Принцип технологии вихревого низкотемпературного сжигания

Под руководством В.В. Померанцева в Ленинградском политехническом институте в конце 60-х годов ХХ столетия были заложены основы низкотемпературного вихревого сжигания углей (НТВ-технология).

Изначально эта технология предназначалась для сжигания низкосортных бурых углей и отходов производства. Несколько позже стало ясно, что она будет очень перспективной для решения не только экономических, но и экологических задач.

НТВ-технология основана на аэродинамических приёмах организации потоков в топке с перемещением больших масс грубоизмельченного топлива в нижнюю часть топки, а воздуха, необходимого для дожигания,-в верхнюю его часть. За счет создания двух зон горения–низкотемпературной вихревой в нижней части топки и более высокотемпературной в зоне догорания– происходит тщательное перемешивание топочных газов и, как следствие, выравнивание тепловых потоков.

Дело в том, что в традиционной технологии пылеугольного сжигания основная часть топлива сгорает в так называемой зоне активного горения, расположенной в зоне горелок и занимающей относительно небольшой объем средней части топки, так что её нижняя часть работает вхолостую.

Рис.3.1. Принципиальная схема организации низкотемпературного двухступенчатого вихревого топочного процесса

Идея вихревого сжигания как раз состоит в том, чтобы нижнюю часть топки вовлечь в активный топочный процесс, т.е. «растянуть» активную зону горения и в 2–3 раза увеличить объем топочного пространства.

Это дает возможность снизить максимальную температуру в вихревой топке на 100–300 градусов и за счет активной аэродинамики выровнять уровень температуры во всём объеме зоны активного горения, а это, в свою очередь, дает несколько плюсов.

Во-первых, в результате снижения температуры резко уменьшается образование оксидов азота. Во-вторых, низкий уровень температуры горения и многократная циркуляция частиц позволяют связать оксиды серы минеральной частью самого же топлива. Ввиду низкой температуры горения у вихревой топки практически нет проблем с загрязнением поверхностей нагрева.

Уже в 197о г. был пущен в эксплуатацию первый реконструированный по НТВ-технологии котёл для сжигания торфа на ГРЭС-8 «Ленэнерго». В 1982 г. на Усть-Илимской ТЭЦ впервые в мире заработал безмельничный котёл, изготовленный Барнаульским котельным заводом. После этого технология НТВ была признана Минэнерго СССР и ГКНТ СССР перспективной для обновления котельного оборудования электростанций. В 1987 году приказом Минэнерго СССР были начаты работы по созданию серии котлов с НТВ-топками для технического перевооружения устаревшего котельного оборудования тепловых электростанций Урала, Сибири и Дальнего Востока. Но после 1991 г. все работы по внедрению НТВ-технологии в России были прекращены и перенесены за границу. Внедрение НТВ-технологии в России возобновилось в конце 90-х гг.

Самый яркий пример – реконструкция Рязанской ГРЭС. Изначально эта станция строилась с расчетом на сжигание подмосковных бурых углей, но со временем из-за кризиса в угольной отрасли ГРЭС была вынуждена перейти на сжигание очень дешевых углей Канско-Ачинского бассейна. Канско-ачинские угли намного качественнее подмосковных углей, однако их энергетическое использование связано с огромнейшими трудностями, обусловленными шлакованием и загрязнением поверхностей нагрева котлов, в результате чего котлы не могут нести номинальную нагрузку и вынуждены останавливаться на ремонт, за счет чего резко снижается коэффициент использования установленной мощности ТЭС. Ситуацию на Рязанской ГРЭС при сжигании канско-ачинских углей, по сути, спасло внедрение НТВ-технологии.

И если в конце 90-х гг. низкотемпературной вихревой технологией интересовались больше за границей так как ученики В.В.Померанцева обновляли котлы в Эстонии, Болгарии, Китае, Индии, Чехии, даже две топки в США, то теперь, по словам Феликса Финкера, рост заказов на НТВ-технологию уже в России принял лавинообразный характер.

Основными недостатками НТВ топок В.В. Померанцева являлись повышенные потери тепла от выноса несгоревшего топлива и локальный эрозионный износ труб экранов холодной воронки.

Дальнейшим развитием НТВ-технологии является ВИР-технология (ВИР – это внедрение, инновация, реконструкция), рожденная в стенах предприятия «Политехэнерго», основанной на разработках Политехнического университета в Санкт-Петербурге и в первую очередь на работах, которыми руководил профессор В.В. Померанцев. Нынешние сотрудники «Политехэнерго» являются представителями и учениками его школы.

В отличие от традиционного (прямоточно-факельного) способа сжигания ВИР-технология основана на обратном приеме: увеличивается количество крупных, а не мелких фракций.

Система пылеприготовления значительно упрощается, а аэродинамика топочных потоков такова, что создает условия выгорания даже очень крупных частиц. При угрублении помола возрастает излучательная способность факела (непрерывный спектр излучения), повышается тепловая эффективность топочных экранов (с 0,22 до 0,55) и полностью прекращается шлакование. Улучшена маневренность котлов и повышена их нагрузка до номинала. Повышен К.П.Д. и снижен уровень эмиссии вредных выбросов – NO_x и SO₂.

Программа повышения надежности котельных установок, разработанная РАО «ЕЭС России», стала успешно выполняться. Идет обратная перемаркировка модернизированных котлов на Рязанской ГРЭС (2 блока), Назаровской ГРЭС (2 блока), Комиэнерго (7 котлов), Владивостокской ТЭЦ-2 (4 котла). Все эти работы были выполнены в кратчайший срок (2 года) и одобрены Научно-техническим Советом РАО «ЕЭС России». Технология защищена 8 патентами России, США, Польши, Англии, Испании и других стран.

Основой этой технологии является вихревая аэродинамика, создаваемая в обычной камерной топке наклоненным вниз горелочным потоком с фронта и потоком нижнего дутья, подаваемым снизу (через устье холодной воронки) в сторону горелок.

Образованная этими двумя встречно-смещенными потоками зона многократной циркуляции топливных частиц за счет увеличения времени их пребывания в зоне активного горения создает условия для подачи в топочную камеру топлива угрубленного помола или вообще без размола. Одной из основных особенностей данной схемы организации топочного процесса является выравнивание температурного поля топки с ликвидацией высокотемпературного ядра горения за счет интенсивного внутритопочного перемешивания газовых потоков, а также растягивания зоны горения с включением в работу всей поверхности нагрева холодной воронки. Таким образом решаются вопросы взрывобезопасности пылесистем при сжигании топлив с большим выходом летучих, снимаются вопросы шлакования топочных экранов и пароперегревателя при сжигании топлив с неблагоприятными характеристиками золы.

Более поздние исследования, выполненные ООО «Политехэнерго» на электростанциях Польши, Чехии и США (выполнена модернизация более 20 котлов), показали, что снижение скорости нижнего дутья в сочетании с организацией зоны дожигания в верхней части топки ликвидирует присущие НТВ-топкам недостатки. Это позволило разработать новую технологию сжигания (ВИР-технологию).

При ВИР-технологии сжигания перераспределение масс топлива в нижнюю часть топочной камеры осуществляется гравитационным и инерционным путем, а также за счет эжекционной способности потока нижнего дутья. Этому содействует установка нижних ярусов горелок с направлением их круто вниз, подача в них грубоизмельченного топлива и ограничение подачи воздуха (ниже стехиометрического значения). Верхние горелки работают в режиме дожигания с подачей в них топлива тонкого помола.

Кроме решения проблем повышения надежности работы оборудования, связанных с взрывобезопасностью и снижением затрат на пылеприготовление, а также с уменьшением шлакования топочных, полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева, ВИР-технология позволяет одновременно расширить диапазон эксплуатационных нагрузок, повысить экономичность и экологическую безопасность работы котельных установок.