Сжигание топлив в кипящем слое.

Введение

На сегодняшний день для сжигания твердых топлив различных марок на ТЭС, можно сказать, применялся и применяется факельный способ сжигания, при котором фракция мелкого состава, будь то размолотый уголь или древесная щепа, забрасывается в горящий кипящий слой, при этом поддерживается горение и излучается тепловая энергия экранным трубам.
Этот метод, предложенный еще в 20 столетии все больше набирает перспектив распространения, так как в условиях рыночной экономики и постоянно растущей цены на органическое топливо - газ, основным вопросом, возникающим при использовании данной технологии является эффективность. Под понятием эффективность в данном случае понимается полнота сгорания, экология при сжигании [2].
Идея, предложенная сжигать топливо в «кипящем слое», сама по себе оправдывает себя, если сравнивать процесс сжигания с факельным. К примеру, рабочая температура слоя в процессе работы котла поддерживается на уровне 800-900 °С (слой часто называют низкотемпературным) регулированием расхода воздуха, подаваемого под слой, в то же время при факельном сжигании температура в топке в зависимости от калорийности топлива достигает 1800°С. Основным же преимуществом и в то же время достоинством является то, что имеется возможность сжигание крупнодисперсного состава топлива - кусков торфа, угла, древесной щепы до 50 мм, которые и создают малую температуру слоя [6].
Вторая сторона преимуществ это экологические параметры уходящих газов. За счет многократной рециркуляции дымовых газов (для регулирования температуры кипящего слоя, температуры перегретого пара) снижается концентрация соединений серы, а при низких температурах в топке азотные окислы образовываются достаточно медленно и в относительно небольших концентрациях.
Основное предназначение котлоагрегатов с «кипящим слоем» - это сжигание низких сортов твердых топлив. Опыт эксплуатации показывает, что котельные установки среднего давления и сравнительно небольшой паропроизводительности до 200 тонн пара в час разработок теплотехнических институтов ОАО «ЦКТИ» и «ВТИ» сегодня успешно реализованы и доказали свою надежность работы [6]..
Оценка, как технических, так и экономических показателей достоверно указывает на то, что котельные установки, работающие в составе энергетических блоков 5-150 МВт, гарантирует затраты на капитальные ремонты, себестоимость, затраты на приобретение топливного сырья, затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание не выше всех перечисленных затрат для котлов, применяющих факельную технологию сжигания с установкой оборудования очистки серы [1].
В мире на сегодняшний день находятся в эксплуатации около 3000 котельных установок более 500 ТЭС.
Опережающими странами по использованию котельного оборудования с кипящей технологией сжигания Польша, Финляндия, Литва, Эстония. Китай же является лидером на рынке котельного оборудования данного типа процесса сжигания. В 2013 году в Китайской республике был запущен один из самых крупных во всем мире энергоблок общей мощностью 600 мегаватт [4].


ГЛАВА 1: ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ И ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В КИПЯЩЕМ СЛОЕ КОТЛОВ
Сущность процесса и технологии сжигания твердого топлива в «кипящем слое»

Начало, так сказать, достаточно широкого применения технология сжигания твердого топлива в «кипящем слое», как в технической литературе его еще называют «циркулирующим» относится к 80 годам прошлого столетия, когда ужесточились требования к экологическим характеристикам котельных и ТЭС.
Сущность технологии заключается в следующем (рисунок 1).

Рисунок 1 - Сжигание топлива в слое
Предположим топочную камеру, «ПОД» которой выполнен из решетки, к примеру, колпачкого типа [1]. На решетку насыпать небольшой слой топлива и под низ установить давление горячего воздуха, как показано на рисунке 1а. Сначала из топлива будут выделяться так называемые летучие составляющие. Если топливо зажечь, то воспламенение произойдет по всему периметру лежащего топлива. Данный тип сжигания называется слоевым. В дальнейшем, если увеличить давление воздуха под слой, которое будет больше силы тяжести кусков топлива, то топливо будет находиться во взвешенном состоянии - начнет циркулировать (рисунок 1б). Соответственно объем слоя, а именно пламени увеличится. При дальнейшем увеличении расхода воздуха «кипение» топлива возрастет и объем пламени станет еще больше (рисунок 1 в). При дальнейшем увеличении давления воздуха, отдельные частицы топлива будут улетать, сгорая в топочном пространстве (рисунок 1г). На рисунке 1 показан простейший тип организации сжигания топлива в кипящем циркулирующем слое. На практике же все гораздо сложнее. На решетку насыпается определенный уровень кварцевого песка определенной фракции, чтобы не проваливался в отверстия решетки и в то же время воздух смог организовать хорошее кипение слоя

. Уровень песка необходимо постоянно контролировать во избегание спекания слоя. В то же время необходимо контролировать температуру слоя в разных ее точках и поддерживать на постоянном уровне - для этого на рисунке 1 показана рециркуляция или так называемый возврат уноса в топку. Рециркуляция выполняется также с врезкой в первичной воздух, под слой, для искусственного вытеснения кислорода из зоны горения - для контроля за температурой слоя.
Сгоревшие частицы топлива в виде золы и кокса движутся по тракту конвективных поверхностей нагрева и оседают в специальном устройстве, называемом циклоном. В роли аппарата для улавливания кокса, золы и песка широкое применение и большую эффективность показали электрофильтры, несомненным достоинством которых является 99% очистка уходящих газов от механических примесей. Такие фильтры способны улавливать частицы различных размеров, в том числе и меньше 1 мкм, при концентрации частиц в газе выше 50 г/м3. Причем очистка может производится, как в зоне высоких температур, так и в сравнительно низких, за счет ионизации пыли под действием электростатического поля. В то время как циклон обеспечивает не более 90 %.Основная сущность использования котлов с кипящим слоем - это сжигание крупных частиц топлива из низкосортных месторождений, чего нельзя достичь при сжигании в виде факела.
1.2 Основные этапы развития и применения котлов с кипящим слоем
В Советском союзе начала 70-х годов были предложены многими учеными - Забродским С.С, Гальпериным Н.И., Баскаковым А.П. различные технологии использования псевдоожиженного слоя. Однако наука и техника в то время не позволяла достичь столь эффективных проектов. Уже с 1999 года теплоэнергетический институт ВТИ начал проводить эксперименты по использованию технологии циркулирующего слоя. За достаточно большой промежуток времени (около 5 лет) была спроектирована и построена техническая база с стендами по исследованию аэродинамических процессов газо-воздушного тракта - топка, конвективная часть, возврат уноса, рециркуляция. Для котлов с кипящим слоем - это основная и ключевая часть при организации эффективного и безопасного сжигания топлива. И по сей день в России отсутствует нормативно-техническая документация по нормативному расчеу котлов с псевдоожиженным слоем, в виду громоздкости получения простых математических формул, из-за сложности процессов [3,5].
1.3Актуальность применения технологии псевдоожиженного слоя.
Исследования в направлении выявления эффективности сжигания низкосортных топлив, создание котлов, работающих на биомассе с «кипящим слоем» на сегодняшний день являются актуальными. Почему?
Все процессы теплообмена и фазных превращений, протекающие в топке котла требуют не только громоздких тепловых расчетов, но и расчетов обеспечивающих надежность и безаварийность работы оборудования, в частности «спекание» и «агломерацию - слипание» циркулирующего слоя, который приведет к длительному простою оборудования и высоких затрат на восстановление.
Ведь надо понимать, что данная технология очень важна и применима в аппаратах, где необходим пиролиз газов - отделение газов и получения требуемых продуктов газификации - синтетических газов. В этом случае особенно необходима надежность системы. В этом случае отделяется газ, а оставшиеся продукты горения выполняют свою прямую функцию - при сгорании отдают свое тепло потребителю.
Не стоит забывать и про стоимость твердых топлив, в сравнении с природным газом, - угля, торфа, древесной щепы, лигнина - недрами которых наша страна обеспечена в достаточной мере. Сегодня выявлены ряд быстрорастущих видов деревьев для сжигания, которые вырастают в стволе около 15 см за 3 года [7].
1.4 Обзор исследований по использованию котлов с «кипящим слоем», проведенных в России.
Особо значимым моментом в жизни энергетиков России, можно сказать, всей энергетической отрасли является реализация и запуск летом 2016 года на Новочеркасской ГРЭС энергетического блока общей мощностью 330 МВт с котельным агрегатом, работающим на технологическом процессе «кипящий всевдоожиженный слой». Котел спроектирован ОАО «ВТИ» и изготовлен ведущим заводом-флагманом - Таганрогским котельным заводом» «Красный котельщик». Это первый энергоблок такой большой мощности, успешно эксплуатируемый по сей день. Котел производит пар в 1000 т/ч и давлением 245 атм, температура перегрева составляет 565°С.
В России проектируются и конструируются котельные установки с кипящим слоем и паропроизводительностью от 10 до 160 т/ч.
Так, успешно эксплуатируется в Тверской области пос.Максатиха газомазутный котел ГМ-50 среднего давления реконструированный с применением кипящего слоя. В Свердловской области на фанерном комбинате «Фанком» смонтирован новый образец разработки ЦКТИ Е-20-2,4-350