Размещено на http://allbest.ru

Технические предложения по организации безмазутной растопки и подсветки факела топочных камер котлов

1.Плазменная технология

горелка плазменный конструкция

Вытеснение мазута и природного газа из топливного баланса пылеугольных ТЭС путем их замещения низкосортными углями является наиболее актуальной проблемой теплоэнергетики.

Преимущества плазменных технологий безмазутной растопки котлов и подсветки факела, в основе которых лежит термохимическая подготовка топлива к сжиганию, перед традиционными следующие:

¦сокращение потребления мазута и газа на ТЭС;

¦повышение энергетической эффективности плазменно-энергетических технологий (ПЭТ) в 3-4 раза, т.к. относительная электрическая мощность плазмотронов составляет (в зависимости от типа углей и горелки) всего 0,5-2,0% тепловой мощности пылеугольной горелки;

¦замещение углем подсветочного топлива (мазута или природного газа), что снижает выбросы оксидов азота на 40-50% благодаря превращению азота топлива в молекулярный азот в обедненных кислородом зонах воспламенения и горения, уменьшает выбросы оксидов серы на 30-40% (в случае замещения высокосернистого мазута) и почти полностью устраняет выбросы пятиокиси ванадия;

¦снижение общего количества выбросов двуокиси углерода вследствие увеличения эффективности процесса горения, уменьшения механического недожога топлива и содержания углерода в уносах (в 1,5-2,0 раза);

¦обеспечение растопки энергоблоков пылеугольных ТЭС при потере собственных паровых нужд станции;

¦появление возможности комплексного решения вопросов техперевооружения пылеугольных энергоблоков с сохранением технических и эколого-экономических показателей ТЭС;

¦сохранение технико-экономических и экологических показателей энергоблоков при использовании широкой гаммы непроектных энергетических углей.

Плазменно-энергетические технологии (ПЭТ) топливоиспользования занимают особое место в энергетике, поскольку традиционное сжигание топлива происходит на атомно-молекулярном уровне, а с использованием этих технологий - на ионно-электронном (физико-химическом) уровне, что обеспечивает более глубокое управление процессом и, как следствие, его максимальную энергетическую эффективность.

Для практической реализации ПЭТ разработан принципиально новый способ организации плазмохимических процессов, при котором только часть реагентов проходит через область плазмы и они выступают инициаторами химических превращений, существенно улучшающими характеристики процесса.

При этом собственно плазмохимическая часть потребляет малую долю общих энергозатрат. Этот способ широко используется при плазменной электротермохимической подготовке топлива (ТХПТ) к сжиганию. В основе его лежит аллоавтотермический метод газификации и плазменного воспламенения топлива [3-6], позволяющий осуществлять крупнотоннажные плазмохимические процессы; безмазутную растопку котлов и подсветку пылеугольного факела в том случае, если расход реагентов (уголь + окислитель) достигает 5-10т/ч [7, 8].

Рис. 1. Электродуговой плазмотрон постоянного тока с медными водоохлаждаемыми электродами, установленный в пылеугольной горелке котла без реконструкции самого котла.

На рис. 1 показан наиболее эффективный - муфельный вариант системы плазменного воспламенения углей (СПВ), а на рис. 2 и 3 даны примеры компоновок плазмотронов постоянного тока, являющихся основными элементами СПВ с пылеугольной прямоточной горелкой и станционным оборудованием.

Рис. 2. Схема компоновки плазмотрона с муфелизированным участком пылепровода горелки: 1 - плазмотрон; 2 - муфель; 3 - пылепровод к горелке; 4 - сопло пылеугольной горелки; 5 - источник электропитания; 6 - трансформатор; 7 - системы водовоздухоснабжения.

Рис. 3. Схема компоновки электро- и теплотехнического оборудования с муфелем и котлом на ТЭС.

Предвключенный муфель с плазмотроном обеспечивает самовоспламенение и интенсивное выгорание аэросмеси (угольная пыль + воздух) после смешения со вторичным воздухом в объеме топки. Плазменно-топливные системы испытаны на 26 котлах паропроизводительностью от 75 до 670 т/ч (табл. 1, 2), но не везде внедрены.

Таблица 1. Промышленные испытания плазменно-топливных систем.

Таблица 2. Основные показатели плазменно-угольных горелок для воспламенения низкосортных углей.

Полные испытания технологии плазменной подсветки и стабилизации горения факела проводились на Гусиноозёрской ГРЭС (котел БКЗ-640) и Улан-Баторской ТЭЦ-4 (котел БКЗ- 420-140).

На котле БКЗ-640 Гусиноозёрской ГРЭС, оснащенном прямоточными пылеугольными горелками, при плазменной подсветке факела образовывались восстановительные газы (СО, Н), что снижало образование оксидов азота в 1,2-1,3 раза.

При разработке и внедрении плазменных способов ТХПТ на Улан-Удэнской ТЭЦ-2 были проведены испытания на котле ТПЕ-185 паропроизводительностью 160 т пара в час, с шестью плоскофакельными горелками.

Цели испытаний заключались в следующем:

¦выявить влияние предвключенных модернизированных плазменных горелок на снижение содержания выбросов оксидов азота, оксида углерода в уходящих газах, увеличение КПД котла из-за уменьшения механического недожога;

¦определить надежность работы двух новых вариантов плазменных горелок упрощенной конструкции без применения жаропрочных огнеупорных материалов;

¦определить возможность поддержания автотермического режима на одном из вариантов новой плазменной горелки.

Конструктивно модернизированная плазменная горелка представляет собой трубу в трубе, соединенную с патрубком для крепления плазмотрона, расположенным на боковой поверхности горелки (рис. 4а).

Материал внутренней трубы - жаростойкая сталь. Горелки установлены по диагонали котла вместо чехлов мазутных форсунок горелок № 3 и 6 (рис. 5).

Принцип работы горелки заключается в следующем. Поток аэросмеси делится на две части. Часть аэросмеси, поступающая во внутреннюю трубу, подвергается воздействию плазменной струи, направленной перпендикулярно оси горелки. При этом аэросмесь нагревается до температуры выделения летучих веществ и частичной газификации коксового остатка. Получившееся высокореакционное двухкомпонентное топливо направляется в топочное пространство, где, смешиваясь с остальной аэросмесью и вторичным воздухом, стабилизирует процесс горения. Другая часть аэросмеси, поступая в промежуток между трубами, охлаждает их, выступая своего рода тепловой изоляцией.

Первоначально испытывали горелки, в которых пространство между трубами было заполнено шамотобетоном. Назначение тепловой изоляции трубы заключается в создании «муфельного» эффекта, состоящего в накоплении тепла и продолжении нагрева аэросмеси в течение некоторого времени после отключения плазмотрона. Отказ от использования шамотобетона позволил упростить процесс изготовления горелки, сделать ее более легкой, что немаловажно в процессе монтажа. Но главным является то, что проходное сечение этой горелки незначительно отличается от проходного сечения штатной прямоточной горелки по сравнению с горелкой с шамотобетоном.

Кроме того, спроектирован второй вариант модернизированной плазменной горелки (рис. 4б), в которой должен поддерживаться автотермический режим горения аэросмеси. Идея, лежащая в основе этой конструкции, следующая. Первоначально происходит процесс термохимической подготовки аэросмеси под воздействием плазменной струи. Горящее двухкомпонентное топливо и еще не прореагировавшая аэросмесь поступают в расширенный участок. Скорость течения потока при этом должна снизиться примерно вдвое, т.к. площадь сечения в этом месте вдвое больше площади сечения предшествующего участка. При этом поток, турбулентный по своему характеру, еще более турбулизируется, процесс теплопередачи между аэросмесью и двухкомпонентным топливом интенсифицируется. Создаются условия, при которых в месте расширения существует самоподдерживающаяся зона горения. Предполагалось, что после отключения плазмотрона зона горения будет продолжать существовать, тем самым поддерживая процесс ТХПУ.

При проведении испытаний нагрузка котла составляла 120 т пара в час. Пылевоздушная смесь поступала в 8 из 12 сопл. На горелках № 3, 6 подача угольной пыли в штатные сопла была перекрыта, пыль поступала в плазменные горелки. Состав уходящих газов определяли газоанализатором TESTO-33 в газоходе перед дымососом при выключенных плазмотронах, затем через такой же промежуток времени с включенными плазмотронами. Пробы золы и шлака отбирались из холодной воронки. Были проведены три серии измерений. Мощность плазмотронов в среднем составляла 90 кВт. Снижение содержания NO_x составило в среднем 10,2%. Такой результат представляется весьма значительным, если принять во внимание то, что только 25% пылеугольного потока проходило через предвключенные плазменные горелки (два сопла из восьми работающих). При этом содержание кислорода в уходящих газах увеличилось в среднем на 2,2%, что связано с уменьшением образования топливных окислов азота. Температура уходящих газов оставалась на уровне 128-130 ^ОС. Содержание горючих остатков при включении плазменных горелок снижалось в золе с 6,5 до 3,4% и в шлаке - с 20,9 до 14,8%.

Через 15 минут после отключения плазмотронов еще раз были взяты пробы на содержание горючих остатков в золе и шлаке, значения которых, по результатам лабораторного анализа, составили 4,8 и 7,8% соответственно. Расчеты по типовой методике показывают, что подобное снижение механического недожога топлива увеличивает КПД котла на 1,7%.

Таким образом, проведенные промышленные испытания подтверждают тот факт, что использование плазмы для активации пылеугольного факела более эффективно, чем применение термических огневых методов, благодаря наличию в плазме химически активных атомов, радикалов, ионов и электронов, которые ускоряют термические реакции горения и способствуют более полному выгоранию топлива.

Известно, что даже малые примеси атомарного кислорода снижают температуру воспламенения угольных частиц. Применение электродуговой плазмы существенно меняет кинетику горения пылеугольного факела: проходя электротермохимическую подготовку в малом объеме камеры предварительной подготовки перед устьем горелки при малой концентрации первичного воздуха в аэросмеси, подготовленная горючая смесь, состоящая из летучих газов (СН₄), продуктов частичной газификации угля (СО+Н₂) и раскаленных частиц коксового остатка, при выходе в топку интенсивно возгорается в потоке вторичного воздуха, поступающего в избытке.

В ходе испытаний нарушений в работе модернизированных плазменных горелок не наблюдалось. Температура наружной поверхности трубы была равна температуре стенки пылепровода, что свидетельствует о правильности подобного конструктивного решения. Забивания зазора между наружной и внутренней трубой не происходило. Вывод о наличии автотермического режима в горелке можно сделать на основании анализов дымовых газов. Так, после отключения плазмотронов происходило повышение концентрации NO_x и СО, но не до первоначальных значений, которые имели место до включения плазмотронов, а приблизительно вполовину меньше. Это свидетельствует о продолжении горения пылевоздушной смеси в горелке (второй вариант горелки), и только спустя 30-40 мин после отключения плазмотронов значения NO_x и СО увеличились вдвое. Возможность осуществления автотермического режима горения пылеугольного факела на выходе из устья сопла имеет важное значение в растопочном режиме котла, когда сохраняется процесс самовоспламенения и горения пылеугольной смеси в горелке после отключения плазмотрона.

Применение плазменных горелок позволяет улучшить технико-экономические показатели как отдельных котлов, так и ТЭС в целом за счет отказа от жидкого топлива для розжига и подсветки пылеугольного факела в котлах, снижения вредных выбросов в атмосферу и соответствующего снижения платы за выбросы, сокращения механического и химического недожога пылеугольного топлива в топках котлов и, следовательно, наряду с другими технико-экономическими и организационными мероприятиями расширяет возможности снижения себестоимости выпускаемой продукции.

Низкий ресурс плазмотронов и недостаточная надежность электроснабжения технологии плазменного сжигания требуют структурного резервирования для сохранения уровня надежности работы котла. С этой целью предусмотрены две независимые технологические нитки на одну горелку. Структурное резервирование обусловливает увеличение капиталовложений в технологию в два раза. С учетом затрат на плазменную технологию капиталовложения в электрическую часть увеличиваются на 10%.

2.Термоциклонные предтопки НГТУ