Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Д.т.н. В.А. Дубровский, директор ООО «ЭкоЭнергия», г. Красноярск

Плазменная технология

¦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%.

Термоциклонные предтопки НГТУ

В России разработана и внедрена технология предварительной термической подготовки углей в термоциклонных предтопках (ТЦП). На рис. 6 приведена конструктивно-компоновочная схема ТЦП. В работе [11] достаточно подробно рассмотрено применение технологии термоподготовки углей в ТЦП для некоторых ТЭЦ г. Новосибирска. Термоподготовка топлива в термоциклонных предтопках позволяет путем предварительной частичной газификации угля получить высокореакционную газовзвесь, легковоспламеняющуюся и эффективно горящую в топке котлоагрегата. Эта технология термоподготовки позволяет обеспечить снижение выбросов оксидов азота на 30-50%, повысить КПД топочной камеры котла на 1-3% при сжигании низкореакционного топлива.

Сущность технологии заключается в установке у топки котлоагрегата одного или нескольких цилиндрических предтопков, через которые пропускается поток низкореакционного топлива в виде угольной пыли. Этот поток пыли с воздухом при тангенциальном вводе в цилиндр образует устойчивый вихрь, обтекающий по спирали внутреннюю стенку цилиндра. В центральную часть цилиндра аксиально вводится поток инициирующего высокореакционного топлива с воздухом, расход которого достаточен только для сжигания инициирующего топлива. Выделившееся при сгорании инициирующего топлива тепло прогревает угольно-пылевой вихрь до температуры 800-1000 ^ОС, при которой производится частичная газификация топлива.

Продукты газификации и высокореакционные активные частицы твердого топлива, прошедшие термоподготовку, и продукты сгорания инициирующего топлива выводятся из предтопка и поступают в топочную камеру котельного агрегата, где осуществляется их сжигание. Эта технология может быть реализована в различных вариантах в зависимости от вида основного и инициирующего топлива. Обычно в качестве инициирующего топлива используют природный газ, мазут или высокореакционные угли, например канско-ачинские.

Технология термоподготовки в термоциклонных предтопках прошла апробирование на Мироновской ГРЭС на котле ТП-230-3, что показало высокую ее эффективность - повышение полноты сгорания низкореакционного угля на 20%, что сокращает расход мазута наполовину.

На Рязанской ГРЭС (котел П-59) были проведены испытания термоциклонного предтопка с целью оптимизации конструктивных и режимных параметров установки термической подготовки. В качестве основного топлива в предтопке использовался подмосковный бурый уголь, в качестве инициирующего топлива - мазут М 100.

Данная технология испытана на некоторых Новосибирских ТЭЦ. Была изучена возможность применения этой технологии для котлов ПК-10, ТП-9, ТП-170 и ТП-81, в которых сжигается кузнецкий каменный уголь марок Т и СС и окисленный. Для котлов ПК-10 и ТП-9 из-за отсутствия природного газа в качестве инициирующего топлива предлагается использовать канскоачинский уголь. Для всех перечисленных котельных агрегатов получены удовлетворительные результаты, свидетельствующие о снижении выбросов оксидов азота и повышении экономичности их эксплуатации.

Основными недостатками технологии с ТЦП являются следующие:

¦усложнение системы подготовки топлива к сжиганию;

¦необходимость создания двух потоков топлива (рабочего и инициирующего);

¦организация дополнительного паровоздушного дутья;

¦затраты на термоподготовку с ТЦП сопоставимы с затратами в системе серо- и азотоочистки для традиционных энергоблоков, которые, как известно, являются очень дорогостоящими [12].

По нашему мнению, термоподготовка в ТЦП будет экономически оправдана при сжигании малореакционного твердого топлива, когда действительно необходимо применение высокореакционного инициирующего топлива, каковым могут прекрасно служить угли Канско-Ачинского бассейна.

Система муфельной растопки УГТУ-УПИ

Растопочная пылеугольная горелка [13, 14], разработанная на кафедре «Тепловые электрические станции» Уральского государственного технического университета(УГТУ-УПИ), позволяет ускорить начало процесса газификации твердого топлива, а также в связи с этим ускорить процесс растопки, получить устойчивый растопочный факел. Конструкция растопочной горелки довольно проста, надежна и безопасна (рис. 7). Растопка осуществляется следующим образом: зажигаются две вспомогательные жидкотопливные или газовые горелки 5. Затем через патрубок 3 подается пылевоздушная смесь (угольная пыль с первичным воздухом), которая, выходя через щелевое устье 4, приобретает форму плоской струи, вытянутой по вертикали. Струя имеет развитую боковую поверхность и в начальный момент (до прогрева обмуровки) воспринимает излучением теплоту вспомогательных мазутных или газовых горелок одновременно с обеих сторон, что позволяет достаточно быстро осуществить предварительный нагрев пылевидного топлива.

Прогретая угольная пыль начинает интенсивно газифицироваться, и газ, получающийся в результате пиролиза, горит, дополнительно нагревая угольную пыль, что способствует дальнейшей газификации. За счет интенсивного нагрева и газификации пылевидное топливо воспламеняется от факелов вспомогательных жидко-топливных или газовых горелок внутри корпуса. После прогрева обмуровки вспомогательные жидко-топливные или газовые горелки отключаются. Дальнейшая газификация, нагрев и воспламенение пылевидного топлива будут происходить за счет излучения стенок обмуровки, нагрев которых, в свою очередь, будет поддерживаться частичным сжиганием угольной пыли внутри муфеля.

В случае кратковременного погасания основного факела по какой-либо причине, например, кратковременного прекращения подачи угольной пыли, следующее зажигание пылеугольной струи происходит вследствие излучения стенок нагретого муфеля, обладающего значительным запасом тепловой энергии. Такая горелка может быть использована при необходимости и для подсветки основного факела топочной камеры котла.

Изучение предварительного прогрева пылевоздушного потока и последующей газификации угольной пыли было проведено на экспериментальной установке. Для опытов в экспериментальной установке была использована угольная пыль Баганурского месторождения (Монголия) с содержанием летучих на рабочую массу 42%. Анализ экспериментальных данных по газификации угольной пыли позволил авторам разработки сделать, в частности, вывод, что для частичной газификации в удовлетворительном объеме достаточно пребывания частиц пыли в муфеле в течение 0,6 с, что при скорости потока 3 м/с соответствует длине муфеля 1800 мм.

Поскольку пыль имеет довольно тонкий помол, это должно резко ускорить процесс газификации. По мнению авторов разработки можно ожидать достаточную глубину газификации и при длине обогреваемой части горелки не более 2 м. Этот основной параметр - длина горелки не более 2 м - и был взят за основу при конструировании. Растопочная горелка (УГТУ-УПИ) прошла испытания и проверена в эксплуатации на ТЭЦ-3 г. Улан-Батора (Монголия). Горелка диаметром 0,8 м и длиной 1 м установлена на котле БКЗ-75. Две форсунки по 30 кг/ч мазута разогревают огнеупорную кладку стенок муфеля горелки до 600 ^ОС за 25 мин., после чего идет устойчивое воспламенение пылевоздушной струи от футеровки муфеля без помощи форсунок. До реконструкции растопка велась тремя мазутными форсунками производительностью 0,8-2 т/ч в течение 4 ч. В результате реконструкции расход растопочного мазута уменьшился более чем в 100 раз. Котел БКЗ-75 имеет боковые ремонтные лазы на уровне основной рабочей отметки, в один из которых и была встроена горелка со скользящей опорой на полу. Это позволило не создавать новую амбразуру с разводкой труб, а во время ремонта пользоваться этим же лазом после откатывания горелки в сторону. Угольную пыль для растопки брали от пылепитателя соседнего котла, что позволило обойтись малыми капитальными затратами. В результате срок окупаемости составил 6 месяцев.

Растопочную горелку, разработанную в (УГТУ-УПИ), по нашему мнению, можно использовать также для подсветки пылеугольного факела при работе топочных камер котлов при пониженных нагрузках.

Литература

1.Карпенко Е.И., Мессерле В.Е. Плазменно-энергетические технологии топливоиспользования. - Новосибирск: Наука, Сиб. предприятие РАН, 1988. - 320 с.

2.Буянтуев С.Л., Елисафенко А.В., Легостаев С.М. Применение плазменных пылеугольных горелок на котле ТПЕ-185 Улан-Удэнской ТЭЦ // Энергетик. - 2003. - № 3. - С. 13-15.

3.Карпенко Е.И., Мессерле В.Е., Коногоров Н.М. Плазменно-энергетические технологии использования угля для эффективного замещения мазута и природного газа в топливном балансе ТЭС // Теплоэнергетика. - 2004. - № 10. - С. 53-60.

4.Карпенко Е.И., Мессерле В.Е., Чурашев В.Н. Экологоэкономическая эффективность технологий переработки твердых топлив. - Новосибирск: Наука, Сиб. изд. фирма РАН, 2000. - 194 с.

5.Плазменная безмазутная растопка пылеугольных котлов и подсветка факела/М.Ф. Жуков, Е.И. Карпенко, В.С. Перегудов и др. - Новосибирск: Наука, 1995. - 304 с.

6.Мессерле В.Е. Состояние и перспективы освоения плазменных технологий безмазутного воспламенения углей в энергетике // Материалы 2-го международного симпозиума по теоретической и прикладной термохимии (15 ТАРС-95). - Иваново: ИГХТА, 1995. - С. 17-21.

7.Карпенко Е.И. Плазменно-энергетические технологии топливоиспользования / Е.И. Карпенко, В.Е. Мессерле. - Новосибирск: Наука; Сиб. предприятие РАН, 1998. - 385 с.

8.А. с. № 1732119, РФ МКИ Е23 К 1/00. Устройство для воспламенения пылеугольного топлива / В.В. Булгаков, А.Н. Волобцев, Л.И. Пугач и др. Опубл. 20.10.93, Бюл. № 14.

9.Утович В.А. Исследование плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела / В.А. Утович, Н.Л. Новиков, В.С. Перегудов и др. // Теплоэнергетика. - 1990. - № 4. - С. 20-23.

10.Карпенко Е.И. Введение в плазменно-энергетические технологии использования твердых топлив/Е.И. Карпенко, В.Е. Мессерле. - Новосибирск: Наука, 1997. - 118 с.

11.Эффективность пылеугольных ТЭЦ с новыми экологообеспечивающими технологиями / В.Е. Томилов, П.А. Щинников, Е.В. Ноздренко и др. - Новосибирск: Наука; Сиб. изд. фирма РАН, 1999. - 97 с.

12.Грачев С.П. Технология SONOX для снижения выбросов оксида серы и азота на тепловых электростанциях // Энергохозяйство за рубежом. - 1992. - № 2. - С. 11-15.

13.БергБ.В., БатхишигА., Микула В.А. Растопка пылеугольных котлов с пониженным расходом мазута: Материалы всесоюзной конференции // Сборник трудов 3-й научно- практ. Конф. Т. 2. - Благовещенск, 2003. - С. 284-290.

14.Родатис К.Ф., Ромм Э.И., Семененко Н.А. и др. Котельные установки. Т. 2. - M.-Л.: Госэнергоиздат, 1946. - 471 с.

Размещено на Allbest.ru