ПРИМЕНЕНИЕ ВИР-ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СЖИГАНИЯ БЕРЕЗОВСКОГО УГЛЯ В КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ 

Финкер Ф.З, Кубышкин И.Б., Кацман В.М., Митрюхин А.Г.
ООО «Политехэнерго» 

Эффективное использование твердого топлива в последние годы снова приобретает большую актуальность. Вместе с тем решение этой задачи существенно осложняется из-за особенностей поведения минеральной части топлива в процессе сжигания. В первую очередь это касается котельных агрегатов, работающих на углях Канско-Ачинского бассейна, в том числе Березовского месторождения, опыт эксплуатации которых характеризуется нерасчетными режимами работы и интенсивным шлакованием поверхностей нагрева.

Предприятие «Политехэнерго», основываясь на собственном опыте и опыте, накопленном Санкт-Петербургским политехническим университетом в период работы проф. В.В. Померанцева, пришло к заключению, что угли Березовского месторождения являются уникальным топливом с прекрасными тепловыми и экологическими характеристиками. Их не следует относить к категории сильношлакующих, а причинами, вызывающими шлакование, были названы следующие:

  1. Несоответствие принятой схемы сжигания уникальным характеристикам углей. Традиционное пылесжигание в прямоточном факеле неизбежно приводит к ослаблению теплообмена, снижению температуры шлакования и последующему образованию твердых сульфатно-связанных отложений.
  2. Несоответствие принятой системы пылеприготовления с мельницами-вентиляторами, тонким помолом, газовой сушкой высоким теплотехническим характеристикам углей, не требующим вообще какой либо подготовки.
  3. Пассивная аэродинамика топочных потоков, ведущая к образованию температурных и тепловых неравномерностей, высокотемпературному ядру, расплавлению минеральной части и последующему заносу конвективных поверхностей.

Это подтвердил опыт эксплуатации котлов П-67 Березовской ГРЭС-1 [1], которые были специально спроектированы для этого вида топлива, и котлов П-59 Рязанской ГРЭС [2], на которой березовский уголь сжигался в период 1996…2002 гг.

Для котлов П-67 Березовской ГРЭС наблюдались интенсивное шлакование топочной камеры в зоне активного горения с образованием шлаковых плит, сползающих по скатам холодной воронки и перегораживающих шлаковые бункеры; интенсивное загрязнение ширм на выходе из топки – ШПП-2 с образованием и обрушением значительных шлаковых скоплений в холодную воронку; занос конвективных поверхностей пароперегревателей первичного и вторичного пара (КПП и КВП); занос входных секций трубчатого воздухоподогревателя.

Это привело к увеличению максимальной температуры в топке на 80…100оС по сравнению с расчетной, снижению тепловой эффективности экранов до 0,2…0,22 при проектной величине 0,45, и к дальнейшему росту температур по газовому тракту (перед КПП, КВП, уходящих газов). В результате нагрузка энергоблока была ограничена 700 МВт. Кроме того наблюдались: высокая эмиссия

термоусталостные трещины на экранах конвективной шахты и НРЧ; затягивание зажигания аэросмеси на 2,5…3 м от горелки из-за разгона ее вторичным воздухом; существенная сепарация пыли в холодную воронку.

С конца 1996 г. на Рязанской ГРЭС началась целенаправленная работа по переводу котлов первой очереди на сжигание Канско-Ачинских углей. Котел П-59 к блоку 300 МВт – прямоточный, сверхкритического давления, паропроизводительностью 990 т/час с промперегревом, с призматической топкой, Т-образной компоновкой, оснащенный 8-ю пылесистемами прямого вдувания с молотковыми мельницами.

Топочный процесс на котлах П-59 после перехода на Канско-Ачинские угли отличается высоким пирометрическим уровнем. Температура факела в поясе горелок υmax= 1350…1430 оС, на выходе из топки υ”т= 1050…1150 оС. Указанные значения температур выше рекомендуемых для сжигания Березовского угля (υmaxне более 1270 оС, υ”т не более 1050 оС). Поэтому по результатам испытаний 1997 г. нагрузка была ограничена величиной 260 МВт, а с 2000 г. котлы было возможно эксплуатировать на нагрузках не выше 200…220 Мвт во избежание прогрессирующего шлакования, имелись проблемы, связанные с заносом пакетов вторичного пароперегревателя, зоны максимальной теплоемкости и других конвективных поверхностей.

Несмотря на то, что котлы эксплуатировались на нагрузках ниже номинальной и на четырех из восьми имеющихся пылесистем, что позволяло подавать вторичный воздух в топочную камеру через амбразуры неработающих горелок и таким образом реализовать схему ступенчатого сжигания, уровень эмиссии NOx был выше уровня требований, действующих с 2001 года.

Таким образом, для успешного использования в качестве топлива березовского угля и других углей Канско-Ачинского бассейна на Рязанской ГРЭС возникла необходимость внедрения новых технологий сжигания для обеспечения надежности эксплуатации котлоагрегатов, а, кроме того, для повышения экономических и экологических показателей их работы. В 2001 г. руководством станции было принято предложение ООО «Политехэнерго» о внедрении на котлах ВИР-технологии сжигания, которая была реализована в 2001 г. на котле ст. № 2 и в 2002 г. – на котле ст. № 3.

Низкоэмиссионная вихревая технология сжигания твердого топлива (ВИР-технология) [3] была разработана на базе НТВ-сжигания специалистами ООО «Политехэнерго» и прошла доводку и успешную апробацию на более чем 20 котлах в Польше, Чехии и США. Использовав все преимущества НТВ-топки ЛПИ, ВИР-технология избавлена от таких ее недостатков, как повышенный механический недожог, эрозионный износ поверхностей нагрева и т.п. Кроме вихревой низкоэмиссионной зоны горения в нижней части топочной камеры, загруженной топливом и, потому, имеющей избытки воздуха ниже стехиометрического, над ней за счет дополнительного горелочного потока создается зона дожигания с избытком выше стехиометрического. Было разработано низкоскоростное дефлекторно-сопловое устройство нижнего дутья [4], которое обеспечивает работу топки при относительно низких скоростях потоков в районе экранов холодной воронки без эрозии и коррозии. Наличие двух зон горения: вихревой, с большой концентрацией горящего циркулирующего топлива, стабилизирующей воспламенение, и прямоточной дожигательной, делают работу топочного устройства мало восприимчивой к изменению характеристик топлива (влажности, зольности, выходу летучих, тонине помола и т.п.) в широком диапазоне.

Схема реконструкции котла П-59 ст. № 2 показана на рис. 1. На четырех мельницах был угрублен помол топлива. Вся модернизация была осуществлена в сроки планового ремонта, пуск котла состоялся 9 октября 2001 г. В апреле 2002 г. были проведены комплексные испытания котла с участием специалистов ОРГРЭС, Рязанской ГРЭС, Политехэнерго, ВТИ, УралВТИ, СибВТИ, ЗиО (ЗИОМАР) и Березовской ГРЭС-1 (ЗиОСиб).

Особое внимание при проведении испытаний уделялось надежности эксплуатации котла, которая, в первую очередь, определяется процессами шлакования и заноса поверхностей нагрева. Результаты всех участников испытаний подтвердили полученный ранее в эксплуатации факт ликвидации ограничений нагрузки котла по шлакованию. В качестве основной причины называется снижение температур газов в ядре горения и далее по тракту. По данным ОРГРЭС максимальные температуры в ядре факела снизились с 1450…1480 оС до 1350…1390 оС, а температуры на выходе из топки с 1100 оС до 1000 оС, отмечено снижение положения максимальных температур на 2…3 метра вниз (см. рис. 2).

Перемещение зоны максимальных температур вниз и уменьшение их абсолютных значений определяются наклоном горелок и созданием вихревой аэродинамики топки, что характерно для всех котлов, модернизированных по схеме ВИР-технологии. В то же время, по данным расчетов УралВТИ, изменение положения факела в топке и реальное перераспределение топлива по ярусам определяет снижение температуры на выходе из топки только на 25…30 оС.

Рис. 1. Реконструкция котла П-59 ст. №2 Рязанской ГРЭС (1– горелки, 2–воздуховоды нижнего дутья, 3– устройство ввода нижнего дутья)

Рис. 2. Распределение температуры газов по высоте топки котла П-59(а – до реконструкций, 1997 г.; б – при наклоне горелок вниз, 2000 г.; в – после реконструкции на ВИР-технологию, 2002 г.)

Полученное экспериментально большее снижение этой температуры объясняется уменьшением загрязнения экранов, т.е. ростом коэффициента тепловой эффективности. По данным СибВТИ и ЗиОСиб тепловая эффективность топочной камеры за период опытного сжигания оставалась практически стабильной (ψт = 0,37…0,38), близкой к нормативному значению и существенно выше, чем до модернизации (ψт = 0,2…0,22 [2]) и на котле П-67 Березовской ГРЭС-1 (ψт = 0,23 [1]).

Повышение тепловой эффективности экранов yср при переходе на ВИР-технологию для всей совокупности выполненных опытов составило в среднем ψср= 0,14. В рамках ВИР-технологии коэффициент yср снижается с ростом нагрузки и зависит от тонины полмола топлива. При сжигании пыли грубого помола по сравнению со значениями, определёнными в опытах с “тонкой” пылью, он выше на Δψ = 0,08-0,1. Определяющим фактором уменьшения шлакования экранов при ВИР-технологии является снижение тепловой нагрузки на них в зоне активного горения. В отличие от традиционной схемы сжигания, где основное выгорание топлива происходит в поясе горелок и в примыкающих к нему областях, при ВИР-технологии горение рассредоточено по всей нижней части топки, что ведет к снижению удельной тепловой нагрузки на поверхности нагрева в зоне горения qл.г.. По данным УралВТИ уровень qл.г., достигнутый при реконструкции котла П-59, обеспечивает необходимую для снятия ограничений по шлакованию тепловую эффективность экранов .

Интенсивность шлакования при ВИР-технологии, также по данным УралВТИ, ниже, чем при традиционном сжигании примерно вдвое, отложения более рыхлые, непрочные, зола уноса менее шлакующая. Причем уменьшение шлакования, загрязнения расположенных вне зоны активного горения поверхностей нагрева и снижение шлакующих свойств летучей золы не может быть в определенной мере связано с изменением фракционного состава летучей золы и содержанием в ней недожога.

Это можно объяснить благоприятным сочетанием двух факторов: наличием вихревой зоны с восстановительной средой и меньшей оплавленностью золовых частиц. Результаты термодинамических расчетов [5] показали, что в вихревой зоне соединения серы состоят из 91…93 % H2S и 7…9 % COS. При попадании этих продуктов в зону дожигания они сгорают с образованием SO3. При сжигании угля по ВИР-технологии зола имеет более «рыхлую» структуру. По данным ВТИ при ВИР-технологии удельная поверхность Sуд равна 2440…3460 см2/г, а в золе нереконструированного котла – 1700…2200 см2/г. По-видимому, в золе при факельном сжигании преобладают плотные стекловидные частицы. В золе котла, реконструированного по ВИР-технологи, преобладают золовые частицы с бoльшим количеством пор, которые не прошли стадию плавления. Это приводит к более высокой степени связывания серы. По результатам анализов УралВТИ и ВТИ коэффициент серосвязывания на реконструированом котле при сжигании березовского угля на 50 % выше, чем до реконструкции (рис. 3). Вследствие большей сульфатизации летучей золы отложения имеют меньшую склонность к упрочнению за счет их дальнейшей сульфатизации.

Рис. 3. Эффективность связывания SO2 в топке котла П-59 при сжигании березовского угля по данным УралВТИ (руководители работ Алехнович А.Н. и Богомолов В.В.)     Рис. 4. Концентрация Nox в диапазоне нагрузок 185…275 МВт

Также отмечено существенное обогащение уноса кальцием и уменьшение содержания железа в летучей золе по сравнению с исходной золой и шлаком. Дополнительно определено, что перераспределение CaO/SiO2 выражено сильнее, чем на котле в проектном исполнении, что эквивалентно повышению расчетной температуры начала шлакования примерно на 15…25 оС.

На рисунках 5 – 8 показано состояние конвективных поверхностей нагрева котла П-59 (ст. № 2) ОАО «Рязанская ГРЭС» до и после внедрения ВИР-технологии сжигания березовского угля.

Рис. 5. Ширмы на работающем котле после модернизации 251 МВт, 16.04.02 (вид из поворотной камеры)

 

до модернизации
   
после модернизации (май 2002 г.)
Рис. 6. Конвективный пароперегреватель

до модернизации
   
после модернизации (май 2002 г.)
Рис. 7. Водяной экономайзер

до модернизации
   
после модернизации (май 2002 г.)
Рис. 8. Воздухоподогреватель

Таким образом, в результате перевода котла П-59 ст. № 2 Рязанской ГРЭС на ВИР-технологию сжигания березовского угля:

  1. Длительная бесшлаковочная эксплуатационная мощность блока составила 270…280 МВт. Дальнейшее повышение мощности ограничивалась возможностями турбопитательного насоса и дымососов. Повышены коэффициент тепловой эффективности топки и конвективных поверхностей нагрева.
  2. Температура первичного пара и промперегрева соответствует расчетным значениям 545/545 оС. Во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок сохраняется запас по регулированию температур.
  3. Сокращены вредные выбросы в атмосферу: во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок концентрация NОx в дымовых газах снижена на 100…200 мг/нм3 и при оптимальных режимах не превышает 350 мг/нм3 (α = 1,4) при минимально достигнутых 190 мг/нм3 (рис. 4); концентрация SO2 снизилась с 1000-1200 до 600-840 мг/нм3 ( α= 1,4).

К.п.д. «брутто» котлоагрегата вырос на величину порядка 1…2 %. Кроме того, по данным ОРГРЭС, повышение бесшлаковочной мощности блока с 200 до 270…280 МВт равносильно увеличению к.п.д. котла еще на 3…4 %.

Литература

  1. Демб Э.П., Петерс В.Ф. Опыт освоения котлов П-67 Березовской ГРЭС-1 и предложения по их модернизации. В кн.: Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях. Красноярск, 2000. – с. 161-165.
  2. Двойнишников В.А., Шумилов Т.И. Организация сжигания канско-ачинских углей в паровых котлах энергоблоков 300 МВт Рязанской ГРЭС. Теплоэнергетика, № 6, 1998. с. 2-7.
  3.  Пат. 2067724 РФ. / Ф.З. Финкер, Д.Б. Ахмедов, И.Б. Кубышкин и др. // Бюллетень изобретений, 1996. - № 28.
  4.  Пат. 2154234 РФ. / Ф.З. Финкер, И.Б. Кубышкин, Ю.П. Бахтинов. // Бюллетень изобретений, 2000. - № 22.
  5.  Малозатратный способ модернизации котельных установок на основе низкоэмиссинного вихревого метода сжигания энергетических топлив. / Ф.З. Финкер, Д.Б. Ахмедов, И.Б. Кубышкин и др. // В кн.: Новые технологии сжигания твердого топлива: их текущее состояние и использование в будущем. М.: 2001. – с. 270-278.