Современные технологии подготовки и сжигания топлива

В. Р. ВЕДРУЧЕНКО
Е. С. ЛАЗАРЕВ







СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ И СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

Учебное пособие





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 662.61
ББК31.352
    В26


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры теплоэнергетики Омского государственного технического университета В. Д. Галдин;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики Омского государственного университета путей сообщения В. А. Николаев; кандидат технических наук, доцент кафедры автомобилей и энергетических установок Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета А. Л. Иванов





    Ведрученко, В. Р.
В26 Современные технологии подготовки и сжигания топлива : учебное

    пособие / В. Р. Ведрученко, Е. С. Лазарев. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 164 с. : ил., табл.

           ISBN978-5-9729-1116-5


    Рассмотрены современные и традиционные методы и технологии подготовки и сжигания разных видов топлива для котельных агрегатов в условиях различных топочных устройств. Наибольшее внимание уделено вопросам подготовки к сжиганию твердых видов топлива. Проанализированы особенности подготовки к сжиганию газообразного и жидкого видов топлива. Описаны технологии сжигания топлива в котельных малой и средней мощности как отечественной, так и зарубежной постройки.
    Для студентов, обучающихся по специальности «Теплоэнергетика и теплотехника». Может быть использовано для подготовки студентов других энергетических специальностей всех форм и видов обучения.


                                                      УДК662.61
                                                      ББК31.352









ISBN 978-5-9729-1116-5

     © Ведрученко В. Р., Лазарев Е. С., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................5

1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВА.........................8
1.1. Основные методы сжигания топлива..........................8
1.2. Классификация топочных устройств..........................9
1.3. Подготовка газообразного, жидкого и твердого топлива к сжиганию в камерных топках..................................16
1.3.1. Общие положения........................................16
1.3.2. Дробление твердого топлива.............................19
1.3.3. Свойства и характеристики угольной пыли................23
1.3.4. Закономерности размола топлива.........................29
1.4. Конструкция мельниц для размола угля.....................31
1.4.1. Системы приготовления пыли.............................41
1.4.2. Элементы систем приготовления пыли.....................48

2. ТОПОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ В КАМЕРНЫХ ТОПКАХ........................55
2.1. Основы теории горения....................................55
2.2. Воспламенение и распространение пламени..................60
2.3. Сжигание натуральных видов топлива.......................61
2.4. Общаяхарактеристикатопочныхустройств.................... 68
2.5. Топки для газообразного топлива..........................70
2.6. Топки для жидкого топлива................................73
2.7. Топки для пылевидного топлива............................77
2.8. Топки с жидким шлакоудалением............................83
2.9. Циклонные топки..........................................84
2.10. Технологии сжигания топлива в котельных агрегатах малой и средней мощности............................................88

3. ТОПКИ РОССИЙСКОГО ПРОИЗВОДСТВА И ТЕХНОЛОГИИ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА.................................94
3.1. Аэродинамическая схема топки МЭИ с пересекающимися струями.94
3.2. Опыт применения топки МЭИ с пересекающимися струями при сжигании мазута............................................94
3.3. Полуоткрытая топка ВТИ с встречно-наклонным расположением горелок (гамма-топка)..................................................95

3

3.4. Аэродинамическая топка ВТИ с встречно-наклонным расположением горелок.......................................97
3.5. Экологическая характеристика и перспективы использованиягамма-топки...................................100
3.6. Сжигание высоковлажных бурых углей в вихревой топке ЦКТИ.102
3.7. Низкотемпературная вихревая топка ЛПИ.................108
3.8. Работа низкотемпературной вихревой топки ЛПИ при сжигании бурых углей...................................109

4. СОВРЕМЕННЫЕ ТОПКИ ЗАРУБЕЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА..............116
4.1. Топка с вертикальным прямоточно-вихревым факелом......116
4.2. Двухкамерная топка фирмы «Babcock & Wilcox» (США).....118
4.3. Предтопок фирмы TRW (США)................................121

5. ТОПКИ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ И ТЕХНОЛОГИИ СЖИГАНИЯ РАЗНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА........................................125
5.1. Особенности и классификация топок с кипящим слоем.....125
5.2. Полупромышленные и энергетические котлы с обычным (стационарным) кипящим слоем...............................127
5.3. Топка кипящего слоя для сжигания сланцев..............131
5.4. Зарубежный опыт использования топок атмосферным кипящим слоем... 133
5.5. Топки с циркулирующим кипящим слоем...................142
5.6. Топки с кипящим слоем под давлением...................147
5.7. Горение твердого топлива в кипящем слое...............151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................159
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................161

4

        ПРЕДИСЛОВИЕ


    Процесс горения органического топлива несколько последних десятилетий остается в центре внимания теплоэнергетиков. Создание, освоение и совершенствование топочных устройств с факельным методом сжигания, как правило, сопровождаются попытками интенсифицировать процессы воспламенения и выгорания топлива с целью уменьшения габаритов топочной камеры. Это позволило бы уменьшить высоту не только котла, но и главного корпуса электростанции [1-5].
    Особенно заметны процессы создания форсированных топочных устройств стали в послевоенные годы, когда во многих странах быстрыми темпами началось увеличение единичных мощностей котельных установок. В послевоенные годы крупными считались котлы паропроизводительностью 200 т/ч, с середины 50-х гг. в США работали котлы паропроизводительностью 750 т/ч (моноблоки по 250 МВт на ТЭС Галлатин), а советские энергетики разрабатывали котлы к дубль-блокам мощностью 300 МВт. В конце 50-х гг. на Брид и Филип Спорн (США) были сданы в эксплуатацию котлы производительностью 1320 т/ч (моноблоки 450 МВт). В Европе также сооружались мощные котлы, высота которых достигала нескольких десятков метров [1-4].
    Именно в эти годы в энергетике США, ФРГ и СССР начали применяться высокофорсированные циклонные предтопки, которые обеспечивали экономию по площади до 15 % и по объему до 20 % по сравнению с обычными пылеугольными установками.
    Первый промышленный котел с горизонтальным циклоном начал работать в 1944 г. в США. Советскими энергетиками был разработан и внедрен в 1951 г. на Закамской ТЭЦ котел с вертикальным циклонным предтопком [1]. Позже котлы с вертикальными (типа KSG) и с горизонтальными циклонными пред-топками появились в ФРГ и в других промышленно развитых странах. В 1958 г. в СССР был сдан в эксплуатацию котел с горизонтальными циклонными пред-топками на ТЭЦ-14 Ленэнерго, несколько позже - на ТЭЦ-17 Ленэнерго и на Кузнецкой ТЭЦ (г. Новокузнецк), с 1966 г. начали работать также котлы паропроизводительностью по 220 т/ч на Черкасской ТЭЦ. Котлы с вертикальными циклонными предтопками системы ВТИ длительное время работали на Мироновской и Ангренской ГРЭС.
    Все эти циклонные камеры имели высокое тепловое напряжение объема: от 1,75 МВт/м³ для вертикальных до 4,65 МВт/м³ для горизонтальных циклонов, поперечного сечения - от 11,6до21,0 МВт/м³.
    В процессе разработки и исследования первых промышленных котлов с циклонными предтопками предполагалось, что они будут универсальными,

5

т. е. не чувствительными к изменению характеристик сжигаемого топлива. Ожидалось также, что высокое шлакоулавливание в циклонной камере позволит уменьшить опасность шлакования и загрязнения конвективных поверхностей нагрева и снизить выбросы золы в атмосферу. Возможность отключения части циклонов позволяла надеяться на глубокое регулирование нагрузки таких котлов. Главным преимуществом считалось уменьшение габаритов и повышение КПД котлов за счет снижения расхода электроэнергии на приготовление топлива и уменьшения коэффициента избытка воздуха с обычным значением ат = 1,20-1,25 до ат = 1,05-1,10.
    В какой-то степени эти надежды были вызваны широкой рекламой, развернутой зарубежными котлостроительными фирмами, главным образом Babcock & Wilcox (США) и KSG (ФРГ). Все это заставило ведущие отраслевые институты ВТИ, ЦКТИ, МОЦКТИ, ЭНИН, КазНИИЭ, многочисленные кафедры учебных институтов МВТУ, ЛПИ, УПИ развернуть интенсивное изучение процесса горения применительно к циклонным топочным камерам, тем более что упорядоченная аэродинамика циклонных камер открывала большие возможности для аналитических и экспериментальных исследований в этой сравнительно новой и, казалось, перспективной области энергетики [2-5].
    В результате сложилась несколько парадоксальная ситуация: 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 опережали как по количеству, так и по качеству известные нам зарубежные публикации по этому вопросу [5].
    Вместе с тем опыт эксплуатации котлов с циклонными предтопками не подтвердил надежд на их универсальность по отношению к сжигаемому топливу. Более того, циклонные предтопки оказались весьма требовательными к качеству и стабильности характеристик топлива. Полнота тепловыделения в циклонах составляла только 0,85-0,9, в результате чего максимальная температура в циклонах оказалась ниже расчетной.
    Опыт эксплуатации различных топочных устройств показал, что в отношении универсальности и маневренности циклонные топки не превосходят обычные пылеугольные топки. При этом циклонные топки всех типов заметно превосходят однокамерные пылеугольные топки по своей стоимости, трудозатратам на изготовление, монтаж и ремонт. Кроме того, циклонным предтопкам свойственно повышенное образование оксидов азота из-за высокого теплового напряжения объема и, соответственно, высокой температуры горения [5].
    Все это предопределило отказ от широкого внедрения котельных установок с циклонными предтопками в энергетике, но не убавило стремления к ин

6

тенсификации топочного процесса с целью уменьшения 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 сохраняли некоторые преимущества циклонного принципа сжигания, но позволяли избавиться от сооружения сложных циклонных предтопков. Вниманию энергетической общественности были предложены топка МЭИ с пересекающимися струями, топки ВТИ с встречно-наклонным расположением прямоточных горелок (гамма-топка), вихревая топка ЦКТИ и топка с низкотемпературным вихрем ЛПИ. Примерно в те же годы в связи с проблемой защиты атмосферы от вредных выбросов и с учетом снижения качества твердых видов топлива появляется большой спрос на котлы с охлаждаемым кипящим слоем. Несколько позже были развернуты работы по исследованию кольцевой топки Сибтехэнерго, прямоточно-вихревой топки МЭИ-ЦКБ НПО «Энергоремонт» и некоторых других конструкций.
    В настоящее время накоплен большой объем лабораторных и полупромышленных исследований, связанных с разработкой конструкций перечисленных топочных устройств. Некоторые из них вредны при реконструкции действующих котлов: топка МЭИ с пересекающимися струями, гамма-топка ВТИ, ряд топок с кипящим слоем, другие топки, которые были сооружены на котлостроительных заводах: котел ТПЕ-427 с вихревой топкой ЦКТИ, котел БКЗ-420-140 с низкотемпературным вихрем ЛПИ, котел Е-820-13,9 с кольцевой топкой [4, 5].
    Некоторые виды конструкции топок снижают интенсивность шлакования топочных экранов и уменьшают загрязнение конвективных поверхностей нагрева. Благодаря этому удается повысить бесшлаковочную мощность котлов и избавиться от сложных систем очистки поверхностей нагрева.
    В большинстве случаев специальные топочные устройства снижают образование токсичных оксидов азота, а в некоторых случаях и агрессивного триоксида серы. Топки с кипящим слоем даже без добавки кальцийсодержащих присадок значительно уменьшают выбросы диоксида серы (особенно при достаточно высоком содержании оксида кальция в минеральной части топлива). Таким образом, и с экологической точки зрения некоторые виды конструкции специальных топочных устройств характеризуются определенными преимуществами [5].

7

        1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВА


    1.1. Основные методы сжигания топлива


    Одним из основных факторов, определяющих эффективность использования топлива в котельном агрегате, является полнота его сжигания, которая в значительной мере зависит от типа и конструкции топочных устройств.
    Существующие топочные устройства можно разделить на слоевые и камерные. В слоевых топках основная масса топлива сгорает в слое, в камерных во взвешенном состоянии.
    С точки зрения аэродинамики камерные топки делят на факельные и вихревые.
    Некоторые виды конструкции топочных устройств занимают промежуточное положение. Например, в слоевых топках с пневмомеханическими забрасывателями значительное количество мелких частиц топлива сгорает в топочной камере над слоем. Эти топки называют факельно-слоевыми.
    Схема слоевого способа сжигания топлива показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема слоевого способа сжигания топлива: 1 - колосниковая решётка;
2 - топливо; 3 - воздух; 4 - продукты сгорания; 5 - очаговые остатки

     В зависимости от конструкции топки слой топлива лежит неподвижно на колосниковой решетке или медленно перемещается по ней. Воздух, необходимый для горения, подается под колосниковую решетку и через отверстия в колосниках или зазоры между ними проникает в слой топлива и затем в топочную камеру.
     Большая часть поступающего в топку топлива сгорает на колосниковой решетке в слое. В топочной камере над слоем горят газообразные вещества, выделяющиеся при разложении топлива, и небольшие кусочки его, уносимые


8

потоком воздуха и продуктов сгорания. Здесь же происходит окисление продуктов неполного горения, образующихся при горении кокса.


    1.2. Классификация топочных устройств


    Классификация наиболее типичных и относительно широко распространенных топочных устройств со слоевым сжиганием топлива представлена на рис. 2.

Рис. 2. Классификация слоевых топок [4]:
а - топка с неподвижным слоем топлива; б - топка с наклонной решеткой;
в - топка с наклонно-переталкивающей решеткой; г - топка с шурующей планкой; д - топка с цепной решеткой; е - факельно-слоевая топка

9

    Слоевые топки могут быть разделены на три группы.
    В первую группу входят топки с неподвижным слоем топлива. Решетки в этом случае выполняют из неподвижно закрепленных или качающихся колосников и располагают горизонтально или с небольшим углом наклона (рис. 2, а). Подача свежего топлива в этих видах конструкции осуществляется на слой горящего топлива. Воздух подводится через отверстия в колосниковой решетке навстречу движению топлива, очаговые остатки - шлак - спускаются под решетку.
    Механизация работ в этих топках достигается установкой забрасывателей топлива (механических, пневматических или паровых) и поворотных колосников, через которые производится спуск очаговых остатков в шлаковый бункер.
    В топках с неподвижным слоем топлива может сжигаться много видов топлива: антрацит, каменные и бурые угли, торф, дрова. Это объясняется тем, что вследствие верхней загрузки свежего топлива процесс подготовки его к воспламенению происходит за счет интенсивного подвода тепла одновременно от двух источников: снизу - от горящих летучих веществ и раскаленного кокса и сверху - лучистым теплом топочных газов и обмуровки.
    Экономичность работы таких топок невелика, суммарные потери тепла в них доходят до 10-15 %.
    Необходимость ручной шуровки и удаления шлака с решетки, а при отсутствии забрасывателей и ручная подача топлива приводят к тому, что эти топки могут быть использованы только для котлов малой производительности (до 10 т/ч).
    Во вторую группу объединены слоевые топки, в которых топливо перемещается по решетке. Сюда входят топки с наклонной решеткой, выполняемой из колосников, образующих ровную наклонную плоскость или ступенчатую наклонную решетку (рис. 2, б). В этих видах конструкции топок топливо движется по решетке под влиянием силы тяжести.
    В других видах конструкции этой группы топливо перемещается по решетке принудительно: в топке с наклонно-переталкивающей решеткой под влиянием возвратно-поступательного движения шурующей планки по неподвижному горизонтальному колосниковому полотну решетки (рис. 2, г). Воздух необходимый для горения топлива, подается под решетку, очаговые остатки сбрасываются в конце решетки.
    Вследствие перемещения топлива отдельные стадии его горения происходят последовательно по длине решетки. Это дает возможность осуществлять зонное дутье, т. е. подавать различное количество воздуха к отдельным участкам решетки в соответствии с теми процессами, которые происходят с топли

10

вом в этих зонах. Наименьшее количество воздуха требуется в зоне подогрева топлива, наибольшее - в зоне горения.
    Топки с наклонной решеткой обычно используются для сжигания древесных отходов и кускового торфа.
    Вследствие возвратно-поступательного движения колосников на наклонно-переталкивающей решетке осуществляется непрерывная шуровка топлива. Поэтому в таких топках сжигают горючие сланцы, бурые угли с большой зольностью и повышенной влажностью и каменные угли с большим выходом летучих веществ (например, антрацит, тощие каменные угли) для этих топок не пригодны, так как при соприкосновении с сильно раскаленным коксом их колосники быстро разрушаются.
    Топки с шурующей планкой предназначены для сжигания бурых углей и для каменных углей с выходом летучих веществ более 25 %.
    К третьей группе относятся слоевые топки, в которых топливо перемещается вместе с решеткой. Свежее топливо подается из бункера на медленно движущееся бесконечное колосниковое полотно цепной решетки. По мере движения цепной решетки лежащее на ней топливо прогревается, воспламеняется и сгорает.
    Подача топлива на решетку может осуществляться под влиянием силы тяжести (рис. 2, д) или с помощью забрасывателя (рис. 2, е).
    Основной недостаток топок с цепными решетками с загрузкой топлива под влиянием собственного веса состоит в том, что они требуют сортированного топлива, т. е. топлива, однородного по размеру кусков. Содержание крупных кусков в несортированном топливе вызывает кратерное (очаговое) горение на решетке.
    При большом количестве мелочи в топливе снижается экономичность работы топки вследствие повышенных потерь тепла с механической неполнотой сгорания топлива главным образом за счет уноса недогоревших частиц в газоходы.
    Стремление повысить экономичность работы топок с цепными решетками привело к созданию видов конструкций, в которых топливо забрасывается с одновременной подачей под разгонную плиту воздуха с небольшим давлением (в среднем около 20 мм вод. ст.).
    В этих факельно-слоевых топках процесс подготовки топлива до воспламенения происходит так же, как в топках с неподвижными колосниковыми решетками, за счет двух источников тепла, и поэтому он протекает более интенсивно, чем в обычной конструкции топок с цепными решетками и загрузкой топлива под влиянием силы тяжести. Кроме того, при забросе топлива на решетку сверху происходят отвеивание мелких кусочков, прогрев их и даже частичная возгонка летучих веществ и сгорание в потоке топочных газов.

11

Более крупные частички, не успевшие сгореть на лету, падают на горящий стой топлива, лежащий на решетке.
     Топки с цепными решетками имели широкое распространение, потому что в отличие от других типов слоевых топок они пригодны для сжигания широкой гаммы топлива - от умеренно влажного и зольного, например, торфа, до такого малореакционного, как антрацит. Кроме того, топки с цепными решетками могут обеспечить паропроизводительность котельных агрегатов до 100-150 т/ч.
     Однако наличие существенных преимуществ камерных топок по сравнению со слоевыми - более высокая экономичность сжигания топлива, возможность сжигания любого топлива, отсутствие ограничения по паропроизводи-

тельности, возможность автоматизации и др. - привело к тому, что широкое развитие получили камерные топки.
     Основным видом топочных устройств крупной энергетики являются камерные топки.
     Факельный способ сжигания топлива, схема которого изображена на рис. 3, характеризуется непрерывным движением топлива вместе с воздухом и продуктами сгорания в топочной камере.

* - топливо; }---►- воздух

Рис. 3. Схема факельного способа сжигания топлива [4]

    Горючие газы сжигают обычно без какой-либо подготовки перед подачей их в топку. Жидкое топливо очень мелко распыливается с помощью форсунок, чтобы капельки не выпадали из потока и успевали полностью сгореть за тот короткий промежуток времени, в течение которого они находятся в топке.

12