Ефективність топкового режиму енергетичних котлів при висококонцентрованій пилоподачі низькореакційного вугілля

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.182.2: 662.613.5

ЕФЕКТИВНІСТЬ ТОПКОВОГО РЕЖИМУ ЕНЕРГЕТИЧНИХ КОТЛІВ ПРИ ВИСОКОКОНЦЕНТРОВАНІЙ ПИЛОПОДАЧІ НИЗЬКОРЕАКЦІЙНОГО ВУГІЛЛЯ

05.14.14 Теплові і ядерні енергоустановки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Побіровський Юрій Миколайович

Київ 2003

АНОТАЦІЯ

Побіровський Ю.М. Ефективність топкового режиму енергетичних котлів при висококонцентрованій пилоподачі низькореакційного вугілля. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.14. Теплові і ядерні енергоустановки. Національний технічний університет України “КПІ”, Міністерство освіти і науки України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню ефективності топкового режиму енергетичних котлів обладнаних висококонцентрованою пилоподачею під тиском (ПВК_т) на пальники при спалюванні низькореакційного вугілля погіршеної якості. Приведено результати порівняльних випробувань котлів ТПП-210А з подачею пилу високої концентрації і традиційною системою пилоподачі (ТСП). Розглянуто основні фактори та вплив їх на топковий режим котла при двох технологіях пилоподачі: якість та підготовка твердого палива; повітряний режим; робота пиловугільних пальників; рівномірність подачи палива на пальники; підсвічування високореакційним паливом. Приведено результати досліджень паливного, повітряного та температурного режимів топки при ПВК_т і ТСП. Особливо виділена роль первинного повітря та транспортуючого повітря ПВК_т по впливу на топковий процес, на економічні показники котла. Дано результати екологічних досліджень котла ТПП-210А. Встановлено основні фактори, що можуть впливати на утворення NO_x при ПВК_т. Запропоновано загальні рекомендації по веденню топкового режиму і зниженню викидів NO_x котлами ТПП-210А в умовах ПВК_т.

Ключові слова: паровий котел, топка, висококонцентрована подача пилу, топковий режим, оксиди азоту.

АННОТАЦИЯ

Побировский Ю.Н. Эффективность топочного режима энергетических котлов при высококонцентрированной пылеподаче низкореакционных углей Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14. Тепловые и ядерные энергоустановки. Национальный технический университет Украины “КПИ”, Министерство образования и науки Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена исследованию эффективности топочного режима энергетических котлов оборудованных высококонцентрированной пылеподачей на горелки при сжигании низкореакционного угля ухудшенного качества.

Сжигание низкореакционных непроектных углей приводит к снижению надежности и экономичности работы котлов, к ухудшению экологических показателей ТЭС. Выходом из такой ситуации является техническое перевооружение в энергетике с применением экологически “чистых” малозатратных технологий и повышение экономичности существующего оборудования ТЭС. Одной из эффективных технологий, позволяющих устранить недостатки традиционной системы пылеподачи, является подача пыли высокой концентрации под давлением на горелки котла. Разработанная НТУУ “КПИ” технологическая схема ПВК_д для котла ТПП-210А, сжигающего АШ ухудшенного качества и шламы, является положительным результатом использования высококонцентрированной пылеподачи для котлов с жидким шлакоудалением.

В работе приведены результаты сравнительных испытаний котлов ТПП-210А с подачей пыли с высокой концентрацией под давлением (ПВК_д) и традиционной системой пылеподачи (ТСП). Рассмотрены основные факторы и их влияние на топочный режим котла при двух технологиях пылеподачи: качество и подготовка твердого топлива; воздушный режим; работа пылеугольных горелок; равномерность подачи топлива на горелки; подсветка высокореакционным топливом. Приведены результаты исследований топливного, воздушного и температурного режимов топки при ПВК_д и ТСП. Установлено, что по характеристикам золы и шлака топочные процессы котлов при ПВК_д и ТСП имеют отличия. Для котлов с ПВК_д имеется регулировочный запас по расходу первичного воздуха, что важно для оптимизации аэродинамики пылеугольных горелок. Рекомендуется работа котла оборудованного ПВК_д в номинальном режиме при пониженной нагрузке вентилятора горячего дутья. ПВК_д на котле ТПП-210А позволила обеспечить равномерномерность подачи пыли на горелки, снизить колебания по расходу топлива и воздуха, что положительно сказалось на топочном процессе. Особо выделена роль транспортирующего воздуха, как фактора присущего только ПВК под давлением. Проведенные исследования позволяют рассматривать транспортирующий воздух, как орудие дополнительного воздействия на экономичность и экологичность работы топки котла. Оптимальное количество транспортирующего воздуха в сочетании с пониженным расходом первичного воздуха способствует более раннему зажиганию угольной пыли на начальном участке горелки. ПВК_д улучшила работу пылеугольных горелок, что дало возможность, не ухудшив устойчивость процессов горения и надежность шлакоудаления, снизить расход высокореакционного топлива на подсветку.

Приведены результаты исследования температурного режима топки при ПВК_д и ТСП. Подтверждено влияние на топочный процесс котла оборудованного ПВК_д общего регулирования расходов первичного воздуха и воздуха на транспорт.

Перевод котла ТПП-210А, сжигающего АШ и шламы, на высококонцентрированную пылеподачу позволил повысить _бр на 0,4-1,0% за счет снижения потерь тепла с механическим и химическим недожогом.

Рассмотрен механизм образования оксидов азота при сжигании угольной пыли АШ и выделены основные факторы, влияющие на выход NO_x. Анализ технологических методов подавления оксидов азота показал, что практически мало методов, которые можно применить при сжигании низкореакционных углей. Широкое использование на котлах, сжигающих твердое топливо, находят различные схемы ПВК. Приведены результаты экологических исследований котла ТПП-210А при традиционной системе пылеподачи и ПВК_д разработанной НТУУ “КПИ”. Внедрение схемы ПВК_д позволило снизить выбросы NO_x на 20-21% по сравнению с ТСП. Установлены основные факторы, которыми можно влиять на выбросы NO_x котлов с ПВК_д (первичный и транспортирующий воздух). Снижение расхода транспортирующего воздуха позволило уменьшить концентрацию NO_x на 19% дополнительно по сравнению с исходным режимом. Исследовано влияние расхода подсветочного топлива на образование оксидов азота и даны рекомендации по подсветке пылеугольного факела. Предложены общие рекомендации по ведению топочного режима и снижению выбросов котлов ТПП-210А в условиях ПВК_д. Схема ПВК_д разработанная НТУУ “КПИ” обладает большими возможностями по совершенствованию топочного режима котла, повышению экономических и экологических показателей котлов, сжигающих низкореакционные угли ухудшенного качества. Основные результаты работы использованы при внедрении системы ПВК_д на котлах ТПП-210А Трипольской ТЭС (1985 2000 гг.) и могут быть применены на аналогичных котлах.

Ключевые слова: паровой котел, топка, высококонцентрированная подача пыли, топочный режим, оксиды азота.

THE SUMMARY

Pobirovskii Yu.N. Efficiency of the furnace condition of power-generating boilers at the high-concentrated feed of low-reactive coal dust. Manuscript. Thesis for Candidates degree (Engineering) on the speciality 05.14.14 thermal and nuclear power plants. National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute", Ministry of Education and Sciences of Ukraine, Kiev, 2003.

The thesis is devoted to studying the efficiency of the furnace condition of power-generating boilers, equipped with a system of high-concentrated dust feed under pressure (HCDF) to the burners at burning of a low-reactive fuel of interior quality. The results of comparative tests of TPP-210A boilers with a high-concentrated dust feed and a traditional dust-feed systems (TDF) are presented. We consider the main factors and their influence on furnace condition of a boiler for two technologies of dust-feed: the quality and preparation of solid fuel; air condition; the operation of coal-dust burners; the uniformity of feed to the burners; lighting with high-reactive fuel. Some results of studying the fuel, air and temperature conditions of a furnace at HCDF and TDF are described. The influence of primary air and transport air of HCDF on the furnace process, and on the economic parameters of a boiler is especially emphasized. We also present some results of ecological investigations of TPP-210A the boiler. The principal factors that can affect the formation of NO_x at HCDF are established. We propose general recommendations on the conducting of furnace conditions and decrease in the emissions of NO_x by TPP-210A boilers under conditions of HCDF.

Key words: steam boiler, furnace, high-concentrated dust feed, furnace condition, nitrogen oxides.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теплоенергетичних установок теплових та атомних електростанцій Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" (НТУУ "КПІ"), Міністерство освіти та науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Кесова Любов Олександрівна, НТУУ "КПІ", завідуючий кафедрою теплоенергетичних установок теплових та атомних електростанцій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шрайбер Олександр Авраамович, Інститут загальної енергетики НАН України, завідуючий відділом;

кандидат технічних наук, Чернявський Микола Володимирович, Інститут вугільних енерготехнологій НАН та Мінпаливенерго України, старший науковий співробітник

Провідна установа:Інститут технічної теплофізики НАН України (м. Київ)

Захист дисертації відбудеться "27" січня 2004 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою : 03056, Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 307.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою : 03056, Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий "23" грудня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.І.Коньшин

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні 67% встановленої потужності електростанцій припадає на теплові електричні станції (ТЕС), із 104 енергоблоків 91 працює на вугіллі. Погіршення якості твердого палива (зниження теплотворної спроможності, ріст зольності до 30-40%) призводить до значних труднощів при спалюванні його в енергетичних котлах. Для підтримки проектної потужності енергоблоків, що працюють на низькореакційному вугіллі (V^г = 6-9%) погіршеної якості типу антрацитів і шламів, доводиться застосовувати спалювання високореакційного палива (газ, мазут), частка якого по теплу може досягати 30%. У цих умовах основна задача забезпечити сталість запалювання вугільного пилу при скороченні палива на підсвічування, без погіршення ефективності роботи енергетичного устаткування. Крім того, дуже гострими для України є екологічні проблеми, що полягають у зниженні шкідливого впливу ТЕС на навколишнє середовище.

Заміна старого устаткування новим потребує значних коштів. Тому в енергетиці України важливим є завдання по подовженню терміну служби діючих ТЕС. При цьому актуально застосування нових маловитратних технологій спалювання і модернізація існуючого устаткування при використанні вітчизняного низькореакційного вугілля погіршеної якості.

Один із засобів вирішення проблеми переведення котлів на систему пилоподачі з високою концентрацією, що дозволяє підвищити ефективність спалювання вугілля, знизити витрати підсвічуваного палива, поліпшити екологічні показники електростанцій.

Для котлів ТПП-210А Трипільської ТЕС, що спалюють низькореакційне вугілля типу АШ і шламів, кафедрою теплоенергетичних установок теплових і атомних електростанцій (ТЕУ Т та АЕС) Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) була розроблена і впроваджена система подачі вугільного пилу на пальники з високою концентрацією під тиском (ПВК_т). Впровадження цієї технології на котлах з рідким шлаковидаленням є позитивним результатом використання ПВК_т не тільки в Україні, але й у країнах СНД. Проте у літературі дослідження з оптимізації топкових режимів котлів з ПВК_т практично відсутні, тому необхідна розробка рекомендацій по веденню топкового режиму і визначенню чинників, що впливають на ефективність.

Пиловугільні котли не оснащаються засобами для зниження викидів оксидів азоту, у той же час їхні викиди значно вищі, ніж у газомазутних. Дослідження показують, що на утворення NO_x при спалюванні твердого палива впливають: конструкція топки і пальників, засіб спалювання, надлишок повітря і рівень температур у топковій камері, час перебування палива та окислювача в зоні високих температур та ін. Оскільки при експлуатації пиловугільних котлів значення кожного з чинників, що впливають, виявити складно, для організації оптимального топкового процесу при мінімальному утворенні NO_x необхідні загальні залежності від основних режимних параметрів і умов роботи топки. Прагнення технологічними методами зменшити концентрацію NO_x у димових газах може привести до порушення оптимальних умов роботи топкової камери, зниженню надійності та економічності котлів. Тому питання, пов'язані з поліпшенням екологічних характеристик, варто вирішувати комплексно разом з оптимізацією топкового процесу.

Відомості і рекомендації по топковому процесу та утворенню NO_x для котлів із ПВК_т, які спалюють низькореакційне вугілля, відсутні. У зв'язку з цим актуальним є дослідження ефективності топкового процесу котла ТПП-210А, обладнаного висококонцентрованою пилоподачею на пальники, і на підставі цього розробка рекомендацій по веденню топкового режиму і зниженню викидів NO_x.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, подані в дисертації, виконувались автором на кафедрі ТЕУ Т та АЕС НТУУ "КПІ". Тематика дисертаційної роботи відповідає науковому напрямку кафедри і дослідження проводились відповідно до планів Міненерго УРСР, Міністерства по науці і техніці України на котлах ТПП-210А Трипільської ТЕС:

"Розробити оптимальні схеми і режими пневмотранспорту пилу високої концентрації, відпрацювати схеми технологічного контролю і регулювання пневмотранспорту та впровадити їх у промислову експлуатацію." (держ. реєстрація №81059969)

"Удосконалення топкового режиму і процесів спалювання низькореакційного палива при подачі вугільного пилу високої концентрації." (держ. реєстрація №01910017424)

"Розробка уніфікованої технологічної схеми та системи автоматичного регулювання пилоподачі з високою концентрацією для енергоблоків ТЕС України." (держ. реєстрація №0199U000041)

Мета і задачі дослідження. Мета роботи визначення ефективності топкового режиму та викидів NO_x енергетичними котлами, що спалюють АШ або шлами, і обладнані системою ПВК_т, та розробка рекомендацій щодо ведення топкових режимів і зниженню викидів NO_x.

Для досягнення поставленої мети, при проведенні порівняльних досліджень топкового режиму котлів з ПВК_т і традиційною системою пилоподачі (ТСП), необхідно було вирішити такі задачі:

визначити вплив якості твердого палива і його підготовки на топковий режим;

оцінити повітряний режим топки при роботі з різними системами пилоподачі;

порівняти рівномірність подачі палива на пальники при двох системах;

визначити можливості регулювання роботи пальників в умовах ПВК_т;

дослідити вплив витрат первинного та транспортуючого повітря ПВК_т на роботу пальника і котла в цілому;

проаналізувати та порівняти температурний режим топки при роботі на ПВК_т і ТСП;

визначити викиди NO_x котлами ТПП-210А при різних технологіях пилоподачі;

розробити рекомендації по веденню топкового режиму та зниженню викидів NO_x при застосуванні технології ПВК_т.

Обєкт дослідження енергетичний котел, обладнаний висококонцентрованою пилоподачею на пальники.

Предмет дослідження ефективність топкового режиму котла з ПВК_т, який спалює низькореакційне вугілля.

Методи дослідження. При промислових випробуваннях котлів на різних режимах експлуатації контролюються чинники, що впливають на процеси у топці і які варіюються у кожному досліді на можливих робочих рівнях. паливо топка котел

Достовірність отриманих експериментальних результатів забезпечувалося використанням у роботі сучасних приладів, устаткування та перевірених методик дослідження, а також застосуванням загальновідомих методів математичної статистики та обробки експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

Вперше виконані дослідження ефективності топкового режиму котла, що спалює низькореакційні вугілля АШ і шлами, в умовах ПВК_т;

Визначено вплив основних чинників на топковий режим та утворення NO_x котла з ПВК_т і виявлений вплив транспортуючого повітря на роботу пиловугільних пальників і топки в цілому;

Розроблені заходи по оптимізації топкового режиму і зниженню викидів NO_x котлами з рідким шлаковидаленням, обладнаними ПВК_т.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці рекомендацій по веденню топкового режиму котла ТПП-210А енергоблоку 300 МВт, обладнаного ПВК_т, що дозволяють підвищити ефективність спалювання вугілля погіршеної якості та поліпшити екологічні показники. Рекомендації включають наступні пропозиції: по підготовці твердого палива; оптимізації повітряного режиму топки і пальників (рівень підтримування первинного повітря); вибір величини витрати транспортуючого повітря в системі ПВК_т; оптимізації підсвічування пиловугільного факела пальника високореакційним паливом.

Результати дисертаційної роботи використано при впроваджені ПВК_т на котлах ТПП-210А Трипільскої ТЕС, що підтверджено довідкою про економічний ефект. Багаторічна експлуатація (1985-2003 рр.) висококонцентрованої пилоподачі на цих котлах дозволяє перенести отримані результати на аналогічні пиловугільні котли ТЕС.

Особистий внесок здобувача в одержанні наукових результатів, викладених у дисертаційній роботі:

планування та виконання експериментів на всіх етапах досліджень;

аналіз результатів досліджень пальників і топки котла;

оцінювання впливу основних чинників (паливний, повітряний і температурний) на топковий режим котлоагрегату з ПВК_т;

аналіз основних методів впливу на утворення NO_x у топках пиловугільних котлів, і можливість їхнього застосування при факельному спалюванні низькореакційних твердих палив типу АШ;

оцінювання основних чинників, які сприяють зниженню викидів NO_x в умовах ПВК_т;

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи докладалися й обговорювалися на науково-технічних конференціях “Проблеми пневмотранспорту” (м. Севастополь, 1989 р.), “Проблеми і шляхи удосконалювання підготовки і спалювання твердих палив на ТЕС” (м. Київ, 1994 р.); на міжнародних семінарах “Перспективні енерготехнології в енергетиці і промисловості” (м. Київ, 1998 р.), “Еколого-економічні чинники енергетичної безпеки” (м. Київ, 2000 р.), “Економічні проблеми забезпечення енергетичної безпеки” (м. Київ, 2001 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та шляхи удосконалення вугільної теплоенергетики” (м. Київ, 2000 р.); на наукових семінарах кафедри теплоенергетичних установок теплових та атомних електростанцій НТУУ “КПІ”.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 12 друкованих працях, у тому числі: 7 у вигляді статей у спеціальних фахових виданнях переліку ВАК України, 2 публікації в науково-технічних журналах; два авторські свідоцтва та один патент на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, пяти розділів, висновків, списку літератури та додатків. Основний зміст роботи викладений на 134 сторінках, враховуючи 15 таблиць і 45 рисунків. Список використаних джерел складається з 147 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення, подані відомості по особистому внеску автора, апробації і публікаціям; структурну схему роботи.

У першому розділі викладено основні проблеми, пов'язані зі спалюванням низькоякісних твердих палив (антрацитів і шламів) в енергетичних котлах ТЕС.

Вугілля є єдиним ресурсом, яким володіє Україна в кількості, достатньому для покриття своїх потреб. Спалювання непроектного вугілля погіршеної якості не тільки призводить до зниження надійності та економічності роботи ТЕС, але і до погіршення екологічних показників. Виходом з такої ситуації є технічне переозброєння галузі з застосуванням екологічно “чистих” вугільних енерготехнологій і підвищення економічності ТЕС шляхом реконструкції та модернізації діючих котлів.

Особливості спалювання АШ показують, що ефективність роботи вихрових пальників визначається початковими умовами запалювання і горіння вугільного пилу, тобто тим, як здійснюється підігрів паливно-повітряної суміші за рахунок притоку високотемпературних газів на початковій ділянці факела. Чим цей процес інтенсивніше, тим швидше відбувається ріст температури вугільних частинок при одночасному підводі окислювача. Підвищення температури вугільних частинок може бути досягнуто збільшенням: інтенсивності підмішування топкових газів до амбразури пальника, якості помелу вугільного пилу, концентрації вугільного пилу в аеросуміші, перебування частинок вугільного пилу в зоні високих температур, температури гарячого повітря та аеросуміші; а також забезпеченням раціонального сумісного спалювання пилу з високореакційним підсвічуючим паливом.

При зниженні якості вугілля виникають труднощі з його розвантаженням і транспортуванням по тракту паливоподачі, зниженням розмелювальної і сушильної продуктивності пилосистем, спостерігається істотний знос устаткування, що позначається на роботі системи пилоподачі: бункер пилу пиложивильники пилопроводи пальники.

Спалювання АШ погіршеної якості призводить до затягування факела по висоті топки, зростання температури на виході з неї, шлакування поверхонь нагріву, зниження температури в нижній частині топки, погіршення шлаковидалення, росту втрат з механічним і хімічним недопалом, погіршення економічних і екологічних показників.

На прикладі проектної системи пилоподачі котла ТПП-210А розглянуті недоліки традиційної схеми пневмотранспорту палива на пальники (висока металоємність, низька надійність пилоподачі, погіршена робота пальників, висока витрата підсвічуючого палива, обмежена можливість оптимізації топкового процесу, підвищені витрати на власні потреби).

Удосконалення систем пилоподачі пов'язано з застосуванням різноманітних схем подачі пилу на пальники з високою концентрацією, які розроблені ВТІ, ЦКТІ, Томь-Усінською та Словґянською ТЕС та НТУУ “КПІ”, що дозволяють усунути багато недоліків ТСП. Позитивним досвідом розробки та впровадження подачі пилу з високою концентрацією під тиском є технологічна схема, розроблена НТУУ “КПІ” для котлів ТПП-210А, що спалюють вугілля АШ погіршеної якості і шлами. Аналіз літературних джерел у відкритій пресі показує, що дослідження топкових режимів котлів з рідким шлаковидаленням (РШВ) обладнаних ПВК_т відсутні.

У звязку з жорсткістю вимог до питомих викидів NO_x в атмосферу особливо гостро стоїть проблема зниження їх пиловугільними котлами з РШВ. Розглядаючи механізм утворення оксидів азоту при спалюванні вугільного пилу, можна виділити основні чинники, що впливають на утворення NO_x температуру, концентрацію кисню в зоні реагування, час перебування реагентів у зоні високих температур. Аналізуючи технологічні методи зниження концентрації NO_x, можна зробити висновок, що методів для використання при спалюванні низькореакційних палив недостатньо. Знаходять застосування різноманітні види ступеневого спалювання, малотоксичні пальники та подача пилу з високою концентрацією під тиском. Можливості ПВК_т по впливу на утворення NO_x не вивчені, відомості в літературі практично відсутні.

На основі аналізу сучасного стану проблеми сформульовані мета та основні задачі роботи.

В другому розділі приведено опис котла ТПП-210А Трипільської ТЕС та розробленої НТУУ “КПІ” системи ПВК_т. Розглянуто основні елементи та пристрої висококонцентрованої пилоподачі на пальники (рис.1). Робота всіх елементів ПВК_т забезпечує надійний транспорт вугільного пилу та оптимізована для умов спалювання низькореакційного вугілля погіршеної якості.

Викладено методику проведення та обробки результатів досліджень. При дослідженнях топкових режимів поряд з балансовими вимірами котла, що виконувалися по звичайній методиці, проводилось визначення якості твердого палива, золи та шлаку, повітряного режиму топки, роботи пиловугільних пальників, концентрації газів (NO_х, CO, O₂) на виході котла.

Відмінною особливістю досліджень є те, що більшість експериментів проводилася на одному котлі при переключенні з однієї схеми пилоподачі на іншу (використовувалися аераційні живильники пилу (АЖП) з двома тічками, одна на пилопровід ТСП, інша на ПВК_т).

У третьому розділі подані результати дослідження впливу якості твердого палива на топковий режим котлів ТПП-210А.

Однією з причин погіршення топкового режиму котлів є використання непроектного вугілля, що поставляється на Тп ТЕС від 11 шахт. Як показали дослідження (табл.1), вугілля відноситься до класу антрацитів з різною теплоспроможністю, а проби №96 і №284 являють собою шлами антрациту з підвищеною зольністю.

Аналіз відкладень на поверхні ширмового пароперегрівника виявив, що вони являють собою вторинні утворювання, які обумовлені низьким надлишком повітря та перевищенням температури газів над температурою шлакування. Золошлакові відкладення при технології ПВК_т більш пухкі за структурою і не утворюють тривких з'єднань. Розшлаковка котлів шляхом переведення на газ при ПВК_т здійснюється значно швидше. Для котлів із ПВК_т при однаковій завантаженості блоків менша кількість зупинок на розшлаковку (рис. 2).

Таблиця 1

Склад і основні характеристики вугілля, що поставляється на Тп ТЕС.

Номер проби,	Wd ,	Ad,	Sdt,	Cd,	Hd,	Qdi,	Плавкість золи, 0С
№	%	%	%	%	%	МДж/кг	ta	tb	tc
35	0,98	25,7	2,3	69,2	1,6	24,82	1005	1180	1230
59	1,41	29,4	1,8				1015	1220	1350
66	1,86	30,5	1,7				1020	1225	1315
72	1,55	24,8	1,9				990	1270	1350
79	0,78	21,9	1,3	72,7	2,0	26,23	1015	1230	1390
96	0,98	39,8	1,4	55,1	1,3	19,12	1040	1250	1415
106	1,09	22,9	1,9				1035	1180	1305
226	0,98	24,6	1,2				1000	1270	1350
236	1,02	26,2	1,5				1000	1240	1350
250	1,53	29,5	1,7	65,5	1,3	23,09	995	1290	1400
284	0,91	45,5	1,4	49,2	1,3	17,16	995	1325	1450

t_a - температура початку деформації; t_b - температура плавлення; t_c - температура рідкоплавкого стану.

Дослідження шлаку котлів показали, що при ТСП має місце сепарація пилу на під топки. Зола при ПВК_т та ТСП відрізняється по фракційному складу (при однаковому помелу вугільного пилу). На основі цього, можна судити про різний характер топкового режиму котлів при двох технологіях пилоподачі.

В четвертому розділі викладені результати досліджень та аналіз топкових режимів котлів ТПП-210А при різних системах пилоподачі.

Нерівномірність у розподілі пилу і повітря по пальниках призводить до затягування процесу горіння, зниження інтенсивності роботи топкового об'єму, значного підвищення механічного та хімічного недопалу, що позначається на ефективності роботи котла. Особливо сильно це виявляється в системах традиційного пневмотранспорту пилу.

Дослідження повітряного режиму пальників, виконані на котлах з різними технологіями пилоподачі (рис.3) показали, що для ПВК_т характерна наявність регулювального запасу по витраті первинного повітря (яке не є транспортуючим), що дозволяє оптимізувати аеродинаміку пиловугільного пальника. При ТСП первинного повітря недостатньо для забезпечення оптимальної швидкості аеросуміші 18 м/с для тильних пальників (W₁ = 13-16 м/с). При ПВК_т, при тих же умовах, оптимальна витрата первинного повітря на тильні пальники забезпечується, а на фронтові необхідно зменшувати (W₁ = 19-22 м/с) (рис.3). На основі цього можна рекомендувати роботу котлів із ПВК_т при зниженому навантаженні вентилятора гарячого дуття (ВГД), що сприяє ще й зменшенню втрат на власні потреби.

Режим роботи топки визначається рівномірністю розподілу пилу по пальниках котла. Дослідження, виконані ВТІ, ЦКТІ, НТУУ “КПІ” і деякими електростанціями, показали, що традиційна (проектна) система пилоподачі для котлів, що спалюють АШ, не може забезпечити рівномірність подачі палива на пальники. Нерівномірність при ТСП обумовлена ненадійною роботою лопатевих пиложивильників (розвірка витрати палива може досягати 50-100%) і аеродинамікою пилопроводів (робота в умовах непроектних концентрацій пилу 0,5 кг/кг призводить до його осадження з потоку, різниця в довжині пилопроводів від 13 до 42 м). За рахунок реконструкції промбункера пилу, наладки режиму роботи АЖП, оптимізації аеродинаміки пилопроводів, установки змішувачів пилу перед пальниками система ПВК_т “КПІ” забезпечує стійкий режим пилоподачі і стабілізацію процесу горіння в котлі, що підтверджується діаграмою на рис.4. При ПВК_т має місце зниження пульсацій світності факела як по амплітуді, так і по частоті.

Порівняльний аналіз роботи вихрового пальника при різних технологіях пилоподачі показав, що істотний вплив підсвічування факела мазутом впливає на периферійну зону рециркуляції, тому по температурі газів у приосьовій зоні рециркуляції можна судити про режим роботи пальника.

Виміри температури факелу по осі пальника, при різних надлишках повітря в топці температурним зондом свідчать про те, що для ПВК_т характерний більш високий рівень і приріст температури газів рециркуляції, що важливо для інтенсифікації запалювання на початковій ділянці пальника (рис.5).

Витрата первинного повітря є одним із чинників, що визначають аеродинаміку пальника. Кількість його впливає на розмір приосьової зони рециркуляції, що забезпечує запалювання вугільного пилу на ранній стадії. Дослідження повітряного режиму показали, що при ПВК_т є можливість регулювати витрату первинного повітря. Зміна температури в контрольних точках пальників (на відстані 1 м від амбразури) від ступеня відкриття шиберів первинного повітря подана на рис. 6.

Як видно, за умовою досягнення максимальних температур у зоні рециркуляції необхідно зниження витрати первинного повітря на пальники №1, 3 і 6 прикриттям шиберів первинного повітря до 70%. Це підтверджує висновок, зроблений при дослідженні повітряного режиму топки для забезпечення оптимальної аеродинаміки фронтових пальників необхідно знизити витрату первинного повітря на них.

Одним із чинників (властивих тільки ПВК_т) є транспортуюче повітря, що не тільки визначає режим пилоподачі, але і може впливати на поле концентрацій вугільного пилу перед пальником. Зниження витрати транспортуючого повітря (G^п_тр) підвищує температуру факела в контрольній точці пальника (Рис. 7). Пояснити це можна тим, що зменшення G^п_тр призводить до виникнення зон із підвищеною концентрацією в потоці аеросуміші на виході з пальника, яке сприяє ранньому запалюванню вугільного пилу. З умови надійності пневмотранспорту G^п_тр не повинна бути нижче 20 кг/год.

Для однокамерних напіввідчинених топок із рідким шлаковидаленням, параметром, що найбільшою мірою характеризує топковий режим є температурні умови в предтопку (камері згоряння). Температурний режим у предтопку повинний забезпечувати стійке запалювання і надійне рідке шлаковидалення. Аналіз температурних режимів топки котла ТПП-210А в умовах ТСП і ПВК_т показав, що при переведенні на ПВК_т спостерігається зростання температури факела пальників у контрольних точках і істотне збільшення температури в районі льотки (рис.8). Ця тенденція має місце при навантаженні блока 275-300 Мвт (витрата первинного повітря постійна), при N_е = 225 Мвт температури в порівнянні з ТСП декілька нижчі.

Таким чином, застосування ПВК_т дозволило підвищити ефективність роботи пиловугільних пальників і призвело до зростання загального рівня температур у предтопку та шлаковій льотці. Було встановлено також, що має місце перепал підсвічуючого палива, тобто при забезпеченні нормального шлаковидалення витрата мазуту може бути знижена. На основі досліджень котла 3Б з ПВК_т рекомендовано знизити витрату мазуту на підсвічування на 1-1,5 т/год, підсвічування забезпечувати усіма форсунками, а регулювання робити зміною тиску мазуту. Рекомендовано змінити мазутні форсунки продуктивністю 1 т/год на форсунки 0,75 т/год.

Оцінювалася робота котла в умовах зниженого навантаження ВГД. На основі виконаного дослідження було отримано, що при номінальному навантаженні блока (N_е = 300 МВт) можна знизити напір за ВГД з 2,5 кПа до 1,55 кПа без погіршення режиму рідкого шлаковидалення при зберіганні температури газів на виході з топки. При зниженому навантаженні блока (N_е = 225 МВт), зменшення напору ВГД декілька знижує загальний рівень температур у топці і тому не рекомендується.

Для оцінки впливу аераційного та транспортуючого повітря на роботу котла була проведена спеціальна серія дослідів. Вирівнювання тиску і витрати повітря на аерацію на всіх АЖП призвело до зміни режиму роботи топки, що позначилося на зниженні температури в районі пальників і деякому зростанні ії в районі шлакових льоток. Зниження витрати транспортуючого повітря на 30% на фронтові пальники позитивно позначилося на роботі топки, призвело до підвищення температури в районі пальників і льоток. Температура на виході з топки змінювалася незначно, відбувався деякий перерозподіл по висоті топки. Тим самим підтверджено, що транспортуюче повітря можна використовувати для удосконалення роботи пальників і впливати на топковий режим котла ТПП-210А.

Комплексні дослідження по оцінюванню економічних показників котла 3Б при двох технологіях пилоподачі показали, що переведення з ТСП на ПВК_т підвищило ^бр котла на 0,4-1,0% за рахунок зниження втрат тепла з механічним і хімічним недопалом у діапазоні навантажень енергоблоку 225-300 МВт.

У пятому розділі приведені результати порівняльних досліджень котлів по визначенню викидів NO_х при ПВК_т і ТСП. На основі досвіду застосування ПВК на різноманітних котлах і досліджень проведених “КПІ” на котлах ТПП-210А, можна розглядати ПВК під тиском як засіб зниження утворення оксидів азоту в пиловугільних топках з РШВ. Схема ПВК_т НТУУ “КПІ”, яка впроваджена на котлах ТПП-210А Трипільської ТЕС, забезпечує технологічні умови зниження викидів NO_х в атмосферу. Для зменшення емісії оксидів азоту варто забезпечити виділення і горіння летких у зоні з недостачею кисню, що досягається при ПВК_т регулюванням первинного повітря вихрових пальників та повітря на транспорт, не погіршуючи горіння. Розглядається транспортуюче повітря, як один із чинників, що впливає на утворення NO_х властивий тільки ПВК_т.

Для оцінки екологічних характеристик системи ПВК_т і ТСП були проведені порівняльні дослідження котлів. Основною умовою проведення досліджень була підтримка стабільності та ідентичності процесів горіння при незмінній продуктивності котлів. Наладка режиму горіння полягала в оцінюванні оптимальних надлишків повітря. Концентрація CO у димових газах, по можливості, підтримувалася однаковою при двох технологіях пилоподачі. Результати досліджень показали, що переведення котла ТПП-210А на ПВК_т, за інших рівних умов, дозволяє знизити викиди оксидів на 20-21% при номінальному навантаженні блока (рис.9). Подібна картина спостерігається і при знижених навантаженнях.

Отримано залежність між температурою початкової ділянки факела пальників і виходом оксидів азоту. Встановлено, що зниження витрати первинного повітря призводить до росту температури біля амбразури пальника і виходу NO_х. В діапазоні 75-100% відкриття шиберу первинного повітря істотного впливу на утворення NO_х не створює.

Загальне регулювання транспортуючого повітря показало, що зниження його витрати на 30% від максимального значення зменшило рівень викидів NO_x на 19% у порівнянні з вихідним режимом ПВК_т, а якщо порівнювати з ТСП цей рівень знижується до 40%. Ефект був отриманий тільки на номінальному навантаженні (N_е=300 МВт); при знижених навантаженнях (N_е= 225, 270 МВт) залежність концентрації NO_x від транспортуючого повітря не підтвердилася.

На думку ряду авторів, для вихрових пальників одночасно з інтенсифікацією сумішоутворення та раннім запалюванням збільшується обсяг газів рециркуляції в активній (приосьовій) зоні, що сприяє зниженню утворення NO_x на початковій ділянці факелу. Крім того, для ПВК_т характерно рівномірне поле температур по перетину топки і безпульсаційний режим горіння, що також сприяє зменшенню викиду оксидів.

Дослідження впливу на емісію NO_x частки підсвічуючого палива показали, що оптимізація витрати мазуту не тільки дозволяє знизити утворення NO_x, але і декілька понизити температуру в районі ширм, що знижує можливість їхнього шлакування. На знижених навантаженнях ефект не спостерігався тому, що при сумісному спалюванні пилу АШ і шламів з мазутом (газом) на утворення NO_х впливають багато чинників, які визначають протікання топкового процесу. Основними є умови горіння, надійність рідкого шлаковидалення, повітряний режим. Прагнення знизити NO_х обмежується при сумісному спалюванні палив з різною реакційною спроможністю можливостями, що забезпечують умови надійної та економічної роботи котла. Оптимальне значення надлишків повітря в топці при знижених навантаженнях котла, що спалює низькореакційне вугілля змінної і погіршеної якості з підсвічуванням мазутом або газом, потребують спеціальних досліджень.

Зіставлення експериментальних і розрахункових даних по викидах NO_х показує, що розрахунки за методиками “Викиди оксидів азоту… Методика розрахунку: ГКД 34.02.303-96…” та “Викиди забруднювальних речовин… Методика визначення: ГКД 34.02.305-2002…” загалом дають задовільну збіжність результатів, але не враховують таких додаткових чинників при ПВК_т як знижена витрата первинного повітря і вплив транспортуючого повітря.

У результаті проведених досліджень можна розглядати висококонцентровану пилоподачу під тиском на пальники котла як технологію, що дозволяє поліпшити економічні та екологічні показники котлів ТЕС. Дана система рекомендується для впровадження на котлах із зустрічним розташуванням пальників, що спалюють низькореакційні вугілля в топках з РШВ.

У додатках наведено допоміжні ілюстрації до розділу 1, особливості схеми ПВК_т котла ТПП-210А, статистичну обробку експериментальних даних, результати дослідження якості палива, золи та шлаку, експериментальні дані та розрахунок повітряного режиму котла, акт впровадження результатів роботи з обчисленням економічного ефекту.

ВИСНОВКИ

У дисертаційні роботі наведено нове рішення наукової проблеми, яка полягає в підвищенні ефективності топкового режиму енергетичних котлів при висококонцентрованій пилоподачі низькореакційного вугілля на пальники в умовах спалювання погіршеної якості палива. Вирішення проблеми полягає в пошуку чинників, які впливають на топковий режим котлів, обладнаних ПВК_т, та розробці рекомендацій по оптимальному веденню їх режимів та зниженню викиду оксидів азоту.

Основні результати та висновки, отримані за результатами проведеної роботи:

Спалювання низькоякісного вугілля на електростанціях України призводить до зниження економічних і екологічних показників енергетичного устаткування. Зважаючи на те, що в даний час велика частина ТЕС відпрацювала свій ресурс, основним завданням енергетики є реконструкція і модернізація устаткування при застосуванні маловитратних ефективних технологій спалювання непроектного низькореакційного вугілля.

Аналіз існуючих систем пилоподачі показує, що однією з ефективних технологій, яка дозволяє усунути недоліки традиційної системи пилоподачі, є подача пилу з високою концентрацією під тиском на пальники котла. Розроблена НТУУ “КПІ” технологічна схема ПВК_т для котла ТПП-210А, що спалює АШ погіршеної якості та шлами, є позитивним результатом використання ПВК для котлів із рідким шлаковидаленням.

Вперше виконано дослідження топкового режиму котла ТПП-210А, обладнаного ПВК_т. Виявлено вплив основних чинників, що визначають топковий режим котла: якості і підготовки палива, повітряного режиму, роботи пальникових пристроїв, підсвічування пиловугільного факелу.

Порівняльний аналіз золи і шлаку котлів ТПП-210А при різних технологіях пилоподачі показав, що при ТСП має місце сепарація пилу на під топки; у котлів з ПВК_т і ТСП різний фракційний склад золи; у котла з ПВК_т золошлакові відкладення на поверхні ШПП більш пухкі, ніж у ТСП (котел обладнаний ПВК_т виводився на розшлаковку рідше).

З досліджень повітряного режиму котлів установлено, що при ПВК_т є регулювальний запас по витраті первинного повітря, що важливо для оптимізації аеродинаміки пиловугільних пальників. У номінальному режимі рекомендується робота котла, обладнаного ПВК_т, при навантаженні ВГД, зниженому на 30%.

Висококонцентрована пилоподача на котлі ТПП-210А дозволила забезпечити рівномірність подачі пилу, зниження коливань витрат палива і повітря на пальники, що позитивно позначилося на топковому процесі в цілому.

Визначено роль транспортуючого повітря ПВК_т як чинника, що робить істотний вплив (за рахунок зміни поля концентрацій і більш раннього запалювання вугільного пилу) на роботу пальника та умови рідкого шлаковидалення. Рекомендується робота котла при мінімальному значенні витрати транспортуючого повітря (не нижче 20 кг/год).

Використання ПВК_т на котлі ТПП-210А підвищило ефективність роботи пиловугільних пальників. Як показали дослідження, за умовою забезпечення сталості горіння і надійного шлаковидалення при номінальному навантаженні котел може працювати при зниженій на 1-1,5 т/год витраті мазуту, що дозволяє отримати значну економію.

Переведення котла ТПП-210А, що спалює АШ і шлами, на висококонцентровану пилоподачу дозволило підвищити ^бр на 0,4-1,0% за рахунок зниження втрат тепла з механічним і хімічним недопалом (N_е = 225-300 МВт).

Схема ПВК_т для котла ТПП-210А відповідає технологічним умовам по зниженню викидів NO_х в атмосферу. Використання технології ПВК_т зменшило викиди оксидів азоту на 20-21% у порівнянні з ТСП без порушення топкового режиму котла.

Одним із додаткових чинників, властивих ПВК під тиском, який визначає утворення NO_х, є транспортуюче повітря. Зниження витрати G^п_тр на 30% від максимального (при номінальному навантаженні котла) зменшило викиди NO_х на 19% в порівнянні з вихіднім режимом та на 40% з ТСП.

Схема ПВК_т, що розроблена на кафедрі ТЕУ Т та АЕС НТТУ “КПІ”, має великі можливості по впливу на режим роботи котла, удосконаленню роботи пиловугільних пальників і топкового режиму, підвищенню економічних і екологічних показників котлів, що спалюють низькореакційні палива типу АШ і шламів. Багаторічний досвід використання системи ПВК_т на котлах Трипільскої ТЕС дозволяє рекомендувати її для впровадження на аналогічних котлах електростанцій України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Кесова Л.А., Хоанг Тьен Зунг, Побировский Ю.Н. Контроль расхода угольной пыли в горелках котла, оборудованного системой пылеподачи с высокой концентрацией// Промышленная теплоэнергетика. 1996.т.18. №4.С.44-48.

Кесова Л.О., Черезов М.М., Георгієв О.В., Побіровський Ю.М. Розробка та дослідження технологічної схеми та автоматичної системи керування пилоподачею з високою концентрацією для котлів на низькореакційних паливах.// Наукові вісті НТТУ "Київський політехнічний інститут", серія Теплоенергетика. 1997. С. 61-63.

Освоение технологии подачи угольной пыли с высокой концентрацией для котлов, сжигающих АШ./ Довготелес Г.А., Котельников Н.И., Хайрулин Ф.С., Салимон М.П., Кесова Л.А., Черезов Н.Н., Побировский Ю.Н.// Энергетика и электрификация. 1999.№3. С.12-15.

Кесова Л.О., Побіровський Ю.М. Технологія подачи пилу з високою концентрацією як засіб покращання екологічних показників котлів, що спалюють АШ та шлами// Енергетика: економіка, технології, екологія. НТТУ "Київський політехнічний інститут". 2000.№3.С.45-49.

Кесова Л.А., Побіровський Ю.М., Хоанг Тьен Зунг. Вибір режимів транспортування вугільного пилу в системі ПВК_д котла ТПП-210А// Енергетика: економіка, технології, екологія. НТТУ "Київський політехнічний інститут".2000. №1. С.42-47.

Кесова Л.А., Черезов Н.Н., Побировский Ю.Н., Котельников Н.И. Исследование и наладка аэрационных пылепитателей энергоблока 300 МВт// Энергетика и электрификация. 2000. №4. С.7-11.

Кесова Л.А., Побіровський Ю.М., Хоанг Тьен Зунг. Дослідження втрат тиску в колінних поворотах пилопроводів систем ПВК_д // Енергетика: економіка, технології, екологія. НТТУ "Київський політехнічний інститут".2000. №2. С.31-35.

Способ установки измерителя температуры в дисперсном потоке: А.с. № 1583759 СССР, МКИ G 01 K 13/02 /Кесова Л.А., Черезов Н.Н., Гогенко А.Л., Побировский Ю.Н. №4427674/05; Заявлено 18.05.88; Опубл. 07.08.90, Бюл. №29.

Аэрационный питатель: А.с. № 1816932 СССР, МКИ F 23 K 3/02, F 23 D 14/02 /Кесова Л.А., Побировский Ю.Н., Черезов Н.Н., Довготелес Г.А., Котельников Н.И., Салимон М.П., Попов А.А. №4851101/06; Заявлено 16.07.90; Опубл. 23.05.93, Бюл. №19.- 2 с. ил.

Пат. 18405 Г Україна, МКІ 23 К3/02. Аераційний живильник пилу / Кесова Л.О., Побіровський Ю.М., Черезов М.М., Довготелес Г.А., Котельніков Н.І., Салімон М.П., Попов А.О. Опубл. 25.12.97., Бюл. №6.

Кесова Л.О., Побіровський Ю.М., Котельніков М.І. Паливний режим котла ТПП-210А, що спалює АШ і шлами, при подачі вугільного пилу високої концентрації на пальники.// Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань. 1998. №8. С.54-55.

Конкурентоспроможність системи подавання пилу з високою концентрацією в порівнянні с традиційним пневмотранспортом вугільного пилу на пальники/ Кесова Л.О., Черезов М.М., Побіровський Ю.М., Котельніков М.І.// Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань. 1998. №6. С.56-59.

У публікації [1] автору належить проведення дослідів. Автором у [2, 3] проводились дослідження технологічної схеми на діючому котлі та розробка технічної документації. У роботах [4, 5] автор приймав участь в розробці методики досліджень, виконував промислові випробування та впровадження технологічної схеми в виробництво. Автору в [6] належить планування дослідів аераційного пиложивильника, приймав участь в дослідженні його на діючому котлі та обробці експериментальних даних; в [8, 9, 10] виконував патентний пошук, зняття поля температур в пилопроводі на діючому котлі, розрахунок підігрівача аераційного та транспортуючого повітря. У публікації [7] автору належить проведення досліджень експериментальних дослідно-промислових пилопроводів. У роботі [11] було виконано аналіз паливного режиму та зроблені висновки. Автор в [12] приймав участь у розрахунку техніко-економічних показників котлів з різними технологіями пилоподачі.

Размещено на Allbest.ru