О возможности перевода котлов БКЗ-160 на водоугольную суспензию

О возможности перевода котлов БКЗ-160 на водоугольную суспензию1

Осинцев К.В.

Согласно Правительственному плану развития энергетики Республики Кыргызстан в ближайшие годы должно начаться промышленное освоение Каракечинского буроугольного месторождения. Часть добываемого топлива будет направляться на ТЭЦ г.Бишкек для организации пылеугольного факельного сжигания на существующих котлах. Эти агрегаты рассчитаны на использование карагандинского промпродукта и близкого ему по свойствам ташкумырского каменного угля, которые длительное время поставлялись на ТЭС. Для перехода на новый вид топлива требуется разработка и внедрение ряда технических предложений.

В настоящее время проводится оценка приспособленности оборудования ТЭС для работы на новом виде топлива. При подаче пыли бурого угля в топочные камеры котлов БКЗ-160, намеченных под первоочередную реконструкцию, начинается шлакование экранов и размещенных в выходном окне топок пароперегревателей; активный рост шлаковых отложений происходит при наборе котлами нагрузок Дпп>0,85Днпп, где Дпп, Днпп — текущая и номинальная паропроизводительность котлов, т/ч, когда температура в топке превышает температуру плавления сопутствующей породы. Последняя у Каракечинского угля на 100 — 150 К ниже, чем у карагандинского промпродукта и ташкумырского каменного угля.

В период сжигания опытных партий каракечинского угля столкнулись с проблемой быстрой окисляемости и значительного выхода летучих в свежедобытом топливе с потерей до 20 % теплоты сгорания: ДРрн = Ррн д — Ррн п, где Ррн , Ррн п — теплота сгорания свежедобытого и поставляемого на склад ТЭЦ угля, ккал/кг. Высокое содержание СаО > 15 % в породе приводит к зарастанию мокрых золоуловителей и каналов ГЗУ соединением СаСО3. На отводимых под реконструкцию котлах БКЗ-160 высока степень износа воздухоподогревателей, что вызывает утечку воздуха в поток продуктов сгорания и прирост тепловых потерь с уходящими газами Дд2ВП. На изношенных среднеходных мельницах в провал, а затем в систему золошлакоудаления уходит до 5,0 % всего вводимого топливного потока. С учетом этих обстоятельств КПД котлов брутто составляет 83 — 85 % против проектных 89 — 90 %.

Повысить нагрузку котлов в бесшлаковочных режимах эксплуатации можно при переходе к низкотемпературному сжиганию топлива в пылеугольном факеле. Известно несколько методов организации горения при пониженном уровне температуры в топках [1 — 7]. Наиболее популярен метод балластирования участка факельного воспламенения инертными газами рециркуляции, хорошо согласующийся с нормами безопасности пылеприготовления бурого угля, в том числе Каракечинского, с содержанием летучих веществ V1 > 40 % [1, 4 , 7, 8]. Согласно норм в мельницы подают газы рециркуляции с расходом, обеспечивающим концентрацию кислорода О2 < 16 %. Последующий вывод инертного балласта с пылью в топку, его вовлечение в процессы воспламенения и горения приводит к снижению температуры факела. Но, улучшая присадкой рециркулирующих газов условия протекания экзотермических процессов, меняют характеристики теплообмена с увеличением температурного уровня уходящих газов и соответствующих потерь тепло-

1. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, Соглашение №8887

ты дополнительно на Дq2ГР = 0,2 — 0,6 %. Эффект снижения температурного уровня в топке достигается также различными способами ввода реагентных потоков, реализуемых при определенной переделке систем сжигания [1 — 7].

ТЭЦ выгодно использовать топливо с повышенной теплотой сгорания, поскольку снижается нагрузка на оборудование топливоподачи и мельницы, уменьшаются затраты на собственные нужды. Топливопотребление реально снижается при подаче на котлы свежедобытого угля с минимальной потерей теплоты сгорания за счет выхода летучих и окисляемости топлива при доставке свежедобытого угля в закрытом от прямого солнечного облучения транспорте, загрузке топливоподачи «с колес», без хранения на открытом складе. При подаче такого топлива на ленточный конвейер топливоподачи необходимо соблюдение мероприятий взрывопожаробезопасности, отлаженной работы системы аспирации.

Организовать практическую бесперебойную доставку топлива к котлам в разрозненных технологических потоках, связанных между собой, в лучшем случае только общей диспетчеризацией, очень сложно. Между тем, еще в 70-80 годах прошлого столетия предлагалось доставлять твердое топливо в виде водоугольной суспензии (ВУС) — смеси угольной пыли и воды с добавками поверхностно-активных веществ с приготовлением ее на месте добычи угля и перемещением к Потребителю по трубам, распыливанием в топках на капли и сжиганием в факеле [10 — 13]. При проведении технико-экономического обоснования варианта ВУС специалисты получили серьезный финансовый выигрыш по затратам и окупаемости. Приготовление ВУС на месте добычи каракечинского угля, дальнейший транспорт по трубопроводу, в авто- или железнодорожных цистернах, их комбинации до ТЭЦ г.Бишкек сохраняют потенциальную теплоту исходного топлива ДРрн, предотвращая его самоокисление, устраняют необходимость соблюдения мер взрывопожаро-безопасности на ТЭС (как при использовании сухого топлива с большим выходом летучих веществ). Образующиеся при горении угольных частиц в каплях зольные конгломераты из отдельных спекшихся частиц породы, имея крупные размеры 200 — 1500 мкм, хорошо улавливаются в сухих осадителях перед выводом в атмосферу. В сравнении с традиционным пылесжиганием в капельно-суспензионном факеле с пониженным уровнем температуры в атмосферу выводится на 80 % меньше твердых зольных частиц и на 40 % меньше оксидов азота. В технологии сухого золоулавливания устраняется проблема борьбы с СаСО3. Из представленного в качестве примера рисунка 1 видно, что в период испытаний котла ТП-35 основная масса пылевидного топлива, в частности кавакского угля, выгорает на горизонтальном участке факела перед горелками от их выходного сечения I = 0 до отметки 1ф, где степень выгорания а = 0,9. Здесь же развивается максимальный уровень температуры факела Тф; на вертикальном участке факел охлаждается до фиксируемого на выходе из топки опытного значения Т = "Рт = 1230 К, равного значению температуры для проектного топлива (параметр Т/!ьт = 1,0; а = 0,95).

При подаче в топку распыленной суспензии из пыли того же кавакского угля при максимальном размере твердых частиц < 350 мкм характер горения резко изменяется: участок воспламенения /ф увеличивается в 3 — 4 раза, а максимальная температура Тф, снижается на 200 — 300 К. Пассивирование воспламенения вызывает затягивание

Экономические науки

ВУС І

У

Т/Тпт 1,5

1,0

0,5

а 0,75

0,50

2 0,25

а 0,75

0,50

0,25

/б пыль ВУС

у >

10 . - - —

(Ґ8 ^11

1 / сжигание пь ли

1 /_ §У * ; пыль 1&' .'ф

/ ^ 9 . - . — • ’

/ / і ^13

Т вус і 1Ф сжигание С У т

0,25

а)

0,50

б)

0,75 1/1т

Рисунок 1. Характер изменения безразмерных температуры (Т/ТПт) и степени выгорания топлива (а) в пылеугольном и суспензионном факелах кавакского бурого угля на котле ТП-35: а - схема топки котла ТП-35; б - опытные данные [11, 12, 13]; 1 - топка, 2 - зона активного горения для пыли и ВУС в опытах, 3 - горелки для сжигания пыли и ВУС в опытах, 4 - холодная воронка,

5 - выходное окно топки, 6, 7,

8, 9 - интегральные кривые,

10, 12 - Я < 90 мкм, 11, 13 - Я > 90 мкм, 6, 8 - сжигание пыли с максимальным размером частиц 350 мкм, 7, 9 - сжигание ВУС с максимальным размером частиц 350 мкм.

процесса горения и летучих, и коксового остатка. В выходном окне топки температура факела становится выше (Т/ Тт > 1,0), а степень выгорания уменьшается до а < 0,82. Заметим, что вышерассмотренный процесс горения в топке котла ТП-35 распыленных капель ВУС из кавакского угля с высоким содержанием влаги (^ и 50 %) при низких тепловых напряжениях сечения зоны активного горения (дР и 1,2 МВт/м2) и лучистой поверхности (длг и 0,6 МВт/м2) мог осуществляться только при подсветке, в частности, дизельным топливом в количестве 7 — 12 % по тепловыделению. Горение ВУС из кузнецкого угля с влагосодержанием ^ и 40 % на котле ПК-40, имеющим повышенное теплонапря-жение зоны активного горения (дР и 3,0 МВт/м2; и 1,05

МВт/м2), протекало без подсветки высокореакционным топливом. Детальный анализ процесса горения ВУС, приготовленной из бурого угля с размерами твердых частиц < 350 мкм на котле ТП-35 паропроизводительностью 35 т/ч, а в дальнейшем ВУС из каменного угля на котле ПК-40 паро-производительностью 320 т/ч, показал, что основной вклад в интегральный показатель степени недожога топлива давали частицы с размерами Я > 90 мкм, рис.1, увеличивая тепловые потери с мехнедожогом на Д^ и 3 — 5 % [10 — 13]. Все частицы с размерами Я < 40 мкм прогорали практически полностью, причем более активно на котле ПК-40 с более высокими тепловыми напряжениями зоны активного горения. В равной степени это относилось к пыли и ВУС [10 — 13]. Сегодня применительно к ТЭЦ г.Бишкек можно говорить об устойчивых ВУС нового поколения с переиз-мельченными до 3 — 40 мкм частицами твердого топлива и хорошими транспортабельными характеристиками, получаемыми в сверхэкономичных установках производительностью до 80 т/ч и энергозатратностью 20 — 50 (кВт*ч)/(т угля) [14 — 18]. Перерасчет горения ВУС с размерами частиц < 3 — 40 мкм, а также теплообмена топки и котла БКЗ-160 с существующими повышенными проектными значениями тепловых напряжений сечения и 2,8 МВт/м2 и лучистой

поверхности длг и 1,7 МВт/м2 показывает, что в сравнении с пылеугольным вариантом сжигания топлива в топке, как и при подаче газов рециркуляции снижается температура

б)

г)

Рисунок 2. Сравнение расчетных характеристик пылеугольного и суспензионного факелов и продуктов сгорания каракечинского бурого угля на котле БКЗ-160 при номинальной нагрузке: а - схема топки котла БКЗ-160; б, в, г - безразмерные температуры: максимальная для факела, на выходе из топки и уходящих газов, отнесенные к тем же температурам для пыли проектного угля соответственно; 1 - топка, 2 - зона активного горения, 3 - существующие (модернизированные) горелки, 4 - холодная воронка, 5 - выходное окно топки, 6 - воздушный канал горелки, 7 - газовые сопла, 8 - пылевой канал горелки, 9 - диспергатор ВУС, «пыль 1» - сжигание проектного топлива без газов рециркуляции, «пыль 2» - сжигание пыли каракечинского угля с газами рециркуляции, «ВУС» - сжигание суспензии каракечинского угля с размерами частиц < 40 мкм.

Т

Т

Т

Ф

т

ух

Всероссийский журнал научных публикаций № 5(15) 2013

41

факела, при сгорании практически всего топлива дополнительные потери с мехнедожогом Aq = 0 %, повышаются только потери теплоты с уходящими газами на Aq2 из-за высокого балласта транспортной влаги, вводимой в факел вместе с топливом, рис.2.

Но это приращение Aq2 уже соизмеримо с аналогичным показателем котла при неизбежном по условиям взрывопо-жаробезопасности вводе в топку газов рециркуляции с пылевыми потоками из размольных устройств.

Выводы

1. Перевод ТЭЦ г.Бишкек на сжигание бурого угля с высоким выходом летучих веществ, низкой температурой плавления сопутствующей породы и большим содержанием СаО потребует значительных объемов и средств на восстановление и реконструкцию существующих технологий и оборудования.

2. Объем и стоимость реконструкции и восстановительных работ в условиях ТЭЦ г.Бишкек сокращаются при подаче на котлы водоугольной суспензии.

3. Преимущества использования ВУС нового поколения позволяют говорить о целесообразности их подтверждения на одном из котлов БКЗ-160 с пусковым комплексом, включающим демонстрационную систему приготовления небольшой производительности, а по результатам его испытаний принять направление модернизации с суспензионной технологией сжигания, либо вернуться к традиционной пылеугольной с приведением к нормам взрывопожаробезопасности, модернизацией горелок, восстановлением мельничных систем, разработкой мероприятий по улучшению работы золоуловительных систем.

4. Демонстрационно-пусковой суспензионный комплекс в дальнейшем может быть использован в качестве ре-зервно-подсветочной системы на котлах, сжигающих угольную пыль.

Список использованных источников

1. Osintsev, K.V. Low-temperature combustion technology / K.V. Osintsev // ISRN Mechanical Engineering. - 2012.

2. Особенности и организация факельного процесса в топке с многофункциональными горелками / В.В. Осинцев, ГФ. Кузнецов, В.В. Петров, М.П. Сухарев // Электрические станции. - 2002. - №11. - С. 14 - 19.

3. Osintsev, K.V. Low-temperature combustion of coal and coal wastes of different plants / K.V. Osintsev // Successful R&D in Europe: 4th European Networking Event. - http://www.frp.nrw. de.

4. Анализ результатов опытного сжигания высокореакционного бурого угля на котле БКЗ-210-140Ф. / В.В. Осинцев, ГФ.

Кузнецов, В.В. Петров, М.П. Сухарев // Теплоэнергетика. -2003. - №8. - С. 27-32.

5. Osintsev, K.V. Taking into account the nonuniform and unstable thermal fireball when using multifunctional burners / K.V. Osintsev, V.V. Osintsev // Thermal engineering (English translation of Teploenergetika). - 2007. - V. 54. - № 6. - P.

492 - 497.

6. Osintsev, K.V. Method for reducing the heat flux onto burner ports / K.V. Osintsev // Power Technology and Engineering. -2010. - V. 44. - № 1. - P. 47 - 51.

7. Controlling the thermal structure of the flame in the furnaces of BKZ-210-140F boilers with single-tier frontal arrangement of multifunctional burners when burning various kinds of fuel / V.V. Osintsev, M.P. Sukharev, E.V. Toropov, K.V. Osintsev // Thermal engineering (English translation of Teploenergetika). - 2005. - V. 52. - № 9. - P. 678 - 687.

8. Митор, В.В. Проектирование топок с твердым шлакоудале-нием (дополнение к нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов). Руководящие указания // В.В. Митор, Ю.Л. Маршак. - Л.: ВТИ - НПО ЦКТИ, 1981. - вып. 42. - 118 с.

9. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод. Изд. 3-е. перераб. и доп. СПб.: НПО ЦКТИ-ВТИ, 1998. - 257 с.

10. Хидиятов, А.М. Перспективы, основные результаты исследований и проблемы использования водоугольных суспензий

с энергетике / А.М. Хидиятов, В.В. Осинцев, Л.И. Дубовцев // Электрические станции. - 1988. - №9. - С. 2 - 12.

11. Джундубаев, А.К. Моделирование технологических схем сжигания кавакского бурого угля, доставляемого на ТЭС гидротранспортом / А.К. Джундубаев, А.М. Хидиятов, В.В. Осинцев // Теплоэнергетика. - 1987. - №5.

12. Джундубаев, А.К. Оценка влияния влагосодержания на устойчивость воспламенения кавакского бурого угля / А.К. Джундубаев, А.М. Хидиятов, В.В. Осинцев // Теплоэнергетика.

- 1988. - №1.

13. Осинцев, В.В. Анализ тепловой устойчивости факельного сжигания углей Киргизии / В.В. Осинцев, А.К. Джундубаев, А.М. Хидиятов // Известия Академии Наук Киргизской ССР. Физико-технические и математические науки. - 1989. - №1.

- С. 56 - 65.

14. Морозов, А.Г. Гидроударные технологии для получения водоугольного топлива / А.Г. Морозов, Н.В. Коренюгина // Новости теплоснабжения. - 2010. - №7. - С. 18 - 21.

15. Овчинников, Ю.В. Искусственное композиционное жидкое топливо из угля и эффективность его использования / Ю.В. Овчинников, С.В. Луценко // Материалы научно-практической конференции «Перспективные энергосберегающие технологии и способы сжигания твердого топлива в котлах малой и средней мощности», 15 - 18 ноября 2005 г. - г. Кемерово. -2005.- С.10.

16. Овчинников, Ю.В. Физические процессы и механохими-ческие эффекты в дезинтеграторах и кавитаторах при производстве ИКЖТ / Ю.В. Овчинников, С.В. Луценко, Е.А. Евтушенко // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты. Сборник научных трудов. Вып. 9. НГТУ. - г. Новосибирск. -2005. - С. 310.

17. Технологии сжигания топлив в котельных и на электростанциях / Ф.А. Серант, Л.И. Пугач, Ю.В. Овчинников и др.

// Академия энергетики. Серия Наука и технологии. - 2008.

- №6 (26). - С. 54 - 65.

18. Цепенюк, А.И. Приготовление и сжигание водоугольного топлива в различных топочных устройствах / А.И. Цепенюк,

С.В. Луценко, Ф.А. Серант, Е.Г. Карпов // Материалы международной конференции по теплоэнергетике и ее устойчивому развитию. - г.Углжевик, Республика Сербская, Босния и Герцеговина. - 2010. - С. 61 - 66.