ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Вагнер А. А., èíæ.

РАО “ЕЭС России”

В России эксплуатируется большой парк котлов особенно малой и средней мощности, оборудованных тангенциально направленными прямоточными горелками. При такой компоновке горелок высокотемпературная часть факела располагается в приосевой зоне топки, что гарантирует достаточно надежную работу экранных труб. Наряду с простотой технологии это предопределило широкое ее использование на котлах, работающих на углях различных бассейнов.

Известны примеры, когда при сжигании кузнецких углей указанная технология используется в варианте с установкой сопл третичного воздуха с целью снижения выброса оксидов азота. Причем она используется на котлах, работающих в режиме как жидкого [1], так и твердого [2] шлакоудаления. В связи с этим представляется целесообразным произвести комплексную оценку эффективности их работы, тем более что часто на тех и других котлах сжигаются угли одинаковых или близких характеристик.

По данным [1] несколько котлов Беловской и Томь-Усинской ГРЭС (ПК-40, ПК-40-1 и ПК-40-2), работающих в режиме жидкого шлакоудаления, были переведены на ступенчатое сжигание кузнецких углей в системе тангенциально направленных горелочных струй и струй третичного воздуха. На указанных котлах используются также технология подачи пыли высокой концентрации (ПВК) и перегрузка топливом горелок нижнего яруса. Благодаря совокупности перечисленных мероприятий, выброс оксидов азота был снижен до 380 – 420 мг м3, а экономичность процесса горения осталась на достаточно высоком уровне, который обычно имеет место на котлах с жидким шлакоудалением (ЖШУ) при стехиометрическом сжигании ( q4 = 0,4 ! 0,7%).

Перечисленные мероприятия по снижению выброса оксидов азота на котлах с ЖШУ приводят к неизбежной сепарации несгоревшей пыли на под и увеличению вязкости шлака. В результате этого на котлах иногда возникают проблемы ухудшения

надежности шлакоудаления, даже на средних нагрузках. Из-за высокого уровня температур в зоне активного горения сокращен [по сравнению с котлами с твердым шлакоудалением (ТШУ)] срок службы горелок и сопл без ремонта. Существует также проблема повышенного износа золошлакопроводов на котлах с ЖШУ из-за высокой абразивности кусочков шлака после дробилок, поскольку они имеют острые кромки. И, наконец, в условиях восстановительной среды в приподовой зоне существует опасность накопления на поду металла и прорыва его в шлаковую ванну с возможными тяжкими последствиями.

Более 20 лет тому назад на двух котлах типа БКЗ-210-140Ф (ст. ¹ 5, 6) Западно-Сибирской ТЭЦ, снабженных тангенциально направленными горелками (ðèñ. 1) и имеющих твердое шлакоудаление, было организовано ступенчатое сжигание кузнецкого угля. По данным [2] это обеспечило снижение выброса оксидов азота с 870 до 570 мг м3, т.е. в 1,5 раза, при сохранении прежними уровней мехнедожога ( q4 2,2%) и избытка воздуха за пароперегревателем (á%%ïï = 1,27 ! 1,33). Указанные котлы предназначены для совместного сжигания кузнецкого угля (в том числе промпродукта) и коксового газа, который является буферным топливом.

Опыт длительной эксплуатации котлов ст. ¹ 5, 6 показал, что без подсветки факела зажигание угольной пыли (особенно промпродукта) ухудшалось, горение становилось пульсационным и иногда затягивалось в горизонтальный газоход. Наоборот, при работе на высококалорийном газовом угле зажигание резко улучшалось, факел становился коротким даже в условиях ступенчатого сжигания. Это приводило к необходимости значи- тельного увеличения избытка воздуха в топке изза дефицита перегрева пара, что, в свою очередь, вызывало рост выброса NOõ äî 800 – 1000 ìã ì3 и ухудшение зажигания. В этом случае из-за принятой малой доли третичного воздуха (порядка 15% теоретического количества воздуха) средний из-

1 – канал аэросмеси; 2 – канал вторичного воздуха; 3 – форсуночная труба; 4 – труба коксового газа

быток воздуха на выходе из горелок становился равным 1 или больше. В результате этого и затяжки зажигания механизм подавления топливных NOõ нарушался. При работе котлов на промпродукте содержание горючих в уносе обычно увели- чивалось до 12 – 14%, тогда как при совместном сжигании высококалорийного угля и коксового газа оно не превышало 5 – 6%.

В связи с изложенным Западно-Сибирская ТЭЦ пошла на реконструкцию котлов ст. ¹ 5, 6. В 2003 г. котел ст. ¹ 5 в результате довольно затратной реконструкции был переведен на ступенчатое сжигание кузнецкого угля в U-образном прямоточ- но-вихревом факеле по аналогии с ранее реконструированными котлами БКЗ-210-140ФД (ст. ¹ 1 – 4), на которых были получены достаточно хорошие показатели [3]. Успешные результаты реконструкции котла ст. ¹ 5 отражены в [4]. Обеспе- чен номинальный уровень перегрева пара за счет повышения местоположения условного ядра факе-

360 – 380 ìã ì3. Причем все эти показатели полу- чены как при отсутствии подсветки факела коксовым газом, так и с ней.

В том же 2003 г. на котле ст. ¹ 6 менее затратными средствами (в частности, без изменения конструкции горелок) была оптимизирована схема ступенчатого сжигания топлива. При этом были получены результаты, аналогичные достигнутым показателям на котле ст. ¹ 5. Учитывая большую практическую ценность и сравнительную дешевизну повторной реконструкции котла ст. ¹ 6, в данной статье приведены внедренные на этом котле технические решения и дан анализ достигнутых результатов.

D + ( 8 9

8 9 * 89 & ( A@ , ),B

$ * % 8 % & (

9

Выполненные автором совместно с сотрудниками кафедры “Котельные установки и экология энергетики” МЭИ модельные аэродинамические исследования и расчетные проработки позволили оптимизировать технологию ступенчатого сжигания за счет увеличения доли третичного дутья и установки дополнительных сопл на фронтальной и задней стенах топки.

На фотоснимках ðèñ. 2, сделанных через прозрачные стенки холодной воронки, показан характер движения струй в изотермической модели топки котла БКЗ-210-140Ф с тангенциально направленными горелками и соплами третичного дутья. Методика расчета модели и исследований изложена в [5]. Модель, выполненная по габаритным размерам в масштабе 1:22, помимо четырех горелок содержала четыре тангенциально направленных сопла третичного воздуха, установленных на боковых ее стенах выше горелок в соответствии с [2]. При этом два сопла, имеющие в горизонтальном сечении топки углы установки 34°, были наклонены вниз на угол 14°, а два других – на угол 24°.

1 – фронтальные дополнительные сопла; 2 – задние дополнительные сопла; 3 – боковые сопла; 4 – опускные трубы

Кроме того, на уровне размещения боковых сопл были установлены еще четыре сопла – по два на фронтальной и задней стенах топочной модели – с углом наклона вниз 30°. Проходное сечение всех восьми сопл было выбрано из расчета обеспече- ния доли третичного воздуха порядка 30%.

Íà ðèñ. 2, à, á показаны траектории движения струй, вытекающих из нижних каналов аэросмеси горелок, установленных на правой стенке модели.

Струи трех каналов вторичного воздуха и верхнего канала аэросмеси горелок двигались в объеме модели по траекториям, которые в проекции на горизонтальное сечение были близки к изображенным на ðèñ. 2, à, á.

Íà ðèñ. 2, â, ã показаны траектории движения боковых струй третичного дутья, вытекающих из сопл правой стенки модели, а на ðèñ. 2, ä, å – из дополнительных сопл задней ее стенки.

Во время наблюдения за траекторией движения отдельных струй воздух подавался через все каналы четырех горелок и через восемь сопл третичного дутья. Было выявлено, что аэродинамика струй горелок и сопл противоположных стен в первом приближении соответствует диагональной симметрии с учетом направления крутки факела.

В результате наложения на поперечное сечение топочной модели траекторий движения четырех горелочных струй и восьми струй третичного дутья был сделан вывод, что в объеме модели обеспечивается надежный контакт третичного воздуха с “догорающим факелом”. Дополнительные струи третичного дутья эжектированием смещают “догорающий факел” от стенок в центральную зону топочной модели (ðèñ. 2, ä, å ). В этой зоне реальной топки температурный уровень топочных газов выше, чем у экранов. Следовательно, в соответствии с экспоненциальной зависимостью от температуры [6] скорость окисления углерода должна быть выше.

Для усиления указанного эффекта было принято решение установить на фронтальной и задней стенах котла ст. ¹ 6 не четыре, а шесть менее габаритных сопл третичного дутья (ðèñ. 3, 4). Ñóì-

êáð, %

0,92

0,91

0,90

0,89

ÑNOõ, ìã/ì3 500

450

400

350

. @56 %

& + G % &

' ' ' ' 'C'2!

& – работа котла на угле; – на смеси

марное проходное сечение боковых, фронтальных и задних сопл выбрано с таким расчетом, чтобы избыток третичного воздуха составил порядка 0,31, т.е. стал в 2,07 раза больше, чем раньше. Че- тыре из шести дополнительных сопл размещены во второй половине фронтального и заднего экранов по ходу тангенциально направленного факела. Именно в этих зонах, как показали продувки топочной модели, происходит наиболее интенсивный выход факела вверх. Два центральных сопла фронтальной и задней стен были направлены на пересечение вертикальной оси топки. Это должно было исключить выход вверх неперемешанного факела в приосевой ее зоне.

Испытания реконструированного котла (декабрь 2003 г.) проводились в соответствии с рекомендациями [7] с использованием эксплуатационных приборов и методик определения горючих в уносе, рассевок угольной пыли и определения ка- чества сжигаемого угля. Концентрации кислорода, оксидов углерода и азота в продуктах сгорания определялись поверенным прибором Теstо-342-3. Расчеты тепловых потерь и КПД котла брутто осуществлялись с использованием компьютерной программы, разработанной в МЭИ на основе использования рекомендаций [8, 9].

Во время проведения испытаний сжигался

êáð, %

92

91

90

CNOx, 0,89 ìã/ì3

600

500

400

300

200

q4, % 3

2

1

0

140 160 180 200 220 Dïðèâ, ò/÷

2 & + $

$ HI @56 (

C 2 & a%% & *

%

Àð = 15,29 ! 20,72%, Vã = 38,58 ! 41,16%, Nã = 2,5 ! 2,8%. Тонина помола угольной пыли поддерживалась на принятом эксплуатационном уровне: R90 = 13 ! 14%.

Перегрев пара на реконструированном котле ст. ¹ 6 с оптимизированной схемой ступенчатого сжигания оказался практически на нормативном уровне (560°С) даже в условиях отсутствия или небольшой подсветки факела коксовым газом и без повышения эксплуатационных избытков воздуха, которые находились в пределах %%ïï = 1,17 ! 1,3. Это связано, во-первых, с некоторым повышением местоположения условного ядра факела и отжатием его догорающих языков от экранных труб струями третичного дутья. Во-вто- рых, скорость вращения пылепитателей, подающих угольную пыль на верхние каналы аэросмеси горелок, поддерживалась в 1,7 – 2 раза больше, чем на четырех остальных пылепитателях. При сжигании коксового газа он также подавался преимущественно через верхние каналы вторичного воздуха горелок. В-третьих, режимными методами был реализован небольшой угол наклона вниз струй четырех боковых сопл (порядка 14°).

Íà ðèñ. 5 показаны значения мехнедожога, концентрации оксидов азота и КПД котла брутто в зависимости от избытка воздуха за пароперегревателем. Можно видеть, что при избытках воздуха за пароперегревателем в пределах 1,15 – 1,3 концентрация оксидов азота в газах за дымососами составила 365 – 500 мг м3 при отсутствии подсветки факела коксовым газом и 340 – 480 мг м3 при совместном сжигании угля и газа. Мехнедожог оказался примерно на одном уровне – в среднем около 1,1%.

Íà ðèñ. 6 мехнедожог, выброс оксидов азота и КПД котла брутто показаны в зависимости от приведенной нагрузки котла при избытках воздуха за пароперегревателем, близких к оптимальным. Можно видеть, что на нагрузках 170, 190 и 210 т ч указанные параметры соответственно составляют: 0,8; 0,95 и 1,1%; 380, 335 и 355 мг м3; 90,75; 91,05 è 90,9%.

Присосы и перетечки воздуха в газовый тракт на участке водяной экономайзер – воздухоподогреватель составили 0,39 на нагрузке 215 – 220 т ч. Это почти в 4 раза превышает их нормативное зна- чение [8]. Расчетная оценка показала, что при устранении неплотностей газового тракта КПД котла брутто может быть увеличен, по крайней мере, на 1% за счет снижения потерь тепла с уходящими газами.

Результаты пирометрии факела реконструированного котла, выполненные при нагрузке 220 т ч, при работе двух сушильно-мельничных систем (СМС) и сжигании одного вида угля с %%ïï = 1,195 показаны на ðèñ. 7. Максимальные температуры факела на уровне 1325 – 1370°С зафиксированы на отметке 14,2 м через лючки фронтального экрана. Перед ширмами уровень температур факела составил 1190 – 1220°С. Достаточно высокой оказалась температура топочных газов, зафиксированная че- рез боковые лазы, которые расположены на отметке 7600 мм (1225 – 1260°С).

Нижние каналы аэросмеси горелок расположены на отметке 10 650 мм. Зафиксированная пирометром температура 1225 – 1260°С на уровне 7500 – 7600 мм свидетельствует о том, что первич- ный факел частично “ныряет” в холодную воронку. В связи с этим были взяты пробы шлака для определения содержания в них горючих. Без подсветки факела коксовым газом мехнедожог от содержания горючих в шлаке не превысил 0,1%.

Остановимся на перспективах улучшения технологии ступенчатого сжигания кузнецкого угля на котлах с тангенциально направленными горелками, имея в виду более глубокое снижение выброса NOõ без ухудшения показателей надежности и экономичности работы котлов. На упомянутых котлах с ЖШУ типа ПК-40, ПК-40-1 и ПК-40-2 этих перспектив практически нет, так как дополнительное подавление топливных NOõ потребует уменьшения избытка воздуха на выходе из горелок либо ухудшения предварительного перемешивания реагентов на выходе из них. Но это неизбежно приведет к снижению надежности выхода жидкого шлака.

Надежный выход жидкого шлака на котлах с высокими топками может быть обеспечен с помощью технологии трехступенчатого сжигания. Ее применение наиболее оправдано на котлах СКД, где возможна коррозия топочных экранов в условиях восстановительной среды в топке. Согласно этой технологии [10 – 12] в зоне активного горения угля (в первой ступени) поддерживается избыток воздуха, близкий к 1. Во вторую ступень горения, расположенную в средней части топки, подается около 15% (по теплу) дополнительного топлива (лучше всего природного газа). Здесь в условиях < 0,9 ! 0,95 образовавшееся в первой ступени количество NOõ частично разлагается с образованием молекулярного азота. В вышерасположенную третью ступень горения подается воздух для дожигания суммарного топлива.

На котлах с ТШУ и давлением перегретого пара 100 – 140 кгс см2 целесообразно использовать двухступенчатую технологию сжигания при пониженном избытке воздуха в первой ступени горения. Не имеет смысла сначала допускать интенсивный процесс образования оксидов азота в первой ступени горения, а затем предпринимать усилия для их разложения. Подавление NOõ целесообразно обеспечивать уже на начальном участке горе-

лочных струй, ускоряя процесс зажигания угольной пыли в условиях < < 1. Об эффективности такого подхода свидетельствуют данные испытаний реконструированных котлов БКЗ-210-140ФД [3] и тем более БКЗ-210-140Ф [4] Западно-Сибирской ТЭЦ с учетом резкого снижения q4 на последнем из них.

В связи с изложенным желательно, чтобы в горелках, подобно установленным на ЗСТЭЦ на котле БКЗ-210-140Ф (ðèñ. 1), зажигание угольной пыли опережало бы процесс перемешивания вторичного и первичного воздуха. В этом случае, по крайней мере по оси загоревшихся струй аэросмеси, избытки воздуха будут наименьшими, а процесс подавления топливных NOõ наиболее интенсивным. Поэтому в перспективе можно пойти на малозатратную модернизацию выходных частей горелок указанного и других котлов с технологией двухступенчатого сжигания пылеугольного топлива. Цель модернизации – дополнительное снижение выброса NOõ за счет уменьшения среднего избытка воздуха на выходе из горелок, а также обеспечения более раннего и устойчивого зажигания аэросмеси, даже при сжигании промпродукта. Для этого следует снизить выходную скорость аэросмеси за счет выполнения раструбов каналов первичного воздуха и соответствующего сужения верхнего и среднего каналов вторичного воздуха. Степень изменения выходных сечений каналов горелок может быть определена в процессе наладки котлов, в том числе с помощью проведения опытов с частично прикрытыми шиберами вторичного воздуха. В данном конкретном случае (ðèñ. 1) скорость выхода аэросмеси будет снижена на 1 3 за счет увеличения высоты каналов аэросмеси на 80 мм. Кроме того, раннему зажиганию угольной пыли будет способствовать такое же увеличение периметра контакта аэросмеси с топочными газами в выходном сечении горелки. При этом средняя расчетная скорость вторичного и третичного воздуха должна увеличиться примерно с 26 до 28 м с, что усилит процесс турбулизации факела и перемешивания реагентов.

Выводы

1.На основании модельных исследований и расчетных проработок оптимизирована технология двухступенчатого сжигания кузнецкого угля на котле БКЗ-210-140Ф (ст. ¹ 6) Западно-Сибирской ТЭЦ.

2.В процессе повторной реконструкции котла на фронтальной и задней стенах топки установлено шесть дополнительных сопл третичного воздуха с увеличением его доли более, чем в 2 раза.

3.Испытания показали, что на реконструированном котле ст. ¹ 6:

снижен эксплуатационный избыток воздуха за пароперегревателем до 1,17 – 1,3 при D = 210 ! 160 т ч соответственно;

уменьшен выброс оксидов азота до 335 – 380 мг м3, что отвечает требованиям государственных стандартов и несколько меньше, чем на котлах с ЖШУ при ступенчатом сжигании кузнецкого угля;

существенно (до 0,8 – 1,1%) снижен мехнедожог, в результате чего КПД котла брутто с учетом перспектив его повышения может приблизиться к значению, характерному для котлов с жидким шлакоудалением;

практически обеспечен нормативный уровень перегрева пара без подсветки факела коксовым газом.

4.Намечены пути дальнейшей оптимизации работы котла за счет уплотнения газового тракта, увеличения скорости истечения горячего воздуха

èуменьшения скорости выхода аэросмеси.

5.Комплексное сопоставление показателей работы котлов с тангенциально направленными горелками в режиме ступенчатого сжигания кузнецких углей с высоким выходом летучих веществ позволяет отдать предпочтение котлам с твердым шлакоудалением.

Список литературы

1.Использование технологии ступенчатого сжигания при реконструкции котлов на электростанциях Кузбассэнерго Гордеев В. В., Сотников И. А., Смышляев А. А. и др. – Теплоэнергетика, 1999, ¹ 9.

2.Котлер В. Р., Лобов Г. В., Гедике И. А. Снижение выбросов оксидов азота при сжигании кузнецких углей. – Теплоэнергетика, 1983, ¹ 2.

3.Глубокое подавление оксидов азота при ступенчатом сжигании кузнецкого угля в U-образном прямоточно-вихре- вом факеле Вагнер А. А., Абрамов В. В., Гапеев В. В., Архипов А. М. – Теплоэнергетика, 2002, ¹ 2.

4.Вагнер А. А. Повышение надежности, экономичности и экологической эффективности работы котла БКЗ-210-140Ф при переводе на ступенчатое сжигание кузнецкого угля в U-образном факеле. – Электрические станции, 2004, ¹ 5.

5.Архипов М. А., Юрков Д. А. Трехмерное численное моделирование аэродинамики топочного объема котла в изотермических условиях. – Электрические станции, 1999, ¹ 11.

6.Кнорре Г. Ф. Топочные процессы. М. – Л.: Госэнергоиздат, 1959.

7.Трембовля В. И., Фингер Е. Д., Авдеева А. А. Теплотехни- ческие испытания котельных установок. М.: Энергия, 1977.

8.Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) Под ред. Кузнецова Н. В., Митора В. В., Дубовского И. Е. М.: Энергия, 1973.

9.Пеккер Я. Л. Теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам топлива. М.: Энергия, 1977.

10.Котлер В. Р., Енякин Ю. П. Реализация и эффективность технологических методов подавления оксидов азота на ТЭС. – Теплоэнергетика, 1994, ¹ 6.

11.Котлер В. Р. Развитие технологий факельного и вихревого сжигания твердого топлива. – Теплоэнергетика, 1998, ¹ 1.

12.Шульман В. Л., Паршуков В. С., Глазков В. К. Трехступен- чатое сжигание твердого топлива – практический опыт модернизации котлов. – Электрические станции, 2003, ¹ 5.