Модернизация котельных агрегатов с использованием циклонно-вихревых технологий сжигания топлива

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Non Commercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0).

Модернизация котельных агрегатовс использованием циклонно-вихревых технологий сжигания топлива

Т. А. Кулагина^а, Т. А. Соловьева^{б а}Сибирский федеральный университет Российская Федерация, Красноярск ^бДальневосточный федеральный университет Российская Федерация, Владивосток

Цитирование: Кулагина Т. А. Модернизация котельных агрегатов с использованием циклонно-вихревых технологий сжигания топлива / Т. А. Кулагина, Т. А. Соловьева // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2024, 17(8). С. 1028–1034. EDN: HBLRJT

В отличие от заявленных в паспорте характеристик, на практике горелки часто работают со значительными избытками воздуха α = 1,4–1,6 и более, снижающими температуру факела. Эти условия не всегда приводят к полному сгоранию газа – факел получается растянутым, выходящим за границы топки. В затопленном пространстве топки котла не обеспечивается эффективное смесеобразование, вызванное ранним снижением скорости продуктов горения в большом объёме. Аэродинамическое качество топки котла не обеспечивает эффективное смесеобразование и равномерную турбулизацию тепловых потоков в большом объёме. Ярусное расположение большого количества горелок усложняет задачу по выравниванию тепловых потоков на разных нагрузках котла. Расположение горелок и условия регулирования усложняют задачу по выравниванию расходов первичного и вторичного воздуха на горелках. Сложности в регулировании расходов первичного и вторичного воздуха приводят к появлению газообразного недожога. Для снижения количества химического недожога организуют повышенный избыток воздуха на всех горелках. Улучшить условия регулирования и создать равномерное заполнение топки при любой нагрузке пытаются и за счёт увеличения числа горелок, что приводит в реальных условиях к усложнению эксплуатации котла, неравномерности формирования и распределения теплового потока в топке, снижению эффективности работы котла и существенной сложности наладки работы каждой горелки. При этом даже отлаженный режим горения на горелках и котле не гарантирует снижения выбросов оксидов азота. В частности, для горелок типа ГМ-10 паспортные значения выбросов оксидов азота NO_x при α = 1,4 составляют 210 мг/м³, что превышает почти в два раза нормативные удельные выбросы NO x , равные 125 мг/м³ при α = 1,4 согласно ГОСТ 50831–95. В технических характеристиках водогрейного котла марки КВГМ-116,3–150, оснащенного тремя горелками РГМГ-30, при номинальной нагрузке удельные выбросы окислов азота при α = 1,4 составят 230 мг/м³ при сжигании природного газа и 300 мг/м³ при сжигании мазута. Таким образом, режимные мероприятия на горелках не снижают образования NO x , при этом стоимость современных газомазутных горелок, особенно низкоэмиссионных, очень высока, а при компоновке котла несколькими горелками рекомендуемые амортизационные отчисления не компенсируют капитальных затрат на модернизацию котла. Организация третичного дутья или рециркуляция инертных газов усложняют технологическую схему котла.

Основной целью энергетической стратегии России до 2035 г. [13] является переход энергетического сектора страны через структурную трансформацию на более высокий, качественно новый уровень. Для достижения цели необходимо решить ряд задач, первой из которых является ускоренная модернизация основного оборудования, в нашем случае – это замена горелочного способа сжигания газа или мазута на циклонно-вихревой. Циклонновихревой предтопок (ЦВП) [14] интенсифицирует процессы смесеобразования топлива и воздуха. На рис. 1 представлен поперечный и продольный разрезы ЦВП мощностью 65 МВт, главной особенностью конструкции которого является наличие предварительной камеры сгорания (КС) с комбинированным подводом воздуха и газа. За счёт этого в КС ЦВП при больших тепловых напряжениях и высоких скоростях потока эффективно смешивается и горит топливно-воздушная смесь.

Сжигание мазута в ЦВП осуществляется через многосопловую центробежную форсунку, располагаемую по оси КС. Для сжигания газа в ЦВП организован тангенциальный (на ≈75 %), торцевой (на ≈20 %) и осевой (на ≈10 %) вводы топлива от общего расхода газа. Подвод воздуха – 1030 – на горение осуществляется на ≈25 % аксиально, с закруткой в осевом завихрителе, и на 75 % тангенциально по всей длине КС, что позволяет реализовать в ЦВП многоступенчатое горение. Управляя процессом горения топлива в КС ЦВП, возможно получить области с высокими тепловыми напряжениями. Ступенчатое сжигание топлива в КС ЦВП создает условия для догорания факела в основном объёме топки котла, что существенно улучшает работу экранных и полурадиационных поверхностей нагрева, повышая эффективность их работы и котельной установки в целом. При модернизации котельного агрегата КВГМ-116,3–150 устанавливают два ЦВП мощностью 65 МВт каждый на боковых экранах (рис. 2).

Реализация на котле КВГМ-116,3–150 схемы циркуляции «противоток», представленной на рис. 3, с возможностью перехода на «прямоток» позволяет существенно увеличить КПД котла при пиковых режимах работы. Эксплуатировать котёл КВГМ-116,3–150 по схеме «противоток» при нагрузках менее 70 % от номинальной и при температуре сетевой воды ниже 70 оС не рекомендуется по причине конденсации водяных паров в последнем конвективном пакете. Надежность работы котлов на меняющихся за отопительный сезон режимах циркуляции воды обеспечивается за счёт выполнения всех конвективных поверхностей нагрева из труб dy32 мм.

Коэффициент полезного действия (КПД) котла КВГМ-116,3–150, работающего по схеме «противоток», возрастает в сравнении со штатной схемой – «прямоток». При сжигании в ЦВП

Рис. 1. Конструкция газомазутного ЦВП мощностью 65 МВт (поперечный и продольный разрезы): 1 – распределительный короб воздуха; 2 – камера сгорания; 3 – торцевая вихревая камера; 4 – аксиальный завихритель; 5 – сопла тангенциального ввода воздуха; 6 – пережим; 7 – поверхности нагрева котла; 8 – сопла тангенциального ввода газа; 9 – тангенциальный газовый коллектор; 10 – сопла торцевого ввода газа; 11 – сопла осевого ввода газа; 12 – торцевой газовый коллектор; 13 – многосопловая центробежная форсунка; 14 – обмуровка; 15 – «улитка»

Fig. 1. Design of gas-oil CVC of 65 MW capacity (transverse and longitudinal sections): 1 – air distribution box; 2 – combustion chamber; 3 – end vortex chamber; 4 – axial swirler; 5 – nozzles of tangential air input; 6 – clamping; 7 – boiler heating surfaces; 8 – nozzles of tangential gas input; 9 – tangential gas manifold; 10 – nozzles of end gas input; 11 – axial gas input nozzles; 12 – end gas manifold; 13 – multi-nozzle centrifugal nozzle; 14 – cladding; 15 – «snail»

Рис. 2. Водогрейный котёл КВГМ-116,3–150: 1 – ЦВП; 2 – конвективные поверхности нагрева

Fig. 2. Converted KVGM-116,3–150 with CVС: 1 – CVC; 2 – convective surfaces of heaters

Рис. 3. Схема циркуляции «противоток»

Fig. 3. Circulation scheme «counterflow»

природного газа КПД котла на 2,8–3,1 % больше паспортного значения КПД, равного 93 %, а при сжигании мазута превышает на 1,9 % [15] паспортный КПД, равный 92 %.

Сжигание природного газа как основного вида топлива позволяет рассмотреть возможность получения низкопотенциальной теплоты, значительное количество которой содержится именно в водяных парах продуктов сгорания природного газа. Для осуществления этого процесса за котельным агрегатом целесообразно установить конденсационную теплообменную установку (КТУ). Такое решение приводит к сокращению выбросов парниковых газов за счёт снижения объёма и температуры уходящих дымовых газов. Снижение температуры части объёма дымовых газов за котлом до ≈50 оС позволяет увеличить теплопроизводитель-ность котла при том же расходе сжигаемого газа и уменьшить влажность конденсируемых дымовых газов.

Образующийся в КТУ конденсат используется для впрыска на его поверхности нагрева с целью интенсификации процесса теплообмена и для впрыска в КС ЦВП – для снижения эмиссии оксидов азота. Впрыск конденсата, не более 5–8 % от расхода топлива, в область активного горения подавляет эмиссию NO x на 20 % [16]. Осуществляется впрыск через многосопловую центробежную форсунку как эффективный способ утилизации замазученных вод на теплоисточнике [17], когда резервным или основным топливом является мазут. При установке за котельным агрегатом КТУ, теплоисточник получает тепловую энергию в виде подогретой исходной воды, что позволяет снизить затраты на собственные нужды и улучшает условия ионного обмена в фильтрах водоподготовки.

Таким образом, комплекс энергосберегающих мероприятий: циклонно-вихревая технология сжигания, утилизация теплоты из уходящих газов, впрыск сконденсировавшейся жидкости в активную зону горения, а также применение системы циркуляции воды в котле «противоток», позволяет снизить «углеродный след», улучшить экологические показатели и достичь КПД брутто котла КВГМ-116,3–150 относительно низшей теплоты сгорания топлива до 95–97 %.