Повышение эффективности сжигания твердого топлива на котлах БКЗ-220 и БКЗ-160

Строительство и развитие ТЭЦ г.Бишкек начиналось с оснащения котлами БКЗ-160, потребляющими природный газ и мазут. Карагандинский промпродукт и близкий ему по свойствам ташку-мырский каменный уголь рассматривались в качестве топливного резерва, используемого в короткий отопительный период времени. С учетом этого проект выполнен с минимизацией затрат на топли-воподачу и пылеприготовление, исключен даже мельничный резерв, а в топке максимально сокращено количество разводок экранных труб под установленные в один ярус горелки, в каждой из которых по два пылевых канала с пылепитанием от различных мельниц, рис. 1, а, б. При такой компоновке увеличиваются тепловые напряжения сечения qF ≈ 2,8 МВт/м2 и лучистой поверхности экранов qлг ≈ 1,7 МВт/м2 в зоне активного горения против нормируемых для топок с твердым шлакоуда-лением значений qFн ≤ 1,2 МВт/м2 отдельного горелочного яруса и qлнг ≤ 0,8 МВт/м2, а также повышается температурный уровень факела в конце зоны активного горения на ΔТ″аг ≥ 100 К [1–3]. В этих условиях плавятся частицы топливной породы, активизируется процесс шлакования экранов, холодной воронки с забиванием шнеков шлакоудаления.

б )

а )

Н=0,36

Вид А

г )

Б-Б

Б

(увеличено)

Рис. 1. Схема топки котла БКЗ-160: а, б, в – продольный и поперечный разрезы топки с существующими пы-лепроводами; б – ввод в топку однородной реагентной смеси; в – раздельный ввод реагентов в топку; г – вариантная схема компоновки многофункциональных горелок на боковых стенах топки; 1 – топка; 2 – зона активного горения; 3, 4 – горелки нижнего и верхнего ярусов; 5, 6 – мельницы; 7 – потоки реагентных смесей; 8 – условная окружность касания потоков 7; 9, 10, 11 – потоки пылевоздушной смеси, природного газа, воздуха; 12, 13, 14 – условные окружности касания реагентов 9, 10, 11; 15 – газовые сопла; 16 – мазутные форсунки;

Н = Н / Н _т - текущая и полная высота топки, м

Котлы в аварийном порядке останавливают на рас-шлаковку. Для улучшения ситуации на ряде котлов выполнена малозатратная реконструкция систем сжигания с организацией рассредоточенного ввода в зоны активного горения реагентных потоков, вызвавшая изменение характера горения пыли проектного угля со снижением температурного уровня факела, в том числе Т″аг. Это позволило снизить активность шлакования топочных камер, повысить до проектной величины паровую нагрузку котлов, уменьшить концентрацию оксидов азота в отводимых продуктах сгорания (рис. 1, в) [1].

Сегодня на ТЭЦ г. Бишкек сжигают угли других марок и месторождений, в том числе небольшие партии бурого угля Каракечинского месторождения, частицы сопутствующей породы которого плавятся при пониженной температуре. При подаче пылевых потоков этого угля в топки котлов БКЗ-160 с модернизированными системами сжигания в углах и на скатах холодных воронок вновь появляются следы шлака.

При нагрузках Дпп ≥ 135 т/ч начинают шлаковаться ширмы. Для организации нормальной работы котлов требуется более радикальное вмешательство в конструктивное оформление зоны активного горения топок с уменьшением существующих значений тепловых напряжений [2, 3]. Но если величина показателя q лг может быть уменьшена путем увеличения межярусного расстояния с вынесением пылепроводов из существующих горелочных блоков, (рис. 1, г), то приблизиться к безопасному нормативному значению q_F н при фиксированных размерах топки, согласно «Норм» можно за счет снижения тепловой и паровой нагрузок на ~ 15 % (Дпп ≈ 0,85 Д^нпп ≈ 136 т/ч) [2, 3].

Повысить нагрузку можно при переходе к низкотемпературному сжиганию топлива, для чего необходимо реализовать приточно-диффузионный механизм питания факела окислителем, в частности, раздельным (рассредоточенным) вводом реагентных потоков через специально разработанные многофункциональные горелочные устройства [4– 10]. Работа горелок сопровождается формированием сверхнизких значений падающих тепловых потоков в направлении амбразур, в связи с чем повышается их долговечность с продлением межремонтного срока до 12–16 лет и более. В низкотемпературном факеле понижается активность окислительных процессов, в том числе образования оксидов азота, вследствие чего концентрация этого вредного для здоровья людей и окружающей среды вещества в отводимых продуктах сгорания оказывается ниже, чем при обычном сжигании пыли, вводимой в топку в смеси со всем окислителем.

Устойчивое горение частиц угольной пыли в факеле многофункциональной горелки достигается при содержании летучих веществ на горючую массу V г ≥ 20 %. При V г ≥ 40 % согласно норм безопасности пылеприготовления в мельницы по- дают газы рециркуляции, обеспечивающие концентрацию кислорода О2 ≤ 16 %. Последующий вывод инертного балласта с пылью в топку и его вовлечение в воспламенительный процесс приводит к дополнительному снижению температуры факела.

Появляющаяся в зоне активного горения температурная неравномерность, способная вызвать локальное шлакование, уменьшается путем рационализации схем компоновки и включения горелок [9, 11, 12]. Рекомендуемая для котлов БКЗ-160 схема размещения многофункциональных горелок представлена на рис. 1. Схема учитывает возможность использования пыли как проектного каменного, так и каракечинского бурого угля, других твердых топлив, природного газа, подсветочного (растопочного) мазута.

На котлах БКЗ-220 второй очереди ТЭЦ г. Бишкек частично учтены проектные недостатки котлов БКЗ-160. В топках с двухъярусной встречной компоновкой вихревых горелок, размещенных на боковых стенах, величина теплового напряжения лучистой поверхности экранов в зоне активного горения q лг ≈ 0,94 МВт/м 2 соответствует нормируемому показателю q лнг проект ≤ 1,0 МВт/м 2 для проектного каменного угля и около q лнг ≤ 0,9 МВт/м 2 для бурого угля (рис. 2) [2, 3, 13].

Значение теплового напряжения сечения топки по верхнему ярусу горелок q_F = 1,8 МВт/м 2 завышено на ~ 20 %. Однако при сжигании проектного топлива необходимости снижать нагрузку рассматриваемого агрегата в эксплуатации не возникает, что связано с оригинальной заводской компоновкой горелок «треугольником» при уменьшенном тепловом напряжении сечения топки для нижнего горелочного яруса. Но котлы также лишены мельничного резерва. Основные проблемы, связанные с этим, появляются в отопительный сезон. Отключение мельницы влечет снижение тепловыделения и паровой нагрузки котла. Для сохранения последней в отключенные по пыли горелки подают газ. При его дефиците в топке распыливают мазут. Совместное сжигание последнего с пылью ухудшает горение твердых топливных частиц, актививзирует процесс шлакования. В отсутствии подсветки отключение одной из мельниц, связанной пылепроводами с верхним ярусом горелок, влечет характерное смещение факела к противоположной стене с «захолаживанием» зон эжекции работающих горелок, что хорошо видно по представленным безразмерным полям температуры, полученным на слабонеизотермической модели с принятыми в теплоэнергетике условиями приближенного моделирования, рис. 3, а, б [14–16]. В период сжигания сильно окисленного забалластированного породой и влагой каракечин-ского бурого угля при пониженной по требованиям

Рис. 2. Схема топки котла БКЗ-220: а, б – продольный и поперечный разрезы топки с существующими пыле-проводами; в – вариантная схема компоновки многофункциональных горелок на боковых стенах топки; 1 – топка; 2 – зона активного горения; 3, 4 – горелки верхнего ярусов; 5 – горелки нижнего яруса; 6, 7, 8 – мельницы; 9, 10, 11 – пылепроводы от мельниц 6, 7, 8 к горелкам 3, 4, 5; 12 – воздухоподогреватель; 13, 14 – воздуховоды к горелкам 3, 4, 5; 15 - газовые сопла; 16 - мазутные форсунки; Н = Н/НТ - текущая и полная высота топки, м

соответственно; в – встречная схема ввода пыли в топку, в работе 2 мельницы; г, д, е – встречнотангенциальная схема ввода пыли в топку; г – в работе 3 мельницы; д, е – в работе 2 мельницы; 1, 2 – топка, зона активного горения; 3, 4 – горелки верхнего яруса; 5 – горелки нижнего яруса; ср – локальная и

средняя в сечении температура, К;       т – текущая и полная высота топки, м правил взрыво- и пожаробезопасности температуре пылевоздушной смеси происходит затягивание процесса прогрева реагентных потоков со срывом воспламенения. Изменяя способ ввода реагентов в топку, можно достичь улучшения картин распределения температуры и условий зажигания топливовоздушной смеси. При переразводке пылепро-водов с диагональным подводом пылевоздушной смеси к горелкам на встречный подвод реализуется устойчивая схема зажигания, однако формируемый при этом повышенный уровень неравномерности крайне нежелателен с позиций развития процесса шлакования экранов и ширм, рис. 3, в. Стабильное зажигание при пониженной неравномерности можно реализовать и разворотом горелок верхнего яруса по касательным к условным окружностям в центре топки (рис. 3, г, д, е). Для улучшения работы котлов на пыли разнородного твердого топлива, в том числе ухудшенного качества, в верхнем ярусе могут быть установлены многофункциональные горелки по типу рис. 1, г, а в нижнем – по рис. 2, в. Реализуемый при работе этих горелок всё тот же механизм приточнодиффузионного подвода окислителя в факел обеспечивает минимизацию температурного уровня с повышением надежности горелочных амбразур, уменьшения активности шлакования топочных экранов и пароперегревателей, снижением концентрации оксидов азота в отводимых продуктах сгорания. Возможна и двухъярусная тангенциальная схема компоновки 6 многофункциональных горелок от 3-х мельниц.

Завод-изготовитель котлов БКЗ-160 и БКЗ-220 способен квалифицированно выполнить проектную документацию, необходимые разводки экранных труб и элементы многофункциональных горелок. Возникающие вслед за этим вопросы повышения экономичности сжигания топлива напрямую связаны с состоянием размольного оборудования, воздухоподогревателей. Особенно удручающе выглядят среднеходные мельницы котлов БКЗ-160, где в провал и затем в систему шлакозо-лоудаления уходит до 5,0 % и более всего топливного потока. Высока и степень износа воздухопо- догревателей, что вызывает значительную утечку воздуха в поток продуктов сгорания и прирост потерь с уходящими газами Aq2. С учетом этих обстоятельств КПД котлов брутто едва достигает 83–85 % против проектных 89–90 %.

При проведении опытного сжигания небольших партий каракечинского угля, доставляемого на ТЭЦ г. Бишкек автотранспортом, столкнулись с проблемой быстрой окисляемости свежедобытого топлива с потерей теплоты сгорания: A Q H - Q ^ — Q ^ ~ 4600-3600 = 1000 ккал/кг, где Q _н ^р _д , Q _н ^р _п – теплота сгорания свежедобытого и поставляемого на склад ТЭЦ г. Бишкек угля, ккал/кг. Высокое содержание СаО > 15 % в породе приводит к быстрому зарастанию мокрых золоуловителей и каналов ГЗУ соединением СаСО 3 .

Согласно Правительственному плану развития энергетики Республики Кыргызстан основные поставки твердого топлива на ТЭЦ г. Бишкек будут осуществляться с Каракечинского месторождения. Доставлять уголь еще в 70–80 годах прошлого столетия предлагалось в виде водоугольной суспензии (ВУС) – смеси угольной пыли и воды с добавками поверхностно-активных веществ с перемещением ее к потребителю по трубам, распы-ливанием в топках на капли и сжигания в факеле [17–20]. Сегодня применительно к ТЭЦ г. Бишкек можно говорить об устойчивых ВУС нового поколения с переизмельченными до 3–40 мкм частицами твердого топлива и хорошими транспортабельными характеристиками, получаемыми в сверхэкономичных установках производительностью до 80 т/ч и энергозатратностью 10–20 кВт·ч/т [21–25]. Приготовление ВУС на месте добычи каракечин-ского угля, дальнейший транспорт по трубопроводу, в авто- или железнодорожных цистернах до ТЭЦ г. Бишкек сохраняют потенциальную теплоту исходного топлива A Q ! , предотвращая его самоокисление, устраняют необходимость соблюдения мер взрыво- и пожаробезопасности на ТЭС (как при использовании сухого топлива с большим выходом летучих веществ). Детальный анализ процесса горения ВУС, приготовленной из бурого угля с размерами твердых частиц ≤ 350 мкм на котле ТП-35 паропроизводительностью 35 т/ч, а в дальнейшем ВУС из каменного угля на котле ПК40 паропроизводительностью 320 т/ч, показал, что основной вклад в интегральный показатель степени недожога топлива давали частицы с размерами ≥ 40–90 мкм [17–20]. Все частицы с размерами ≤ 40 мкм прогорали практически полностью, причем более активно на котле ПК-40 с более высокими тепловыми напряжениями зоны активного горения q_F и q лг . Перерасчет горения ВУС с размерами частиц

≤ 3–40 мкм, а также теплообмена топки и котла БКЗ-160 с существующими повышенными проектными значениями qF ≈ 2,8 МВт/м2 и qлг ≈ 1,7 МВт/м2 показывает, что в сравнении с пылеугольным вариантом сжигания топлива повышаются только потери теплоты с уходящими газами на Aq2 из-за высокого балласта транспортной влаги, вводимой в факел вместе с топливом. Но это приращение Aq2 уже соизмеримо с аналогичным показателем котла при вводе в топку газов рециркуляции с пылевыми потоками из размольных устройств. Образующиеся при горении угольных частиц в каплях зольные конгломераты из отдельных спекшихся частиц породы, имея крупные размеры (200–1500 мкм), хорошо улавливаются в сухих осадителях перед выводом в атмосферу. В сравнении с традиционным пылесжиганием в капельно-суспензионном факеле с пониженным уровнем температуры в атмосферу выводится на 80 % меньше твердых зольных частиц и на 40 % меньше оксидов азота [17–20]. В технологии золоулавливания устраняется проблема борьбы с СаСО3.

Выводы

• 1.    Обозначенные преимущества ВУС нового поколения позволяют говорить о целесообразности их подтверждения на одном из котлов БКЗ-160 с пусковым комплексом, включающим демонстрационную систему пылеприготовления небольшой производительности, и по результатам его испытаний принять решение о модернизации с традиционной пылеугольной (рис. 1, г) или суспензионной технологией сжигания.

• 2.    В дальнейшем демонстрационно-пусковой суспензионный комплекс может быть использован в качестве резервно-подсветочной системы на котлах, сжигающих угольную пыль.

• 3.    На котлах БКЗ-220 традиционную технологию пылесжигания на ближайшее десятилетие целесообразно сохранить, реконструировав горелки под разнородное твердое топливо и природный газ, в частности, по рис. 1, г и 2, в.