Кафедра Промышленной теплоэнергетики

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА №2

по дисциплине «Энергосбережение в теплоэнергетике и

теплотехнологии»

на тему: Расчет комбинированной газо-паротурбинной установки (ГПТУ), содержащий топку с кипящим слоем под давлением

Проверил: ______________

Выполнил: ____________

Алматы 2008

1. ЗАДАНИЕ К РГР

2. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОЙ ГАЗОПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, РАБОТАЮЩЕЙ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ, СОДЕРЖАЩЕЙ ТОПКУ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

4. РЕШЕНИЕ

5. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Описание устройства работы комбинированной газопаротурбинной установки, работающей на твердом топливе, содержащей топку с кипящим слоем под давлением.

(Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. «Технология энергосбережения» М. 2006г. стр. 170-172, Котлер В.Р. «Специальные топки энергетических котлов» М. 1990г. стр. 95-98)

Принципиальная схема установки показана на рис.

1. Камера с кипящим слоем под давлением

2. пароперегреватель

3. парообразователь с экономайзером

4. паровая турбина

5. конденсатор

6. бак для конденсата

7. циклоны

8. газовая турбина ГТУ

9. осевой компрессор ГТУ

10. воздухоочиститель

12. доломит

13. воздух

14. электрогенератор

15. , 16. насосы

17.сепаратор

18.дополнительная камера сгорания

Представленная на рисунке схема позволяет осуществить бинарный цикл, когда генерируемый в котле пар используется в паровой турбине, а продукты сгорания, имеющие высокое давление, используются в газовой турбине, что позволяет существенно повысить термический КПД установки, позволяет уменьшить габариты топочных устройств и вредные выбросы в атмосферу, появляется возможность сжигания низкосортных углей.

Колы с кипящим слоем под давлением по габаритам, по сравнению с котлами обычного типа, получаются на 60% меньше, поэтому при перевооружении устаревших ТЭС можно увеличить мощность энергоблока без использования дополнительной территории, повысить экономичность энергоблока, обеспечить соблюдение экологических требований. Установка может быть выполнена в модульном исполнении полностью в заводских условиях. Модули к месту установки можно транспортировать железнодорожным и воздушным транспортом, что позволяет свести до минимума объем монтажных работ на месте сооружения ТЭС, сократить срок строительства на 25%, сократить капитальные затраты на 10%.

Установка работает следующим образом:

Воздух компрессором 9 ГТУ под давлением 1,2-1,6 МПа подается сначала в корпус 1 топки котла, а затем в камеру с кипящим слоем. Уголь и доломит смешиваются и пневматической системой подается в кипящий слой в который погружены трубы пароперегревателя 2 котла. Горячие газы, образовавшиеся в камере с кипящим слоем, отчищаются в циклонах 7 и подаются в газовую турбину 8 установленную на одном валу с компрессором 9. Часть механической энергии. вырабатываемой газовой турбиной 8. расходуется на сжатие воздуха в компрессоре 9, а часть идет на привод электрогенератора 14 для получения электроэнергии. Обработавшие газы после газовой турбины 8 поступают в регенератор 3 и затем, через выхлопное устройство в атмосферу. В регенераторе 3 установлен экономайзер, куда из бака конденсатной воды 6 насосом 15 подается конденсат под давлением. Здесь конденсат, за счет утилизации тепла выхлопных газов, нагревается и поступает в пароперегреватель 2 установленный в кипящем слое камеры 1. Перегретый пар, расширяясь в паровой турбине 4, производит механическую работу для привода электрогенератора 14. Отработавший пар, в турбине 4 поступает в конденсатор 5, где он конденсируется обдавая тепло воде используемой для бытовых и технических нужд. Полученный конденсат насосом 16 подается в бак конденсата. Зола из кипящего слоя и из циклонов пневмотранспортом подается в бункер. Доломит подмешивается в молярном отношении Ca/S=1,9-2. (При температуре около 850°С оксиды реагирующей с кальцием доломита превращаясь в сульфат кальция (гипс), который удаляется вместе с золой). Средняя скорость воздуха для ожижения слоя составляет 0,9-1 м/с, а избыток воздуха α=1,1-1,3. Эффективность горения 97-99%. Температура в кипящем слое должна быть не выше 900°С, поэтому температура газов, поступающих в газовую турбину 8, не более 850°С. Для повышения температуры газов можно часть угля подвергать пиролизу, а полученный газ сжигать для повышения температуры в дополнительной камере сгорания 18. В результате этого можно повысить мощность турбины. Кипящий слой под давлением разжигается с помощью мазутных форсунок, затем переводится на уголь. Кипящий слой высотой 3,5-4 м. ведет себя стабильно. При полной нагрузке все трубы котла погружены в кипящий слой. Если высота слоя уменьшается, например, после удаления золы, некоторые трубы оказываются над слоем и нагрузка котла уменьшается, т.к. уменьшается количество тепла передаваемого трубам, а также уменьшается температура газа. Это приводит к снижению мощности паровой и газовой турбин. Таким образом, регулирование можно осуществлять изменением массы кипящего слоя.

В таблице 1 приведены расчетные параметры блоков мощностью 200 и 800 МВт, которые осваиваются в Испании (ТЭС Эскатфон).

В Испании в качестве топлива используются лигниты, содержащие 4-8% серы, 25-45% золы и 20% влаги. Установленный на ТЭС Эскатрон котел вырабатывает 288т/ч пара с параметрами 9,5 МПа, 510°С. Расход топлива Gт=65 т/ч, известняка Gизв.=25т/ч. Установка позволяет снизить выбросы SO2 на 90%, высота слоя 3,5м., давление в топке 1,2 МПа.

Расчет комбинированной газапаротурбинной установки, работающей на твердом топливе, содержащей топку с кипящим слоем под давлением.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1. Суммарная степень повышения давления воздуха в компрессоре ГТУ, Пке =12,8

2. Расход воздуха через воздушный тракт компрессора ГТУ и топку котла Gв =115 кг/с.

3. Расход газов, идущих из камеры с кипящим слоем под давлением принимаем равным Gг≈Gв=115 кг/с

4. Коэффициент избытка воздуха, поступающего в камеру с кипящим слоем, принимаем равным α=1.2

5. Температура кипящего слоя Ткс=1173°К (900°С)

6. температура газов, выходящих из камеры с кипящим слоем, Т4’= 1123°К (850°С)

7. Температура газа, поступающего в газовую турбину ГТУ, принимаем равной Т*4=1270°К (997°С). Газ с температурой Т4’= 1123°К подогреваем в специальной камере до Т*4=1270°К, при сжигании газа, полученного в результате пиролиза части твердого топлива.

8. Температура воздуха на входе в компрессор Т*1=288°К (15°С).

9. Давление воздуха окружающей среды Рн=0.1013 МПа. С учетом потерь в воздухоочистителе входного устройства ГТУ, давление на входе в компрессор Р1*= РН*0,9=0.1013*0.9=0.09117 МПа

10. КПД компрессора и турбины ГТУ принимаем равным ηк=0.85 ηт=0.91

11.Уголь, сжигаемый в топке – Экибастузский

12.Давление воды и пара в паровом тракте, Рк =9 МПа

13.Температура перегрева пара, t0=550 0С

14.Температура отработавшего в турбине пара t2=80 0C

РЕШЕНИЕ

1. Термодинамический расчет ГТУ.

1.1 Удельная работа, затрачиваемая на адиабатическое сжатие 1 кг воздуха в компрессоре

(378,1°С).

Воздух после компрессора под давлением Р3=1,17 МПа, температурой Т3=651,1°К, с расходом Gв =115 кг/с поступает в камеру с кипящим слоем. Туда же подается топливо Gт и доломит Gизв.

°К.

Ср.г. при Т4*=1270°К, и α=1,1 из монограммы Ср.г.=1,26

МПа

Рст=0,11 МПа

При Т5*=980 °К и α=1,1; Срг=1,21;

°К (509°С)

кВт = 27,577 МВт

За счет газотурбинного цикла получена электрическая мощность

Nэ=Nст=27,577 МВт

Выходные газы после силовой газотурбины с параметрами Gг=115 кг/с, Рст=0,11 МПа, Тст=782°К (509°С) уходят в котел утилизатор.

2. Расчет паротурбинной части установки.

В котле утилизаторе устанавливаем только экономайзер. На рис. 2 приведен график распределения температур газов и воды по высоте котла утилизатора. На рис.3 показана схема котла утилизатора конденсат из бака 6 насосом высокого давления 15 подается в экономайзер 2 котла утилизатора под давлением Рк=

9 МПа. Температура воды на входе в экономайзер принята равной t3=80°C. В экономайзере вода нагревается до температуры Ts ≤ 250 °C. Из экономайзера вода поступает в испаритель, а затем в пароперегреватель установленный в кипящем слое камеры сгорания твердого топлива.

В испарители вода нагревается до температуры 300°С при которой она преобразовывается в сухой насыщенный пар с теплосодержанием h1=2961,5 кДж/кг. Теплота парообразования составляет величину:

2.1 Zn=h1-hs= 2961,5 –1085,7= 1876 кДж/кг

Сухой насыщенный пар поступает в пароперегреватель, где пар перегревается до температуры t0=550°C и его теплосодержание становится равным h0=3512 кДж/кг.

2.2 Температура кипящего слоя не превышает 900°С (1173°К), т.к. парообразователь с пароперегревателем, находящиеся в кипящем слое, отбирают тепло.

На рисунке 4 показано распределение температур воды, пара и газа в парообразователе и пароперегревателе.

Перегретый пар срабатывает в паровой турбине до атмосферного давления Pвых=0,11 МПа и температуры 100°С. Теплосодержание пара на выходе из турбины h’вых=2675,6 кДж/кг.

Отработавший пар конденсируется в бойлере до температуры t3=80°C. C теплосодержанием h3=335 кДж/кг. Теплоперепад отработавшего пара и конденсата hбоил.= h’вых - h3 = 2675,6-335=2341 кДж/кг. Это тепло перейдет в воду круга циркуляции воды системы отопления и горячего водоснабжения.

Важнейшим параметром комбинированной ГПТУ является паровое отношение Тп. Тп=Gп/Gг. Паровое отношение может быть определено из уравнений теплового баланса для экономайзера, испарителя или пароперегревателя. В кипящем слое установлены испаритель и пароперегреватель. Уравнение теплового баланса для парообразователя и пароперегревателя запишется в виде:

2.3 Ср((h0-h1)+zn)=GгCрг(Т4-T’4)

Здесь Т4 из монограмм при Т3=651,1°К и gт=0,056

В этом случае паровое соотношение будет

2.4 =

В котле утилизаторе установлен только экономайзер. Уравнение теплового баланса экономайзера, согласно рис. 2 запишется в виде

2.5 Gв(hs-h3)=GгCрг(Tтс-T5)

2.6 =

2.7 Выбираем Тп=0,65. В этом случае вода в экономайзере нагреется до температуры ts<250°C?, т.к. Тэкп=0,55<0,65

Из уравнения теплового баланса экономайзера при Тп=0,65 следует, что теплосодержание воды на выходе из экономайзера будет

=кДж/кг

Из таблиц следует, что вода в экономайзере нагреется до температуры ts=222°C. Дальнейший нагрев воды, парообразование и перегрев пара обеспечит кипящий слой.

2.8 Количество пара, которое можно получить Gп=Gп*Тп=115*0,65=74,75кг/с. ≈ 269,1 т/ч.

2.9 Для сжигания в топке с кипящим слоем под давлением используется экибастузский уголь. При этом принимаем: Wр=6,5 Aспр=43,5 Cр=38,2 Sрп=0,4 Hр=3 Nр=0,8 Oр=7,3 Qрн=15,8 МДж/кг Vг=24 K=1,35 –коэф. размолотости.

(Под ред. Григорьева, Зорина. Книга 2., стр. 362)

2.10 Из уравнения Менделеева найден теоретический расход сухого воздуха.

U0в=3,9712 м3/кг при ρв=1,293 кг/м3, L0= U0в ρв=5,135 кг возд./кг топл.

2.11 Коэффициент избытка воздуха, поступающего в камеру с кипящим слоем принимаем равным α=1,2

2.12 Удельный расход топлива qт на 1 кг воздуха составляет величину

qт=1/ α L0 =0,1623 кг топл./кг возд.

2.12* Удельный расход топлива q*т приведенный к жидкому или газообразному на 1 кг воздуха составляет величину

q*т=1/ α L*0 =0,1623 кг топл./кг возд.

2.13 Расход топлива при qт=0,1623 кг топл./кг возд. При Gв =115 кг/с составляет величину Gт=Gв*qт=115*0,1623=18,66 кг/с ≈ 67,2 т/час угля.

2.14 Количество тепла подведенного с топливом в единицу времени. QрнGт=15800*18,66=294,8*103 кВт = 294,8 МВт.

2.15 Потери тепла с уходящими газами. QII=CргGг(Твых5-Тн)=1,07*115*(423-288) = 16,612 МВт.

2.16 В дополнительной камере сгорания при сгорании топлива выделяется следующее количество тепла Qкс=Gгcрг(Т-Т4)=115*1,255*(1270-1123)= 21,22 МДж/кг

В дополнительной камере сгорания сжигается газообразное топливо, состоящее в основном из СО, полученного в результате пиролиза угля, например экибастузского. При коэффициенте избытка воздуха α=0,5-0,8 под давлением 0,15-0,3 МПа. Теплотворная способность такого топлива Qрн=5,5 МДж/кг Из 1 т. угля получается 3500 м3 топливного газа. В дополнительной камере сгорания нужно сжигать газообразного топлива в количестве Gкст=Qкс/Qрн гп=21,22/5,5=3,86 м3/с Gкстг= Gкстρг=3,86 *1,167=4,5 кг/с

Чтобы получать такое количество газа, нужно подвергать пиролизу Gугля=Gкст/3500=9241/3500=2,64 т/час.

Из расчета реакции горения, получено требуемое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива. L0=4,9436 кг возд./кг топл. В газах, на входе в дополнительную камеру сгорания, с расходом Gв =115 кг/с содержится G*в=α* Gг=0,2*115 = 23 кг/с

В камере сгорания может сгореть Gкст= G*в/Lкс0=23/4,9436=4,65 кг топл./с, а должно сгорать Gкстг=4,5 кг/с, следовательно количество кислорода, содержащегося в газах, идущих из камеры с кипящим слоем под давление, достаточно для сгорания топлива в дополнительной камере сгорания.

2.17 Мощность установки, с учетом внутренних потерь, составляет величину

N*уст=QрнGт+Qкс-QII=294,8 +21,22 -16,612 =299,41 МВт

2.18 Термический КПД цикла Ренкина, если пренебречь работой насоса, и с учетом нагрева воды в экономайзере за счет тепла выхлопных газов до температуры 204,5 °С.

2.19 Мощность паровой турбины можно определить из выражения = МВт

2.20 Мощность паровой турбины можно также определить используя T-S диаграмму действительного цикла Ренкина для паровой силовой установки, работающей на перегретом паре, рис. 5, при Р0=9 МПа и Т0=823°К.

Параметры воды и пара в точках построенной на Т-S диаграммы взяты из таблицы 3. и сведены в нижеприведенную таблицу,

Точки T-S диаграммы
3
S	494,8221,6	953
S*
1
0	823 550	3512	6,82
2

Диаграмма T-S на рис. 5 построена в масштабе μт=4 °К/мм μs=0,05 кДж/кг.К.мм. Площадь полезной работы на T-S диаграмме 3S3*1023

Полезная работа, совершенная 1 кг пара в необратимом процессе в паровой турбине, составляет величину. Lт= FΣ μт μs= 5635*4*0.05 = 1127 кДж/кг.

От паровой турбины можно получить мощность, идущую на привод электрогенератора. Nпт= LтGпηпт = 1127*74,75*0,93=78,3 МВт

Мощность паровой турбины, полученная по двум разным методикам близка.

2.21 Суммарная мощность брутто, идущая на выработку электрической энергии, составляет величину. Nэ=NΣбрутто=Nст+Nпт= 27577 + 78300=105877 кВт

2.22 КПД установки брутто.

2.23 При конденсации отработавшего пара в бойлере получаем горячую воду для бытовых нужд. Удельная работа отработавшего пара при его конденсации в бойлере составит величину

2.24 Тепловая мощность системы отопления и горячей воды составит величину Nбойл=Gпhбойл = 1989,5*74,75=148716 кВт = 149 МВт

2.25 С учетом тепловой мощности, полученной дополнительно в результате конденсации пара КПД установки составляет величину

2.26 Внутренние потери в топке котла, в газотурбинном тракте и паротурбинном тракте составляют величину

Niпотерь= Nуст- NΣбрутто- Nбойл=299,41 -105,877-148,716=44,82 МВт, что составляет 14,9% от тепла полученного от сжигания топлива в топке с кипящим слоем и в дополнительной камере сгорания. Остальные 5,3% уходят в атмосферу с выхлопными газами.

ВЫВОД

Проделав и рассчитав данную расчетно-графическую работу можно сделать вывод, что в нашем случае мощность паровой турбины, полученная по двум разным методикам, это по формуле и используя T-S диаграмму действительного цикла Ренкина для паровой силовой установки, работающей на перегретом паре близки. Так как использование и определение площади на T-S диаграмме занимает время и усложняет расчет, для инженера приемлем и удобен первый способ нахождения мощности паровой турбины.

Внутренние потери в топке котла, в газотурбинном тракте и паротурбинном тракте составили величину 44,82 МВт, что составляет примерно 14,9% от тепла полученного от сжигания топлива в топке с кипящим слоем и в дополнительной камере сгорания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. «Технология энергосбережения» М. 2006г. стр. 170-172, Котлер В.Р. «Специальные топки энергетических котлов» М. 1990г. стр. 95-98

2. В.Р. Котлер – Специальные топки энергетических котлов; 1990 г. 104 с.

3. Модоян и др. Эффективное сжигание низкосортных углей в энергетических котлах М.:1993 г. 200 с.

4. А.П. Воинов - Паровые котлы на отходящих газах; 1983 г.

5. Ключников А.Д. – Энергетика, теплотехнологий и вопросы энергосбережение

6. Борисова Н.Г. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнике, уч. пособие, Алматы, 2006 г.

Сжигание топлив в кипящем слое

Современное развитие энергетики и обострение экологической ситуации в мире потребовали поисков и разработки более прогрессивных и экологически чистых технологий сжигания твердых топлив.

Одним из перспективных направлений, обеспечивающих экологическую чистоту использования твердых низкосортных топлив в энергоустановках будущего, следует считать их сжигание в котлах с топками кипящего слоя различных модификаций: классической, циркулирующей, аэрофонтанирующей с применением аэрофонтанных аппаратов, поскольку при этом в значительной степени снижаются выбросы SO 2 и NO x уже на стадии сжигания .

1.1. Сжигание твердых топлив в топках котлов с классическим кипящим слоем

Рис. 1.1. Схемы установок с кипящим слоем: а – классический кипящий слой: б – циркулирующий кипящий слой; в – кипящий слой под давлением; 1 – основной воздух; 2 – подача топлива; 3 – вторичный воздух; 4 – вывод золы; 5 – возврат уноса; 6 – продукты сгорания; 7 – циклон; 8 – поверхность нагрева; 9 – турбина и компрессор

На рис.1.1. приведена схема топки с классическим пузырьковым кипящим слоем. В пузырьковом кипящем слое при атмосферном давлении уголь (или другое твердое топливо) сжигается в слое твердых частиц (обычно известняк), который псевдоожижается воздухом, подающимся для горения под слой. Разогрев слоя осуществляется горячим воздухом или газами с помощью специальной газовой горелки. Котлы с кипящим слоем спроектированы так, чтобы температура слоя находилась в интервале 815–870 o С. Возможность работы при низких температурах приводит к нескольким преимуществам. Благодаря низкой температуре для связывания SO 2 можно использовать в качестве сорбента недорогие материалы, такие как известняк и доломит. Когда в слой добавляется известняк или доломит, в результате реакции между CaO и SO 2 образуется CaSO 4 . В зависимости от содержания серы в топливе и количества сорбента выбросы SO 2 могут быть сокращены на 90 % и более. Термические оксиды азота образуются при температурах свыше 1300 o С. При снижении температуры скорость реакции образования NO x сильно уменьшается. При температурах 815–870 o С количество NO x , образовавшегося в кипящем слое, значительно меньше, чем в традиционных котельных установках, работающих при более высоких температурах.

Технология сжигания в кипящем слое (КС) имеет целый ряд преимуществ по сравнению с пылеугольным сжиганием твердых топлив.

К ним следует отнести:

– простота конструкции;

– возможность сжигания низкокачественных углей;

– безопасность в экспуатации;

– отсутствие мельниц тонкого помола;

– связывание SO 2 и SO 3 ;

– подавление NO x (до 200 мг/м 3).

Вследствие интенсивного перемешивания происходит выравнивание температуры во всем кипящем слое, поэтому слой можно считать изотермическим. Поверхности нагрева, опущенные в кипящий слой, имеют очень высокий коэффициент теплоотдачи. Этому способствует разрушение граничного слоя на теплообменной поверхности, а также прямое соприкосновение частиц с теплоотводящей поверхностью.

К недостаткам этой технологии сжигания следует отнести абразивный износ поверхностей нагрева, расположенных в слое; высокие значения механического недожога, ограничение мощности котельных агрегатов, оборудованных топками с кипящим слоем до 250 т/ч. Для более мощных котлов требуются решетки больших габаритов, что создает трудности по обеспечению равномерной скорости дутья.

Идеальным топливом для котлов с кипящим слоем служат сланцы, имеющие высокую реакционную способность, высокую зольность, которая определяет большую массу материала, в связи с чем стабилизируется температура сжигания, происходит быстрая сушка топлива и хорошее выгорание.

При использовании низкозольных канско-ачинских углей требуется большая добавка инертного материала. Сжигание углей с высоким содержанием солей щелочных металлов очень выгодно использовать в топках с кипящим слоем, когда практически не происходит испарения солей. Отсюда появляется возможность вовлечения так называемых «соленых» углей в энергетику.

Примером тому служит промышленный опыт внедрения кипящего слоя для сжигания шлакующих «соленых» углей в США.

В 1986 г. фирма «Бабкок-Вилькокс» переоборудовала котел с механической топкой на ТЭС Монтана-Дакота в установку с пузырьковым кипящим слоем. Этот котел был первоначально спроектирован на производительность 81,9 кг/с (295 т/ч) пара при давлении 9 МПа и температуре 510 o С для сжигания бурого угля месторождения Белах.

Однако высокое содержание соединений натрия в летучей золе приводило к сильному шлакованию топки и загрязнению пароперегревателя. До реконструкции с устройством кипящего слоя мощность была ограничена 50 МВт при расчетной 72 МВт. Для того чтобы избежать шлакования и загрязнения и поверхностей нагрева и обеспечить работу на полную мощность, был использован кипящий слой. Новая установка с кипящим слоем сечением 12,2 х 7,9 м была вмонтирована в старый котел с минимальными изменениями работающих под давлением поверхностей экранов. Воздухораспределительная решетка и окружающие ее стенки охлаждались водой. Пароперегреватель и испаритель размещались в слое для обеспечения необходимой паропроизводительности и перегрева пара и ограничения температуры слоя на уровне 815 o С. Скорость газов в слое составляла 3,7 м/с, а глубина слоя в рабочем состоянии – 1,37 м. Для включения и запуска установки подвод воздуха осуществлялся через восемь секций. Поскольку бурый уголь месторождения Белах – высокореакционное топливо, возврат летучей золы не предусматривался. С учетом низкого содержания серы и высокого содержания щелочных компонентов в топливе в качестве материала слоя был использован песок. Котел был пущен в эксплуатацию в мае 1987 г. Сейчас этот блок несет нагрузку 80 МВт при отсутствии шлакования и загрязнения поверхностей. Измеренные концентрации NO x составляли 0,14 г/МДж.

К. т.н. А.М. Сидоров, директор,
к. т.н. А. А. Скрябин, заместитель директора по науке,
А.И.Медведев, технический директор,
Ф.В.Щербаков, главный инженер,
НИЦ ПО «Бийскэнергомаш», г. Барнаул Алтайского края

О целесообразности использования топок с форсированным низкотемпературным кипящим слоем

Перспективным направлением развития промышленной и коммунальной энергетики является внедрение высокоэффективных схем организации топочного процесса в форсированном низкотемпературном кипящем слое (ФКС). Данная технология обеспечивает стабильное горение в объеме слоя и в надслоевом пространстве. Она позволяет осуществлять сжигание практически любых видов топлива и горючих отходов при относительно низкой температуре (800-1000 ОС) без спекания слоя.

Для топок с классическим пузырьковым кипящим слоем характерны невысокие скорости ожижения и, соответственно, не очень высокие тепловые напряжения воздухораспределительной решетки (до 3 МВт/м2). Процессы осуществляются в объеме слоя. Горение над слоем из-за быстрого охлаждения дымовых газов быстро прекращается, поэтому все дутье должно подаваться под слой. Зона над слоем и топочные экраны используются с низкой эффективностью, избыточное тепло от слоя должно отводиться погруженными в него поверхностями нагрева. В результате топки с классическим слоем имеют большую площадь и громоздки. К тому же работа погруженных поверхностей сопровождается их интенсивным абразивным износом. Несмотря на низкий уровень температур слоя, даже кратковременное прекращение ожижения или локальное повышение температуры опасно из-за спекания частиц слоя. Это предопределяет узкий диапазон регулирования.

Основным отличием ФКС от других типов кипящего слоя является высокая (3-10 м/с) скорость ожижения - форсировка слоя. При этом низкий механический недожог (менее 1,5-2,5%) обеспечивается благодаря расширению сечения топочного надслоевого объема к верху. Это способствует возврату крупных частиц в слой (рециркуляции) и уменьшению выноса мелких частиц. ФКС не имеет погруженных в слой поверхностей нагрева и связанных с этим проблем. Надежная работа экранных труб в зоне

динамического воздействия слоя обеспечивается применением эффективных средств защиты от абразивного износа.

Форсировка воздухораспределительной решетки дает следующие преимущества:

■ обеспечивает малые габариты решетки и реактора кипящего слоя и, следовательно, благоприятные условия для модернизации и реконструкции установленного оборудования, небольшую стоимость и малые расходы на ремонт;
■ позволяет сжигать топливо более грубого дробления, по сравнению с классическим кипящим слоем; фактически для бурых углей максимальный размер куска может достигать 30-50 мм;
■ обеспечивает более надежную работу слоя по условиям залегания, а, следовательно, расширяет диапазон регулирования нагрузки.

Технология ФКС подразумевает работу слоя в режиме газификации топлива при фактических значениях избытка воздуха α<1,0. Величина избытка определяется калорийностью и видом топлива и может составлять 0,3-0,7 (для бурых углей больше). Это позволяет еще более уменьшить габариты реактора и снизить затраты на подачу воздуха под решетку. Высвободившийся воздух увеличивает долю вторичного дутья, необходимого для дожигания уноса и продуктов газификации, - до 70%, что позволяет организовать активное вихревое движение топочных газов, способствующее повышению эффективности сгорания топлива. Теплонапряжение воздухораспределительной решетки в расчете на поданное топливо может достигать 10-15 МВт/м2.

Технология ФКС по форсировке воздухораспределительной решетки близка к циркулирующему кипящему слою (ЦКС) и обладает следующими преимуществами:

■ возможностью встраивания котлов ФКС в типовые котельные ячейки;

■ отсутствием шлакования поверхностей нагрева;

■ хорошими показателями топок ФКС, по сравнению с механизированными слоевыми топками, по стоимости, сроку службы, надежности и ремонтопригодности;

■ отсутствием мельничного оборудования;

■ возможностью сжигания широкого спектра видов топлива и горючих отходов;

■ широкими возможностями по регулированию параметров работы котлов ФКС и высокой стабильности несения нагрузки, что позволяет использовать их совместно с паровыми турбинами;

■ высокими экологическими показателями по выбросам оксидов серы и азота.

При этом, по сравнению с ЦКС, внедрение технологии форсированного кипящего слоя требует значительно меньших капитальных затрат.

Особенно привлекательны варианты внедрения ФКС, связанные с реконструкцией котельных. Они позволяют сохранить и использовать большую часть установленного оборудования, значительно сократить капитальные затраты и, следовательно, являются доступными для большинства предприятий промышленной энергетики и коммунального хозяйства. При этом вложенные средства быстро окупаются, повышается рентабельность.

Обычно основанием для внедрения технологии ФКС является:

■ новое строительство с обеспечением возможности работы на низкосортном угле;

■ необходимость обеспечения надежного тепло- и энергоснабжения (например, путем замены топлива, расширения гаммы применяемых углей, использования местных низкосортных видов топлива или горючих отходов);

■ необходимость снижения затрат на топливо путем его замены на более дешевое, или путем повышения эффективности его сжигания;

■ необходимость замены устаревшего изношенного оборудования;

■ необходимость утилизации горючих отходов, таких как отходы углеобогащения, лесо- и деревопереработки, шлак слоевых котлов и т.п.

Опыт эксплуатации котлов с ФКС

На сегодня нами совместно с рядом предприятий осуществлено внедрение топок с ФКС более чем на 50 объектах. В качестве примеров приведем, на наш взгляд, наиболее интересные из них.

Пример 1. Реконструкция Читинской ТЭЦ-2 с переводом слоевых котлов на сжигание Харанорского угля в кипящем слое. В период 1999-2003 гг. по технологии ФКС была осуществлена полная реконструкция Читинской ТЭЦ-2 с переводом слоевых котлов ТС-35 на сжигание Хара-норского бурого угля (Qрн=2720 ккал/кг; Ар=13,2%; Wр=40%) в кипящем слое.

Необходимость реконструкции была вызвана низким КПД слоевых котлов и значительными ремонтными затратами. Кроме того, ставилась задача повышения производительности котла до 42 т/ч.

Реконструкция затронула следующие узлы котла:

■ изменен профиль нижней части топки. Цепная решетка демонтирована, фронтовой и задний экраны продлены вниз. Боковые стены закрыты тяжелой обмуровкой на высоте от воздухораспределительной решетки до оси охлаждающих панелей, экраны боковых стен остались без изменения;

■ на воздухораспределительной решетке установлены съемные воздухораспределительные колпачки, обеспечивающие равномерное ожижение слоя, и две трубы слива слоя, охлаждаются водой, для удаления шлака;

■ для растопки котла в отдельном воздушном коробе под решеткой установлено растопочное устройство. Горячие газы, образующиеся при сжигании дизельного топлива, нагревают слой снизу и обеспечивают зажигание подаваемого в топку угля. После устойчивого зажигания угля в слое растопочное устройство отключается;

■ на фронтовой и задней стене топки установлены сопла острого дутья. Воздух, предварительно подогретый в воздухоподогревателе, подается к соплам штатным вентилятором ВД-13,5×1000;

■ для обеспечения ожижения слоя дополнительно установлены два высоконапорных вентилятора ВДН-8,5-I×3000;

■ второй по ходу газов пакет пароперегревателя, расположенный в поворотном газоходе, увеличен;

■ демонтирован второй по ходу газов куб воздухоподогревателя;

■ экономайзер котла увеличен на 3,5 петли;

■ лопатки штатного дымососа Д-15,5 наращены, а двигатель заменен на более мощный, что связано с повышением производительности котла с 35 до 42 т/ч.

Реконструированная топка с ФКС принципиально отличается от традиционных топок кипящего слоя, а именно:

■ высокая скорость ожижения (до 9-10 м/с), какутопокс ЦКС. За счет интенсивного перемешивания неравномерности температуры и концентрации топлива по площади слоя отсутствуют. Материал слоя частично выносится в объем топки и, интенсивно охлаждаясь, стекает по заднему экрану обратно в слой, охлаждая его. За счет многократной внутритопочной циркуляции материала слоя обеспечивается хорошее выжигание горючих;

■ под решетку подается только 50-60% воздуха, участвующего в горении, остальной воздух подается через сопла вторичного дутья. Недостаток воздуха в слое приводит к частичной газификации топлива и двухстадийному горению;

■ вторичный воздух, подаваемый через сопла, расположенные на фронтовой и задней стенах топки, образует мощный горизонтальный вихрь, что способствует дожиганию газов и выносимой мелочи.

Примененные технические решения позволили значительно улучшить показатели работы котла, в частности:

■ повысить выжиг топлива без применения дорогостоящих сепарационных устройств и возврата уноса, используемых в котлах с ЦКС. Максимальные потери с механическим недожогом не превышают 2,5%;

■ расширить предел регулирования температуры перегретого пара за счет интенсификации теплообмена в топке, обусловленной горизонтальным вихрем;

■ регулировать температуру слоя с помощью изменения расхода воздуха под решетку без применения погруженных поверхностей нагрева. При переходе в режим газификации температура слоя снижается. Зависимость температуры слоя от расхода воздуха под решетку имеет явно выраженный максимум в точке их стехио-метрического соотношения, при увеличении или уменьшении воздуха в слое температура падает. Благодаря этому котел не имеет ограничений по нагрузке из-за высокой температуры слоя;

■ добиться умеренного износа конвективных поверхностей, т.к. 60-70% всего уноса - это проскок относительно крупных частиц (100-1000 мкм), не попавших в горизонтальный вихрь, остальное - очень тонкая зола, которая мало влияет на износ;

■ снизить в 2 раза (относительно слоевых и факельных топок) выбросы оксидов азота. За счет двухстадийного горения и низких температур слоя во всем регулировочном диапазоне нагрузок и при любых избытках воздуха в топке максимальная концентрация NOx не превышает 200 мг/м3;

■ исключить значительные потери с химическим недожогом. Концентрация окиси углерода за счет дожигания в вертикальном вихре не превышает 100 ppm.

Сравнительные характеристики котла станционного № 7 до и после реконструкции приведены в табл.1.

Таблица 1. Характеристики котла ст. № 7 Читинской ТЭЦ-2.

Наименование параметра	Значение
Наименование параметра	До реконструкции	После реконструкции
Производительность, т/ч	35	42
Давление пара, МПа	3,8	3,8
Температура пара, °С	440	440
Температура питательной воды, °С	105	105
Потери тепла с механическим недожогом, %	4,5	2,5
КПД котла брутто, %	82	86
Диапазон регулирования нагрузки, %	40-100	52-100
Избыток воздуха за топкой	1,4	1,3
Температура уходящих газов, °С	175	180
Концентрация СО (не более), мг/м3	4000	100
Концентрация NOX (не более), мг/м3	450	200

Результаты наладочных испытаний показали, что максимальная паропроизводительность котла после реконструкции ограничена производительностью дымососа и составляет 44 т/ч. Заполнение топки на нагрузках выше 35-38 т/ч улучшается, содержание окиси углерода в газах снижается.

По данным эксплуатации топочный режим реконструированных котлов характеризуется высокой стабильностью. Отклонения температуры перегретого пара в стационарном режиме кратковременны и не превышают ±5 ОC. Перекосы температур по ширине топки и пульсации не наблюдаются. Рабочая температура слоя составляет 820-980 ОC.

В ходе наладочных испытаний выявлено, что минимальные тепловые нагрузки, обеспечивающие саморазогрев слоя, полностью удовлетворяют заданный график растопки котла. Расход угля для поддержания минимальной температуры слоя примерно 1,5 т/ч, что составляет около 15% расхода топлива на котел при номинальной нагрузке.

Растопка котла начинается на дизельном топливе. После устойчивого загорания угля в слое при температуре 500-550 ОC растопочная форсунка отключается, устанавливается минимальный расход топлива, и прогрев котла продолжается без постороннего вмешательства в режим горения. Расход дизельного топлива для разогрева слоя при растопке из холодного резерва составляет не более 200 л. После простоя котла менее 6 ч расход дизельного топлива уменьшается вдвое. При простое котла менее 3 ч растопка производится без использования жидкого топлива, при этом уголь зажигается от аккумулированного слоем тепла. Вместо дизельного топлива может использоваться топочный мазут.

Таким образом, в результате реконструкции удалось получить более надежный и управляемый котел с КПД брутто не менее чем на 4% выше, чем до реконструкции. Надежность, безопасность и экологические характеристики новой топки не только не уступают слоевым и факельным топкам, но и превосходят их.

Для предотвращения абразивного износа поверхностей нагрева, контактирующих с кипящим слоем, на Читинской ТЭЦ-2 была применена технология наплавки труб износостойким материалом (рис. 1).

Учитывая простоту конструкции и возможность сжигания любого низкосортного топлива, новое топочное устройство может подойти для проектирования и реконструкции пылеугольных и газомазутных котлов малой и средней мощности. Перевод котлов на сжигание углей по данной технологии позволит не только экономить жидкое топливо на растопку, но и исключить расход мазута на подсветку факела. Доля мазута, используемого для этих целей, может сократиться на порядок.

Пример 2. Строительство котельной с тремя котлами с топками ФКС . В 2003 г. предприятием ОАО «Амурагроцентр» было осуществлено строительство котельной с тремя котлами КЕ-10-14-225С для сжигания смеси бурого угля (80%) и овсяной лузги (20%) с топками ФКС.

На рис. 2 представлен монтаж оборудования на предварительно подготовленные фундаменты строительных конструкций котельного корпуса, представляющего из себя легкий металлический каркас со стеновыми панелями типа «сэндвич» предварительного производства. Опыт строительства котельных данного исполнения показывает возможность сокращения полного цикла строительства котельных тепловой мощностью 15-30 Гкал/ч за 5-6 месяцев, без учета вскрышных работ.

Пример 3. Строительство котельной с тремя паровыми котлами для сжигания бурого угля Итатского месторождения. В 2005 г. руководством ОАО «Алтайвагон» (г. Рубцовск Алтайского края) было принято решение о строительстве собственной котельной с тремя паровыми котлами КЕ-25-14-225ПС (рис. 3), продиктованное экономическими соображениями. В результате строительства предприятие получило собственный энергоисточник, оборудованный высокоэффективными котлами, выполненными по технологии ФКС, с КПД 84-87%, сжигающими дешевый бурый уголь Итатского месторождения (характеристики угля на рабочую массу: рн=3100 ккал/кг; Wр=39%; Ар=12%).

Для повышения надежности и долговечности работы экранных поверхностей нагрева в зоне действия кипящего слоя применены два способа защиты труб от абразивного износа (рис. 4). На высоту 1 м от воздухораспределительной решетки на трубах закреплены чугунные накладки (марка ЧХ16, твердость 400-450 HV, рабочая температура до 900 ОC), на высоту 1 м от накладок нанесена защита газовым напылением слоя самофлюсующегося сплава ПР-НХ17СР4-40/100 (толщина наплавленного слоя - от 0,5 до 1,4 мм, твердость - 418 HV). Как показывает опыт эксплуатации, данная защита гарантирует надежную работу экранных труб.

Схема котла КЕ-25-14-225ПС изображена на рис. 5.

Котел оснащен системой автоматического регулирования, обеспечивающей все штатные регулировки, защиты и аварийную сигнализацию для котлов малой и средней мощности. Обеспечивает пуск котла из холодного состояния и «горячего» резерва и работу котла в автоматическом режиме.

Котел КЕ-25-14-225ПС в соответствии с требованиями СНиП и технологией работы топки оснащен системой измерения, обеспечивающей контроль и регистрацию следующих параметров:

■ уровень (высота) слоя (контроль);

■ уровень воды в барабане (расход воды через котел)(контроль и регистрация);

■ давление пара в барабане (давление воды на входе и выходе из котла) (контроль);

■ давление воздуха в воздухораспределительной решетке (контроль);

■ разрежение в топке (контроль);

■ разрежение у дымососа (контроль);

■ температура уходящих газов (контроль);

■ температура слоя (контроль и регистрация);

■ температура растопочных газов (контроль);

■ температура воды на выходе из котла в водогрейном режиме (контроль и регистрация);

■ расход пара (контроль и регистрация).

Щит управления и контроля показан на рис. 6.

Все системы автоматизации объединены в одну схему управления. Рабочее место оператора (машиниста котла) расположено в отдельном помещении. Одновременно он может управлять несколькими котлами и другим технологическим оборудованием.

Таблица 2. Результаты испытаний работы котла КЕ-25-14-225ПС ст. № 3 котельной «Алтайвагон» г. Рубцовск.

Таблица 3. Результаты промышленных испытаний котлов КВ-Ф-11,63-115ПС ст. № 1, 2 и 3 в центральной котельной г. Борзя.

Характеристики	Ст. № 1		Ст. № 2		4,6	10,1	4,9	9,5	4,2	9,8
Расход воды, м3/ч	218	218	210	210	200	200
Концентрация СО, мг/нм3 (а=1,4)	405	360	180	382	477	438
Концентрация NOX, мг/нм3 (ос=1,4)	347	353	235	409	297	207
Содержание горючих в уносе, %	10	14,5	15,8	15,5	11,9	13
Расход воздуха в слой, нм3/ч	7200	13410	6900	13760	8210	12940
Общий расход воздуха на котел, нм3/ч	10000	20600	11000	22400	12000	20600
Температура кипящего слоя, °С	765	810	726	792	742	792
КПД котла брутто, %	89,9	84,4	86,3	84,3	84,6	83,5
Удельный расход условного топлива, кг/Гкал	155,1	155,8	158,9	161,9	160,2	161,3

Примечание: топливо - бурый уголь: 0^=3012 ккал/кг; Ар=13,2%; Wp=35,9%.

Управление и контроль осуществляется с компьютера из отдельного помещения по сети, либо с сенсорного экрана на щите управления. Вид панели контроля и управления котла показан на рис. 7.

Результаты испытаний котла КЕ-25-14-225ПС (табл. 2) показали высокий КПД, низкие выбросы NOx (300-385 мг/нм3) и СО (80-300 мг/нм3). Содержание горючих в уносе с увеличением нагрузки от 30 до 100% изменялось в диапазоне 10-21% с соответствующим изменением мехнедо-жога от 1,59 до 3,87%. КПД котла во всем диапазоне нагрузок изменялся в пределах 84,9-86,3%. Температура пара составляла 204-225 ОC. Температура кипящего слоя равнялась в среднем 890 ОC и обеспечивала надежную бесшлаковоч-ную работу котла. Удельный расход условного топлива составил 188,3 кг/МВт.

Пример 4. Реконструкция котельной путем замены изношенных котлов на два водогрейных котла с топками ФКС . В 2005-2006 гг. в г. Могоча Забайкальского края была осуществлена реконструкция котельной ЖКХ путем замены изношенных котлов на два водогрейных котла КЕВ-10-95ПС (рис. 8) с топками ФКС для сжигания Харанорского бурого угля.

Основные технические характеристики котла:

■ теплопроизводительность 6,98 МВт (6 Гкал/ч);

■ давление воды на входе не более 0,8 МПа (8,0 кгс/см2);

■ давление воды на выходе не менее 0,24 МПа (2,4 кгс/см2);

■ температура воды на выходе не более 95 ОC;

■ КПД котла (брутто) 85,87%;

■ полный расход топлива 2596 кг/ч. Конструктивной особенностью котла является наличие топки ФКС, установленной в нижней части топочной камеры котла, образованной кирпичными стенами, сходящимися к низу. Топка ФКС состоит из воздухораспределительной решетки (площадь - 2,4 м2) с воздушным коробом снизу, растопочной камеры с форсункой, трубы слива слоя и устройства удаления шлака. На решетке в коридорном порядке установлены съемные чугунные колпачки. Под решетку подается воздух от высоконапорного вентилятора ВДН 8,5×3000-I (17000 м3/ч; 75 кВт).

Система подготовки топлива обеспечивает подачу в слой угля с размером частиц до 25-30 мм. Подача осуществляется в слой двумя питателями ПТЛ 600 с демонтированными роторами.

Перед растопкой котла на воздухораспределительную решетку загружается инертный заполнитель. В качестве инертного заполнителя используется песок, мелкий щебень или шлак фракций 1 -6 мм. Высота насыпанного слоя 250-350 мм.

Система растопки котла включает в себя бак солярового масла, топливный насос, фильтры механической и тонкой очистки, арматуру. Растопка котла осуществляется прогревом слоя подаваемыми под решетку горячими газами, образующимися при сгорании жидкого топлива в растопочной камере. Регулирование температуры слоя при растопке осуществляется изменением расхода растопочного топлива.

Для уменьшения потерь с механическим недожогом в котле предусмотрена двухступенчатая система возврата уноса. Первая ступень функционирует за счет расширения топки кверху, что позволяет сепарировать наиболее крупные частицы, вылетающие из слоя. По наклонным стенам нижней части топки частицы скатываются обратно в объем кипящего слоя. В качестве второй ступени выступает конвективный пучок котла. Уловленные в нем горючие частицы по линиям пневмотранспорта возвращаются в надслоевое пространство.

На котле организовано двухступенчатое сжигание. Часть воздуха (около 70%) поступает под воздухораспределительную решетку. Оставшийся воздух через сопла острого дутья подается в топочную камеру. И первичный и вторичный воздух подаются от одного вентилятора ВДН 8,5×3000-I.

За котлом установлен дымосос ДН-12,5× 1500 (75 кВт).

По настоящее время смонтированные котлы находятся в эксплуатации, отзывы персонала положительные.

Пример 5. Реконструкция центральной котельной путем установки трех станционных котлов с топкой ФКС . В 2006 г. в г. Борзя была реконструирована центральная котельная с установкой трех новых водогрейных котлов КВ-Ф-11,63-115ПС, станционный № 1,2 и 3. Схема котла представлена на рис. 9.

Основные расчетные характеристики котла:

■ теплопроизводительность 11,63 МВт (10 Гкал/ч)

■ давление воды на входе не более 1,0 МПа (10,1 кгс/см2);

■ гидравлическое сопротивление котлоагрегата 0,18 МПа (1,8 кгс/см2);

■ температура воды на входе не менее 70 ОC;

■ температура воды на выходе не более 115 ОC;

■ КПД котельной установки (брутто) 84%;

■ расчетный расход топлива (Харанорский бурый уголь) 4112 кг/ч.

Результаты промышленных испытаний новых котлов приведены в табл. 3.

Пример 6. Строительство опытно-промышленной энерготехнологической установки по производству полукокса из Березовского бурого угля с применением реактора ФКС. В 2006 г. в котельной ОАО «Разрез Березовский 1» запущена в эксплуатацию опытно-промышленная энерготехнологическая установка по производству полукокса из Березовского бурого угля (Qрн=16168 кДж/кг, Ар=2,93%, Wр=34,1%) с сохранением тепловой мощности котла.

Установка спроектирована на базе серийного водогрейного котла КВ-ТС-20. Особенностью установки является применение реактора ФКС.

Уголь из бункера подается в кипящий слой по четырем течкам, расположенным с фронта котла. В реакторе при температурах 580-700 ОC осуществляется его пиролиз, сопровождающийся горением летучих и мелочи, выносимой из слоя. Воздух под решетку реактора подводится от высоконапорного вентилятора ВДН-8,5×3000.

Из реактора получаемый полукокс «переливом» поступает в трубчатый охладитель.

Охлажденный там до температуры 100-120 ОC, при помощи системы транспортеров он выводится в бункер-накопитель.

В результате термохимической обработки угля в реакторе кипящего слоя получается полукокс (Qрн=27251-27774 кДж/кг, Ар=7,95-8,25%, Wр=4,2-3,42%).

Весовой выход полукокса составляет около 25% от расхода угля, подаваемого в котел.

Энерготехнологическая установка работает при оптимальных соотношениях первичного и вторичного воздуха и подаваемого топлива, позволяющим при минимальных для данной конструкции потерях теплоты и вредных выбросах получить 20 Гкал/ч тепла и обеспечить устойчивый выход полукокса требуемого качества при хороших экономических показателях. Расчетный срок окупаемости инвестиционных затрат составляет не более 17,5 месяцев.

Введение

Для теплоснабжения комплекса поверхности и обогрева стволов на шахтах Украины используются собственные котельные, значительное количество которых работает на твердом топливе. Это обусловлено достаточными запасами энергетических углей, однако доля углей ухудшенного качества, с зольностью до 50%, в общем балансе твердого топлива в стране приближается к 39% и, в дальнейшем, будет возрастать из–за разработки тонких пластов . При сжигании высокозольных углей коэффициенты полезного действия угольных котлов снижаются, теплопроизводительность их не достигает расчетной, в результате снижается надежность теплоснабжения потребителей.

Одной из эффективных технологий сжигания низкосортных и высокозольных (до 80%) углей является использование низкотемпературного кипящего слоя (НТКС). Данный метод сжигания топлива отличается высоким уровнем смешения топлива и окислителя, повышенным по сравнению со слоевыми топками временем пребывания топлива в зоне горения, интенсивным теплоотводом к поверхностям нагрева, отсутствием движущихся частей в топочном объёме, возможностью сжигания в одном агрегате топлив различного состава и качества, пониженным до 1–5% содержанием топлива в слое. Технология НТКС облегчает воспламенение топлива, препятствует спеканию топливных частиц и шлакованию конвективных поверхностей нагрева .

1. Актуальность темы

В связи с увеличением доли углей ухудшенного качества, с зольностью до 50%, связанных с увеличением количества тонких пластов в стране, актуально применение котельных установок с низкотемпературным кипящим слоем, способных использовать данный вид топлива.

В настоящее время управление котлоагрегатом с низкотемпературным кипящим слоем осуществляется оператором вручную и не всегда проходит успешно и, как следствие, сопровождается вынужденным непроизводительным простоем оборудования, а в худшем случае полной остановкой технологического процесса.

Данные котельные установки применяются на территории Украины продолжительное время. За весь период усовершенствование систем автоматизации объектов не производилось. В условиях реструктуризации и перехода к рыночным механизмам в энергетике Украины требования к котельным установкам повышается. К сожалению устаревшая аппаратура не способна выводить котлоагрегат на требуемые характеристики. Необходима модернизация аппаратуры автоматизации котельной установки.

2. Харатерисики объекта автоматизации

Сжигание в кипящем слое – одна из технологий сжигания твёрдых топлив в энергетических котлах, при которой в топке создаётся кипящий слой из частиц топлива и негорючих материалов. Технология была привнесена в энергетику из химической промышленности примерно в 1970–е гг. .

Рисунок 1 – Способы сжигания твердого топлива
(анимация: 4 кадров, 20 циклов повторения, 26 килобайт)

2.1 Технологии сжигания топлив

В восходящем потоке газа загрузка из твёрдых частиц может находиться в трёх состояниях:

в покоящемся, когда скорость газа мала и он не может поднять частицы – характерен для слоевых топок;
в режиме пневмотранспорта, когда частицы переносятся с быстрым потоком газа – в камерных топках;
в псевдоожиженном состоянии при промежуточной скорости газа, когда он при прохождении через слой «раздвигает» частицы и увеличивает его толщину, понижая плотность, но не способен унести частицу за пределы слоя. Этот последний режим и создаётся в топках кипящего слоя.

Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным (800–900 °C), в настоящее время по ряду причин почти всегда используется второй. В частности, в нём весьма эффективно подавляется выделение оксидов азота и можно применить погружную поверхность, к которой исключительно высок коэффициент теплоотдачи (нагретые частицы топлива соприкасаются с ней непосредственно, и часть тепла передаётся не конвекцией, а теплопроводностью). Для регулировки температуры слоя во избежание шлакования можно вводить воду и пар, но в принципе из–за высокой абразивности этого слоя топки с его применением к шлакованию не склонны.

В кипящий слой вводят значительное количество инертных наполнителей – шлак, песок, доломит, известняк; они повышают теплоотдачу. Доломит и известняк, помимо этого, связывают в карбонаты до 90 % оксидов серы. Топливом могут служить уголь (в том числе в виде остатков в золе от низкоэффективных котлов), горючий сланец, торф, древесные и иные отходы.

Топки кипящего слоя не чувствительны к качеству топлива в смысле его химического состава, но чувствительны к однородности фракционного состава частиц топлива и инертной засыпки. Горение в данных топках более интенсивное, чем в обычных слоевых, их габариты меньше; однако для них требуется создать воздухораспределительная решётка и вентилятор большей мощности. В числе других недостатков этого типа топок:

вынос до 20–30 % всего углерода топлива (поэтому эти топки рекомендуют применять при возможности дожигания уноса размером 0–1 мм в рабочем пространстве котла);
зашлаковывание межсоплового пространства и самих сопл воздухораспределительных колосниковых решеток при недостаточном динамическом напоре воздуха;
очень большой абразивный износ теплопередающих поверхностей, особенно высокий у погружных.

Эффект интенсивного горения, аналогичный наблюдаемому при сжигании в кипящем слое, можно получить постоянным встряхиванием колосника с кусками топлива любого размера; но из–за снижения прочности металла колосника при высокой температуре этот способ сложно практически реализовать.

Топки кипящего слоя под давлением до 16 кгс/см² с глубокой очисткой газа от золы могут использоваться для организации работы газовых турбин на твёрдом топливе (в составе высоконапорного парогенератора ПГУ)

2.2 Описание технологии НТКС

В последние годы проявляется повышенный интерес к котлам, оборудованным топками с псевдосжиженным или кипящим слоем (рисунок 2). Эти топки занимают промежуточное положение между топками слоевого сжигания и факельными. Со слоевыми топками их объединяет прежде всего возможность сжигания дробленки с размером кусков до 10–20 мм и наличие решетки, через которую в слой подается воздух. При повышении скорости воздуха, продуваемого через слой, наступает момент, когда аэродинамическая сила, действующая на каждую частицу топлива, преодолевает силы взаимного трения частиц. Дальнейшее увеличение расхода воздуха приводит к псевдосжижению частиц топлива, слой как бы кипит (отсюда название кипящий слой), высота и пористость его увеличивается.

Минимальную скорость, при которой начинается псевдосжижение, называют первой критической скоростью Wкр1; при второй критической скорости Wкр2 аэродинамическая сила становится равной силе тяжести частиц топлива, и начинается их интенсивный вынос из слоя. Оба эти параметра имеют строго определенные значения только для монодисперсного материала с постоянной плотностью, а слой, как известно, состоит из полифракционного инертного материала и частиц топлива разной плотности.

Реальные топочные устройства с кипящим слоем работает со скоростями от Wкр1 до Wкр2. Различают топки с обычным, или стационарным кипящим слоем (когда скорость в нем близка к Wкр1) и топки с циркулирующим кипящим слоем (когда скорость близка к Wкр2). В последнем случае из слоя выносится значительная часть недогоревшего топлива, которое улавливается затем в горячих циклонах и возвращается для обжигания .

Важно отметить, что в топках с кипящим слоем количество горючего материала составляет обычно небольшую долю от массы слоя, основу его составляет инертный материал или зола топлива (при сжигании высокозольных углей). Интенсивное перемешивание твердых частиц под воздействием сжижающего воздуха, проходящего через слой зернистого материала, обеспечивает повышенный тепло- и массообмен в слое. Погружение в кипящий слой поверхностей нагрева позволяет поддерживать температуру на таком уровне, при котором не происходит зашлаковки слоя.

Рисунок 2 - Схема котла со стационарным кипящем слоем при атмосферном давлении:
1 – парогенерирующие панели; 2 – мембранный экран; 3 – циклон; 4 – фильтр; 5 – дымовая труба; 7 – уголь; 8 – известняк; 9 – твердые частицы из циклона; 10 – транспортирующий воздух; 11 – воздух для горения; 12 – удаление шлака; 13 – кипящий слой.

К основным достоинствам метода сжигания твердого топлива в кипящем слое относятся следующие:

обеспечивается высокий коэффициент теплопередачи;
длительное пребывание частиц в слое позволяет сжигать уголь с повышенной зольностью и отходы производства;
появляется возможность создать более компактное топочное устройство без системы пылеприготовления, при этом снижаются удельные капитальные затраты на сооружение котельной, а также ремонтные расходы;
добавка известняка в слой связывает серу топлива с зольным остатком, что уменьшает выбросы сернистого ангидрида с дымовыми газами в атмосферу;
низкие температуры в слое (800–950°С) обеспечивают отсутствие термических оксидов азота, что в некоторых случаях сокращает выбросы оксидов азота в атмосферу.

Большой опыт использования в энергетике топочных устройств с кипящим слоем накоплен в ФРГ, США, Финляндии и некоторых других странах. В последние годы большое внимание уделяется топкам с циркулирующим кипящим слоем. Эти котлы отличаются прежде всего наличием циклонов, в которых улавливается вынесенные из слоя крупные частицы (рисунок 3). Тепловое напряжение сечения в таких топках достигает 4–8 МВт/кв.м, а скорость газов в слое – 3–8 м/с. Аналогичные параметры у топок со стационарным кипящим слоем равны соответственно 2 МВт/кв.м. и 1–2,5 м/с. Топки с циркулирующим кипящим слоем отличаются более высокой степенью выгорания топлива (примерно 99% против 90–95% у котлов со стационарным кипящим слоем), они могут работать с меньшим коэффициентом избытка воздуха (1,1–1,15 вместо 1,2–1,25).

Система подачи топлива у котлов с циркулирующим кипящим слоем проще, они менее требовательны к качеству топлива и лучше приспособлены к его ступенчатому сжиганию, необходимому для снижения выбросов оксидов азота. Такие топки позволяют связывать более 90% серы при мольном отношении Са/S=2, в то время как в топки со стационарным кипящим слоем для связывания 80–90% серы требуется подавать больше известняка (Са/S=3).

Самый крупный в Европе котел с циркулирующим кипящим слоем сооружен фирмой Zurgi в Дуйсбурге (ФРГ). К середине 1987 г. он отработал около 10 тыс.ч. Паропроизводительность котла составляет 270 т/ч, давление свежего пара – 14,5 МПа, температура перегрева – 535°С.

Рисунок 3 - Схема котла с циркулирующим кипящим слоем при атмосферном давлении:
1 – уголь и известь; 2 – вторичный воздух; 3 – реактор с кипящим слоем; 4 – испарительная часть; 5 – циклон; 6, 11 – паровые котлы; 7 – электрофильтр; 8 – воздухоподогреватель; 9 – дымовая труба; 10 – зола; 12 – охладитель материала; 13 – воздух; 14 – первичный воздух.

В последнее время значительно расширились исследования топок с кипящим слоем под давлением (рисунок 4). Основное достоинство таких топок состоит в возможности осуществления комбинированного цикла, когда генерируемый в котле пар используется в паровой турбине, а продукты сгорания повышенного давления – в газовой турбине. При этом повышается термодинамический КПД цикла, еще в большей степени сжижаются габаритные размеры топочных устройств (почти на 60% по сравнению с котлами обычного типа) и уменьшаются вредные выбросы в атмосферу.

Широкое внедрение котлов с топками кипящего слоя под давлением сдерживается тем, что имеется еще ряд нерешенных проблем. Например, продукты сгорания, которые используются в газовой турбине, требуют тщательной очистки. Тканевые фильтры в этом случае нельзя использовать из–за высокой температуры газов, а механические золоуловители не обеспечивают необходимой степени очистки газов. Вторая нерешенная проблема – обеспечение плотности установки, работающей под давлением до 1,4 МПа.

Рисунок 4 – Принципиальная схема установки с кипящим слоем под давление:
1 – газотурбинная установка; 2 – уходящие газы; 3 – циклон; 4 – зола; 5 – камера с кипящем слоем под давлением; 6 – паротурбинная установка; 7 – уголь и известь; 8 – воздух.

Энергетическая компания American Electric Power еще в 1976 г. заявила о сооружении демонстрационного энергоблока мощностью 170 МВт с топкой кипящего слоя под давлением. Предварительно были проведены испытания на плотной установке в Лизенхэд (Великобритания). Они подтвердили, что выбросы сернистого ангидрида и оксидов азота существенно уменьшаются, работоспособность лопаточного аппарата ГТУ а продуктах сгорания повышается.

2.3 Автоматизация котельных агрегатов

Контроль за протеканием теплотехнического процесса на ряду с реализацией задач аварийных блокировок, обеспечивает ведение технического режима в строгом соответствии с нормами технологического регламента. Решение этих задач полностью исключает остановку котлов из–за неконтролируемых нарушений границ технологического регламента, а также резко повышает безопасность работы всех технологической системы .

Рисунок 5 – Структурная схема регулирования параметров котла, оборудованного топкой низкотемпературного кипящего слоя:
1 – дутьевой вентилятор; 2 – исполнительный механизм МЭО; 3 – забрасыватель топлива; 4 – котел; 5 – прямоточный циклон; 6 – экономайзер; 7 – циклоны первой и второй ступени очистки дымовых газов;
8 – дымосос; 9 – подпиточный трубопровод; 10, 11, 12, 13, 14 – регуляторы соответственно разряжение, уровня, выпуска шлака, расхода воздуха и топлива.

Структурной схемой автоматизации котлоагрегатов (рисунок 5) предусматривается выполнение следующих мероприятий :

1. Контроль следящих параметров:

температура отходящих дымовых газов;
давление дутьевого воздуха;
разрежение в топке котлоагрегата;
температура воздуха при розжиге;
температура в слое;
температура горячей воды или давление пара в барабане котла;
расход горячей воды или пара;
ток двигателя дутьевого вентилятора;
ток двигателя дымососа;
давление до и после жидкого топлива;
температура газов перед экономайзером и дымососом;
давление воды перед погружными поверхностями нагрева;
давление горячей воды после котлоагрегата;
разряжение перед экономайзером, циклоном, дымососом;
содержание кислорода в дымовых газах;
уровень кипящего слоя;
уровень воды в барабане котла (для паровых котлов).

2. Сигнализация и защита:

давление дутьевого воздуха низко;
разряжение в топке низко;
температура в слое высока или низка;
отсутствие протока воды через котел;
давление пара высоко;
температура воды высока;
аварийный уровень в барабане котла;
температура при розжиге высока;
отсутствие пламени при розжиге котлоагрегата.

3. Дистанционное управление механизмами котлоагрегата:

дымосос – дистанционно;
дутьевым вентилятором – дистанционное сблокированное с дымососом и схемой защиты котлоагрегата;
вентилятор возврата уноса №1 и №2 – дистанционное сблокированное с дутьевым вентилятором;
забрасывателем угля – дистанционное сблокированное с дутьевым вентилятором и схемой защиты котлоагрегата;
насосом подачи жидкого топлива – дистанционное и местное с контролем пламени в зависимости от числа розжиговых форсунок;
разгрузчиком золы;
вибратором;
конвейером золоудаления;
разгрузчиком уловленных частиц из первой ступени газоочистки.

4. Автоматическое регулирование

Выводы

Повышение цен на энергоносители, дефицит собственных топливных ресурсов, снижение качества угля, рост требований к уменьшению загрязнения окружающей среды требуют внедрения в производство более совершенного метода сжигания угля.

Именно наличие топливно–энергетических ресурсов определяют темпы и масштабы развития отдельных районов промышленного и сельскохозяйственного производства. Главными задачами являются обеспечения более комплексной переработки сырья, создание ресурсосберегающей техники и технологий, резкого сокращения потерь и отходов. В последние годы во многих странах структурная перестройка топливного баланса с целью уменьшения зависимости от нефти и газа возродила интерес к угольной тематике.

При написании данного реферата квалификационная работа магистра не завершена. Дата окончательного завершения работы: 15 декабря 2012 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Список источников

Ж.В. Вискин Сжигания угля в кипящем слое и утилизация его отходов, Донецк 1997, – 283 с.
Сургай М. Пріоритети у вугіллі й ціна їхньої недооцінки / М. Сургай // Віче. Журнал Верховної Ради України. Київ, 2008. № 3. – с. 40–45.
Приборы регулирующие Р–25. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – М.: Завод тепловой автоматики, 1985. – 48 с.
Файерштейн Л.М. и др. Справочник по автоматизации котельных/ М.: Энергоатомиздат, 1985.– 296с.
Махорин К. Е. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое / К. Е. Махорин, П. А. Хинкис К.: Наукова думка, 1989. – 204 с.
Киричков В. Н. Построение адаптивных моделей динамических объектов по данным эксперимента / В. Н. Киричков, А. Н. Сильвестров. К.: Вища школа. Головное издательство, 1985. – 68 с.
Макроклиматические районы земного шара с холодным и умеренным климатом: ГОСТ 25870–83.[Действует с 1984–07–01]. – М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1983.
Неежмаков С. В. Исследование математической модели топки кипящего слоя шахтного автономного воздухоподогревателя С. В. Неежмаков // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету.
– Вип. 8. Т. 10. – Мелітополь: ТДАТУ, 2008. С. 173–180.
О результатах разработки аналитических и численных методов оценки макрокинетических характеристик процессов термохимической переработки одиночных топливных частиц в кипящем слое /[Корчевой Ю. П., Майстренко А. Ю., Пацков В. П. и др.]. Киев, 1994. – 77 с. – (Препринт/Ин–т проблем энергосбережения НАНУ, Отделение ВПЭ).

Статус рассмотрения проекта Координационным Советом: Не рассматривался . Объекты внедрения: Промышленность , Котельные, РТС, КТС, ТЭЦ . Эффект от внедрения:
- для объекта экономия капиталовложений на сооружение станций до 10%, экономия топлива, увеличение КПД котлоагрегатов;
- для муниципального образования снижение потребления топлива, улучшение качества и надежности теплоисточников, уменьшение тарифа для потребителей. .

Стационарный котел с кипящим слоем - стационарный котел для сжигания топлива в псевдоожиженном слое инертного материала, золы или смесей с размещением в этом слое части поверхностей нагрева.

Кипящий слой - псевдоожиженный слой, состояние слоя зернистого сыпучего материала, при котором под влиянием проходящего через него потока газа или жидкости (сжижающих агентов) частицы твёрдого материала интенсивно перемещаются одна относительно другой. В этом состоянии слой напоминает кипящую жидкость, приобретая некоторые её свойства, и его поведение подчиняется законам гидростатики. В К. с. достигается тесный контакт между зернистым материалом и сжижающим агентом, что делает эффективным применение К. с. в аппаратах химической промышленности, где необходимо взаимодействие твёрдой и текучей фаз (диффузионные, каталитические процессы и др.).

Таблица по данным ОАО "НПО ЦКТИ"

		Количество	Тепловая мощность, МВт		Год ввода в эксплуатацию
пос. Пюсси, Эстония, предприятие AS "Repo"				древ. отходы/ сланец
пос. Юри, Эстония, предприятие AS "ELVESO"	новый водогрейный котел			фрез. торф/ древ. отходы
пос. Киетавишкес, Литва, предприятие АВ "DOMINGA HARDWOOD" (совместно с АО "Казлу Рудос Металас")				древ.отходы
г. Мариямполе, Литва, "Мариямполес РК" (совместно с АО "Казлу Рудос Металас")	(оснащение нового котла топкой НТКС)			древ. отходы
пос.Максатиха Тверской обл., Максатихинский ДОК	(реконструкция существующего котла)			древ. отходы
	(оснащение нового котла топкой НТКС)			древ. отходы
г.Плунге, Литва, предприятие AB "PLUNGES BIOENERGIJA" (совместно с АО "Казлу Рудос Металас")	(оснащение нового котла топкой НТКС)			древ. отходы
г. Вилейка, Белоруссия, Мини-ТЭЦ на базе РК №3 (совместно с АО "Аксис Индастриз")	Новый паровой котел Д=22 т/ч, р=24 бар, t=350ºC			древ. отходы	в данный момент - проведение ПНР
пос.В.Синячиха Свердловской обл., фанерный комбинат ЗАО "Фанком"	Новый паровой котел Еп-20-2,4-350 ДФ			древ. отходы	в данный момент - стадия изготовления оборудования

Основными, присущими только кипящему слою особенностями сжигания топлива является:

Интенсивное перемешивание частиц топлива газовыми пузырями, позволяющими избежать появления в слое существенных температурных перекосов, и как, следствие, шлакования;

Интенсификация теплопередачи от кипящего слоя к теплопередающим поверхностям (частица твердого материала, охлаждаясь у поверхности трубы, омываемой рабочим телом, из-за различия плотностей отдает на несколько порядков теплоты больше, чем такая же по объему частица газа, охлаждающаяся до той же температуры; коэффициент теплоотдачи к погруженным в кипящий слой трубам составляет в современных топках ~250 Вт/м2К);

Интенсификация горения твердого топлива (объясняется увеличением удельной поверхности окисления и постоянным «обновлением» его поверхности, благодаря интенсивной пульсации, вращению, соударениям, дроблению и истиранию в мельчайшую пыль).

В топках с кипящим слоем (рис.1, 2) сжигается угольная мелочь бурых и каменных углей с размерами кусков от 2 до 12 мм.

Температура слоя, во избежание шлакования, регулируется вводом пара в количестве 0,3-0,6 кг/кг. Возможна замена пара водой, распыленной при помощи пульверизаторов (расход воды 0,2-0,3 кг/кг).

Недостатком топок с кипящим слоем являются:

Вынос углерода до 20-30% всего углерода топлива (поэтому эти топки рекомендуют применять при возможности дожигания уноса 0-1 мм, в рабочем пространстве котла);

Зашлаковывание межсоплового пространства и самих сопл воздухораспределительных колосниковых решеток при недостаточном динамическом напоре воздуха;

Абразивный износ теплопередающих поверхностей, особенно высокий у погружных в кипящий слой.

Рис. 1. Полугазовая топка с кипящим слоем.

1 - бункер для топлива; 2 - шнековый питатель; 3 - колосниковая решетка; 4 - дутьевая коробка для подачи первичного воздуха; 5 - подача вторичного воздуха; 6 - затвор бункера; 7 - дутьевой вентилятор.

Рис. 2. Топка с кипящим слоем и с погруженным теплообменником.

1 - воздухораспределительная решетка; 2 - теплообменник; 3 - шлаковый питатель; 4 - горелка растопочная; 5 - устройство для накопления и удаления золы; 6 - винтовой конвейер.

Для того чтобы добавить описание энергосберегающей технологии в Каталог, заполните опросник и вышлите его на c пометкой «в Каталог» .

Расчет котла с кипящим слоем. Сжигание топлив в кипящем слое