Реконструкция слоевых топок по технологии кипящего слоя

РЕКОНСТРУКЦИИ СЛОЕВЫХ  ТОПОК ПО ТЕХНОЛОГИИ КИПЯЩЕГО СЛОЯ

Технология сжигания твердых  топлив в кипящем слое широко распространена в зарубежных промышленных и энергетических установках. Ее характерной особенностью является наличие большого количества инертного материала в топке. В нижней части топки устанавливается  воздухораспределительная решетка. Для  равномерной раздачи воздуха  сопротивление этой решетки рекомендуется  выбирать около 400 мм. в. ст. В качестве наполнителя слоя используют кварцевый песок, известняк, золу. Высота засыпки обычно составляет от 0,5 до 1 м. При скорости превышающей скорость минимального псевдоожижения (сила лобового сопротивления соответствует силе тяжести) объем слоя увеличивается, образуются пузырьки газа. При дальнейшем увеличении скорости газа пузыри растут в размерах, сливаются, происходит турбулизация слоя. Этот режим соответствует пузырьковому (стационарному) кипящему слою - КС (скорость в слое составляет порядка 10 скоростей минимального псевдоожижения частиц средней крупности). В указанном режиме за счет хорошего перемешивания частиц температура в слое умеренного сечения (около 4 м2) остается практически постоянной.

В механических топках используются крупные куски угля с размерами  до 35 мм, которые образуют фиксированный  слой с продувкой воздухом. Температура  слоя может достигать 1600 °С, а время пребывания определяется скоростью перемещения колосниковой решетки. Размеры частиц топлива, предназначенного для сжигания в КС, средние между размерами частиц топлива для пылевидного сжигания и для механических топок. Максимальный размер их зависит от реакционной способности топлива и составляет от 6 до 25 мм. Для котлов с КС характерная плотность слоя составляет 750 кг/м3 при температуре 820-900 °С. Благодаря длительному времени пребывания топлива в слое и высокой интенсивности процессов тепло-массообмена эффективность сжигания в топке с КС довольно велика, несмотря на относительно низкую температуру процесса. В пузырьковом слое наблюдается незначительный вынос частиц из топки. Время пребывания крупных кусков топлива велико, а мелких частиц примерно соответствует расчетному по скорости газа. Это зачастую приводит (по крайней мере, для низкореакционных топлив) к повышенному содержанию углерода в слое и уносе и, соответственно, к увеличению механического недожога. Для его уменьшения вынесенные из топки частицы улавливают и возвращают в слой.

Для регулирования температуры  слоя при сжигании относительно калорийных топлив (теплота сгорания более 3000 ккал/кг) необходимо отводить тепло из слоя с помощью погруженных в него поверхностей нагрева. Они могут  быть выполнены в виде экономайзера или пароперегревателя и в  редких случаях - в виде испарителя. Эти поверхности работают очень эффективно (коэффициент теплопередачи на уровне 300 ккал/м2Чч), но подвержены эрозионному износу.

Основным преимуществом  кипящего слоя является снижение выбросов NOх и SO2. Оксиды азота существенно снижаются до величины менее 400 мг/м3 за счет низкотемпературного сжигания при ступенчатом подводе воздуха. Эффективность связывания SO2 может превышать 80% при подаче известняка в слой с расходом, соответствующим мольному соотношению Ca/S на уровне 2 (порядка 10% от расхода топлива при содержании в нем серы около 1%).

Существуют многочисленные зарубежные конструкции котлов с  кипящим слоем, предназначенные  для сжигания различных топлив - от высоковлажных древесных отходов до антрацитов. В котлах малой мощности часто используют неэкранированные топки и газотрубные котлы, что снижает капитальные затраты. Топки более крупных котлов выполняются газоплотными, водотрубными, в ряде случаев с котельным пучком; они снабжаются системой улавливания и возврата частиц. Имеется множество вариантов исполнения воздухораспределительных решеток от простейших (отверстия в плоской решетке) до сложных непровальных колпачковых решеток. Во всех случаях стараются обеспечить наиболее равномерную раздачу воздуха, что приводит к необходимости повышенного напора дутьевых вентиляторов (от 6 КПа до 24 КПа).

Таким образом, преимуществами применения технологии КС являются высокая  эффективность сжигания широкой  гаммы топлив с обеспечением низких удельных выбросов NOx и SO2. К недостаткам технологии относится повышенные энергозатраты на дутье, возможность шлакования при неравномерной подаче воздуха, возможность увеличения механического недожога с уносом (при отсутствии его возврата), износ поверхностей нагрева в слое.

В 60-е и 70-е годы был  выполнен ряд реконструкций котлов типа ДКВР с переводом на сжигание в кипящем слое, описанные, например, в книге "Проблемы создания парогенераторов  с кипящим слоем", М., 1978, а также  в недавно изданной книге "Котлы  и топки с кипящим слоем", М.: "Энергоатомиздат", 1996 года. Необходимо отметить, что эти реконструкции приводили к существенному росту производительности (до 50%). Наиболее подробные исследования были выполнены ЦКТИ на опытном котле КЕ-10-13 при сжигании различных углей. При сжигании донецкого газового угля без установки поверхностей нагрева кпд составлял 68,5 % без возврата уноса и 77,5% с возвратом уноса. На котле КЕ-10-ПС с поверхностями нагрева кпд составлял 81,7%. Очень велики были потери с химической и механической неполнотой сгорания (до 48%) в котле КЕ-25-13, что вызвано недостаточным временем пребывания частиц в реакционной золе и отсутствием возврата уноса. Значительно лучшие показатели достигнуты на реконструированном котла ДКВР-16-13ПС с увеличенной высотой надслоевого пространства. В ряде случаев при сжигании донецкого АШ наблюдалось шлакование слоя. Излишняя форсировка нижней части топки приводила к снижению кпд и уменьшению надежности; в результате ряд реконструкций, выполненных трестом "Донецуглеавтоматика" был признан неэффективным.

Таким образом, можно заключить, что при оптимальной реконструкции  слоевых топок по технологии КС можно  существенно увеличить кпд котла, однако, в ряде случаев при излишней форсировке и отсутствии возврата уноса и поверхностей нагрева в топке эффективность сжигания снижается.

Мировая практика показывает, что технология сжигания на неподвижных  колосниковых решетках наиболее пригодна при использовании сортированных  топлив в котлах малой мощности (порядка 1 МВт). При увеличении мощности до 25 МВт конкурентоспособность технологии сжигания на механических решетках и  в кипящем слое зависит от требований по удельным выбросам и качества топлива. При сжигании высокосернистых и  зольных топлив более целесообразно  использовать технологию КС. Однако, при сжигании ТБО чаще всего применяются механические топки. Применение той или иной технологии определяется технико-экономическим анализом с учетом надежности и отработанности технических решений.