5.4.2. Работы вти по применению предварительной термоподготовки угольной пыли для создания горелочных устройств /6–9./

Результаты исследований механизма образования топливных оксидов азота, проведенных специалистами ВТИ в конце 70-х годов при сжигании 20 видов углей разной степени метаморфизма (от бурых и сланца до антрацита) с различным содержанием азота, позволили установить следующее:

– оксиды азота образуются в основном из азота топлива в результате его окисления кислородом воздуха, доля воздушных NO_х при температуре факела до 1 550 °С составляет не более 5 %;

– образование топливных оксидов азота происходит при разложении и выделении азотсодержащих соединений топлива в процессе выхода летучих на начальном участке факела;

– концентрация NO_х изменяется пропорционально квадрату среднеинтегральной концентрации кислорода в зоне образования оксидов азота.

Из изложенного следует, что для перевода азотистых соединений в химически неактивное состояние - молекулярный азот, процесс прогрева и пиролиза угольной пыли должен протекать при большом недостатке кислорода. Такие условия можно реализовать путем предварительной термообработки угольной пыли до поступления ее в топочную камеру котла. Это положение легло в основу нового метода подавления образования топливных оксидов азота, разработанного в ВТИ /9/.

Установлено, что при предварительном подогреве высококонцентрированной пылевзвеси в газовой среде с коэффициентом подачи кислорода < 0,05 до 600–820 °С выход топливных оксидов азота может быть снижен в 2–5 раз. Подогрев угольной пыли до определенной температуры Т_о практически не влияет на конечную концентрацию NO_х Значение этой температуры зависит от выхода летучих: для пыли березовского бурого угля она составляет 200 ^оС, для кузнецкого тощего угля–410 °С. Выявлено, что температура предварительного подогрева пыли, которая обеспечивает заданную степень снижения образования топливных оксидов азота в факеле, увеличивается с ростом степени метаморфизма.

Исследования на березовском буром угле показали, что концентрации образующихся в зоне пиролиза азотсодержащих соединений HCN, NH₃, NO относительно невелики. На их образование расходуется менее 1 % азота, содержащегося в топливе.

В опытах по сжиганию термообработанной пыли березовского угля при двухступенчатой подаче воздуха в камере сгорания содержание NО_х снижалось еще более чем в 2 раза.

Проверка эффективности разработанного метода проведена на демонстрационной установке тепловой мощностью 1,12 МВт при сжигании кузнецкого угля марки СС. Полученная зависимость концентрации NO_X на выходе из топочной камеры от температуры предварительной термоподготовки угольной пыли подтвердила закономерность, установленную в опытах на лабораторной установке. При нагреве пыли до 585 °С достигнуто снижение выбросов оксидов азота практически в 2,5 раза по сравнению с обычным режимом без подогрева пыли.

Полученные результаты исследований хорошо согласуются с работами В.А.Дубровского, выполненные в Красноярском политехническом институте Сибирского федерального университета /1,10–11/.

При проведении этих исследований оценивалось влияние предварительного подогрева топлива на воспламенение пылеугольного факела, определялось распределение температуры в поперечных сечениях топочной камеры для режимов без подогрева пыли и с подогревом до 425 и 585 °С. Установлено, что подогрев угольной пыли значительно улучшает условия зажигания: повышаются температуры в приосевой зоне обратных токов на начальном участке факела и в ядре горения, сокращается почти вдвое расстояние от устья горелки до зоны максимальных температур.

Полученные данные использованы при разработке принципиальной схемы и конструкции полномасштабной пылеугольной горелки с предварительной термоподготовкой топлива.

Была выполнена опытная вихревая горелка тепловой мощностью 60 МВт для котла ТПП-210А теплофикационного дубль-блока 250 МВт ТЭЦ-22 Мосэнерго. На котле сжигался кузнецкий тощий уголь. Резервное топливо – природный газ. Топка с жидким шлакоудалением. На каждом корпусе котла установлено шесть горелок в один ярус встречно на фронтовой и задней стенках. Содержание оксидов азота в дымовых газах котла после перехода электростанции на подачу пылевзвеси с высокой концентрацией пыли при подсветке природным газом находилось на уровне 1200–1300 мг/м³.

На первом этапе для проверки работоспособности горелки и надежности отдельных элементов ее конструкции одна из горелок котла (крайняя, расположенная на задней стенке) была оснащена устройством для термоподготовки угольной пыли. Его установили в центральной трубе горелки диаметром 670x8 мм (рис. 5.14).

По желанию сотрудников электростанции каналы аэросмеси и вторичного воздуха, а также газовая часть горелки были оставлены без изменений. Поскольку котел оборудован системой ПВК, прежние пылепроводы были демонтированы, а в сохраненную улитку аэросмеси подведен вторичный воздух. В экспериментальной горелке часть его через специальные прорези в существующей центральной трубе попадает в кольцевое пространство между этой трубой и трубой 1, образующей корпус устройства термоподготовки угольной пыли, для охлаждения последней. Подогрев пыли осуществлялся смешением ее с продуктами сгорания специальной микрофакельной газовой горелки 2, установленной на входе в устройство для термоподготовки угольной пыли. Микрофакельная горелка состояла из двух кольцевых завихрителей воздуха с аксиальными лопатками, разделенных стабилизатором для обеспечения устойчивости зажигания. В качестве стабилизатора использовался кольцевой коллектор с отверстиями для подачи природного газа. Благодаря противоположной закрутке воздуха в лопаточных завихрителях за стабилизатором образуется область повышенной турбулентности. Это должно способствовать быстрому перемешиванию природного газа с воздухом и его интенсивному выгоранию до встречи с холодной угольной пылью. Коэффициент избытка воздуха в микрофакельной газовой горелке (по отношению к природному газу) по проекту равен 1,2. Через кольцевые завихрители подается приблизительно 80 % воздуха, остальная часть поступает прямотоком через кольцевую щель для охлаждения внутренней поверхности корпуса устройства термоподготовки угольной пыли в районе сгорания газа.

Рис. 5.14. Горелка с предварительной термоподготовкой угольной пыли для котла ТПП-210А

Подача пыли осуществлялась по пылепроводу 3 диаметром 89x4,5 мм, который входит в устройство по оси микрофакельной горелки и заканчивается коническим рассекателем.

Проектная температура термоподготовки угольной пыли – около 800 °С; расчетный расход природного газа на микрофакельную горелку – 300 м³ /ч (примерно 4 % тепловой мощности пылеугольной горелки).

Опробованы два варианта конструкции выходного участка устройства для термоподготовки угольной пыли: с лопаточным завихрителем нагретой пылевзвеси и без него.

Для сопоставления результатов некоторых режимов работы горелки пылепровод от другого пылепитателя подвели на вход в улитку аэросмеси так, чтобы можно было варьировать схему подачи пыли. В опыте, при котором на выходе из устройства стоял завихритель, термоподготовка угольной пыли привела к повышению температуры факела в районе горелки на расстоянии 2330 мм от ее устья примерно на 100 °С (данные измерений оптическим пирометром). Заметно улучшилось вытекание жидкого шлака. Таким образом, подтвердились результаты лабораторных и стендовых исследований, показавших, что подогрев угольной пыли интенсифицирует воспламенение и выгорание топлива. Отсюда также следует, что предварительная термоподготовка пыли может обеспечить благоприятные условия для более глубокой разгрузки энергоблока без подсветки факела в топке газом или мазутом. При работе горелки без завихрителя, когда поток разогретой пылевзвеси поступал в топку прямотоком, наблюдался рост шлакового козырька по периметру амбразуры горелки. Можно полагать, что это связано с удалением ядра факела от среза горелки.

Концентрация оксидов азота на участке между осями экспериментальной и соседней горелок достигала 1200–1330 мг/м³, что характерно для этого котла.

В приосевой зоне факела содержание NO_х составляло 700–800 мг/м³. Далее, в направлении бокового экрана, наблюдалось дальнейшее снижение концентрации оксидов азота до 500 мг/м³. Поскольку топливные NO_х образуются в основном на начальном участке факела, такая картина подтвердила эффективность предварительной термоподготовки угольной пыли для снижения выбросов оксидов азота.

Микрофакельная газовая горелка работала надежно, имела короткий прозрачный факел. Температура металла элементов ее конструкции не превышала 600 °С. Подача угольной пыли не нарушала горение природного газа. На следующем этапе такими устройствами были оснащены все шесть горелок одного из корпусов котла ТПП-210А. Завихритель на выходе нагретой пылевзвеси не устанавливался.

Подогрев угольной пыли при испытаниях был ограничен 600 °С из-за появления пульсаций пламени микрофакельных газовых горелок, сопровождавшихся вибрацией конструкции и повышенным уровнем шума. Это нарушает условия нормальной эксплуатации.

При сжигании тощего угля (V^daf= 11,6 %, N^р=l,5 %, A^р= 19,3 %, Q^р= 24,45 МДж/кг, R₉₀ = 16,4 %) с подогревом угольной пыли до температуры не выше 600 °С (расход природного газа на микрофакельную горелку 200 м³ /ч) концентрация NО_х снизилась до 700 мг/м³.

Результаты исследований пульсационного горения природного газа в факеле микрофакельной горелки показали, что при повышении ее тепловой мощности сверх 0,6 номинальной сначала отмечались нерегулярные периоды пульсаций продолжительностью несколько десятков секунд, а при дальнейшем повышении расхода газа устанавливались устойчивые резонансные колебания. Гармоника, определяющая колебания с наибольшей амплитудой, имела частоту 40–60 Гц. Включение подачи угольной пыли практически не оказывало влияния на характер пульсаций. Как показал проведенный анализ, частота пульсаций пламени практически совпадает с собственной частотой устройства для термоподготовки пыли. Это могло стать причиной возникновения резонансных колебаний. Для предотвращения акустических колебаний можно воспользоваться одним из известных способов: изменением собственной частоты колебаний устройства конструктивным путем или технологическим воздействием непосредственно на зону горения природного газа, в частности, повышением устойчивости зажигания и растягиванием процесса горения (зоны тепловыделения). Возможно, что возникновению пульсаций горения способствовала также система подачи воздуха в микрофакельной горелке через два регистра с противоположным направлением крутки. Последующие проработки показали эффективность выделения форкамеры для сжигания природного газа. К сожалению, полностью отработать конструкцию горелки на котле ТПП-210А не удалось из-за перевода ТЭЦ-22 на сжигание, в основном, природного газа. Дальнейшнее внедрение специалистами Уралтехэнерго предварительной термоподготовки угольной пыли в горелках на котле ТП-87, оборудованном топкой с жидким шлакоудалением, позволило снизить концентрацию NO_х, при сжигании кузнецкого угля марки СС до 700 мг/м³ по сравнению с 800 мг/м³ при использовании заводских горелок.

Сотрудники ВТИ продолжили отработку конструкции устройства для термоподготовки угольной пыли на одной из горелок котла П-50 энергоблока 300 МВт Каширской ГРЭС, работающей на кузнецком тощем угле.

Для этого горелку пришлось оснастить не только устройством, но и системой подачи пылевзвеси с высокой концентрацией пыли. Тепловая мощность горелки составила 30 МВт.

Новая конструкция устройства для термоподготовки существенно отличалась от испытанной на ТЭЦ-22. Была выделена камера сгорания природного газа, вместо двухрегистровой микрофакельной газовой горелки установлена однорегистровая, изменился газовыпускной узел. Испытывались два варианта конструктивного оформления выходной части жаровой трубы: с лопаточным завихрителем и с диффузором без закрутки.

Устройство для термоподготовки угольной пыли было размещено в существующей вихревой горелке вместо центральной трубы (рис. 5.15).

Рис.5.15. Горелка с предварительной термоподготовкой угольной пыли

для котла П-50

Труба диаметром 72x4 мм, по которой пыль вводилась в устройство, заканчивалась коническим рассекателем и могла перемещаться вдоль оси на 500 мм. При этом через улитку аэросмеси, в которую ранее поступала пылевзвесь, подавали горячий воздух. Нагрев угольной пыли осуществлялся теплом продуктов сгорания природного газа, сжигаемого в специально выделенной камере сгорания. Природный газ выходил из кольцевого коллектора через 60 радиальных отверстий и 8 отверстий в торце коллектора. Тепловая мощность камеры сгорания газа составляла менее 5 % мощности пылеугольной горелки. Основное количество воздуха для горения природного газа подавалось в камеру сгорания через аксиальный лопаточный завихритель, остальное – прямотоком через кольцевую щель по периферии камеры. Температура воздуха составляла около 300 °С. Коэффициент избытка воздуха при сжигании газа на номинальной тепловой нагрузке горелки составлял 1,1–1,2, вследствии чего термоподготовка угольной пыли происходила при глубоком недостатке кислорода. Прогрев и частичный пиролиз пыли осуществлялись в трубе диаметром 325x5 мм, соединенной конфузором с камерой сгорания газа.

Исследования проводились при температуре термоподготовки угольной пыли до 750 °С. Ни при одном режиме работы устройства не возникали акустические колебания, приводящие к пульсационному горению, как это наблюдалось при испытаниях подобной горелки на котле ТПП-210А ТЭЦ-22 АО «Мосэнерго».

В одной серии опытов пылеподающая труба была выдвинута в камеру сгорания природного газа на 370 мм от завихрителя воздуха, в другой – на 720 мм. В первом случае угольная пыль вдувалась примерно в середину камеры сгорания по ее длине. При этом небольшая часть пыли, по-видимому, подхватывалась обратным потоком газов, возникающим по центру камеры, и выпадала в ее нижней части, где и догорала, образуя золовые отложе­ния. Во втором случае пыль вдувалась в среднюю часть конфузора, и такое явление исключалось.

Почти по всей длине камеры сгорания температура газов была выше 1 100 °С (измерения проводились термопарой ХА с открытым спаем диаметром около 0,5 мм). На входе в трубу термоподготовки происходило заметное снижение температуры потока, связанное с прогревом угольной пыли в процессе смешения. Температура пылегазовой смеси в нижней части трубы ока­залась несколько выше, чем в верхней, возможно, вследствие того, что конус-рассекатель на выходе топливоподающей трубы был установлен со смещением вниз.

В целом, температура стенки устройства для термоподготовки угольной пыли, включая камеру сгорания, не превышала допустимого уровня по условиям работы металла и практически на всем протяжении была ниже 800 °С, что очень важно для обеспечения надежной работы устройства. Максимальной была температура стенки выходного участка трубы термоподготовки, особенно в тех случаях, когда котел работал на пыли с нагрузкой, близкой к номинальной, а подача пыли в экспериментальную горелку была отключена. Как и в горелках обычной конструкции, в рассматриваемом устройстве большой градиент температур по длине выходного участка трубы и неравномерность распределения температур по его периметру могут привести к деформации этого участка, что приходится учитывать при выборе его конструкции и материала.

Горелки с предварительной термподоготовкой угольной пыли применимы для широкой гаммы углей: от бурых до низкореакционных каменных марки Т (опыта с АШ пока нет). При температуре термической обработки пыли 700 °С выбросы топливных оксидов азота могут уменьшаться в 2 – 4 раза в зависимости от степени метаморфизма топлива. Это значительно больше, чем обеспечивается известными «малотоксичными» горелками, снижающими концентрацию NО_х обычно в 1,6–2 раза. Сжигание низкореакционных углей – одна из наиболее перспективных областей применения таких горелок, так как упомянутые «малотоксичные» горелки для них малоэффективны. Эффект снижения выхода оксидов азота в топке может быть усилен путем сочетания горелок с предварительной термоподготовкой угольной пыли и методом двух или трехступенчатого сжигания в топочной камере.

Для рациональной организации процесса термоподготовки (уменьшение теплоемкости пылегазовой смеси для ограничения потребления вспомогательного топлива, снижение коэффициента подачи кислорода в зоне пиролиза до а < 0,05 в расчете на угольную пыль с целью обеспечения высокой эффективности снижения эмиссии топливных оксидов азота) и облегчения установки устройства в горелки угольную пыль желательно подавать в виде пылевзвеси с высокой концентрацией топлива.

Этот вывод исследователей из ВТИ хорошо подтверждает ранее высказанное мнение к.т.н. Бондарева А.М. по эффективности применения системы ПВК /13/.

Наиболее просто это осуществляется на котлах, оборудованных системами пылеприготовления с промежуточным бункером пыли. Для котлов с системами пылеприготовления с прямым вдуванием приходится применять более сложное решение: дополнительно устанавливать пылеотделитель и другое вспомогательное оборудование.