CC BY
20
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА
т. 245 1975 г.
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТОПОЧНЫХ УСТРОЙСТВ КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ ПРИ СЖИГАНИИ УГЛЕЙ КАНСКО-АЧИНСКОГО БАССЕЙНА
II. К- ЛЕБЕДЕВ
{Представлена семинаром кафедры котлостроения и котельных ч-ст^новок)
1. Выбор конструкции топочной камеры
В ряде наших работ [К 2] было показано, что главным направлением борьбы с образованием связанных отложений на конвективных поверхностях нагрева при сжигании углей Канско-Ачинского бассейна является организация высокотемпературного сжигания этих углей в топочных устройствах с жидким шлакоудалением.
Необходимость высокотемпературного сжигания и высокотемпературной обработки золы в ходе топочного процесса выдвигает определенные требования к топочным устройствам. На основании тех выводов, которые были сделаны ранее [2], эти требования можно сформулировать в следующем виде.
В зоне горения основной части топлива должна придерживаться высокая температура, которая обеспечивала бы полное протекание процессов преобразований с минеральной части топлива, при которых все минеральные составляющие должны быть переведены либо в прочные алюмосиликаты, алюмоферриты или в инертные стекла. Для организации должной интенсификации этих процессов необходимо, чтобы они протекали не в виде твердофазовых реакций в диффузионной области, а в кинетической области, что может быть обеспечено прохождением всей минеральной массы через расплавленное (жидкое) состояние. Поэтому топочные устройства должны быть с жидким шлакоудалением.
Для того, чтобы обеспечить высокотемпературное сжигание всей или большей массы топлива, подаваемого в топочную камеру, в. той части топочного объема, где происходит сжигание, должна поддерживаться равномерность температурных полей как по горизонтальному сечению топочного объема, так и по длине пути горящего факела, а сама камера горения должна иметь высокие теплонапряжения единицы объема.
Для протекания наиболее глубоких преобразований в минеральной части топлива после завершения основных стадий горения необходимо обеспечитг. по возможности максимальную' длительность пребывания зо-ловых частиц в высокотемпературных условиях. Поэтому в топочных устройствах должны быть интенсифицированны все стадии горения, с таким расчетом, чтобы они протекали на наикратчайшем пути факела. Отсюда вытекают требования к горелочным устройствам, которые должны обеспечивать хорошее начальное смесеобразование, хорошую турбу-лизацию факела в зоне горения и наиболее полный и интенсивный выжиг топлива в наикратчайшее время.
Таковы основные требования, которые, по нашему мнению, предъявляются к топочным устройствам для сжигания углей Канско-Ачинского бассейна.
Рассмотрим различные современные конструкции топочных устройств с точки зрения того, насколько они отвечают сформулированным требованиям. Разумеется, что будем рассматривать только топки с жидким шлакоудалением.
Наиболее простои по устройству и наиболее дешевой является однокамерная открытая топка с жидким шлакоудалением. Одной из особенностей открытых топок с жидким шлакоудалением является неравномерность температурных полей как по сечению топочной камеры, так и по длине пути факела. В силу этого ядро горения с наивысшими температурами занимает небольшую долю топочного объема. Поэтому значительная (если не большая) часть топлива в открытой топке сжигается в низкотемпературных условиях, а зола не получает должной высокотемпературной обработки. Таким образом, топочные устройства открытого типа не отвечают требованиям, сформулированным выше, и не могут быть рекомендованы для сжигания углей Канско-Ачинского бассейна. Это подтверждается и практикой. Так, например, с переводом котлоагрегатов ПК-38 Назаровской ГРЭС с сухого на жидкое шлакоудаление не только не прекратилось образование связанных отложений на конвективных поверхностях нагрева, но и мало снизилась интенсивность протекания этого процесса.
Наиболее полно отвечают сформулированным требованиям топочные устройства с выделенными зонами горения в виде предтопков различных конструкций с возможно полным завершением в них процессов горения основной части топлива при высоких температурах. К таким топочным устройствам относятся топочные устройства ВТИ с вертикальными циклонными предтопками, топочные устройства ЦК.ТИ с горизонтальными циклонными предтопками, полуоткрытые топочные устройства БКЗ-ЦКТИ с восьмигранными предтопками и гамма-топка ВТИ.
При сжигании углей Канско-Ачинского бассейна во всех перечисленных выше топочных устройствах, за исключением гамма-топки ВТИ, по наблюдается образование связанных отложений на конвективных поверхностях нагрева котлоагрегатов. Что касается гамма-топки ВТИ, опыт эксплуатации ее имеется на Красноярской ТЭЦ-1, где образование связанных отложений все-таки происходит- Возникновение связанных отложений объясняется тем, что применение в этой установке системы пылеприготовления с полупрямым вдуванием [3] не позволило получить нужного уровня высокотемпературной обработки золы.
2. О выборе температуры газов на входе в конвективные поверхности
котлоагрегатов при сжигании углей Канско-Ачинского бассейна
В настоящее время существуют различные мнения по поводу выбора температуры газов на входе в конвективные поверхности нагрева при проектировании котельных агрегатов для сжигания углей Канско-Ачинского бассейна. Так, проектом норм теплового расчета котельных агрегатов [4] температуру на выходе из точки рекомендуется принимать 900°С, при этом предусматривается, что продукты сгорания входят в разреженную часть конвективных поверхностей (фестоны, разреженные ряды труб пароперегревателя), в которых температура газов понижается дополнительно на 50—100° С, В работе [5] рекомендуется для этих углей принимать температуру газов на входе в конвективные поверхности нагрева 650-850° С, а в работе [6] -850-900° С.
Данные наших исследований углей трех месторождений Канско-Ачинского бассейна, хорошо согласующиеся с данными ВТИ, показыва-
ют, что минимальные температуры начала деформации золы составляют: для углей Назаровского месторождения—1160° С, для Ирша-Бородин-ского месторождения—1180° С и для Березовского месторождения — 1200° С. Таким образом, рассмотренные выше предложения значительно снижают температуру газов на входе в конвективные поверхности по сравнению с температурой tь Основанием для таких рекомендаций послужил опыт эксплуатации котлоагрегатов типа ПК-38, ПК-Ю и др. в системе Красноярскэнерго, снабженных шахтномельничными топками открытого типа с сухим и жидким шлакоудалением, где происходит интенсивное загрязнение связанными отложениями конвективных поверхностей нагрева при повышении в них температуры газов выше 850° С.
Изучение природы и механизма образования связанных отложений при сжигании углей Канско-Ачинского бассейна на разных установках показало, что явление загрязнения поверхностей нагрева связанными отложениями может быть исключено применением высокотемпературного сжигания этих углей с высокотемпературной обработкой золы в ходе топочного процесса в топочных устройствах специальных конструкции с жидким шлакоудалением [2]. Эти выводы подтверждаются практикой. Так, котельные агрегаты БКЗ-320-140, в топочных устройствах которых обеспечивается высокотемпературное сжигание и высокотемпературная обработка летучей золы, не имеют признаков образования связанных отложений на конвективных поверхностях [7]. Не наблюдалось признаков образования связанных отложений и при опытном сжигании назаровского угля на котлоагрегатах БКЗ-220-100 БЦ, снабженных топочными устройствами с вертикальными предтопками ВТИ.
Температура газов при входе в конвективные пароперегревательиые поверхности на котлоагрегате ВКЗ-320-140 при сжигании ирша-бородинского угля с нагрузками котлоагрегата от 125 до 290 г/час по замерам, выполненным ЦКТИ, изменялась в пределах 930—1070е С, а при опытном сжигании назаровского угля пои нагрузках котлоагрегата 160—320 т/час в пределах 950—1100° С; температуры перед ширмами соответственно были: при сжигании ирша-бородинского угля 1030—1250е С, а при сжигании назаровского угля— 1050—1300°С. Несмотря на то, что конвективный пароперегреватель имеет довольно тесные пучки
[ 2,5 2,0) шлакования, образования связанных отложений и за-\ d а }
носов пучкег летучей золой не наблюдалось как при сжигании ирша-бородипскогс, так и назаровского углей. Обдувка пароперегревателей производилась лишь при нагрузках котлоагрегатов выше 220 т/час два-три раза в сутки выдвижными сажеобдувочными аппаратами ОПК-7, расположенными между 1-й и 3-й ступенями пароперегревателя.
Как при сжигании ирша-бородинского, так и при сжигании назаровского углей па нижних гиб ах труб ширмовых поверхностей наблюдалось возникновение незначительной величины наростов (рис. 1), состоящих из слегка слипшихся частичек шлака темно-коричневого цвета. Эти отложения очень слабо связаны между собой и поверхностью труб и самопроизвольно разрушаются по мере их роста более 30-40 мм.
Исследования этих отложений под микроскопом показали, что они состоят из сильно деформированных частичек золы, ю есть являются результатом простого шлакования, так как температуры газов перед шип-мовыми поверхностями превышают температуру начала деформации золы. При исследовании под микроскопом сыпучих отложений с поверхностей пароперегревателя, расположенных па входе газов, в них обнаруживается некоторое количество деформированных частичек золы, чю свидетельствует о том, что на входе в пароперегревательпые поверхности не все частицы золы находятся в полностью затвердевшем состоянии.
Этот факт указывает на то, что при должной высокотемпературной обработке золы в топочном процессе даже некоторое повышение температуры газов выше температуры начала деформации золы еще не вызывает шлакования конвективных поверхностей нагрева.
Таким образом, опыт эксплуатации котлоагрегатов БКЗ-320 при сжигании углей Канско-Ачинского бассейна с должной высокотемпературной обработкой золы не вызывает необходимости ограничивать температуру газов при входе в конвективные поверхности нагрева условиями образования связанных отложений. Эти ограничения должны определяться, как обычно, только температурой начала деформации золы, а исходя из этого, температура газов на входе в конвективные поверхности нагрева может приниматься 1100°С. Учитывая возможность некоторых ошибок в расчетах теплообмена в топочных устройствах, а также возможность возникновения некоторых перекосов температурных полей на выходе из топки, можно с полной уверенностью рекомендовать при проектировании котельных агрегатов для сжигания углей Канско-Ачинского бассейна принимать температуру на входе в конвективные поверхности нагрева 1 000°С.
В работе [8] убедительно показано, что снижение температуры газов на выходе из топки вызывает резкое снижение теплонапряжения топочной камеры прежде всего за счет снижения средней удельной плотности теплопо-глощения экранными поверхностями,
ведет к увеличению габаритов котельного агрегата и в конечном итоге к увеличению его стоимости. Поэтому снижение температуры газов на входе в конвективные поверхности, основанное на опыте работы котлоагрегатов с явно неудовлетворительными для сжигания канско-ачин-ских углей топочными устройствами, рекомендовать нельзя.
Иногда считают, да это вытекает и из уравнения (3) работы [8],
111*
Ял / V Ут ,
где (¿77/)охл — тепловая мощность, выделяемая на 1 ял топочного пространства, исходя из условий охлаждения дымовых газов в топке, Мвт/м3;
дпэ — удельная средняя мощность теплопоглощения экранными поверхностями, Мвт'м2;
<7л= —
Рис. 1. Вид нижней части ширмовых поверхностей котлоагрегата ВКЗ— 320—МО при сжигании капско-ачип-ских углей
(<а
с
доля тепла топлива, с учетом тепла воздуха, вос-
принимаемая экранными поверхностями за счет лучистого теплооо-мена в топке;
Иъ — эффективная лучевоспринимающая поверхность топочной камеры, м2;
V.
ооъем топочного пространства, м";
что снижение первого комплекса этого уравнения может быть компенсировано увеличением второго комплекса путем применения дзух-светных экранов и полурадиационных (ширмовых) поверхностен нагрева. При этом теплонапряжения и габариты топочной камеры, а следовательно, габариты котельного агрегата в целом могут сохраниться приемлемыми. Но и стоимость котельного агрегата все равно возрастет из-за увеличения металлоемкости топочной камеры и снижения эффективности лучевоспринимающих поверхностей нагрева. Кроме того, применение двухсветных экранов вызовет усложнение конструкции котлоагрегата и значительные трудности их очистки в эксплуатации, так как средства очистки ширмовых поверхностей, в том числе и виброочистка, еще далеки от совершенства. В связи с тем, что зола углей некоторых месторождений Канско-Ачинского бассейна (например, Березовского) имеет высокую температуру плавления золы при малых зольно-стях (при Лс<<5%) и внедрение топок с жидким шлакоудалением встретит некоторые затруднения, существует мнение о том, что топочные устройства для сжигания этих углей можно проектировать однокамерные, открытого типа с сухим шлакоудалением, а за счет развития глубоко-опущенных в топочную камеру ширмовых поверхностей температуру на входе в конвективные поверхности поддерживать ниже 850° С и этим самым исключить или резко снизить интенсивность образования связанных отложений на конвективных поверхностях нагрева. Близкие к этим предпосылки были положены в основу реконструкции котлоагрегатов ПК-38 Назаровской ГРЭС (2-й этап реконструкции). При этой реконструкции вторая ступень вторичного пароперегревателя, которая до реконструкции была первой поверхностью на пути газов на входе в конвективную шахту и наиболее интенсивно загрязнялась связанными отложениями, вынесена в топку в виде дополнительных ширм. За счет этого (по расчетам) температура гаэов на входе в конвективные поверхности должна снизиться до 790° С и, как предполагалось, привести к резкому снижению интенсивности загрязнения их связанными отложениями. Практика показала, что эта реконструкция без коренного изменения топочного процесса и конструкции топочного устройства не привела к ожидаемым результатам. Ширмовые поверхности оказались в температурной зоне наиболее интенсивного образования связанных отложений, поэтому котельный агрегат мог надежно вести нагрузку только при условии бесперебойной работы виброочистки ширм и дробевой очистки конвективных поверхностей нагрева с принудительной подачей дроби дробеметами, при запуске в работу всех срдств комплексной очистки два-три раза в смену. Кратковременный выход из строя виброочистки приводит к резкому повышению температуры в поворотной камере из-за интенсивного загрязнения ширм и к интенсивному образованию связанных отложений на конвективных поверхностях нагрева. Поэтому нельзя признать нормальным метолом борьбы с образованием связанных отложении снижение температуры газов па входе в конвективные поверхности нагрева без внедрения высокотемпературного сжигания топлива и высокотемпературной обработки золы в топочном процессе. С этой точки зрения применение открытых топок с сухим шлакоудалением и снижение температуры газоз па входе в конвективные поверхности нагрева ниже 850° С при сжигании углей Канско-Ачинского бассейна не обеспечит падежной работы котлоагрегата.
Выводы
1. Для обеспечения высокотемпературного сжигания углей Канско-Ачинского бассейна топочные устройства должны отвечать следующим основным требованиям:
а) основная масса топлива должна сжигаться при температурах, обеспечивающих прохождение минеральной массы угля через расплавленное (жидкое) состояние; топки должны быть с жидким шлакоуда-лением;
б) в зоне горения основной части топлива должна обеспечиваться равномерность температурных полей как по сечению, так и по длине пути факела;
в) для обеспечения высокотемпературного сжигания топлива и высокотемпературной обработки золы необходимо интенсифицировать все стадии горения топлива с тем, чтобы обеспечить наиболее полное их завершение в пределах камеры горения, обладающей высокими теплона-пряжениями;
г) для обеспечения наиболее полного завершения процессов высокотемпературных превращений в минеральной массе необходимо стремиться к тому, чтобы время нахождения золовых частиц в зоне высоких температур было максимальным.
2. Наиболее полно этим требованиям отвечают топочные устройства с выделенными зонами горения в виде предтопков (циклонные топки, вихревые топки).
3. Из числа известных современных конструкций, доказавших их способность обеспечить высокотемпературное сжигание и высокотемпературную обработку золы с полной ликвидацией признаков образования связанных отложений, являются топки ВТИ с вертикальными циклонными предтопками, топки ЦКТИ с горизонтальными циклонными и полуоткрытые топки БКЗ-ЦКТИ с восьмигранными предтопками.
4. При сжигании углей Канско-Ачинского бассейна в топочных устройствах, обеспечивающих высокотемпературное сжигание и высокотемпературную обработку золы в топочном процессе, температура на входе газов в конвективные поверхности нагрева должна определяться, как обычно, температурой начала деформации золы и приниматься при проектировании котельных агрегатов равной 1000° С.
5. Снижение температуры газов на входе в конвективные поверхности нагрева до величины ниже 850° С за счет внедрения ширмовых поверхностей нагрева без организации высокотемпературного сжигания топлива не обеспечит ликвидацию интенсивного загрязнения конвективных поверхностей нагрева связанными отложениями, является экономически невыгодным и не может быть рекомендовано при сжигании углей Канско-Ачинского бассейна.
ЛИТЕРАТУРА
1. И. К- Лебедев. Сжигание углей Канско-Ачинского бассейна в топках мощных парогенераторов. Ст. Итоги исследований по энергетике и энергомашиностроению за 50 лет. Изд-во Томского университета. Томск, 1968.
2. И. К- Лебедев. По поводу статьи М. П. Сморгунова и др. Сжигание бурых углей в шахтномельничной топке с жидким шлакоудалением. «Эл. станции», № 5, 1968.
3. С. Н. Миронов, В. Р. Котлер. Пуск и наладка котла, оборудованного опытной топкой с гамма-образным факелом на канско-ачинских углях. Ст. материалы научно-технического совещания по сжиганию канско-ачинских углей.
4. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. (Проект) Л., 1966.
5. В. И. Резни к, И. П. Э п и к, X. X. А р р о, М. 3. Г у д к п н. Рекомендации по проектированию котлоагрегатов для сжигания канско-ачинских углей. Тезисы докладов совещания по сжиганию углей Канско-Ачинского бассейна. МЭиЭ СССР, М., 1967.
6. Э. П. Дик, Р. А. Сир ох а. Изучение условий образования золовых отложений при сжигании назаровского угля. «Теплоэнергетика», № 10, 1969.
7. И. К. Лебедев, А. Й. Г н а т ю к. Поведение минеральной части ирша-бородин-ского и азейского углей при сжигании их в топке котла БКЗ-Э20-140 ПТ Иркутской ТЭЦ-6. Тезисы докладов совещания по сжиганию углей Канско-Ачинского бассейна. МЭиЭ СССР. М., 1967.
8. В. П. Ромадин. Основные топочные характеристики и их значение в мировой Лрактике. «Теплоэнергетика», № 10, 1969.
3. Заказ 3594.
