ВИР-технология – новая надежная и экологически безопасная технология сжигания твердых топлив.

Финкер Ф.З., Кубышкин И.Б., Митрюхин А.Г., Кацман В.М.

ООО «Политехэнерго», Санкт-Петербург, Россия.

 

Котельные установки с традиционным пылесжиганием твердого топлива еще долгое время будут занимать значительную долю в общем балансе производства тепла и электроэнергии.

При этом способе сжигания подготовка топлива и организация топливо-воздушной смеси подчинены принципу полного выгорания топлива в прямоточном факеле, в котором топливная частица находится 2…3 секунды. Поэтому основные пути совершенствования процесса сводились к измельчению топлива и хорошему перемешиванию его с окислителем.

Однако уже к семидесятым годам прошлого века стало очевидно, что возможности традиционного прямоточного факела полностью исчерпаны. Рост единичной мощности котлов приводил к тому, что высокотемпературное ядро факела отдалялось от поверхностей нагрева топочной камеры, тепловая эффективность топки снижалась, что заставляло конструкторов увеличивать габариты котлов. Измельченная вместе с топливом минеральная часть, активированная в высокотемпературном ядре, интенсивно загрязняла поверхности нагрева котлов, еще больше ухудшая теплообмен и снижая технико-экономические показатели работы. Возникли трудности со стабильным воспламенением низкореакционных топлив. Высокие температуры в топочной камере не позволяли снижать эмиссии оксидов азота и серы без применения дорогостоящих методов и устройств. Измельчение зольного остатка ухудшало условия работы золоулавливающих установок. Системы пылеприготовления при высоком потреблении электроэнергии являются взрывоопасным оборудованием.

90-е годы еще больше обострили отмеченные проблемы, т.к. в силу ряда как объективных экономических, так и субъективных проблем многие электростанции на территории бывшего СССР потеряли расчетные источники угля и были вынуждены перейти на другие топлива.

Рис. 1 Топка ЛПИ

В 70-х годах на кафедре Реакторо-и парогенераторостроения Ленинградского политехнического института (ЛПИ) под руководством проф. В.В. Померанцева было разработано топочное устройство, получившее название «топка ЛПИ». В основу был положен принцип организации вихревой аэродинамики. Вихрь возникает при взаимодействии двух встречно-смещенных струй: горелочной, направленной с фронтового экрана под углом вниз и струи воздуха нижнего дутья (см. Рис. 1). Помол топлива при этом угрублялся, вплоть до полного отказа от размола.

До начала 90-х годов был модернизирован ряд котлов, работавших на торфе, лигнине, буром угле [1-3]. Топка ЛПИ показала большой потенциал, успешно решались задачи уменьшения шлакования поверхностей нагрева, повышения взрывобезопасности пылесистем. Однако наблюдался повышенный износ экранов холодной воронки высокоскоростной струей нижнего дутья, были большие потери с механическим недожогом.

В 90-е годы предприятием ООО «Политехэнерго» (образовано на базе отраслевой лаборатории вышеуказанной кафедры) был проведен большой комплекс научно-исследовательских и внедренческих работ на котлах Польши, Чехии и США (более 20 модернизаций), в ходе которых топка ЛПИ была значительно усовершенствована в части отмеченных выше недостатков и развита в части спектра решаемых задач. Фактически была создана новая технология сжигания твердого топлива, получившая название ВИР-технология (ВИР – «Внедрение, Инновация, Реконструкция»). Было создано каскадное низкоскоростное устройство нижнего дутья, позволившее устранить износ экранов и организована зона дожигания, за счет чего снижено содержание горючих в золе уноса [4, 5]. В настоящее время количество модернизированных по ВИР-технологии котлов приближается к 50 [6-8].

Рис. 2 Схема ВИР-топки

За это время прошли модернизацию котлы номинальной паропроизводительностью от 50 до 990 т/ч со всеми типами мельниц (ШБМ, ММ, МВ, СМ), с любым расположением одно- и многоярусных горелок (фронтовым, угловым, тангенциальным, встречным, встречно-смещенным). Технология успешно применена при сжигании широкого спектра каменных и бурых углей отечественных и зарубежных месторождений. Освоен перевод жидкошлачных котлов на твердое шлакоудаление. Схема топки, работающей по ВИР-технологии, приведена на Рис. 2.

В нижней части топки расположена вихревая зона, в верхней части находится зона дожигания. Вихревая аэродинамика приводит к интенсивному перемешиванию газов топочной среды, выравнивая тем самым температурные поля и тепловые потоки. Аэродинамическая структура газовых течений показана на Рис. 3. Организованный таким образом топочный процесс не только позволяет, но и требует угрубления помола топлива с подачей грубых фракций в нижние ярусы горелок. Это позволяет загрузить топливом вихревую зону топочной камеры и превратить ее в зону многократной циркуляции горящего топлива. В результате эффекты, определяемые аэродинамикой, усиливаются.

Рис. 3 Структура потоков в топке при ВИР-технологии

Применительно к нормативному методу расчета теплообмены в топке можно говорить о том, что за счет разрушения «запирающего» слоя оптическая толщина излучающего слоя приближается к расчетной (геометрической), а концентрация золовых и особенно коксовых частиц значительно возрастает. Таким образом, увеличивается степень черноты топки и, как следствие, коэффициент тепловой эффективности экранов ψ. Определенную роль начинает играть и конвективная составляющая,

в теплообмен вовлекается поверхность всей холодной воронки. В результате всех модернизаций отмечено снижение максимальной температуры газов в топке на 100…200 оС, можно говорить об отсутствии ядра горения. На Рис. 4 представлены данные по коэффициентам эффективности поверхностей нагрева котла П-59 ст. № 2 Рязанской ГРЭС, полученные специалистами СибВТИ в ходе испытаний модернизированного по ВИР-технологии котла. До модернизации при сжигании Березовского угля эта величина для топки составляла 0,25. Обращает на себя внимание, что в вихревой зоне (НРЧ) ψ составляет величину порядка 0,5.

 

Рис. 4. Коэффициенты тепловой эффективности котла П-59 ст. № 2 после модернизации на ВИР-технологию сжигания Березовского бурого угля.

Вихревая зона, насыщенная топливом, имеет средний избыток α<1 также, как и горелочная струя. Таким образом, нижняя часть топки представляет собой развитую низкоэмиссионную зону, где происходит разрушение ранее образовавшихся оксидов азота. На всех модернизированных котлах, работающих на каменном угле, эмиссия оксидов азота не превышает 470 мг/нм3 (α=1,4), для буроугольных котлов – 350 мг/нм3. Дожигательная зона обеспечивает концентрации СО до 100 мг/нм3.

Отсутствие высокотемпературного ядра и большее по сравнению с прямоточным факелом время пребывания частиц в топке создают благоприятные условия для связывания оксидов серы кальцием собственной золы (угли Канско-Ачинского бассейна) или дешевыми сорбентами (кальцит), подаваемыми вместе с топливом.

Золовые частицы при ВИР-технологии более грубые, менее оплавленные, имеют развитую поверхность (Рис. 5), что положительно сказывается на коэффициенте их улавливания любыми золоулавливающими установки. К.п.д. электрофильтров возрастает примерно на 1%, к.п.д. БЦУ на 1,5% и более без всякой модернизации последних.

Снижение максимальной температуры в топке, интенсификация теплообмена в ней приводят к снижению температуры газов на выходе из топки и далее по тракту. Вместе с этим хорошее перемешивание газов топочной среды и наличие зоны дожигания позволяют вести режим котла с низкими избытками (α”т = 1,1…1,15) без увеличения потерь тепла от механического и химического недожогов. В результате потери с уходящими газами q2 снижаются на 1…2%, а к.п.д. котла «брутто» возрастает на соответствующую величину.

Физико-химические свойства золовых частиц, их температура и фракционный состав таковы, что после модернизации резко уменьшается или вообще прекращается шлакование радиационных и конвективных поверхностей нагрева котлов. Этому дополнительно способствует снижение удельных потоков лучистого тепла на единицу поверхности топочных экранов. Угрубление помола однозначно приводит к уменьшению шлакования. Это позволяет форсировать нагрузку, а для котлов, у которых эксплуатационная нагрузка была снижена по условиям шлакования, довести ее до номинала (П-59 Рязанской ГРЭС при работе на березовском угле, ПК-38 Назаровской ГРЭС).

Рис. 5. Сравнение микростуктуры частиц золы под электронным микроскопом (увеличение в 2500 раз), традиционное сжигание - слева, ВИР-технология - справа.

С другой стороны, большая масса горящего топлива в вихревой зоне стабилизирует воспламенение. Поэтому котлы, работающие по ВИР-технологии, можно глубоко разгружать без подсветки резервным топливом, осуществлять переходные режимы с одной пылесистемы на другую, работать с уменьшенным числом пылесистем без потери надежности по воспламенению. Паровые котлы можно разгружать до 50% от номинала. Этому способствуют выровненные тепловые потоки и включение в теплообмен всей поверхности холодной воронки, вследствие чего увеличивается запас устойчивости естественной циркуляции. Водогрейные котлы разгружались до 25% от номинала, работая при этом на одной пылесистеме. Существенной температурной неравномерности по сечению топочной камеры при этом обнаружено не было.

Таким образом, ВИР-технология сжигания твердого топлива основана на применении современных приемов аэродинамической организации факела и направлена, прежде всего, на интенсификацию теплообмена в топочной камере и применима как для существующего, так и для вновь проектируемого оборудования.

Применение ВИР-технологии позволяет:

  • Расширить эксплуатационный диапазон работы котла как в сторону увеличения, так и снижения нагрузки, перейти с минимальными затратами на непроектное топливо.
  • Повысить технико-экономические показатели работы котла
  • Улучшить экологические характеристики работы котлоагрегата.
  • Сократить издержки за счет увеличения среднеэксплуатационной нагрузки, сокращения затрат на расшлаковку и очистку, снижения эксплуатационных и ремонтных затрат на обслуживание пылесистем (а при переходе на безмельничное сжигание и на собственные нужды).

Полный цикл выполнения модернизации, включающий проведение расчетных обоснований, выполнение рабочего проекта модернизации, изготовление и монтаж новых элементов, пуско-наладочные испытания с разработкой режимной карты составляет 4..5 месяцев. При соответствующей подготовительной работе для монтажа новых элементов требуется 10…15 дней. Тепловая схема котла остается без изменений (кроме случаев перевода котлов с жидкого на твердое шлакоудаление). Средний срок окупаемости модернизации составляет 1 год.

Литература:

  1. Померанцев В.В., Финкер Ф.З., Ветрова Н.В. Эксперименталное обоснование вихревой схемы сжигания фрезерного торфа. – Тр. ДВГУ, вып. Владивосток, 1976, с. 15-20.
  2. Серант Ф.А., Шестаков С.М., Померанцев В.В. и др. Сжигание немолотых азейских бурых углей в низкотемпературной вихревой топке по схеме ЛПИ-ИТЭЦ-10. - Теплоэнергетика, № 7, 1983 - с. 35-41.
  3. Рундыгин Ю.А., Шестаков С.М., Ахмедов Д.Б. и др. Освоение и исследование котла БКЗ-420-140-9 с вихревой топкой ЛПИ. - Теплоэнергетика, № 1, 1988 - с. 12-16.
  4. Пат. 2067724 РФ / Финкер Ф.З., Кубышкин И.Б и др. // Бюллетень изобретений. – 1996. - № 28.
  5. Пат. 2154234 РФ / Финкер Ф.З., Кубышкин И.Б и др. // Бюллетень изобретений. – 2000. - № 22.
  6. Финкер Ф.З., Кубышкин И.Б., Митрюхин А.Г. и др. Опыт модернизации котлов ПК-10 ТЭЦ «Явожно-2» с переводом их на низкоэмиссионное вихревое сжигание каменных углей. - Теплоэнергетика, № 11, 2000 - с. 50-56.
  7. Финкер Ф.З., Кубышкин И.Б., Кацман В.М., Митрюхин А.Г. Применение ВИР-технологии для обеспечения надежности сжигания березовского угля в котельных установках. В кн. Эксплуатация и модернизация энергоблоков мощностью 800 МВт. Шарыпово.: 2002. с.53-59.
  8. Финкер Ф.З., Кубышкин И.Б., Митрюхин А.Г., Шлегель А.Э., Сидоров Н.В., Царев С.А. Камерное сжигание дробленых назаровских углей на котле ПК-38 по схеме «Политехэнерго» (первый этап). Новое в российской электроэнергетике. № 5 2005. – с.34-41.