5.5. Разработки Томь-Усинской грэс и кгту по созданию горелочного устройства для снижения оксидов азота при сжигании газовых и длиннопламенных каменных углей в топках с жидким шлакоудалением
Для снижения оксидов азота на котлах ПК-40-1 Томь-Усинской ГРЭС был проведен целый комплекс мероприятий по разработке специальных конструкций горелочных устройств с применением подачи пыли высокой концентрации /ПВК/.
Например, на котле ст.№11 были смонтированы горелки новой конструкции, которые позволили снизить концентрацию оксидов азота.
Конструкция аналогичных горелок была внедрена на котлах ПК-40-1 Беловской ГРЭС, которые хорошо себя зарекомендовали как очередной этап по пути создания малотоксичных горелочных устройств (рис.5.19).
Под руководством к.т.н. Бондарева А.М. была разработана, защищена авторским свидетельством на изобретение конструкция горелок с использованием пыли высокой концентрации под давлением (ПВКд) /12/. В горелку подается пыль с концентрацией до 40 кг/кг воздуха, т.е. с концентрацией более, чем на порядок выше, чем в традиционных схемах подачи пыли.
Автором разработанного устройства выполнено достаточно глубокое теоретическое обоснование преимущества применения системы ПВК при сжигании каменных углей /12,13/.
Эта схема была разработана и впервые использована на Томь-Усинской ГРЭС. Здесь в 1980 г. на систему транспортирования пыли с высокой концентрацией был переведен первый котел, а к 1986 г. по этой схеме работало уже 18 корпусов мощностью 50 и 100 МВт (Рис.5.16).
С момента перевода первого котла в постоянную эксплуатацию на высококонцентрированной пыли началась проверка и отработка такой конструкции горелки, которая использовала бы идею получения повышенных концентраций пыли на участке воспламенения. Для получения за горелкой факела, форма которого подобна типовой, был сконструирован круглый рассекатель. Он обеспечивал раскрытие пылевого кольца до диаметра 350–400 мм на расстоянии 100–200 мм от горелки. По центру горелки образовывалась зона рециркуляции обратных потоков к нему, соответствовавшая оптимальному втулочному отношению для типовых горелок.
Рис.5.16. Эскиз горелочного устройства, внедренного на котлах ПК-40-1 Беловской ГРЭС: 1 – вторичный воздух; 2 – пылепровод ПВК; 3 – смеситель; 4 – улитка вторичного воздуха; 5 – выходной патрубок горелки; 6 – обмуровка котла
Установлено, что по условиям хорошего выгорания топлива и снижения содержания NOх конец пылепровода высококонцентрированной пыли с рассекателем должен быть расположен на выходе из горелки. Более раннее перемешивание концентрированной пыли с воздухом возвращает нас к обычной горелке с низкой концентрацией пыли в потоке со всеми отрицательными ее свойствами.
Поскольку концентрированный поток пыли доводится до устья горелки, то необходимость разделения воздуха на первичный и вторичный теряет смысл, и конструкция горелки значительно упрощается.
Горелка, разработанная для каменных углей марок Г и Д, предусматривающая подвод высококонцентрированной пыли в устье горелки, коренным образом меняет последовательность и особенности процессов прогрева, воспламенения, перемешивания и горения пыли в топке.
Бондарев А.М. считает, что процессы прогрева пылеугольного потока обычной и высококонцентрированной пыли существенно различаются.
По его мнению, поскольку воздух диатермичен, т.е. не поглощает лучистое тепло, а коэффициент теплоотдачи от поверхности пылинки к воздуху очень высок, то в потоке низкоконцентрированной пыли ее нагрев возможен лишь вместе с нагревом окружающего частицу воздуха, которого по массе оказывается в 2 раза больше, чем пыли. В итоге при близких теплоемкостях угля и воздуха помимо количества теплоты, необходимой для нагрева пыли, нужно еще двух-трех-кратное ее количество для нагрева воздуха (окружающего частицу), тогда как в высококонцентрированном потоке окружающего воздуха практически нет и теплота расходуется лишь для прогрева массы частиц пыли в плотном ее потоке.
Процессы воспламенения также сильно различаются. Выделяющиеся при нагревании летучие вещества воспламеняются в объеме окружающего воздуха, при этом в низкоконцентрированном потоке воздуха больше, чем необходимо для сгорания летучих, поэтому летучие горят при повышенных избытках воздуха, в результате в зоне воспламенения развивается высокая температура, происходят скачок температур и эстафетная передача фронта горения навстречу потоку из горелки.
Для анализа воспламенения высококонцентрированного потока пыли автор разработки предлагает рассмотреть представленную на рисунке 5.17 схему его движения на выходе из горелки. Здесь же (рис. 5.17 а) для сравнения представлена типовая схема организации горения низкоконцентрированного потока аэросмеси, вытекающего из круглой прямоточной горелки.
На тонкий, конусообразный, переходящий в цилиндрический слой высококонцентрированной пыли действуют внешнее тепло излучения из топки Qn («слабое») и конвективное («сильное») тепло рециркуляции горячих топочных газов изнутри этого цилиндра. Топочные газы, перемешиваясь за рассекателем с эжектирующей их аэросмесью, снижают содержание кислорода в транспортирующем концентрированную смесь и без того небольшом количестве воздуха. Поэтому летучие составляющие топлива, выделяясь во внутреннюю полость «цилиндра», горят в условиях практического отсутствия кислорода, и скорость процесса горения ограничена скоростью молекулярного и турбулентного массообмена с потоком горячего воздуха горелки.
Процесс горения оказывается растянутым по глубине топки, но к моменту полного его завершения все частицы топлива проходят мощную и длительную тепловую обработку и, по мнению некоторых исследователей, однажды загоревшись, сгорают до конца. Этим автор объясняет улучшение выжига топлива при сжигании высококонцентрированной пыли. С другой стороны, воспламенение летучих и начало горения в условиях глубокого недостатки кислорода приводит к снижению эмиссии NOx.
По мнению Бондарева А.М. при сравнении процессов могут возникнуть определенные сомнения, связанные с тем, что в обычной горелке, в которой воспламенение носит скачкообразный характер с развитием высоких температур, недожог получается выше, чем при сжигании высококонцентрированного потока. Он ссылается на исследования причин механического недожога, в которых дается указание на наличие в нем не только недогоревших крупных частиц но и мелких. Это обстоятельство подтверждает мысль о выносе невоспламенившихся частиц пыли (преимущественно мелких) в слабо запыленных объемах «холодного» воздуха, который частицы пыли не в состоянии «догореть» из-за их разреженности. А чем мельче частица, тем ее температура ближе к температуре окружающей ее диатермичной среды (воздуха), поэтому она не может вспыхнуть и сгореть.
Рис.5.17. Сравнение моделей организации сжигания угольной пыли в низко – (а) и высококонцентрированном (б) потоке аэросмеси: 1 – аэросмесь; 2 – воздух для горения; 3 – фронт воспламенения аэросмеси; 4 – рассекатель; Qn – лучистое тепло топки; Qрец – тепло рециркулирующих газов; е – смещение осей
Применение технологии сжигания высококонцентрированной пыли на Томь-Усинской ГРЭС позволило на котле мощностью 100 МВт с жидким шлако-удалением снизить выбросы NOx до 400–450 мг/м3.
Таким образом, технология сжигания высококонцентрированной пыли выгодно отличается тем, что снижение эмиссии NOx происходит без ухудшения экономичности, что характерно для обычных схем с низкоконцентрированным потоком аэросмеси. Кроме того, поскольку изменения условий горения в топке касаются, в основном, горелочных устройств, то стоимость реконструкции процесса сжигания с целью снижения выбросов оксидов азота по сравнению с типовыми решениями оказывается гораздо ниже, иногда даже более, чем на порядок. Поэтому техническое перевооружение в целях снижения выбросов NОx должно начинаться с перевода подачи пыли обычной концентрации на систему подачи пыли высокой концентрации (ПВК). В этом случае можно осуществить технологию сжигания твердого топлива в высококонцентрированном потоке со всеми преимуществами, которыми эта технология обладает.
Кроме того, переход на сжигание высококонцентрированной пыли значительно уменьшает риск шлакования топочной камеры, так как количество движения струи первичной аэросмеси резко уменьшается. Так, например, при скорости аэросмеси 12 и 30 м/с при подаче высококонцентрированной (к = 20 кг пыли/кг воздуха) и обычной (к = 0,5 кг/кг) пыли, соответственно, и при одинаковой подаче пыли, например 1 кг, массы струй концентрированной и обычной первичной аэросмеси на выходе из горелки будут соответственно равны – 1,05 (1 + 1/20=1,05) и З кг. Количество движения струи, определяемое как произведение массы на скорость (mV), будет соответственно равно 12,6 и 90 кг м/с. То есть количество движения (ударная сила) обычного низкоконцентрйрованного потока аэросмеси в 7 раз больше, чем высококонцентрированного. Поэтому переход на сжигание высококонцентрированной пыли уменьшает дальнобойность факела и вероятность наброса полурасплавленного конгломерата недогоревшей пыли с золой на стены топки, т.е. образования глыб шлака в ее нижней части и зоне горения.
Помимо этой общей тенденции шлакования оно может наблюдаться и по другим причинам при нормативных теплонапряжениях объема и сечения топки. Одной из таких причин может быть несоответствие горелочных устройств сжигаемому топливу. Смена марки топлива, часто наблюдаемая в последнее время, – тому причина. Так, например, при замене низкореакционного угля высокореакционным свойства топочных устройств, обеспечивавших хорошее воспламенение и полное сгорание низкореакционного угля, для высокореакционного оказываются избыточными. Подобный факт имел место на Томь-Усинской ГРЭС при переходе с угля марки СС на уголь марок Г и Д в 1975 г. Приближение зоны воспламенения к устью горелок не только привело к обгоранию последних и усилению шлакования топок с твердым шлакоудалением, но и усложнило работу пылепроводов в связи с участившимся их сгоранием. Переход на транспортирование пыли слабоподогретым воздухом и реконструкция горелок несколько улучшили положение. Но кардинально проблема шлакования была решена только после перехода на транспортирование пыли с высокой концентрацией. С этого момента исчезли горы шлака из зольного отделения – результат падения и зависания глыб в шлаковом комоде котла. В дальнейшем с изменением конструкции горелок, в особенности – с применением горелок для сжигания высококонцентрированной пыли, бесшлаковочный режим был закреплен для всей гаммы углей марок Г и Д, в том числе окисленных 1 и 2 групп, их шламов и промежуточных продуктов коксующихся углей.
Первоначально разработанная для улучшения регулируемости топочного процесса, повышения экономичности производства система подачи пыли с высокой концентрацией под давлением оказалась чрезвычайно эффективной для подавления образования оксидов азота режимными факторами, без снижения экономичности котла. Она позволяет повысить бесшлаковочный порог мощности топочной камеры, благоприятно отразилась на общей культуре производства как при ремонте, так и в ходе эксплуатации.
Поэтому, заключает автор статьи /13/, можно уверенно сказать (и более чем 20-летний опыт работы это подтверждает), что внедрение системы ППВК, а с ней и горелок для сжигания высококонцентрированной пыли, перспективно для каждой электростанции.
Однако горелочные устройства, защищённые авторским свидетельством на изобретение /12,13/ и внедренные на котлах Томь-Усинской ГРЭС с применением пыли высокой концентрации, несмотря на их явные преимущества по сравнению с горелками с низкой концентрацией угольной пыли имеют целый ряд недостатков.
Во первых, конструкция горелки по указанному изобретению предусматривает исключение перемешивания концентрированной первичной аэросмеси с основным потоком воздуха на стадии прогрева пыли. В этой горелке пылепровод ПВКд, вводящий концентрированную пыль в горелку, заканчивается пылевыдающим патрубком, основным элементом которого является рассекатель и обтекатель. В свою очередь, обтекатель выполнен в виде полусферы или усеченного конуса с цилиндрическими насадками малого и большого диаметров в вершине и основании. Он создает защиту от перемешивания конусообразного потока пыли, обтекающего рассекатель, с основным потоком воздуха и создает своеобразную аэродинамическую тень, за которой возникает интенсивный поток рециркуляции горячих топочных газов в полость обтекателя к рассекателю. При этом на всем протяжении от выхода из конусного зазора и движения аэросмеси вдоль внутренних стенок конуса, а затем движение вдоль внутри цилиндрических стенок обтекателя и выхода из него, происходит интенсивный ее теплообмен с рециркулирующими топочными газами, которые прогревают концентрированный поток аэросмеси со стороны оси к краям обтекателя. При прогреве в полости происходит выделение летучих и их горение при глубоком, недостатке кислорода, что снижает выбросы NOx, Для исключения отложений пыли на нижней горизонтальной образующей цилиндра за рассекателем, вследствие падения скоростей в конусном зазоре при обтекании рассекателя пылевыдающий патрубок своим малым цилиндром подсоединен к пылепроводу ПВКд с зазором для возможности прохода через него части вторичного воздуха, который создает вокруг концентрированной струи, выходящей из пылепровода ПВКд, спутный поток и подпор среды перед рассекателем, увеличивая скорость в конусном зазоре, что исключает отложения пыли и сгорание горелки.
Недостатком существующих горелок, установленных на котлах Томь-Усинской ГРЭС является необходимость подачи определенного количества спутного потока – вторичного воздуха в обтекатель, который понижает исходную концентрацию пыли в 2–5 раз. При низких концентрациях это приводит к раннему загоранию и сгоранию обтекателя, особенно при наличии неравномерности потока пыли по окружности. С другой стороны преобразование потока концентрированной аэросмеси из компактного стержневого в цилиндрический затруднено без подпора спутным потоком из-за падения скорости в расширяющемся сечения зазора между обтекателем и рассекателем и отложений пыли на цилиндрическом участке нижней кромки обтекателя. Кроме того, падение скорости в указанном зазоре умешивает подсос горячих газов из топки в полость обтекателя и подогрев концентрированной аэросмеси.
В связи с вышеизложенным горелочные устройства с применением пыли высокой концентрации, установленные на Томь-Усинской ГРЭС были Бондаревым А.М.усовершенствованы /14/.
Задача этой реконструкции горелок:
1.Не допустить большого снижения концентрации исходной конценгрированной аэросмеси при преобразовании потока из стержневого в цилиндрический в пылевыдающем патрубке.
2.Повысить эжекционную способность струй концентрированной аэросмеси и воздуха, поступаемого в полость пылевыдающего патрубка, при этом оставляя концентрацию аэросмеси на достаточно высоком' уровне, не способную гореть с образованием высоких температур, что обеспечивает снижение NОх.
3. Увеличить температуру подогрева концентрированной аэросмеси в пылевыдающем патрубке, не допуская, однако, локального или полного перегрева выходных цилиндрических кромок обтекателя, ведущих к полному его сгоранию и дезорганизации процесса, направленного на снижение образование оксидов азота.
Решение указанной задачи позволяет повысить надежность работа горелки с низкой эмиссией NOx.
Эта задача решается следующими путями:
– меньшением или полной ликвидацией спутного потока горячего воздуха, поступаемого в зазор перед рассекателем;
организацией подачи этого потока за рассекателем для подхвата и ускорения концентрированной аэросмеси, прошедшей конусный зазор, потерявшей энергию и скорость за рассекателем и неспособную создать достаточную эжекцию горячих газов к рассекателю из-за маломощности самого потока и низкого потенциала его скорости.
Схема усовершенствованной горелки представлена на рис. 5.18.
На рисунке.5.18. показана горелка с отсутствием спутного потока перед рассекателем и организацией подачи воздуха от постороннего источника в аналогичные каналы. При этом в обоих случаях длина цилиндрического участка обтекателя увеличена.
Рис.5.18. Усовершенствованная горелка для сжигания высококонцентрированной пыли: 1 – рассекатель; 2 – цилиндрическая часть обтекателя; 3 – конус; 4 – труба обтекателя; 5 – пылепровод ПВКд; 6 – конусный зазор; 7 – кольцевой сегментный зазор;
8 – полый туннель; 9 – кольцевой канал
Пылевыдающий патрубок горелки для сжигания концентрированной аэросмеси ПВКд, состоящий из рассекателя 1 и обтекателя, составленного из цилиндра 2, конуса 3 и трубы 4, к которой с зазором или без него примыкает пылепровод 5 концентрированной аэросмеси ПВКд, Конусный зазор 6 образован совмещением рассекателя 1 и конуса 3 обтекателя. Каналы 7 выполнены в виде прерывистого сегментного зазора по кольцу между конусом 3 и удлиненным на входе цилиндром 2 обтекателя или иным способом. Полость 8 образована цилиндром 2, конусом 3 и рассекателем 1 открыта в сторону топки и представляет собой туннель длиной от рассекателя до конца цилиндра 2. Кольцевой канал 9 образован размером' (эквивалентным диаметром) амбразуры, горелки и удлиненным цилиндром обтекателя 2. Входной зазор 10 уменьшен против прототипа или отсутствует полностью. Горелка для концентрированной пыли работает следующим образом: высококонцентрированная аэросмесь от пылепитателя по пылепроводу подачи пыли высокой концентрации (под давлением) – ПВКд поступает в пылевыдающий патрубок горелки, образованный грубой 4, конусом 3 и цилиндром 2. В конце трубы 4 стержневой поток азросмеси рассекателем I через, конусный зазор 6 преобразуется в конусный, двигающийся параллельно расширяющимся стенкам конуса 3, а затем параллельно стенкам цилиндра 2 обтекателя. На переходе конуса 3 к цилиндру 2 поток аэросмеси подхватывается струями горячего воздуха, поступаемого через каналы 7 в полость 8 вдоль стенок цилиндра 2, Концентрированная аэросмесь после каналов 7 приобретает дополнительное ускорение и выталкивается вдоль стены цилиндра 2 в топку. Поступающий через входной зазор 10 на входе в грубу 4 пылевыдающего патрубка перед рассекателем воздух движется параллельно концентрированной аэросмеси спугным потоком и восполняет недостаток азросмеси в расширяющемся сечении конусного зазора 6, сохраняя или несколько даже увеличивая скорость концентрированной аэросмеси.
При этом исходная концентрация аэросмеси уменьшается, Однако, количество спутного потока, через вводной зазор 10 уменьшено поэтому концентрация аэросмеси за рассекателем 1 увеличена против концентрации, характерной для ранее установленных штатных горелок
Благодаря эжектирующей способности выходящего из конусного канала 6, а затем ускоряющуюся после каналов 7 потока аэросмеси к. нему подмешиваются горячие инертные газы из топки, в результате чего по мере перемешивания происходит подогрев концентрированней аэросмеси, выделение летучих в слоях, прогревшихся от центра к периферии, и их сгорание при глубоком недостатке кислорода. При этом наружные слои азросмеси непосредственно контактирующие со стенками обтекателе «холоднее» внутренних слоев и от стенок обтекателя 2,3 к центру полости 8 температура увеличивается от 80–200°С до 1200°С.
На всем протяжении горения летучих в полости 8 это горение протекает при глубоком недостатке воздуха, в результате чего образование оксидов азота резко снижается.
К моменту выхода концентрированного потока из полости пылевыдающего патрубка за цилиндром 2 большая часть летучих сгорела при недостатке кислорода, температура потока аэросмеси увеличена и полное воспламенение аэросмеси начинается на расстоянии 0,2–0,5 м от амбразуры горелки при сжигании углей марки «Г» и «Д». Горение таким образом предварительно подогретой пыли происходит без скачка температуры и также снижает образование NOx.
Необходимо отметить, что переток воздуха через каналы 7 внутрь полости 8 зависит от перепада давления воздуха «горелка – топка», которое в свою очередь зависит, в основном, от нагрузки котла и работы пылесистем.
От этого же зависит и весовое количество пыли поступаемой в горелку. Однако последнее еще зависит от зольности топлива, его калорийности и реакционности. Поэтому при изменении качества топлива нагрев концентрированной аэросмеси в полости 8 пылевыдающего патрубка горелки может колебаться в довольно сильных пределах, что снижает надежность работы горелки. Поэтому представленная горелка при использовании на различных углях может отличаться величиной зазоров 10,6 и каналов 7, оставаясь в целом принципиально неизменной. Величина полости 8 при этом определяется отношением диаметра цилиндра 2 обтекателя к его длине в пределах 0,2–1,0. Угол раскрытия рассекателя I, определяющий раскрытие конуса обтекателя 3, находится в диапазоне величин 60–120 градусов.
Рис.5.19. Малотоксичная горелка СФУ – СибКОТЭС – ТУ ГРЭС: 1 – корпус горелки; 2 – пылепровод ПВК; 3 – рассекатель; 4 – обтекатель;5 – вторичный воздух; 6 – воздух высокого давления от системы ПВК; 7 – воздушный коллектор; 8 – амбразура горелки; 9 – завихрители
В настоящее время продолжаются работы по совершенствованию горелочных устройств с применение термической подготовки углей Конструкция горелки была усовершенствована и на неё получен патент на изобретение /15/ (рис.5.19). Поскольку давление вторичного воздуха для горелки очень мало и составляет около 20 мм водяного столба нами предложено организовать дополнительную эжекцию пылевого потока за счет подачи воздуха высокого давления от системы ПВКд. При этом авторами патента изменена форма обтекателя, которая была выполнена более плавной.