Опыт внедрения малотоксичных горелок фирмой «Бабкок-Вилькокс»

В последние годы в США рынок новых мощных энергоустановок для электростанций централизованного энергоснабжения неизменно сужается. В то же время объём ремонтно-восстановительных работ и работ по реконструкции оборудования постоянно возрастает из-за стремления станций увеличить срок службы оборудования и при этом сохранить или улучшить показатели существующих установок большой мощности. Здесь описывается деятельность компании «Бабкок-Вилькокс» в этих направлениях, приводятся характерные примеры улучшения показателей действующих установок в результате их реконструкции.

Быстрый рост в США рынка восстановительного ремонта и реконструкции энергетического оборудования обусловлен ситуацией, сложившейся в атомной промышленности. Фактически после 1976г. в США не было размещено заказов на атомные энергоустановки. В то же время произошел рост объёма работ, выполненных компанией «Бабкок-Вилькокс» по восстановительному ремонту и реконструкции.

Другой характерной особенностью сложившейся ситуации является то, что рынок восстановительного ремонта и реконструкции какой-то фирмы может не ограничиваться оборудованием, установленным именно ею. Так, компанией «Бабкок-Вилькокс» установлено наименьшее число действующих котельных установок в США, и в то же время на неё приходится значительная доля рынка восстановительного ремонта и реконструкции. Это является результатом концентрации усилий компании «Бабкок-Вилькокс» на специфическом потребительском спросе, а именно на стремлении энергетических компаний к улучшению эксплуатационных характеристик, надёжности и экономичности действующих установок, а не к разработке новых. При этой модернизации снижается интенсивность смешения топлива и воздуха. В итоге горение затягивается: снижается температура факела и в высокотемпературной зоне горелки уменьшается количество кислорода, которое может вступить в реакцию с азотом, входящим в летучую часть топлива.

Рис. 5.3. Поперечные разрезы горелок: а – пылеугольная горелка типа S: 1 – привод скользящего воздушного шибера; 2 – скользящий воздушный шибер; 3 – внутренние поворотные завихряющие лопатки; 4 – угольное сопло; 5 – пылеугольный завихритель; 6 – зона вторичного воздуха; 7 – стандартная опорная система; 8 – расходомерное устройство (воздух); 9 – камеры установки горелок; 10 – крышка воздушной камеры; 11 – вход угольной пыли и первичного воздуха; б – зона горения в горелке с малым выходом NO_X

б – пылеугольная горелка типа XCL: 1 – скользящий воздушный шибер; 2 – измерительной устройство (воздух); 3 – поворотные завихряющие лопатки; 4 – внутренний вторичный воздух с небольшой рециркуляцией к корню факела; 5 – внешний вторичный воздух; 6 – разделительная пластина для воздуха; 7 – неподвижные завихряющие пластины; 8 – угольная пыль и первичный воздух; 9 – конический диффузор; А – зона высоких температур, сжигание богатой смеси летучих топлива; В – генерация восстановительных компонентов; С – зона разложения NO_X ; D – зона окисления углерода

Оба эти фактора снижают образование NO_х. Для того чтобы свести к минимуму стоимость такой реконструкции, важно, чтобы переделка горелок в наименьшей степени затрагивала элементы котла, находящиеся под давлением демонтируется и новая горелка вписывается в то же самое свободное от экранных труб пространство. Фирме «Бабкок-Вилькокс» удалось выполнить эту задачу с помощью нескольких типов горелок, разработанных в последние годы.

Две из них показаны на рис. 5.3. Для максимального снижения образования NO_x горелки типа S используются в сочетании с топочными соплами, через которые поступает воздух, используемый для дожигания топлива. Вариант XCL представляет собой горелки с внутренней организацией ступенчатой подачи воздуха. Они часто используются без устройства специальных сопл подачи воздуха для дожигания топлива. Анализ работы этих горелок позволяет установить следующее.

Улучшается регулирование потока воздуха по каналам горелки. При наличии двух каналов подачи воздуха большая часть воздуха для горения подаётся через наружный канал. Часть воздуха, поступающая через внутренний канал, используется для стабилизации воспламенения смеси. Наружный воздух добавляется постепенно по мере развития процесса горения.

При наличии двух каналов подачи воздуха могут варьироваться как количество воздуха, так и направление его подачи. Такое более современное регулирование воздуха используется для получения требуемой интенсивности процесса горения, которая даёт минимальный выход NO_x.

При регулируемой подаче воздуха максимальная температура образующегося факела снижается, ограничивается количество кислорода в высокотемпературных зонах факела. Сами факелы из-за задержки подачи воздуха обычно оказываются более протяжёнными.

Горелки типа XCL устанавливаются и при реконструкции, и на новых котлах. Разработаны варианты таких горелок для сжигания мазута, газа, угля и смеси топлив. По сравнению со старыми кольцевыми горелками с одиночным воздушным регистром, выполняющим одновременно роль регулятора объёмного расхода и направления подачи воздуха, новые горелки снижают образование NO_x на 50 % и более. Этот результат был достигнут на котле №5 станции Нил Симпсон компании «Блек Хиллс Пауэр энд Лайт».

Сдвоенные горелки

Сдвоенная горелка была создана фирмой «Бабкок-Вилькокс» для использования в больших котлах. Котлы, оборудованные этими горелками для факельного сжигания угля, используются в энергоблоках общей мощностью 26000 МВт, что составляет около 35 % общей производительности котлов с настенными горелками, установленных до ввода новых стандартов NSPS. В центральной и восточной областях США сосредоточены 34 действующих блока, их единичная мощность варьируется от 220 до 1300 МВт. Выбросы NO_x в этих установках составляют 430–770 мг/МДж, что в 2–3 раза выше федеральных ограничений. Непродолжительность использования, размер, размещение и значения выбросов котлов, оборудованных сдвоенными горелками, способствовали развитию альтернативных решений для снижения NO_x.

Конструкция сдвоенной модульной горелки уникальна. Она соединяет две (или три) круглые регистровые горелки в каждом блоке с горловинами, расположенными касательно одна к другой. Горелки спроектированы для высокоскоростного турбулентного смешения, обеспечивающего быстрое сгорание. Эти блочные горелки почти всегда располагались встречно в два ряда. Такое размещение обеспечивало высокую скорость выделения тепла на единицу охлаждаемой поверхности, которая соответствует высокому уровню NO_x (рис. 5.4).

Для уменьшения эмиссии NO_x горелка была спроектирована так, чтобы обеспечить стадийное смешение топлива и воздуха. Ключевым требованием к горелке является обеспечение затянутого смешения топлива воздухом без переделки экранов котла. Близко расположенная к устью теперь единственной горелки верхняя горловина становится соплом для третичного воздуха. При больших затратах могут быть реконструированы и другие горелки, и котёл может быть оснащён дополнительными соплами для третичного воздуха.