CC BY
43DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2019.01.024 УДК 621.181.2:66.096.5
ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНОСТЬ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВОЕНИЯ ЦКС ТЕХНОЛОГИИ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
Е. М. Пузырёв, В. В. Саломатов
Рассмотрены преимущества и перспективы применения технологии циркулирующего кипящего слоя (ЦКС) и возможность её освоения. Прототипом для разработки принята схема «Compakt». Эта схема позволяет создавать простые в производстве и эксплуатации котлы ЦКС.
Освоение технологии ЦКС затруднено тем, что известные методики расчета котлов не пригодны для ЦКС. Предлагается для расчетов и проектирования котлов ЦКС использовать компьютеры. Для верификации нового комплекса программ численного моделирования топок ЦКС предлагается строительство пилотной установки. Проведение на ней холодных и огневых исследований позволит сравнить результаты опытов и математического моделирования. В итоге можно выявить достоверность расчетов, создать новые методики расчета котлов ЦКС и освоить их производство.
Пилотная установка имеет высоту 5,5 м. Её мощность до 1 МВт. Расход воды 5 кг/с или 6 кг/с антифриза типа «Hot Blood - 65М». Температурный график теплоносителя 110/60 С. По геометрии схемы «Compakt» приняты одинаковые сечения топки и циклонов 300 х 600 мм. Площадь сечения топки ЦКС равна 0,18 м2, его теплонапряжение 5-7 МВт/м2.
Ключевые слова: экология, эффективность, пилотная установка, моделирование, псевдоожижение, теплообмен, кипящий слой, циркулирующий кипящий слой, ЦКС.
На сегодня в России имеется существенное отставание в техническом развитии отечественной котельно-топочной техники, использующей в энергетических котлах преимущественно традиционные топочные процессы и присутствуют следующие проблемы:
1. Пониженная производительность и высокие затраты на эксплуатацию котлов из-за шлакования топок и поверхностей нагрева котлов, с сопутствующим их износом.
2. Низкие экологические показатели из-за повышенной эмиссии оксидов азота, особенно в топочных процессах с жидким удалением шлака и слабого подавления и поглощения вредных выбросов.
3. Трудность перевода котлов на непроектные топлива.
4. Взрывоопасность и низкая экономичность систем пылеприготовления.
5. Низкая экономичность (низкий КПД) из-за повышенных избытков дутья и недожога с провалом и уносом недогоревшего топлива.
Касаясь общей ситуации, следует отметить, что на сегодня в зарубежной энергетике установлены высокие экологические требования. Например, из-за экологии, согласно директивам ЕС, в Болгарии полностью остановлена ТЭС «Варна» электрической мощностью 1260МВт с котлами ТПЕ-212 (670т/час) производства ТКЗ, на ТЭС в г.Габрово, котлы
БКЗ остановлены и утилизированы. Многие другие ТЭС с отечественным оборудованием котельных заводов ЗИО, ТКЗ и БКЗ, которое интенсивно эксплуатируется в России в Болгарии, Румынии и других странах ЕС активно выводится из эксплуатации под предлогом экологических нарушений, и эти страны ставятся в зависимость от внешних поставщиков электроэнергии.
В юго-западной Азии, в том числе в странах СНГ и Монголии, отечественное ко-тельно-топочное оборудование также активно вытесняется более качественным китайским и производимым в ЕС. Например, в Улан-Баторе, на ТЭЦ-4 наше мельничное оборудование заменено с установкой немецких мельниц среднеходного типа.
Касаясь Монголии следует особо указать, что здесь большинство ТЭЦ построены СССР, компанией Технопромэкспорт. При этом, например, на всех четырёх ТЭЦ столицы, г. Улан-Батор, установлены котлы Барнаульского котельного завода (Сибэнергомаш). Сохранение позиций завода на этом рынке является важной задачей и для России.
Рассматривая современную зарубежную энергетику, мы видим, что, начиная с 1980 -1990г наибольшее развитие получили котлы с низкотемпературным, 800-900°С, кипящим слоем и особенно ЦКС [1, 2]. Котлы с топками
ЦКС на сегодня самые экономичные, эффективные по экологии и кругу применяемых топлив (всеядные котлы). Они применяются в Китае [4], Польше, США, в том числе для энергоблоков (600 - 800МВт) с перегревом пара свыше 600°С. Именно котлы ЦКС дают наибольший вклад при строительстве новых и реконструкции существующих котельных и электростанций [3-5] в зарубежных странах.
Технология ЦКС основана на использовании двухфазных потоков «газ - частицы» с малым содержанием частиц топлива. Циркулирующие частицы улавливаются в горячих циклонах и регулируемо возвращаются в кипящий слой с управлением теплосъёма топки и глубоким регулированием нагрузки котла.
Переход к сжиганию дробленого, до размера 0-5 мм, топлива при высокой скорости газа в сечении топки, до 5-7 м/с, привел к качественному скачку. Оказалось, что в условиях выноса из слоя мощного потока частиц размером 0,1-1 мм, общий к.п.д. циклона повышается до 99% и более [1, 2] так как хорошо улавливаемые крупные частицы увлекают за собой и более мелкие. Так возникли топки с циркулирующим кипящим слоем - ЦКС.
Технология ЦКС стала интенсивно развиваться и использоваться с середины 80-х годов прошлого века, прежде всего под влиянием ужесточающихся норм на вредные выбросы, а также в связи с понижением качества углей и накоплением огромных масс отвалов углесодержащих отходов. Кроме того существенную роль здесь сыграл энергетический кризис начала 70 годов [1, 2, 5].
В кипящем слое подъемная сила газовоздушного потока уравновешивает вес частиц, из-за чего возникает псевдоожижение. Поднимающиеся газы активно контактируют и перемешивают частицы создавая идеальные условия для выжигания топлива и тепло- и массообмена. Из-за того, что горящие частицы, доля которых в слое невелика и они окружены инертными частицами золы, горящие частицы не перегреваются, а средняя температура слоя может поддерживаться на низком уровне, 800-950°С. Было выявлено, что в ЦКС возможно сжигать в условиях низкотемпературного топочного процесса различные виды топлив и отходов с пониженными выбросами СО и оксидов азота и при возможности связывания серы известняком до химически инертного гипса.
Благодаря большой массе и тепловой инерции ЦКС нетребователен к качеству топлива [1-5]. В нем успешно сжигают угли, включая низкореакционные антрациты и отходы: угольные с зольностью до 70% и отно-
сительно малозольные древесные и растительные с высокой влажностью.
Согласно недавно полученному отечественному опыту при освоении технологии ЦКС [6] на первом промышленном котле, который был сооружен на блоке № 9 Новочеркасской ГРЭС в Ростовской области, применение даже отработанного и довольно устаревшего варианта котла ЦКС с вынесенными не охлаждаемыми циклонами выявило проблемы. Доля кондуктивно-конвективного теплообмена к экранам оказалась ниже расчетной и при близких к проектным значениям тепловосприятия в топке, температура в ней оказалась существенно выше проектной.
Отмечались многочисленные дефекты футеровки в циклонах и внизу топки, а также в камерах зольных теплообменников. Неоднократные остановы котла были вызваны разрывами труб экранов и зольных теплообменников. При пусках после аварийных остановов часто происходила зашлаковка слоя.
В процессе наладки и первоначальной эксплуатации котла выявлен ряд недостатков, связанных и с технологией сжигания:
- высокая средняя температура слоя и большая неравномерность температуры по поверхности слоя приводят к аварийным остановам и шлакованию слоя;
- высокая температура на выходе из топки и рост температуры газов в циклонах приводят к агломерации частиц в системе возврата и зольных теплообменниках;
- увеличено тепловосприятие конвективной шахты, что приводит к увеличению впрысков в пароперегреватель и повышает температуру уходящих газов, снижая КПД;
- длительное время пуска котла из холодного состояния и трудности с поддержанием режима в переходных процессах.
Топливом в котле служит антрацитовый штыб и наиболее важным оказался вопрос подготовки топлива. Одной из причин повышенной температуры и её неравномерности по слою, а также её роста температуры газов в циклонах являются отклонения фракционного состава топлива от расчетного. Более грубый, укрупненный, состав топлива формирует меньшую долю циркулирующих частиц, их размер около 0,2мм. Это снижает расход циркулирующих частиц, что приводит к их меньшей концентрации, понижению тепло-восприятия экранов и управляемости ЦКС. Однако в целом [6] результат положителен.
И так, на основе проведенного рассмотрения и анализа вытекает задача необходимости освоения заводами энергетического машиностроения, включая и Барнаульский
котельный завод, перспективной и эффективной технологии ЦКС. Это позволит возвратить утраченные рынки и позиции, прежде всего в странах СНГ, Монголии и других, но при этом необходимо сделать правильный выбор как прототипа, так и направления для быстрого освоения технологии.
При выборе схемы котлов ЦКС был рассмотрен зарубежный опыт и выполнены патентные исследования. На сегодня ведущей является фирма «Фостер-Уиллер» [3]. Она разработала и с 2002 года поставляет наиболее перспективное второе поколение котлов ЦКС типа «СотракЬ>, рисунок 1. В этих котлах решены не только вопросы экономичности и экологии, но и технические проблемы компенсации тепловых расширений, стыковки циклонов и топки, минимизации объёма обмуровки, износа циклонов и их ремонта. Котлы «СотракЬ, в сравнении с классическими котлами ЦКС, существенно упростились. В технологии производства они приблизились к пылеугольным при описанных выше преимуществах и поэтому схема «СотракЬ принята прототипом для разработки котлов ЦКС.
Рисунок 1. Схема ЦКС «СотракЬ с парным циклоном. Котлы из прямых панелей.
Касаясь инжиниринга, отметим, что для освоения технологии ЦКС не пригодны существующие типовые нормы расчета и проектирования [7]. Предлагается применять современные подходы с широким использованием компьютерного моделирования для тщательных расчетов и прежде всего распределения параметров и характеристик топочных процессов в элементах топок ЦКС.
Однако наличие мощных вычислительных средств и типового программного обеспечения ещё не гарантирует решения поставленной задачи
Это связано с отсутствием обоснованных данных, которые учитывают особенности характеристик переноса и гидродинамики такой сложной системы как интенсивно реагирующий с выделением тепла многофазный поток, горящий в охлаждаемом топочном
объёме, циклонах, линиях перетока частиц и других элементах топок ЦКС.
Для верификации разрабатываемого комплекса программ численного моделирования, детерминирующих работу топок ЦКС, процессов предлагается строительство пилотной установки. Проведение на ней холодных и огневых исследований позволит экспериментально обосновать путем сравнения результатов опытного и математического моделирования его достоверность и, возможно, выявит новые закономерности топочных процессов в ЦКС. В итоге это позволит создать методики расчета и конструирования современного уровня и освоить производство энергетических котлов ЦКС.
Разработка пилотной установки выполняется на основе имеющегося в Компании «ПроЭнергоМаш», г. Барнаул, опыта. Она будет вторым поколением полупромышленных стендов, рисунок 2, для моделирования процессов в ЦКС [8], проводимых сейчас на ТБО, древесных и растительных отходах.
Стенд высотой 5,5м, с сечением 570x680мм выполнен из трех секций 2, 6 и 7 с охлаждаемой водой воздухораспределительной решеткой (ВВР) 1, циклона 8 квадратного сечения и стояка 10 для циркуляции частиц. Данные элементы совместно с высоконапорным вентилятором 13, питателем 11 и бункером 12 топлива закреплены на каркасе. Внизу под ВРР расположен воздушный короб 4, узел 5 для выгрузки материала слоя и растопочное устройство 4. Для обслуживания топки используется лаз 3.
Рисунок 2. Конструкция пилотной установки первого поколения для изучения ЦКС.
Новая пилотная установка также выполняется в виде огневого стенда, но с применением более широкого набора исследовательского оборудования. Она пригодна для холодного моделирования, служит для отработки технологических режимов, которые макси-
мально приближены к производственному циклу и в круг её задач входят:
- Физическое моделирование процессов горения дробленых углей в топках ЦКС с изучением влияния топлива, циркуляции частиц и различных соотношений первичного и вторичного воздуха на эффективность выгорания и эмиссию оксидов азота и серы.
- Проведение совместных физических и вычислительных экспериментов по изучению и согласованию реальных и вычисленных параметров и показателей ЦКС - топочных процессов, с идентификацией применяемых математических моделей.
- Выявление условий организации энергоэффективных и экологически щадящих режимов сжигания углей в котлах ЦКС.
- Разработка и корректировка на основе проведенных исследований методик расчета и конструирования оригинальных топочных устройств и котлов ЦКС.
Научные задачи включают изучение тонкой структуры и особенностей ЦКС с применением приборной базы и опыта специалистов Института теплофизики СО РАН:
- Лазер-волоконной диагностики с датчиком ЛДВА-3 конструкции Евсеева А.Р. [9] для изучения полей концентраций, скорости частиц и тонкой структуры ЦКС.
- Изучение процессов в ЦКС с отбором проб s-образным изокинетическим зондом.
- Изучение процессов в ЦКС с применением уникальных многопозиционных управляемых пробоотборников типа «Кепк».
Пилотная установка выполняется на расчетную мощность 1МВт с температурным графиком теплоносителя, Тж1/Тж2=110/60°С и расходом воды не менее 5кг/с или 6кг/с на антифризе типа «Hot Blood-65М».
По геометрии схемы «^mpa^» [3] приняты одинаковые размеры топки и пары циклонов 300*600мм, с длинной стороной по фронту. Площадь сечения топки ЦКС равна 0,18м2, а его теплонапряжение qR=5-7МВт/м2.
Высота топки ЦКС около 5м с односторонним охлаждением сдвоенным экраном высотой 4,5м. Оптимальный уровень температур топочного процесса ит"=800 - 950°С ЦКС [1, 2] при скорости в топке ^=4-7м/с, доле первичного дутья а1=0,4-0,7 и общем избытке воздуха за топкой ЦКС ат"=1,1-1,25.
Гидравлическая схема, рисунок 3, является несущим элементом конструкции, обеспечивает тепловосприятие, отвод тепла из ЦКС и включает последовательно установленные: ВРР 1, каркас 2 топки, верхний коллектор экрана 3 циклонов с горизонтальным
потолочным участком 4 и отводящих патрубков 5 циклонов. Внизу экран 3 через нижние коллекторы 6 подключен к экрану 7 топки с горизонтальным потолочным участком 8, подключенным к выходному коллектору 9 и далее опускными трубопроводами 10 к флажковым поверхностям 11 с трубами 12, которые врезаны в стояки 13.
Экраны 3 циклонов и 7 топки взаимно теплоизолированы и разделены на секции 15 промежуточными коллекторами 14 с датчиками температуры. Это позволяет четко определять среднюю температуру теплоносителя и прямым методом измерять тепло-восприятия каждой секции 15 экранов, как со стороны топки, так и со стороны циклонов и канала слива циркулирующих частиц.
Контур содержит циркуляционный насос 16 марки Wilo ^ 50/140-3/2, расходомер 17, расширительный бак 18, охлаждающие приборы 19 марки АО2-30-440 и фильтр 20. Работа контура циркуляции контролируется системами КИП и управления с блокировками, сигнализацией и защитой.
Конструктивно пилотная установка, рисунок 4, включает вертикальную топку ЦКС, расположенную над ВРР 5, разделенную на три секции 1-3 высотой по 1,5м с выходом 4. Три внешние стенки 6 секций 1 -3 выполнены кладкой из шамотного кирпича марки ША№5 и примыкают к заднему экрану 7 топки и каркасу 9 с межэтажными перекрытиями 8.
Рисунок 3 Технологическая схема
Высота экрана 4,5м выбрана по условию поддержании оптимальной температуры топочного процесса на уровне 850-950°С.
Топка ЦКС проста, надежно охлаждается, теплоизолирована и имеет лаз 10 для
внутреннего осмотра. Она всесторонне обслуживаемая, позволяет устанавливать закладные гильзы, патрубки, лючки и датчики в нужном месте, что и требуется для проведения научно-исследовательских работ.
Непосредственно к секции 1 подключены: тракт подачи дробленого угля 11, канал 12 возврата циркулирующих частиц и сопла вторичного дутья 13 и 14, а снизу ВРР 5 кол-пачкового типа и камера 15 плотного кипящего слоя, работающая в режиме газификации.
Воздухораспределительные колпачки 16 литые из жаро- и износистойкого хромистого чугуна ЖЧХ, выполнены согласно [10] в виде одной детали и отличаются от типично применяемых за рубежом сложных колоколооб-разных составных конструкций. Они создают активную аэродинамику на основе использования диффузорного эффекта, с двукратным гашением скорости и четырехкратным снижением динамического воздействия струй.
В коробе 17 установлены растопочные горелки 18 с блоком искрового зажигания 19 и канал 20 удаления слоя, подключенный через выгружатель слоя 21 к бункеру 22 золы.
Рисунок 4. Общий вид пилотной установки и колпачка ВРР (справа вверху)
Сверху топка ЦКС подключена, с примыканием к экрану 27, к циклонам 23, плоскому каналу 24 слива циркулирующих частиц и немеханическому клапану 32 с соплами 33 управляющего циркуляцией частиц дутья. Циклоны 23 отводящими патрубками 28 подсоединены к конвективному газоходу 29 с флажковыми поверхностями нагрева 30 и далее к выходу дымовых газов 31.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ На сегодня есть не только техническая документация на изготовление и комплектацию предложенной пилотной установки, но подготовлен пакет отечественных программ 136
для компьютерного моделирования топочных процессов ЦКС в элементах стенда и уже проведены тестовые расчеты. Документация может быть использована на предприятиях энергетического машиностроения с целью разработки проектов современного уровня для котлов ЦКС и освоения их производства.
Пилотная установка с системой КИП поставляется Компанией «ПроЭнергоМаш».
Разработка выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант 17-58-44020.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Саломатов В.В. Природоохранные технологии на тепловых и атомных электростанциях / В.В. Саломатов // — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.
— 852 с.
2. Баскаков А.П. Котлы и топки с кипящим слоем / Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов И.В. //
— М.: Энергоатомиздат, 1996. — 352 с.
3. Лундквист Р.Г. Технология сжигания в циркулирующем кипящем слое. / Лундквист Р.Г. // Электрические станции №10, 2002. с. 61-67.
4. Рябов Г.А. Опыт эксплуатации котлов ЦКС в Китае / Рябов Г.А., Ханеев К.В. // Современная наука. Сб. статей №3 (11), 2012.
5. Меняев К.В. Перспективы применения циркулирующего кипящего слоя в энергетике РФ / Меняев К. В., Жуков Е. Б., Сарсембенов Е. К. // Пол-зуновский альманах. - 2018 - №3. С. 54-58.
6. Рябов Г.А. Опыт пуска и начальной эксплуатации блока № 9 с котлом с ЦКС Новочеркасской ГРЭС / Рябов Г.А., Фоломеев О.М., Антоненко Е.В., Крутицкий И.В. // Сб. докл. IV конференции «Использование твёрдых топлив для эффективного и экологически чистого производства электроэнергии и тепла». - М.: ОАО «ВТИ», 2018. с. 73-82.
7. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). — СПб.: Издательство НПО ЦКТИ, 1998. — 256 с.
8. Пузырёв Е.М. Перспективы применения котлов с топками циркулирующего кипящего слоя в коммунальной энергетике / Пузырёв Е.М., Голубев В.А., Пузырёв М.Е. // Новости теплоснабжения. №10, 2016г, с.31-33.
9. Евсеев А.Р. Экспериментальное исследование структуры турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы: дис. докт. физ-мат. наук / Евсеев А.Р. — Новосибирск, 2013.-312 с.
10. Пузырёв Е.М. «Газораспределительная решетка»./ Пузырёв Е.М., Кисляк С.М. Патент РФ №2088847. Бюл. № 24. От 27.08.97.
Пузырёв Евгений Михайлович -д.т.н., профессор кафедры КиРС, АлтГТУ им. И. И. Ползунова. E-mail: pem-energo@list.ru. Тел.+7 909 504 04 30
Саломатов Владимир Васильевич -д.т.н., профессор. Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск. E-mail: vvs@itp.nsс.ru.
