Этапы развития топочных технологий сжигания углей на тепловых электростанциях

Факельный метод сжигания твердых топлив является наиболее предпочтительным для крупной энергетики. Исследования, проведенные в ВТИ еще в 30-е годы прошлого века, показали, что сжигание пылевидного топлива в камерных топках по сравнению с его сжиганием в слоевых механических топках обусловливает высокую экономичность процесса горения при минимальных избытках воздуха и потерях от химической и механической неполноты сгорания [1]. В послевоенные годы, когда быстрыми темпами началось увеличение единичных мощностей энергоблоков, в ВТИ развернулись работы по повышению надежности и эффективности топочных устройств с факельным сжиганием. Усилия специалистов в области горения были направлены на исследование возможностей интенсификации процессов воспламенения и горения органического топлива, а также на создание, освоение и совершенствование топочных устройств с уменьшенными габаритами. Достижение этой цели позволило бы снизить высоту котла, а значит уменьшить расходы на сооружение и ремонт не только собственно котла, но и главного корпуса электростанции.

В СССР, США, ФРГ в 50 – 70 годы прошлого столетия начали все чаще применять высокофорсированные циклонные предтопки, которые по сравнению с обычными пылеугольными установками обеспечивали экономию до 15 % площади и до 20 % объема. Первый промышленный котел с горизонтальным циклоном начал работать еще в 1944 г. в США. Сотрудниками ВТИ под руководством Ю. Л. Маршака был разработан и в 1951 внедрен на Закамской ТЭЦ котел с вертикальным циклонным предтопком. Котлы с такими предтопками в течение длительного времени работали на Мироновской и Ангренской ГРЭС.

При создании первых промышленных котлов с циклонными предтопками предполагалось, что они будут универсальными, т.е. не чувствительными к изменению характеристик сжигаемого топлива. Ожидалось также, что высокое шлакоулавливание в циклонной камере уменьшит опасность шлакования и загрязнения конвективных поверхностей и позволит снизить выбросы золы в атмосферу. Возможность отключения части циклонов позволяла ожидать глубокого регулирования нагрузки таких котлов. Но главным достижением считалось уменьшение габаритов и повышение КПД котлов как вследствие сокращения расхода электроэнергии на приготовление топлива, так и снижения коэффициента избытка воздуха на выходе из топки.

Все это побудило не только ведущие отраслевые институты (ВТИ, ЦКТИ, МоЦКТИ, ЭНИН, КазНИИЭ), но и многочисленные кафедры учебных институтов (ЛПИ, УПИ, КПИ) развернуть интенсивные исследования процесса горения в котлах с циклонными топочными камерами. Тем более, что упорядоченная аэродинамика циклонных камер открывала большие возможности для аналитических и экспериментальных исследований в этой сравнительно новой и казалось перспективной области энергетики. Так, например, в Красноярском политехническом институте под руководством И. С. Деринга был создан уникальный полупромышленный огневой стенд для проведения исследований по сжиганию канско-ачинских углей в циклонной топочной камере.

По мнению М. А. Наджарова, одного из активнейших участников этих исследований, сложилась несколько парадоксальная ситуация к концу 70-х годов прошлого века. Несмотря на совершенно незначительное по сравнению с США и ФРГ промышленное применение энергетических циклонных топок на отечественных электростанциях, советские научные работы по исследованию структуры циклонного и вихревого процессов сжигания твердого топлива на моделях и стендах, широко освещенные в технической периодической печати, монографиях и диссертационных работах, оставили далеко позади себя как по количеству, так и по качеству известные нам зарубежные публикации по этому вопросу.

Имеется несколько причин, которые сначала затормозили широкое внедрение циклонных предтопков в энергетике, а позже заставили вообще отказаться от их применения. Это, во-первых, сложность изготовления и монтажа циклонных предтопков, а также более высокая трудоемкость при проведении ремонтно-восстановительных работ. Во-вторых, высокие требования, предъявляемые к квалификации обслуживающего персонала, ввиду повышенной сложности котлов с циклонными предтопками.

Вместе с тем опыт эксплуатации котлов с циклонными предтопками не подтвердил надежд на их универсальность относительно сжигаемого топлива. Полнота тепловыделения в циклонах составляла только 0,85 – 0,9, в результате чего максимальная температура в них оказалась ниже расчетной. Наблюдались также случаи зашлаковки леток циклонов, что приводило к вынужденным остановкам котла, так как расшлаковка циклонных леток на ходу невозможна. Из-за высокого давления на периферии циклонных камер (7 – 8 кПа) ужесточались требования к герметичности их обшивки. Сложной проблемой оказалось обеспечение плотности в месте присоединения циклонов к камере охлаждения.

Опыт эксплуатации различных топочных устройств показал, что в отношении универсальности и маневренности циклонные топки не превосходят обычные пылеугольные. При этом циклонные топки всех типов заметно превосходят однокамерные пылеугольные по своей стоимости, трудозатратам на изготовление, монтаж и ремонт.

В связи с этим энергетики отказались от широкого внедрения котлов с циклонными предтопками в энергетике, но было продолжено стремление к интенсификации топочного процесса с целью снижения габаритов топочной камеры и повышения степени унификации топочных устройств. Для решения этой проблемы на новом этапе специалисты пошли по пути создания оригинальных однокамерных топочных устройств, которые были призваны сохранить некоторые преимущества циклонного принципа сжигания, но позволяли избавиться от сложных циклонных предтопков. В 60 – 70-е годы большую известность получили: топка МЭИ с пересекающимися струями, топка ВТИ со встречно-наклонным расположением прямоточных горелок (гамма-топка), вихревая топка ЦКТИ и топка с низкотемпературным вихрем ЛПИ. В начале 80-х годов были развернуты работы по исследованию кольцевой топки Сибтехэнерго, прямоточно-вихревой топки МЭИ и топок некоторых других конструкций [5].

В настоящее время накоплен большой объем лабораторных и полупромышленных исследований, связанных с разработкой конструкций перечисленных топочных устройств. Некоторые из них были внедрены путем реконструкции действующих котлов (топка МЭИ с пересекающимися струями, гамма-топка ВТИ, первая топка ЛПИ с НТВ), другие были сооружены на котлостроительных заводах (котел ТПЕ-427 с вихревой топкой ЦКТИ, котел БКЗ-420-140 с низкотемпературным вихрем ЛПИ, котел Е-820-13,8 с кольцевой топкой).

Опыт наладки и эксплуатации перечисленных котлов свидетельствует о том, что предложенные новые технологии и схемы топочных устройств обладают некоторыми преимуществами перед традиционными для пылеугольных топок с факельным методом сжигания. Почти все они позволяют несколько снизить габариты топочных камер благодаря раннему воспламенению и форсированному выгоранию угольной пыли. Некоторые конструкции топок способствуют снижению интенсивности шлакования топочных экранов и уменьшению загрязнения конвективных поверхностей нагрева. Все это способствует повышению бесшлаковочной мощности котлов, а также позволяет избавиться от сложных систем очистки поверхностей нагрева.

И все же новые технологии факельного сжигания не получили пока широкого распространения в энергетике. Несмотря на большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ оказалось, что новые топочные устройства имеют существенные недостатки. Например, все вихревые топки с форсированным сжиганием требуют сложной подготовки топлива, а при сжигании высоковлажных бурых углей – разомкнутой системы пылеприготовления. При этом возникают трудные инженерные задачи, связанные с обеспечением взрывобезопасности пылесистем и с очисткой от мельчайшей угольной пыли сушильного агента, выбрасываемого в атмосферу [2].

Эти проблемы можно решить путем применения топок с низкотемпературным вихрем на дробленке [3, 4, 5] однако при этом возникают новые трудности. Резкое уменьшение реагирующей поверхности при переходе от угольной пыли к дробленке не позволяет за короткое время дожечь до приемлемого уровня даже высокореакционные бурые угли. Все проверенные в промышленности топки с низкотемпературным вихрем вынужденно работают с повышенным избытком воздуха, что влечет за собой потери тепла с механической неполнотой сгорания, в несколько раз превышающие аналогичный показатель для обычных пылеугольных топок. В последние годы Политехэнерго начал внедрение модернизированной НТВ технологии ЛПИ под названием «ВИР технология» [6-8].

Но все же главной причиной, повлиявшей на снижение интереса к новым технологиям сжигания, разработанным в 60 – 70-е годы, были экологические требования к топливосжигающим устройствам, которые в законодательном порядке были приняты во всех промышленно развитых странах[9]. Необходимость существенно снизить выбросы токсичных оксидов азота NO_x (NO+NO₂) заставила изменить подходы к разработке новых технологий, причем в некоторых случаях оказалось, что именно те мероприятия, которые снижали образование NO_x, не способствовали повышению экономичности работы котлов

Подтверждением этому может служить неудачный опыт перевода котлов ПК-38 Назаровской ГРЭС на жидкое шлакоудаление.

Наиболее перспективной разработкой является кольцевая топочная камера, предложенная Ф. А. Серантом [10 и др.]. В 90-е годы прошлого века по рекомендациям Госкомитета по науке и технике было принято решение о создании опытно-промышленного котла с кольцевой топкой паропроизводительностью 820 т/ч, работающего на канско-ачинских углях. В 2001 году. Данный котел был спроектирован и изготовлен Барнаульским котельным заводом и установлен по проекту Иркутского отделения института ВНИПИЭнергопром на Ново-Иркутской ТЭЦ в ячейку существующего котла 500 т/ч.

Использование кольцевой топки позволяет:

– снизить высоту котла на 30…40 %,

– снизить шлакование топки и загрязнение поверхностей нагрева;

– уменьшить концентрацию оксидов азота до уровня 350 мг/м.³

– уменьшить вес, а, следовательно, стоимость поверхностей
нагрева до 20%;

– повысить надежность работы экранных панелей топки за счет более высокой равномерности их тепловосприятия по её периметру;

– облегчить решение строительных и опорно-подвесных конструкций котла.

В 2001 году научно-технический совет РАО «ЕЭС России» рекомендовал котлы с кольцевой топкой к промышленному внедрению. В настоящее время разрабатываетс рабочий проект на монтаж котла с кольцевой топкой для Новосибирской ТЭЦ-6.

Для разрешения проблем в энергетике необходимо обязательное соблюдение баланса в системе: экология – экономика при мощном экономическом потенциале. Cоздать этот потенциал возможно только в процессе и в результате интенсивного развития энергетического производства.

При этом очень важно, чтобы развитие технологий сжигания углей обеспечивало осуществление ключевых стратегических ориентиров государственной энергетической политики: энергетической эффективности и экологической безопасности в соответствии с «Энергетической стратегией России до 2020 года» [11].