reburning).........................72
3.5. Схема сжигания с обогащением кислородом...........82
3.6. Схемы сжигания с вводом реагентов в топку.........82
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Топки для низкореакционных топлив........88
ГЛАВА ПЯТАЯ Вопросы шлакования............................95
Список литературы.........................................106
05 авторе
Алехнович
Александр Николаевич
профессор кафедры эксплуатации и
наладки теплоэнергетического обо-
рудования Челябинского филиала
Петербургского энергетического ин-
ститута повышения квалификации,
директор Уральской теплотехниче-
ской лаборатории доктор техн наук
Автор более 200 печатных трудов, в гом числе справочни
ков, нормативных документов, учебных пособии Разрабо-
танньк методы прогнозирования шлакующих свойств углей
и шлакования, программы прогнозирования вязкости лла-
ков и маневренности топок широко используются при раз-
работке топочно-горелочных устройств котлов. По инициа-
тиве А. Н. Алехновича и под его руководством в 1992 - 2011 гг
проведены пять научно-практических конференций «Мине-
ральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка
котлов», материалы которых опубликованы в сборниках и
отраслевых журналах.
Для сохранения привлекателен сти
угольных электростанции < ни должны
совершенствоваться в части снижения вредных
выбросов и повышения эффективности