Технология сжигания низкосортных твердых топлив в «кипящем слое». Перспективное направление модернизации и технического перевооружения угольных котельных в муниципальных образованиях регионов РФ

Р�С. 2. ОПЫТНО-ЭКСПЕР�МЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА УКС-2,5 (пос. ЛЕН�НО) Анализ показывает, что 39% из общего баланса твердого топлива приходится на долю низкосортных бурых углей с теплотой сгорания не более 14 мДж/кг, зольно­стью и влажностью выше 40%. Такие угли практически непригодны для сжигания в слоевых топках. Значительная часть угольных котельных укомплектована котлами малой мощности со слоевыми топками в основном с ручным обслуживанием (Братск, Э5-Д2, Универсал, Энергия, Н��СТУ) и не имеет механизации топливоподачи и шлакозолоудаления. Работа эксплуатационного персонала характеризуется значительной трудоемкостью и недопустимыми санитарно-гигиеническими условиями (повышенной загазованностью и запыленностью котельного зала). Кроме того, сжигание в котлах со слоевыми топками рядовых низкосортных углей сопровождается значительными потерями теплоты от механического недожога более 30% и, как следствие, низким значением КПД (не более 50–60%). Наконец, угольные котельные характеризуются неудовлетворительными экологическими показателями с повышенным содержанием сажи, золы, окислов серы и азота в дымовых газах. �зложенное предопределяет актуальность проблемы реконструкции существующих угольных котельных с котлами малой мощности. Реконструкция угольных котельных представляет сложную проблему, связанную с необходимостью решения комплекса научно-технических, производственных и инвестиционных задач. Примером положительного решения этой проблемы является эффективная ко­операция научного потенциала Военного инженерно-технического университета (В�ТУ) и 44 Специализированного строительного управления (44 ССУ) с участием проектных организаций и конструкторских бюро. Благодаря рациональной организации всего технологического процесса — от научных разработок до промышленного изготовления котла, монтажа и сдачи котельных под ключ — за короткий срок удалось добиться существенных положительных результатов по двум направлениям. Первое направление ориентировано на технологию сжигания твердого топлива в низкотемпературном «кипящем слое» (НТКС). Технология низкотемпературного «кипящего слоя» предусматривает горение твердого топлива в слое инертного материала (кварцевый песок, шамотный порошок, зола топлива и др.), обладающего большой теплоаккумулирующей способностью. Это, совместно с отбором теплоты в погружных поверхностях нагрева, обеспечивает поддержание температуры горения топлива в пределах 800–850°С с образованием в качестве очаговых остатков только летучей золы без каких-либо шлаковых спеков. Технология требует жесткого соблюдения указанного температурного режима, фракционного состава топлива с крупностью кусков не более 13–15 мм и влажности не более 20%. Технология сжигания топлива в низкотемпературном «кипящем слое» реализована в 2 котлах по 1,25 МВт каждый на угольной котельной УКС–2,5 Военного инженерно-технического университета. Котельная построена силами 44 Специализированного строительного управления (44 ССУ) и оснащена современным измерительным комплексом, поставленным ООО «БСК-Энерго», входящим в состав финансово-промышленной группы «Балтийская строительная компания». В сос­тав котельной кроме двух котлов входит оборудование для подсушки, дробления и транспортировки угля, а также системы газоочистки и автоматизации технологических процессов. Установленные в котельной УКС–2,5 в пос. Ленино котлы с топками НТКС состоят из (рис. 1) топочной камеры (7) с неподвижной воздухораспределительной решеткой (5), погружными поверхностями нагрева (9) и патрубком (10) слива золы (инерта), шнекового питателя угля (8), пароводяного (3) и газоводяного (2) теплообменников, прямоточного циклона (4), патрубка возврата уноса, корпуса (6), золовой камеры (1), патрубков (11, 12) подвода воздуха. Особенностями этих котлов являются: 1. Псевдоожиженный или «кипящий слой» создаются не воздушным напором, а разряжением за счет работы двух дымососов (на схеме не показаны). 2. В котле греется вода первого контура, превращается в пар в теплообменнике (2). Пар поступает в теплообменник (3) и греет сетевую воду. Двухконтурная схема котла позволяет поддерживать равномерный температурный режим по всему первому контуру нагреваемого теплоносителя и, соответственно, по всему объему топки котла. Котлоагрегаты и вспомогательное оборудование котельной УКС–2,5 представлены на рис. 2. Сотрудниками кафедры теплосиловых установок В�ТУ совместно со специалистами ООО «БСК-Энерго» проведены испытания данного типа котлов с топками НТКС. Выполненные экспериментальные исследования показали устойчивую работу котлов на всех статических режимах со следующими характеристиками: • КПД 82–85%; • потери с уходящими газами 9–11%; • потери от механической неполноты сгорания 3–8%; • потери от химнедожога, с физическим теплом шлака, от наружного охлаждения в сумме 0,5–1,5%; • максимальная теплопроизводительность 1,3–1,4 МВт; • содержание NOx в дымовых газах 120–250 мг/куб. м; • содержание летучей золы 8–12 мг/куб. м. В ходе испытаний были также отработаны все вопросы пусконаладки оборудования, обеспечивающего процессы горения топлива, аэродинамические топочные процессы, процессы подачи топлива и воздуха в котел и удаления золы и инерта из топки. По результатам пусконаладки составлены режимные карты. В ходе экспериментальных работ также исследованы переходные процессы котлов, которые показали хорошие динамические характеристики при пусковых и переходных режимах. По результатам исследований разработана система автоматического управления топочными процессами в котле с НТКС малой мощности на основе современной микропроцессорной техники, частотных преобразователей-контроллеров и промышленных компьютеров. К настоящему времени на котельной УКС–2,5 проведены комплексные испытания по сжиганию торфа, торфоугольных смесей, древесных отходов. Результаты испытаний показали принципиальную возможность устойчивой работы данного типа котлов на легких «парусных» сортах твердого топлива с технико-экономическими показателями, близкими к сжиганию углей. Вторым направлением работы В�ТУ является разработка котлов малой мощности с топками высокотемпературного «кипящего слоя». Технология сжигания твердого топлива в высокотемпературном кипящем слое реали-зована в котлах с узкой подвижной колосниковой решеткой. Общий вид такого котла приведен на рис. 3. Котел состоит из трубных экранных и конвективных поверхностей нагрева, механической топки высокотемпературного кипящего слоя, оборудованной узкой наклонной подвижной цепной колосниковой решеткой прямого хода с дутьевыми зонами первичного воздуха и удаления провала уноса, трубной панели охлаждения пластинчатого питателя угля с соплом пневмозаброса, коллекторов вторичного дутья бункера осаждения уноса с воздушным эжектором возврата уноса, рамы котла и рамы решетки. Принцип работы котла с топкой высокотемпературного кипящего слоя (ВТКС) сле-дующий. Дутьевым вентилятором воздух в количестве примерно 50% от общего расхода подается в дутьевые зоны первичного воздуха под колосниковую решетку через зазоры между колосниками для создания кипящего слоя и организации процесса горения твердого топлива. Остальная часть воздуха поступает в сопла вторичного дутья для дожигания продуктов неполного сгорания (окислов углерода, серы, азота), в воздушный эжектор для возврата легких фракций твердого топлива, унесенных из топки, и в сопло пневмозаброса. Топливо сгорает в кипящем слое в основном в нижней части колосниковой решетки (над первыми тремя дутьевыми зонами). Твердые очаговые остатки (шлак) оседают на решетке и затем удаляются в шлаковый канал. Газы вместе с мелкой фракцией топлива огибают поворотный экран. Несгоревшее топливо оседает в бункере осаждения уноса и воздушным эжектором возвращается в топку на дожигание. Газы поступают в конвективный пучок труб и, охлаждаясь в нем, поступают в систему газоочистки, а далее дымососом удаляются в дымовую трубу. Трубная панель охлаждения обеспечивает отвод теплоты от «кипящего слоя», снижает его температуру и охлаждает решетку. Охлаждение решетки создает условия для ее надежной и бесшлаковочной работы. Топка ВТКС может устойчиво работать на рядовом влажном угле. Крупные куски топлива размером более 30 мм, которые не могут подниматься воздухом, горят прямо на решетке и вместе со шлаком удаляются из топки. При работе котла по технологии высокотемпературного «кипящего слоя» используется гравитационный способ подачи топлива на решетку и упрощенная конструкция питателя, обеспечивающая надежную топливоподачу. Как видно из описания, котлы с топками ВТКС, сохраняя все свойства «кипящего слоя», могут устойчиво работать на несортированных влажных бурых углях, не предъявляют высоких требований к поддержанию температурного режима горения, к подсушке и дроблению топлива. Эти особенности являются преимуществом технологии ВТКС для практического применения по сравнению с технологией НТКС. Однако, как будет показано далее, топки с ВТКС обладают несколько меньшей эффективно­стью по сравнению с НТКС при работе на бурых углях с зольностью более 50%. Котлы подобной конструкции могут оснащаться узкими подвижными решетками не только прямого хода, но и обратного хода. На конструктивные элементы этих котлов имеются положительные решения на изобретения. Первым опытом применения технологии ВТКС в котлах малой мощности явилась ре-конструкция котлоагрегата «Братск» с шурующей планкой в котельной рекреационно-профилактического комплекса ОАО «Петербургская телефонная сеть». Проведенные пусконаладочные испытания котла «Братск» с топкой ВТКС показали близкие к расчетным его технические характеристики: • теплопроизводительность 0,8–1,14 Гкал/ч; • расход воды через котел 30,7–37,4 куб. м/ч; • гидравлическое сопротивление котла 0,8–1,2 кг/кв. см; • температура уходящих газов 170–190°С; • КПД 80–82%. По сравнению с типовым котлом «Братск» эффективность сжигания топлива увеличи-лась на 20%, теплопроизводительность возросла почти в 1,5 раза при увеличении КПД на 23–26% при работе на «интинском» угле. Двухступенчатая подача воздуха в котел позволила значительно снизить уровень выбросов окислов азота. Проведенные испытания котла «Братск» с топкой ВТКС показали состоятельность примененных конструктивных решений, их высокую энергетическую и экологическую эффективность. Кроме того, при испытании была опробована возможность работы данного котла на древесных отходах с влажностью 50–60%. По результатам таких работ разработаны технические решения по доработке данной конструкции для сжигания древесных отходов. Вместе с тем работы показали, что реконструкция котлов малой мощности до 2 МВт с оснащением их топками ВТКС имеет ряд технологических и конструктивных сложностей. Поэтому по результатам работ был сделан вывод о практической целесообразности разработки новых котлов данного типа. На основе результатов работы по созданию и испытанию реконструированного котлоагрегата «Братск-ВТКС» специалистами В�ТУ на кафедре теплосиловых установок разработана конструкторско-монтажная документация на новый котел КВ–1,74–ВТКС с топкой высокотемпературного «кипящего слоя» для сжигания угля и котел КВДО–1,5–ВТКС для сжигания древесных отходов. Для внедрения в практику теплоснабжения технологии ВТКС сделано следующее. Разработана конструкторская документация на новый угольный котел КВ–1,74–ВТКС мощностью 1,74 МВт с топкой ВТКС для серийного промышленного изготовления на отечественных машиностроительных заводах. �зготовлены 2 пилотных образца для монтажа, испытаний и сертификации. Разработана проектная документация для реконструкции действующей угольной котельной мощностью 3,58 МВт с установкой 2 котлов КВ–1,74–ВТКС (Московская обл., пос. Буньково). Выполняются работы по монтажу оборудования и ведется подготовка к пусконаладочным и комплексным испытаниям. Разработана проектная документация для реконструкции действующей угольной котельной мощностью 10 МВт с установкой 6 котлов КВ–1,74–ВТКС (Санкт-Петербург, пос. Горская). Разработана конструкторская документация на котел КВ–1,74–ВТКС–Д с топкой ВТКС для сжигания древесных отходов и изготовлены 2 пилотных образца таких котлов. Разработана проектная документация для реконструкции угольной котельной 3,58 МВт с установкой новых котлов КВ–1,74–ВТКС–Д на древесных отходах (г. Сортавала, Республика Карелия). Выполнены работы по монтажу оборудования и ведется подготовка к пусконаладочным и комплексным испытаниям. Научно-технические разработки В�ТУ по технологии сжигания низкосортных твердых топлив в топках «кипящего слоя» и опыт их внедрения в практику могут найти широкое применение при комплексной реконструкции угольных котельных в коммунальной энергетике. А. В. Смирнов, д. т. н., профессор Военного инженерно-технического университета (В�ТУ), начальник кафедры теплосиловых установок, вице-президент НП «АВОК-СЗ»