Ия твердых топлив, по отношению к жидким и газообразным, возрастает главным образом за счет более широкого вовлечения в энергобаланс низкосортных углей [21, 78]

Вид материала

Документы

Содержание 3.4. Усовершенствование методов факельного сжигания 3.5. Предварительная термическая подготовка твердого топлива с частичной газификацией 3.6. Плазменная подсветка основного пылеугольного факела

Подобный материал:

• Пермском Прикамье обеспечивается, главным образом, за счет открытия залежей в ловушках, 163.4kb.
• Демонстрационная версия рабочей программы по дисциплине: дс., 40.47kb.
• Программа породненных университетов и кафедр юнеско кафедра юнеско, 207.32kb.
• Активизировать работу учащихся на уроке за счёт вовлечения их в игру, 81.17kb.
• Авлении увеличения масштабов производства химической продукции, так и в направлении, 475.78kb.
• Развивалась также новая область химии физическая химия радиоактивных твердых тел. Совместно, 213.01kb.
• О состоянии профилактической работы, 79.63kb.
• Аналитическая записка по обращению с твердыми бытовыми и промышленными отходами, 582.24kb.
• Аналитическая записка по обращению с твердыми бытовыми и промышленными отходами, 603.31kb.
• Программа спортивно игровой секции «Баскетбол» для детей 12-17 лет (4 года), 350.69kb.

3.4. Усовершенствование методов факельного сжигания

Факельный метод сжигания - самый распространенный в энергетике страны. В то же время он является и самым небезопасным с экологической точки зрения. Выбросы, например, оксидов азота могут составлять 800...1100 мг/м³ и больше [25, 61, 116]. В этой связи безусловно требуется проведение мероприятий по реконструкции действующего оборудования и проектированию нового с учетом современных экологических требований. Среди них предпочтение в основном отдается (как наиболее дешевым и позволяющим проводить реконструкцию действующих ТЭС) организации ступенчатого сжигания на основе совершенствования горелочных устройств и внедрения систем подачи пыли высокой концентрации (ПВК). В то же время, перспективными являются и некоторые другие способы:

• регулирование температур в топке путем ввода пара, аммиака, газов рециркуляции и т.п.;
  
• регулирование температур в топке путем разделения ее двухсветными экранами;
  
• предварительный подогрев топлива до высоких температур;
  
• некоторые другие.
  

Ступенчатое (стадийное) сжигание - это наиболее простой способ подавления оксидов азота, причем организация топочного процесса происходит так, что с топливом через горелочные устройства подается только часть воздуха, остальной - в виде дополнительного дутья. Как известно, при сжигании твердых топлив, в факеле образуются “быстрые”, “термические” и “топливные” NO_Х. Для пылеугольных котлов с ТШУ выход “термических” оксидов азота незначителен или отсутствует из-за невысоких температур факела (Т_факела>1800 К - для “термических”), “быстрые” оксиды азота образуются на начальной стадии горения (Т_факела 1200...1300 К) и основную опасность представляют “топливные” оксиды азота, начало образования которых находится в зоне воспламенения и практически завершается в зоне максимальных температур. Основной выход закиси (N₂O) азота наблюдается в предпламенной зоне факела. В целом, на образование каждого вида NO_Х влияет температура, скорость реакции и наличие окислителя. Для снижения всех видов NO_Х и производится ступенчатая подача воздуха, при которой достигаются локальные избытки воздуха на каждой стадии горения, а регулирование температуры, при необходимости, осуществляется подачей в зону горения пара или газов рециркуляции. При этом, процесс сжигания твердых топлив должен включать четыре характерных стадии с индивидуальными (локальными) избытками воздуха [99].

При такой организации горения происходит следующее. После воспламенения и сгорания летучих, в факеле резко снижается концентрация кислорода, в результате чего тормозятся окислительные реакции с образованием NO и интенсифицируется переход азотосодержащих радикалов NH_i и CN в молекулярный азот. Остальной воздух, необходимый для полного сгорания, подается в виде третичного дутья. Таким образом можно подавить выход оксидов азота, например, для канско-ачинских углей до 200 мг/м³, что соответствует требованиям к экологически чистой ТЭС [88, 99].

Отрицательные последствия ступенчатого сжигания:

• повышение температуры газов Т_т на выходе из топки, связанное с торможением процесса горения на начальном участке;
  
• увеличение потерь тепла с механическим недожогом q₄, особенно при недостаточной высоте топочной камеры;
  
• возможно некоторое снижение КПД котла от действия первых двух факторов;
  
• опасность для котлов СКД высокотемпературной коррозии топочных экранов (в варианте, если восстановительная среда будет создаваться вблизи экранных поверхностей нагрева);
  
• возможность шлакования ширмовых или первых по ходу газа конвективных поверхностей нагрева (из-за повышения Т_т), а также топочных экранов (из-за снижения температурных характеристик золы при переходе от окислительной к восстановительной среде).
  

Последние два фактора в значительной мере зависят от характеристик топлива (шлакуемости, сернистости), аэродинамики топки, расположения горелок, параметров котельной установки. Степень опасности от их действия не поддается расчету и может быть оценена только при переводе головных образцов котлов на ступенчатое сжигание.

Организация ступенчатого сжигания, как правило, включает системы подачи пыли высокой концентрации (ПВК) горелочных устройств. Концентрация пыли в них может составлять 10...30 кг на 1 кг воздуха [33], что во много раз превышает обычную (0,2...1 кг/кг). Это приводит к недостатку кислорода в зоне воспламенения и начальной фазе горения, то есть создаются локальные избытки воздуха. Однако, при таком способе подачи возможно засорение устройств пылеподготовки и ее подачи с образованием отложений в питателях, концентраторах, сепараторах, делителях, мигалках, пылепроводах и т.п. Возможен преждевременный абразивный износ этих устройств. Образование отложений чревато возгоранием или взрывом, тем более для КАУ, так как они относятся к самой опасной в этом отношении 4-ой группе углей.

3.5. Предварительная термическая подготовка твердого топлива с частичной газификацией

Сущностью термической подготовки топлива перед сжиганием в топке энергетического котла является предварительная частичная аллотермическая газификация пыли при температурах 600...800^О С. Это позволяет обеспечить раннее воспламенение и достаточно глубокое выгорание угольной газовзвеси на начальном участке горелочных устройств. Термоподготовка может проводиться для части поступающего в котел угля непосредственно в горелочном устройстве [17], либо полностью в специальном предтопке [68, 85]. При этом, в обоих случаях прогрев основного (рабочего) потока топлива осуществляется за счет сжигания небольшого количества высокореакционного топлива (на уровне 8...12% по отношению к рабочему углю). При такой термоподготовке поток рабочего топлива прогревается с образованием двухфазного топлива - газовзвеси, содержащей в основном окись углерода, водород, метан, непрореагировавшую угольную пыль, коксовый остаток, углекислый газ и азот [119] и в дальнейшем направляется в топку в первом случае - для поддержания основного факела, во втором - для полного сгорания.

В связи с тем, что подогрев топлива приводит к выходу летучих, начинается генерация NO_Х и снижается температура воспламенения факела. В результате выделение “топливных” оксидов азота заканчивается даже раньше, чем температура факела станет максимальной. При этих условиях возможно подавление значительной части NO_Х и обеспечение их выброса на уровне 200 мг/м³.

Применительно к канско-ачинским углям с их высоким содержанием Са в золе одновременно существует возможность снижения выбросов серы на 20...30% [85] за счет связывания ее в кальцийсодержащие соединения так, что при содержании серы в топливе 0,3% для обеспечения нормируемых показателей по выбросам SO₂ не требуется установки специальных устройств сероочистки. При этом термоподготовка не исключает и комбинации с другими методами подавления NO_Х и SO₂ в виде вводов реагентов в восстановительную зону горения, организации стадийного сжигания и пр.

Кроме того, к достоинствам термоподготовки можно отнести малозатратность этого метода и возможность широкого применения не только на вновь проектируемых котлах [70] но и на действующих, в рамках их реконструкции.

3.6. Плазменная подсветка основного пылеугольного факела

Плазменный розжиг и подсветка являются технологией, физические основы которой очень близки к технологии термодготовки топлива в термоциклоне. Однако направленность плазменного розжига несколько отличается от технологии термоподготовки. Плазменный розжиг и подсветка пылеугольного факела направлена на вытеснение из топливного баланса ТЭС мазута на эти нужды. Технология заключается в обработке струей низкотемпературной плазмы (3500…5000 ^ОС) потока угольной пыли, транспортируемой воздухом. Высокая температура теплового удара приводит к прогреву топлива со скоростью 10³…10⁴ К/с при размерах частиц менее 250 мкм, при этом достигается конечная температура чатиц 800…900^О С и выше, что интенсифицирует разложение органической части топлива.

После обработки плазмой поток газовзвеси содержит в себе деструктурированные частицы угля, газы, в том числе и легко воспламеняющиеся водород, метан и углекислоту. Такой состав газовзвеси позволяет надежно воспламенять и стабильно поддерживать горение основного пылеугольного факела в топке парогенератора.

Тепловая мощность плазмотрона составляет не более1,5 % от тепловой мощности потока аэропыли. Установка плазмотрона осуществляется или в горелку, или в специальный муфель под горелкой.

Плазменная технология является технически осуществимой и технологически простой в управлении. Однако она имеет и недостатки, сдерживающие ее широкое внедрение:

• ограниченный ресурс плазмотронов;
  
• ненадежная работа источников питания для плзмотронов.
  

Выводы:

1. Системы газификации твердого топлива отличаются низким уровнем освоенности промышленностью, невысокой интенсивностью процесса газификации, дороговизной, конструктивной и эксплуатационной сложностью, что требует проведения дальнейшей научно-исследовательской работы и отодвигает возможность их широкого применения в “большой” энергетике на более поздний срок.
   
2. Перспективность котлов с ЦКС не вызывает сомнений, однако их внедрение требует больших капитальных затрат и, в этой связи, не решает проблемы снижения вредных выбросов на действующих ТЭС.
   
3. Применение термической подготовки твердого топлива не исключает возможности одновременного использования методов подавления вредных веществ характерных для факельного сжигания, отличается дешевизной (по сравнению с химическими методами подавления вредных веществ) и может широко применяться в топливоиспульзующих установках.
   

4. Высокотемпературная подготовка топлива в специальном предтопке - как элементная база экологически перспективного направления развития ТЭЦ

Как уже отмечалось, сущностью термической подготовки пылевидного топлива является предварительная частичная аллотермическая его газификация при температурах 600...800^О С и выше либо доли размолотого угля в горелочном устройстве [17], либо полностью всего потока угля в специальном предтопке [36, 85], например, циклонного типа [70, 71]. Прогрев рабочего потока угольной пыли осуществляется за счет сжигания высокореакционного топлива [36,], в качестве которого может использоваться газ, мазут или высокореакционный уголь, например КАУ. Определяющие принципы термоподготовки подробнее изложены в [35, 68, 125-128, 136]. В случае, показанном на рис.1.2, термоциклонный предтопок (ТЦП) одновременно выполняет функции горелки котла.

Поток высококонцентрированной угольной пыли, так называемое рабочее топливо 3, тангенциально поступает в установку выполненную в виде цилиндра и образует реакторное пространство, внутрь которого направляется горящее высокореакционное (так называемое инициирующее) топливо 2 с концентрацией кислорода, обеспечивающей устойчивое горение. В предтопке поток рабочего топлива прогревается с образованием двухфазного топлива - газовзвеси, содержащей в основном окись углерода, водород, непрореагировавшую угольную пыль, коксовый остаток, метан, углекислый газ и азот [62, 119]. На выходе из предтопка газовзвесь смешивается со вторичным воздухом и вместе с продуктами сгорания инициирующего топлива поступает в топку котла. При необходимости (рис.2) возможно добавление пара или воздуха 4 для частичной газификации рабочего топлива, а также применение стадийного сжигания 6. Эти два фактора во многом зависят от вида используемого топлива. В качестве рабочего возможно использование как низко-, так и высокореакционных углей.

Наличие в газовзвеси легко воспламеняющихся горючих летучих (Н₂, СН₄, СО) обеспечивает надежное воспламенение и стабильное горение факела и позволяет отказаться от применения подсвета мазутом. В то же время твердый коксовый остаток полностью подготовлен к сжиганию, так как прогрет до высокой температуры, имеет пористую структуру и, в связи с этим, большую реакционную поверхность (30...35 м²/г против 5 м²/г у исходной пыли АШ [17]), кроме того, в диапазоне температур до 1173...1273 К имеет место эффект термического размельчения угольной пыли без значительного слипания озоленных фракций [28] (для рядового станционного помола доля мелкой пыли размером меньше 50 мкм в коксовом остатке составляет более 50% [17]). В целом, применение термоподготовки позволяет использовать в качестве энергетических топлив низкосортные угли, в том числе бурые угли, отсевы антрацитов, промпродукт и др. и, что особенно важно, снизить общий выход оксидов азота до 200 мг/м³ [85] и увеличить КПД котла на 2...3% за счет снижения потерь с механическим недожогом, которые обусловлены в основном необходимостью подсвета факела мазутом, что приводит к более быстрому выгоранию высокореакционного топлива и затягиванию факела в область низких температур поворотной камеры.





Рис. 2. Конструктивно - компоновочная схема организации предварительной термоподготовки топлива.

1 - пылеподогреватель; 2 - подача инициирующего топлива; 3 - подача рабочего топлива; 4 - подача пара (или воздуха) для частичной газификации; 5 - вторичный воздух; 6 - третичное дутье; 7 - топка котла; Т_Т, Т_Г,Т_У - температура горения топлива, газовзвеси и частиц; Т_СМ, V_СМ - температура и объем газовзвеси на входе в подогреватель; V - объем газовзвеси на выходе из подогревателя

Недостатком технологии с термической подготовкой топлива можно считать усложнение системы тополивоподготовки по сравнению с традиционными из-за необходимости создания двух потоков топлива (рабочего и инициирующего) и организации паровоздушного дутья для частичной газификации. Однако, эти усложнения не связаны с созданием принципиально нового и уникального оборудования, так как для потока инициирующего топлива используется станционное газовое или мазутное хозяйство, а в случае использования в качестве инициирующего топлива высокореакционного угля, топливоподготовка для него выглядит аналогично схемам с прямым вдуванием пыли. Для потока рабочего угля топливоподготовка - аналогична схемам с промбункером. Отбор пара для частичной газификации может осуществляться, например, из станционного коллектора собственных нужд. Кроме того, большинство станций уже оборудованы мазутным хозяйством, а многие имеют и газовое, что упрощает внедрение технологии в рамках реконструкции действующих станций.





Рис.3. Возможная система топливоподготовки при термической обработке угля в ТЦП

1 - бункер сырого угля рабочего топлива; 2 - бункер сырого угля инициирующего топлива; 3 - устройство нисходящей сушки; 4 - мигалка; 5 - шибер; 6 - питатель сырого угля; 7 - ШБМ; 8 - сепаратор; 9 - циклон; 10 - реверсивный шнек; 11 -бункер пыли; 12 - шнековый питатель пыли; 13 - смеситель; 14 - пылеконцентратор; 15 - паровой эжектор; 16 - ТЦП; 17 - мельничный вентилятор; 18 - ММТ; 19 - линия перегретого пара; 20 - дутьевой вентилятор; 21 - воздухоподогреватель; 22 - присадка холодного воздуха; 23,24 - горячий воздух; 25 - короб вторичного воздуха; 26 - вторичное дутье; 27 - сбросная горелка; 28 - коллектор первичного воздуха; 29 - линия топливоподготовки инициирующего угля; 30 - линия топливоподготовки рабочего угля; 31 - котел
На рис.3 показана возможная система топливоподготовки для наиболее сложной в техническом исполнении комбинации топлив, где в качестве рабочего используется низкореакционный (например, кузнецкий или АШ), а в качестве инициирующего - высокореакционный, например, канско-ачинский уголь. Высококоцентрированный поток рабочей пыли с минимальным избытком воздуха, обеспечивающим только его продвижение по предтопку 16, создается пылеконцентратором 14, слабозапыленный поток используется в качестве первичного воздуха в смесителе 13, либо вторичного 26, либо в виде третичного дутья в сбросных горелках 27. Для частичной газификации применяется перегретый пар 19, который отбирается из коллектора собственных нужд, ширмового или первой по ходу газов ступени конвективного пароперегревателя и подается на паровой эжектор 15 для смешения с рабочим топливом. Топливоподготовка для Канско-Ачинского угля выполнена без промбункера, по схеме с прямым вдуванием пыли, и остальные схемные решения, агрегаты, узлы и элементы системы топливоподготовки не отличаются от традиционных.

В общем случае ТЦП может быть выполнен в горизонтальном или вертикальном исполнении (рис.4) [70]. Кроме того (рис.4, а), предтопок может выполнять функции горелки и представляет собой два (один внутри другого) цилиндра, между которыми находится рубашечное пространство для охлаждающей воды. ТЦП оборудован устройством тангенциального ввода пыли высокой концентрации (ПВК), которая состоит из рабочего топлива и воздуха (или дымовых газов) в пропорции 1 кг газа на 10 кг угля. В то же устройство подается пар для частичной газификации. Вторичный воздух подается по аналогии со штатными горелками. Со стороны торцевой стенки ТЦП оборудован устройством ввода и розжига инициирующего топлива.





Рис.4. Конструктивно-компоновочная схема ТЦП: а - горизонтальное исполнение; б - вертикальное исполнение

В случае применения термоподготовки твердого топлива в ТЦП в рамках реконструкции (модернизации) действующих котлов ряд конструктивно-компоновочных характеристик и выбор варианта исполнения ТЦП будет определяться особенностями реконструируемых (модернизируемых) агрегатов: диаметром амбразур, отметками расположения несущих каркасов, грузовых и смотровых площадок, расстоянием между соседними котлами, расстоянием между задним экраном и опускной шахтой, параметрами пара собственных нужд (или параметрами пара в пароперегревателе) температурами горячего воздуха (или дымовых газов) и некоторыми другими. Однако, с учетом возможности ТЦП выполнять либо функции горелок котла, либо работать в режиме подготовки газовзвеси с последующим ее разделением на несколько потоков и доставкой на разные ярусы [85] и к амбразурам, эта задача не представляет особой сложности.

Выводы:

1. Технология сжигания угля с применением термоподготовки в ТЦП отвечает экологическим требованиям, повышает эффективность использования топлива и отличается конструктивной простотой и дешевизной.
   
2. Технология является перспективной как для вновь проектируемых топливоиспользующих установок, так и для действующих, в рамках их реконструкции.