Сжигание топлив в кипящем слое

Министерство образования и науки Российской федерации

Сибирский федеральный университет

В.А. Дубровский

Нетрадиционные и возобновляемые источники

Энергии

Учебное пособие

Красноярск

СФУ

Оглавление

Предисловие

1. Сжигание топлив в кипящем слое

1.1. Сжигание твердых топлив в топках котлов с классическим кипящим слоем

1.2. Топки с циркулирующим кипящим слоем

1.2.1. Отечественные котлы с циркулирующим кипящим слоем

1.2.2. Котлы с циркулирующим кипящим слоем под давлением

1.2.3. Котлы с циркулирующим кипящим слоем за рубежом

1.3. Сжигание твердых топлив с использованием аэрофонтанных предтопков

2. Плазменная технология

3. Новые конструкции топочных камер для сжигания углей

3.1. Вихревые топки с жидким шлакоудалением

3.2. Принцип технологии вихревого низкотемпературного сжигания

3.3. Пылеугольный котел с кольцевой топкой для крупных энергоблоков

4. Термическая подготовка углей в условиях ТЭС

4.1.Термическая подготовка углей в термоциклонных предтопках

4.2. Разработки ЭНИНа

4.3. Работы ПИ СФУ по термической подготовке углей в условиях тепловой электростанции

4.3.1. Разработка технологии сжигания с внутритопочной термической подготовкой

4.3.2. Принципиальные схемы термической подготовки углей для организации безмазутной растопки и подсветки факела топочных камер котлов

4.3.3. Опытно-промышленный образец муфельного предтопка на котле БКЗ-420 140 Красноярской ТЭЦ-2.

4.3.4. Система термоподготовки для организации муфельной растопки котлов Томь-Усинской ГРЭС.

4.3.5. Универсальная горелка для котлов ПК-40-1 Беловской ГРЭС

4.3.6. Универсальная всережимная горелка для котлов БКЗ-420-140 Красноярской ГРЭС-2

5. Сжигание водотопливных суспензий

5.1. Современное состояние технологии сжигания водотопливных суспензий

5.2. Основные технологические характеристики водотопливных суспензий

5.4. Суспензионное топливо для мазутных ТЭС и котельных

5.5. Опыт применения водомазутных эмульсий на энергетических котлах ОАО « Мосэнерго».

5.6. Разработки научно-исследовательского и проектно-изыскательского института «Новосибирсктеплоэлектропроект» Сибирского ЭНТЦ

5.7. Исследования МЭИ (Технический университет) по применению водомазутных эмультсий для улучшения технико-экономических и экологических характеристик котельных агрегатов

5.8. Технико-экономическая перспектива использования суспензионного угольного топлива

6. Гидравлические электрические станции

7. Геотермальные электростанции

8. Ветроэнергетические установки

9. Альтернативные способы получения энергии

9.1. Магнитогидродинамическое преобразование энергии

9.2. Термоэлектрические генераторы

9.3. Изотопная энергетика

9.4. Термоэмиссионные генераторы

9.5. Электрохимические генераторы

9.6. Использование морских возобновляемых ресурсов

9.7. Солнечная энергетика

9.8. Использование энергии термоядерных реакций

9.9. Комбинированные энергоустановки

9.10. Биоэнергетика

9.11. Подземная газификация углей

9.12. Тепловые насосы

Заключение

Список литературы

Предисловие

В настоящее время происходит непрерывное совершенствование подходов к системе обучения студентов в вузах. Одновременно с этим возрастают требования к повышению качества подготовки инженеров. В первую очередь это касается специалистов в области энергетики, поэтому возникла необходимость издания данной книги.

Данное учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» и предназначено для студентов энергетических специальностей как дневной, так и заочной форм обучения.

Цель – познакомить студентов с современными нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии.

В учебном пособии рассмотрены различные энергетические технологии, позволяющие значительно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. Особое внимание уделено изложению возобновляемых источников энергии, приведено большое количество иллюстраций, отражающих физическую сущность протекающих процессов и дающих возможность студентам глубже ознакомиться с энергетическими схемами и устройствами.

Автор выражает глубокую признательность всем сотрудникам кафедры «Тепловые электрические станции» ПИ СФУ за ценные замечания при подготовке рукописи.

Сжигание топлив в кипящем слое

Современное развитие энергетики и обострение экологической ситуации в мире потребовали поисков и разработки более прогрессивных и экологически чистых технологий сжигания твердых топлив.

Одним из перспективных направлений, обеспечивающих экологическую чистоту использования твердых низкосортных топлив в энергоустановках будущего, следует считать их сжигание в котлах с топками кипящего слоя различных модификаций: классической, циркулирующей, аэрофонтанирующей с применением аэрофонтанных аппаратов, поскольку при этом в значительной степени снижаются выбросы SO₂ и NO_x уже на стадии сжигания [1].

1.1. Сжигание твердых топлив в топках котлов с классическим кипящим слоем

а) б) в)

Рис. 1.1. Схемы установок с кипящим слоем: а – классический кипящий слой: б – циркулирующий кипящий слой; в – кипящий слой под давлением; 1 – основной воздух; 2 – подача топлива; 3 – вторичный воздух; 4 – вывод золы; 5 – возврат уноса; 6 – продукты сгорания; 7 – циклон; 8 – поверхность нагрева; 9 – турбина и компрессор

На рис.1.1. приведена схема топки с классическим пузырьковым кипящим слоем. В пузырьковом кипящем слое при атмосферном давлении уголь (или другое твердое топливо) сжигается в слое твердых частиц (обычно известняк), который псевдоожижается воздухом, подающимся для горения под слой. Разогрев слоя осуществляется горячим воздухом или газами с помощью специальной газовой горелки. Котлы с кипящим слоем спроектированы так, чтобы температура слоя находилась в интервале 815–870 ^oС. Возможность работы при низких температурах приводит к нескольким преимуществам. Благодаря низкой температуре для связывания SO₂ можно использовать в качестве сорбента недорогие материалы, такие как известняк и доломит. Когда в слой добавляется известняк или доломит, в результате реакции между CaO и SO₂ образуется CaSO₄. В зависимости от содержания серы в топливе и количества сорбента выбросы SO₂ могут быть сокращены на 90 % и более. Термические оксиды азота образуются при температурах свыше 1300 ^oС. При снижении температуры скорость реакции образования NO_x сильно уменьшается. При температурах 815–870 ^oС количество NO_x, образовавшегося в кипящем слое, значительно меньше, чем в традиционных котельных установках, работающих при более высоких температурах.

Технология сжигания в кипящем слое (КС) имеет целый ряд преимуществ по сравнению с пылеугольным сжиганием твердых топлив.

К ним следует отнести:

– простота конструкции;

– возможность сжигания низкокачественных углей;

– безопасность в экспуатации;

– отсутствие мельниц тонкого помола;

– связывание SO₂ и SO₃;

– подавление NO_x (до 200 мг/м³).

Вследствие интенсивного перемешивания происходит выравнивание температуры во всем кипящем слое, поэтому слой можно считать изотермическим. Поверхности нагрева, опущенные в кипящий слой, имеют очень высокий коэффициент теплоотдачи. Этому способствует разрушение граничного слоя на теплообменной поверхности, а также прямое соприкосновение частиц с теплоотводящей поверхностью.

К недостаткам этой технологии сжигания следует отнести абразивный износ поверхностей нагрева, расположенных в слое; высокие значения механического недожога, ограничение мощности котельных агрегатов, оборудованных топками с кипящим слоем до 250 т/ч. Для более мощных котлов требуются решетки больших габаритов, что создает трудности по обеспечению равномерной скорости дутья.

Идеальным топливом для котлов с кипящим слоем служат сланцы, имеющие высокую реакционную способность, высокую зольность, которая определяет большую массу материала, в связи с чем стабилизируется температура сжигания, происходит быстрая сушка топлива и хорошее выгорание.

При использовании низкозольных канско-ачинских углей требуется большая добавка инертного материала. Сжигание углей с высоким содержанием солей щелочных металлов очень выгодно использовать в топках с кипящим слоем, когда практически не происходит испарения солей. Отсюда появляется возможность вовлечения так называемых «соленых» углей в энергетику.

Примером тому служит промышленный опыт внедрения кипящего слоя для сжигания шлакующих «соленых» углей в США.

В 1986 г. фирма «Бабкок-Вилькокс» переоборудовала котел с механической топкой на ТЭС Монтана-Дакота в установку с пузырьковым кипящим слоем. Этот котел был первоначально спроектирован на производительность 81,9 кг/с (295 т/ч) пара при давлении 9 МПа и температуре 510 ^oС для сжигания бурого угля месторождения Белах.

Однако высокое содержание соединений натрия в летучей золе приводило к сильному шлакованию топки и загрязнению пароперегревателя. До реконструкции с устройством кипящего слоя мощность была ограничена 50 МВт при расчетной 72 МВт. Для того чтобы избежать шлакования и загрязнения и поверхностей нагрева и обеспечить работу на полную мощность, был использован кипящий слой. Новая установка с кипящим слоем сечением 12,2 х 7,9 м была вмонтирована в старый котел с минимальными изменениями работающих под давлением поверхностей экранов. Воздухораспределительная решетка и окружающие ее стенки охлаждались водой. Пароперегреватель и испаритель размещались в слое для обеспечения необходимой паропроизводительности и перегрева пара и ограничения температуры слоя на уровне 815 ^oС. Скорость газов в слое составляла 3,7 м/с, а глубина слоя в рабочем состоянии – 1,37 м. Для включения и запуска установки подвод воздуха осуществлялся через восемь секций. Поскольку бурый уголь месторождения Белах – высокореакционное топливо, возврат летучей золы не предусматривался. С учетом низкого содержания серы и высокого содержания щелочных компонентов в топливе в качестве материала слоя был использован песок. Котел был пущен в эксплуатацию в мае 1987 г. Сейчас этот блок несет нагрузку 80 МВт при отсутствии шлакования и загрязнения поверхностей. Измеренные концентрации NO_x составляли 0,14 г/МДж.