Технология сжигания твёрдого топлива в высокотемпературном циркулирующем кипящем слое (ВЦКС)

Как известно, основной парк паровых и водогрейных котлов в промышленной и отопительной энергетике, работающих на твёрдом топливе, составляют в основном котлы, изготовленные в 70 – 80 гг. прошлого века и предназначенные для сжигания качественных углей на слоевых колосниковых решётках различных конструкций.

Качество поступающих углей продолжает неуклонно снижаться, что не позволяет эффективно сжигать их в топках существующих котлов. Единственной на сегодня технологией, которая позволяет эффективно сжигать низкосортное твёрдое топливо, является технология т.н. кипящего слоя, когда частицы угля находятся во взвешенном состоянии, что обеспечивает их быстрое и полное сгорание. Однако котлостроительная промышленность стран СНГ котлов с топками кипящего слоя серийно не производит. Котлы европейского производства для сжигания низкосортного топлива (в частности, котлы с «классическим» низкотемпературным кипящем слоем) имеют, как правило, очень жесткие ограничения по фракционному составу угля, требуют использования значительного количества инертного материала для образования кипящего слоя, пусковых горелок на газе или жидком топливе, мощных высоконапорных вентиляторов, крупногабаритных «горячих циклонов» для осаждения циркулирующего материала и, как следствие, влекут за собой значительные капитальные и эксплуатационные затраты.

Технология сжигания низкосортных и/или мелкофракционных углей в паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности (до 35 МВт) в высокотемпературном циркулирующем кипящем слое сводит к разумному минимуму объём комплектации оборудованием и стоимость работ, сохраняя при этом все преимущества «классического» кипящего слоя: способность сжигать практически любые марки углей, включая отсевы и штыбы; низкий уровень вредных выбросов; значительно более высокий КПД в сравнении с фактическим КПД слоевых котлов на аналогичном топливе; высокая маневренность (30-100% от номинальной производительности).

Технология ВЦКС является современным аналогом технологии Ignifluid, разработанной в 50-60 гг. XX века для сжигания отсевов и штыбов и полностью адаптирована к конструктивным особенностям котлов как советского, так и российского производства и типовых котельных советских времён.

Кроме того, технология ВЦКС по сравнению с «классическим» низкотемпературным кипящим слоем (НТКС) обладает рядом дополнительных преимуществ, особенно при реконструкции действующих котельных, мало пригодных для установки габаритного оборудования – дополнительных систем подачи и удаления из топки инерта (песка) и не всегда имеющих возможность использовать газ или мазут для растопки котлов.

К этим дополнительным преимуществам ВЦКС следует отнести следующие факторы:

• для образования кипящего слоя не требуется специального инертного материала, слой формируется из частиц угля, кокса и золы;
• отсутствие инертной засыпки позволяет существенно снизить рабочую высоту слоя, поэтому не требуется применения высоконапорного вентилятора;
• вместо характерной для «классического» кипящего слоя неподвижной воздухораспределительной решётки используется подвижная наклонная решётка-транспортёр, собираемая из стандартных колосников, одной из функций которой является транспортировка шлака в канал шлако-золоудаления (ШЗУ);
• большая часть золы топлива выгружается с решетки вместе со шлаком благодаря эффекту агломерации золы в ВЦКС (т.н. эффект Годеля), что резко снижает вероятность зашлаковывания поверхностей нагрева котла и снижает нагрузку на золоулавливающее оборудование, т.е. обеспечивает резкое снижение твёрдых выбросов в атмосферу;
• предварительного разогрева слоя не требуется, розжиг котла ВЦКС мощностью до 35 МВт может осуществляться без применения пусковых газо-мазутных горелок и резервного топлива, т.е. аналогично розжигу обычного слоевого котла – от костра;
• циркуляция материала слоя обеспечивается без применения крупногабаритных «горячих циклонов» с водяным охлаждением;
• ограничения по фракционному составу топлива не столь высоки, допускаются наличие кусков до 30 мм;
• в зависимости от компоновки котла решётка ВЦКС может устанавливаться под котлом как с наклоном в сторону фронтового экрана (прямой ход колосникового полотна), так и с наклоном в сторону заднего экрана (обратный ход полотна);
• эксплуатация и обслуживание топок ВЦКС в целом не слишком отличается от эксплуатации и обслуживания обычных слоевых топок, что способствует быстрому освоению новой технологии персоналом котельной.

При реконструкции котла на ВЦКС возможно повышение его номинальной нагрузки на 20-40% в зависимости от вида и качества сжигаемого топлива. КПД котла после реконструкции на ВЦКС повышается, как правило, на 10-15% (до 85-87%) и более по сравнению с фактическим КПД котла до реконструкции, а уровень вредных выбросов снижается, как минимум, 1,5 - 2 раза.

Патентодержателем данной технологии является компания «Петрокотёл» (г. Санкт-Петербург, патент РФ № 15772 UI). За более чем 15 лет своей работы компания «Петрокотёл» произвела реконструкцию более чем 50 единиц котлов с переводом их на технологию ВЦКС на территории РФ и Казахстана. «Энергополис» является представителем компании «Петрокотёл» в Украине и предлагает указанную технологию как для реконструкции действующих котлов, так и для нового строительства производственно-отопительных котельных на твёрдом топливе.

Схематичный чертёж котла ДКВр с топкой ВЦКС

ОСОБЕННОСТИ РЕКОНСТРУКЦИИ СЛОЕВЫХ КОТЛОВ НА ВЦКС

Предлагаемые компанией «Энергополис» варианты реконструкции котлов с применением технологии ВЦКС базируются на результатах сравнительного анализа данных, полученных при эксплуатации и испытаниях котлов с топочными устройствами ВЦКС и аналогичных котлов с серийными слоевыми топками. Результаты этого анализа показывают, что в реальных условиях сжигания низкосортных видов угля работа котлов типа КЕ, ДКВр, КВТС со слоевыми топками серийного заводского исполнения характеризуется рядом существенных недостатков:

• нестабильное горение, низкий КПД и пониженная производительность;
• повышенный унос несгоревших частиц топлива в конвективный пучок и далее в хвостовые поверхности нагрева;
• частые перебои в подаче топлива вследствие неудовлетворительной работы серийных пневмо-механических забрасывателей;
• низкая эксплуатационная надёжность элементов и узлов слоевых топок;
• практически полная неработоспособность штатных систем возврата уноса;
• высокий уровень газообразных и твёрдых выбросов.

Практика показывает, что поскольку слоевые котлы указанных типов создавались в расчёте на сжигание рядовых каменных углей достаточно высокого качества с ограничением по содержанию мелких фракций до 50-60%, наладить их стабильную работу на нерасчётных мелкофракционных углях с приемлемым КПД практически невозможно. Предлагаемые технические решения на базе технологии ВЦКС позволяют практически полностью устранить указанные недостатки и добиться высоких показателей работы котла при минимальном объёме реконструкции.

Слева: Котел КЕ с решеткой ВЦКС Внизу: Устройство решетки ВЦКС

Принципиальными особенностями реконструированной на ВЦКС котельной установки является:

1. Демонтаж существующей штатной слоевой топки, штатных ПМЗ (пневмомеханических забрасывателей) и устройств возврата уноса.
2. Изготовление и установка под котлом решётки ВЦКС на собственных опорах.
3. Оснащение решётки существующим или новым приводом типа ПТБ-1200М.
4. Установка в топочной камере котла дополнительных поверхностей нагрева и переоборудование существующих экранов.
5. Изготовление и установка одиночного узла заброса топлива (разгонного короба).
6. Изготовление и установка специализированного шнекового питателя (допускается сохранение штатного пластинчатого питателя от ПМЗ).
7. Замена дутьевого вентилятора (для подачи первичного воздуха возможно сохранение существующего вентилятора при условии замены электродвигателя).
8. Установка вентилятора вторичного воздуха.
9. Реконструкция существующих воздушных трактов. Изготовление и установка новых элементов воздушных трактов (воздуховоды, коллектор первичного воздуха, боковые коллекторы вторичного воздуха, патрубки, шибера).
10. Изготовление и установка новых устройств системы возврата уноса (эжекторы, нагнетательные трубы).
11. Установка вентилятора возврата уноса (на паровых котлах возможна организация возврата уноса паровыми эжекторами от магистрали собственных нужд)
12. Изготовление и установка тракта рециркуляции дымовых газов в топку (от выхлопа дымососа на всас вентилятора первичного воздуха).
13. Переоборудование части существующих устройств шлакозолоудаления для работы с новым топочным устройством (если требуется).
14. Восстановление обмуровки и изоляции котла.
15. Оснащение котла дополнительными КИП и устройствами дистанционного управления приводами решетки, питателя, шиберов зонного дутья и ТДМ.

Конвективная часть котла, а также штатные хвостовые поверхности нагрева (водяной экономайзер и воздухоподогреватель) реконструкции, как правило, не подвергаются.