Анализ мирового опыта создания угольных энергоблоков с применением технологии ультра-суперкритического пара

 

Шнековый пылепитатель

Шнековый пылепитатель содержит в цилиндрическом корпусе винтообразный шнек, приводимый во вращение электродвигателем. В приемной части питателя под бункером диаметр витков шнека постепенно (в направлении движения пыли) увеличивается, чтобы обеспечить равномерный сход пыли из бункера в питатель по всей его длине. При одинаковом диаметре витков «работают» только первые витки, как и при работе скребкового питателя угля. Для уменьшения самопроизвольной перетечки пыли в последних витках (перед выходным патрубком ) шаг между витками уменьшают, обеспечивая так называемую «подпрессовку». Расход пыли регулируют изменением частоты вращения шнека. 
 
Лопастные питатели состоят из цилиндрического корпуса, по оси которого установлены на валу последовательно по ходу пыли ворошитель, верхнее мерительное и нижнее подающее колеса. Пыль из бункера, разрыхленная ворошителем, через окно в верхней крышке вводится в полости верхнего колеса и далее определенными дозами через окно поступает на нижнее колесо, откуда — в пылевыдающий патрубок. В лопастных питателях повышенной производительности применяют по два входных и выходных патрубка. Шнековые питатели применяют для бурых и каменных углей, лопастные — для более сухих топлив (типа ALU, тощих, каменных). 
 
После питателей угольную пыль, смешивая с транспортирующим агентом в смесителях, направляют в горелки по пыле-проводам круглого сечения со скоростью потока более 25 м/с (во избежание отложений пыли). Значительное увеличение скорости потока (более 30—32 м/с) вызывает износ пыле-проводов, что нежелательно из-за возникающих потерь топлива и пылений. Уменьшения износа и затрат на ремонт удается достигнуть при оснащении котлов пылепроводами высокой концентрации пыли (ПВК).

 

Горелки

Встречная лобовая компоновка обеспечивает соударение потоков, вытекающих из горелок противоположных стен задерживающее удар во фронтовую и заднюю стены и снижающее опасность шлакования этих стен. Однако в зоне соударения могут наблюдаться растечка газов к боковым стенам, удар и шлакование последних. При движении факелов происходит их проникновение в межгорелочные пространства противоположно расположенных горелок.  
 
Так как топочные газы горящего факела не имеют контакта со стенами и охлаждаются незначительно, то в таких топках отмечают высокий температурный уровень горения и устойчивое зажигание пылевоздушной смеси. Часть потоков направляется в холодную воронку, а основная масса газов, достаточно равномерно заполняя топку, поднимается вверх. При разных массах и скоростях соударяющихся потоков наблюдают отклонение восходящих потоков к одной из стен. 
 
Топки с встречно-смещенной компоновкой горелок позволяют уменьшить отклонение восходящих потоков, характеризуются более устойчивым положением факелов и глубоким проникновением их в межгорелочные пространства противоположных горелок. Глубина проникновения факела зависит от расстояния S между горелками. Растечка газов из зоны соударения уменьшается и снижается опасность шлакования боковых стен, но остается некоторая возможность появления шлака в задних углах боковых стен. 
 
Топки с встречной компоновкой горелок надежно работают в котлах с системами пылеприготовления, имеющими пылевые бункера, т. е. когда все горелки находятся в работе. В котлах с системами прямого вдувания при отключении горелок работа топки может существенно ухудшиться. Угловая тангенциальная компоновка горелок характеризуется организацией вихревого движения газов в топке котла, вызванного пылевоздушными потоками, направленными из горелок по касательной к условному кругу в центре топки.  
 
Как и в топках с встречной компоновкой, в этих топках после соударения и закрутки потоки из отдельных горелок хорошо перемешиваются и заполняют сечение топки выше горелок. К корню факела в этих топках эжектируются значительно охлажденные у стен топочные газы и поэтому горение в них несколько затянуто, а температура горения невысока. При сжигании высоковлажных топлив приходится применять специальные меры для повышения устойчивости горения, например пылеконцентраторы. 
Такая компоновка горелок рекомендуется для топок квадратного сечения. В случае разной длины стен может происходить отклонение факелов к более длинным стенам (например, к фронтовой и задней), и в зоне соударения со стенами наблюдают зоны шлакования. 
 
Выпадающий в нижнюю часть топочных камер и скапливающийся там шлак в твердом (ТШУ) или жидком (ЖШУ) состоянии необходимо непрерывно выводить из котла. Для этого под шлаковыми летками или в устье холодной воронки предусмотрена установка шлаковых шахт, в которые выпадает шлак. Шлаковые шахты в большинстве случаев имеют ванны, заполненные водой. В топках с твердым шлакоудалением осыпающийся со стен преимущественно твердый шлак падает в холодную воронку и далее по ее скатам — в шлаковую шахту. При соприкосновении с водой раскаленный шлак растрескивается и рассыпается под действием больших термических напряжений. Стекающий в воду жидкий шлак (в топках с ЖШУ) затвердевает в виде частиц небольших размеров.

Топливовоздушную смесь и вторичный воздух подают в топки через горелки вихревого или прямоточного типа. В вихревых горелках потоки пылевоздушной смеси, вторичного воздуха или оба потока закручиваются специальными устройствами. В результате закрутки пылевоздушный поток, вытекающий из горелки в топку, раскрывается в виде полого вращающегося конуса, к которому изнутри и снаружи эжектируются топочные газы. В зависимости от степени крутки раскрытие факела может быть полным или частичным и соответственно в его центральной части устанавливается бесконечный или замкнутый (пунктир) циркуляционный вихрь поджигающих пылевоздушную смесь топочных газов.  
 
Чтобы обеспечить достаточное раскрытие факела, вихревые горелки должны быть установлены на значительном расстоянии друг от друга (2,5—3 диаметра горелки). Газы с большой температурой поступают к горелке из внутреннего циркуляционного вихря, поэтому с целью повышения устойчивости зажигания пылевоздушную смесь подают по внутреннему каналу либо прямоточно без закрутки, либо с закруткой в улиточных аппаратах или с помощью специальных лопаток. Вторичный воздух, подаваемый по внешним каналам, закручивают в улитках или лопаточным аппаратом. 
 
В зависимости от способа закрутки первичного и вторичного воздуха различают горелки: прямоточно-улиточные, прямоточно-лопаточные, улиточно-улиточные, улиточно-лопаточные, лопаточно-лопаточные. Первым указывается способ завихривания первичного воздуха. Так, например, в прямоточно-улиточной лопатке первичный воздух подается прямоточно вдоль горелки (аксиально), а вторичный закручен в улиточном завихрителе. 
 
В горелках большой мощности (не менее 50 МВт) используют двойные каналы первичного и вторичного воздуха , причем каналы первичного воздуха соединены с пылепроводами различных мельниц, а в одном из каналов вторичного воздуха завихряющие устройства имеют поворотные лопатки. Такая конструкция горелок позволяет обеспечить их работу при отключении мельницы и широкий диапазон закрутки вторичного воздуха. 
 
Центральная труба предусмотрена для установки мазутной форсунки 6 (например, растопочной). 
При аксиальном вводе пылевоздушной смеси горелка имеет небольшое сопротивление, износу подвержен лишь поворот во входном участке, но для раскрытия потока в топке требуется создать сильную закрутку (в улитке или лопатками) вторичного воздуха. С использованием таких горелок сжигают преимущественно бурые и каменные угли с повышенным выходом летучих (30%). 
 
Улиточный ввод пылевоздушной смеси обеспечивает высокую степень крутки потока при умеренном сопротивлении горелок. Этим горелкам свойственны значительный износ улиточного аппарата, а также неравномерное распределение пыли в выходном сечении пылевоздушного канала. Вследствие значительных размеров улиточного аппарата эти горелки небольшой мощности (до 35 МВт). В горелках с лопаточными завихрителями пылевоздушной смеси наблюдается износ лопаток, что сказывается на снижении крутки, причем в отличие от ранее рассмотренных горелок ремонт лопаток в этих горелках возможен лишь на остановленном котле. 
 
Эти горелки имеют также повышенное сопротивление (при прямых лопатках). Однако они обеспечивают удовлетворительную крутку при небольших габаритных размерах и это позволяет их широко применять для сжигания различных углей, в том числе и с низкой реакционной способностью, когда требуется сильное раскрытие факела. Как закручивающее устройство для вторичного воздуха, лопаточный аппарат 8 является основным. 
 
В вихревых горелках происходит перегрев и выгорание труб, образующих каналы пылевоздушной смеси и вторичного воздуха, особенно внутренних труб, прилегающих к зоне циркуляционного вихря высокотемпературных газов. Поэтому эти трубы в большинстве горелок заглубляют внутрь горелки на 0,3—0,5 м. Прямоточные горелки характеризуют аксиальное соосное движение пылевоздушных и воздушных потоков. Пылевоздушную смесь можно подавать по внутреннему или по наружному каналу.  
 
В прямоточных горелках топочные газы увлекаются в струю только по внешней границе и поэтому интенсивность эжекции, прогрева и воспламенения пыли в них меньше, чем в вихревых горелках. Повышение устойчивости достигают внешней подачей пылевоздушной смеси, повышением температурного уровня и аэродинамической организацией горения, соответствующей компоновкой горелок. 
 
По месту расположения каналов пылевоздушной смеси и вторичного воздуха различают горелки с односторонним вводом пылевоздушной смеси , с вертикально-чередующимися и горизонтально-чередующимися каналами пылевоздушной смеси и с периферийной ее подачей. Горелки с односторонним вводом пыли используют в основном в топках с тангенциальной угловой установкой горелок, остальные горелки могут применяться при любых компоновках, причем горелки с чередующейся подачей — преимущественно для бурых углей. 
 
В последнее время широкое применение находят плоскофакельные горелки) с соударяющимися потоками пылевоздушной смеси и вторичного воздуха. При соударении вытекающих из труб / и каналов 2 соответственно потоков пылевоздушной смеси и вторичного воздуха последние деформируются и, перемешиваясь, растекаются в поперечном направлении.  
 
При изменении соотношения расходов соударяющихся струй общий поток может отклоняться вверх или вниз. Этим свойством горелок пользуются для изменения местоположения ядра горелки в топке. 
В отличие от вихревых горелок прямоточные могут располагаться на более близких расстояниях друг от друга и использоваться для создания различных компоновок.

Устройство  для образования смесей пылевидного  топлива с воздухом и подачи его  к месту сжигания. Через горелки  в топку поступают два различных  потока: топливо- воздушная смесь (топливная пыль при температуре 70— 130°С и первичный воздух) и вторичный воздух с температурой 250—420°С Образование горючей смеси завершается в топочной камере. От работы горелок и их размещения зависит характер смесеобразования, что в сочетании с аэродинамикой топочной камеры определяет интенсивность воспламенения, скорость и полноту сгорания. Горелка для камерного сжигания твердого топлива подразделяют на круглые (турбулентные), прямоточные (щелевые) и пылевые. Для сжигания пылевидного топлива совместно с газом применяют комбинированные горелки.

На котлоагрегатах большой производительности устанавливают  одно- и двухулиточиые, лопаточные и улиточно-лопаточные пылеугольные круглые горелки. При любой конструкции круглой горелки потоки пылевоздушной смеси и вторичного воздуха закручиваются в одном направлении. В одноулиточной горелке пылевоздушная смесь поступает в топку прямоточно (Рис. 1); вторичный воздух закручивается в улитке и, пройдя кольцевой канал, через амбразуру поступает в топку. Необходимый для хорошего перемешивания со вторичным воздухом разнос струи пылевоздушной смеси достигается

рассекающим конусом. В получивших широкое распространение  двух-улиточных горелок и улиточно-лопаточных горелок оба потока закручиваются  в улиточном или лопаточном подводе (Рис. 2). Потоки образуют в топке два  концентрически расходящихся усеченных  конуса, как бы опирающихся малыми основаниями на кольцевые выходы из горелки. Внутри образуется конус пылевоздушной смеси,которому снаружи примыкает конусообразный поток вторичного воздуха. По мере движения в топке оба потока проникают один в другой, перемешиваются, увлекая за собой топочные газы

Чем больше горячих топочных газов вовлекается  в этот процесс, тем быстрее воспламеняется и сгорает топливо. Для увеличения угла раскрытия факела мощные горелки  имеют коническую выходную насадку. С этой же целью выходную часть  амбразуры часто выполняют конический, расширяющейся к устью, в результате чего достигается лучшее сочетание  форм развития факела и амбразуры, увеличивается  площадь поверхности контакта факела, ускоряется воспламенение топлива. Полнота сгорания топлива зависит  от скорости вдувания в топку первичной  смеси и вторичного воздуха. При  малой скорости первичной смеси  возможны выпадение из потока крупных  частиц топлива и обгорание выходных патрубков горелок; при слишком  большой скорости ухудшаются условия  воспламенения, и увеличивается  длина факела. Скорость пылевоздушной  смеси в круглых закручивающих  горелок при сжигании пыли антрацитов, полуантрацитов и тощих углей  принимают равной 15—20 м/с, а каменных и бурых углей — 20—25 м/с; соответственно скорости вторичною воздуха принимают  равными 20—30 и 25—35 м/с. Кол-во первичного воздуха, которое необходимо подавать в Г., с повышением выхода летучих  веществ из топлива возрастает с 20— 30% при сжигании антрацита до 50—60% при сжигании бурых углей. "Остальное кол-во воздуха приходится на вторичный. Круглые горелки применимы для любого твердого топлива, но наиболее распространены для топлива с малым выходом летучих веществ. Единичная мощность круглых горелок достигает 14 т/ч.

 

ВИХРЕВАЯ СТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ  ГОРЕЛКА

 

1. НАЗНАЧЕНИЕ

 

Предлагаемая  горелка может быть использована в технологических и энергетических установках, использующих сжигание углеводородного  топлива и, прежде всего, в установках, работающих в экстремальных условиях (при низких температурах, давлении, при использовании низкокалорийных  топлив).

Использование новых принципов организации  процесса горения при конструировании  горелочных устройств позволит улучшить пусковые и рабочие характеристики камер сгорания путем интенсификации процесса подготовки и сжигания топливовоздушной смеси; обеспечить многотопливность энергоустановки.

 

2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ.

 

В газотурбинных  двигателях и газотурбинных установках:

эффективный розжиги обеспечение рабочего процесса основных и форсажных камер сгорания;

создание  режима дежурного зажигания длительного  непрерывного действия;

улучшение экологичности  двигателя за счет предварительной  подготовки топливовоздушной смеси.

В прямоточных  воздушно-реактивных двигателях: розжиг камеры сгорания;

стабилизация  горения топливовоздушной смеси,

Розжиг и  стабилизация горения газовых, мазутных и пылеугольных горелок топок  теплоэнергоценралей.

В технологических  процессах газопламенной обработки  материалов в машиностроении ив химической промышленности.

Переработка экологически вредных отходов производств.

 

3. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

 

Особенность конструкции является способность  организовать рабочий процесс так, что пусковой стабилизирующий факел  первой ступени поступает тангенциально  во вторую ступень. Во второй ступени  образуется сильно закрученный высокотемпературный  поток, в который впрыскивается  топливо из основной форсунки. Из второй ступени в жаровую трубу или  топочную камеру выходит устойчивый стабилизированный факел, состоящий (в зависимости от коэффициента избытка воздуха) из продуктов сгорания и несгоревших компонентов топливо-воздущной смеси, которые дожигаются в жаровой трубе или в топочной камере.

 

4. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ

 

Расход сжатотого  воздуха, г/с 5(60

Давление  сжатого воздуха, МПа 0,15(0,6

Температура воздуха и топлива на входе  в первую ступень,

не менее, (С-55

Давление  топливо-воздушной смеси в разжигаемой  камере сгорания, КПа 10,3(101,3

Топливо первой ступени жидкое или газообразное

Топливо второй ступени газообразное, жидкое, твердое  измельченное

Диапазон  надежного запуска и устойчивой работы по коэффициенту избытка воздуха 0,3(8,0)

Температура факела на срезе выходного сопла, (С) 700(2000)

НОВЫЙ СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ВИХРЕВЫХ ГОРЕЛОК  СО СТАНДАРТНЫМИ ЗАВИХРИТЕЛЯМИ

 

Все проблемы экологически безопасного и экономичного сжигания топлив на котлах тепловых электростанций, так или иначе, связаны с выбором  и настройкой горелок. Причем всегда следует рассматривать оптимизацию  всей системы «горелки-топка», включая  систему сбросных воздушных сопел, расположенных на стенах топки выше горелок для подачи воздуха в  разные зоны надгорелочного пространства. Конечно, имеем в виду не тривиальные  неэффективные схемы так называемого  двухстадийного сжигания и не всегда удачные схемы сжигания трехстадийного. Речь, конечно, далее пойдет о сложных  современных и весьма индивидуальных схемах настройки топочного процесса, которые называют по-разному: двухзонным, просто стадийным или нестехиометрическим  сжиганием. В любом случае, эти  технологии предусматривают первичное  сжигание топлива в несколько  стадий при разном дефиците кислорода, что необходимо для управляемого образования и подавления оксидов  азота (NOx) разных групп (быстрых, топливных, термических). Для этого в индивидуальном факеле каждой горелки необходимо осознано управлять температурой и составом газовой атмосферы в отдельных  зонах. Дожигание топлива, точнее восстановительной  атмосферы производится в средней  и даже в верхней части топки. Это, в свою очередь, требует создания эффективной аэродинамической схемы  для тщательного смешения воздуха с потоком вязких почти ламинарно текущих топочных газов большой толщины. Удачная реализация подобной схемы обеспечивает в настоящее время достижение рекордных одновременно экологических и экономических характеристик топочного процесса на лучших зарубежных котлах.

Конкретная  технология сжигания топлива на котлах по наиболее эффективным схемам нестехиометрического сжигания (наиболее принятая отечественная  терминология) в топках котлов электростанций связана, прежде всего, с использованием совершенно определенных типов горелок  с особыми схемами индивидуальной их настройки. Горелки для самой  полной реализации подобных технологий должны, по нашему мнению, удовлетворять  определенным требованиям. Выделим  некоторые из них, на наш взгляд, самые важные.

Во-первых, это  почти всегда вихревые горелки, гарантирующие  самую надежную стабилизацию воспламенения  и горения в индивидуальном факеле. Эти горелки позволяют дополнительно  создавать в отдельных областях их факелов зон повышенной и пониженной интенсивности смешения механизмами  турбулентности. Это условие всегда должно быть выполнено, так как без  него трудно формировать специальные  зоны факелов с нужными избытками  воздуха и температурами, а настраивать  и регулировать эти процессы трудно.