Этапы развития котельной техники России

Уже в течение многих десятилетий в крупной энергетике предпочтение отдается факельному методу сжигания твердого топлива. Исследования, проведенные в ВТИ еще в 30-е годы прошлого века, показали, что сжигание пылевидного топлива в камерных топках по сравнению с его сжиганием в слоевых механических топках обусловливает высокую экономичность процесса горения при минимальных избытках воздуха и потерях от химической и механической неполноты сгорания.

Для паровых котлов производительностью 200 т/ч и выше факельное сжигание в те годы было единственно возможной технологией использования угля, поэтому в послевоенные годы, когда быстрыми темпами началось увеличение единичных мощностей энергоблоков, в ВТИ развернулись работы по повышению надежности и эффективности топочных устройств с факельным сжиганием.

В 50–70 годы прошлого столетия усилия специалистов в области горения были направлены на исследование возможностей интенсификации процессов воспламенения и горения органического топлива, а также на создание, освоение и совершенствование топочных устройств с уменьшенными габаритами. Достижение этой цели позволило бы снизить высоту котла, а значит уменьшить расходы на сооружение и ремонт не только собственно котла, но и главного корпуса электростанции.

Именно в эти годы энергетики США, ФРГ и СССР начали все чаще применять высокофорсированные циклонные предтопки, которые по сравнению с обычными пылеугольными установками обеспечивали экономию до 15% площади и до 20 % объема.

Первый промышленный котел с горизонтальным циклоном начал работать еще в 1944г. в США. Сотрудниками ВТИ под руководством Ю.Л.Маршака был разработан и в 1951 внедрен на Закамской ТЭЦ котел с вертикальным циклонным предтопком. Котлы с такими предтопками в течение длительного времени работали на Мироновской и Ангренской ГРЭС.

В процессе разработки и исследования первых промышленных котлов с циклонными предтопками предполагалось, что они будут универсальными, т.е. не чувствительными к изменению характеристик сжигаемого топлива. Ожидалось также, что высокое шлакоулавливание в циклонной камере уменьшит опасность шлакования и загрязнения конвективных поверхностей и позволит снизить выбросы золы в атмосферу. Возможность отключения части циклонов позволяла ожидать глубокого регулирования нагрузки таких котлов. Но главным достижением считалось уменьшение габаритов и повышение КПД котлов как вследствие сокращения расхода электроэнергии на приготовление топлива, так и снижения коэффициента избытка воздуха a_т с 1,20–1,25 до 1,05–1.10.

В какой-то степени эти надежды были связаны с широкой рекламой, развернутой зарубежными котлостроительными фирмами, главным образом «Бабкок-Вилькокс» (США) и KSG (ФРГ). Все это побудило не только ведущие отраслевые институты (ВТИ, ЦКТИ, МоЦКТИ, ЭНИН, КазНИИЭ), но и многочисленные кафедры учебных институтов (МВТУ, ЛПИ, УПИ, КПИ) развернуть интенсивные исследования процесса горения в котлах с циклонными топочными камерами. Тем более что упорядоченная аэродинамика циклонных камер открывала большие возможности для аналитических и экспериментальных исследований в этой сравнительно новой и казалось перспективной области энергетики.

В результате сложилась несколько парадоксальная ситуация, на которую еще в 1969г. обратил внимание один из активнейших участников этих исследований М.А.Наджаров. 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 на моделях и стендах, широко освещенные в технической периодической печати, монографиях и диссертационных работах, оставляют далеко позади себя как по количеству, так и по качеству известные нам зарубежные публикации по этому вопросу.

Можно назвать несколько причин, которые сначала затормозили широкое внедрение циклонных предтопков в энергетике, а позже заставили вообще отказаться от их применения. Это, во-первых, сложность изготовления и монтажа, циклонных предтопков, а также более высокая трудоемкость при проведении ремонтно-восстановительных работ. Во-вторых, высокие требования, предъявляемые к квалификации обслуживающего персонала, ввиду повышенной сложности котлов с циклонными предтопками.

Вместе с тем опыт эксплуатации котлов с циклонными предтопками не подтвердил надежд на их универсальность относительно сжигаемого топлива. Полнота тепловыделения в циклонах составляла только 0,85–0,9, в результате чего максимальная температура в них оказалась ниже расчетной. Наблюдались также случаи зашлаковки леток циклонов, что приводило к вынужденным остановкам котла, так как расшлаковка циклонных леток на ходу не возможна. Из-за высокого давления на периферии циклонных камер (7–8 кПа) ужесточались требования к герметичности их обшивки. Сложной проблемой оказалось обеспечение плотности в месте присоединения циклонов к камере охлаждения.

Опыт эксплуатации различных топочных устройств показал, что в отношении универсальности и маневренности циклонные топки не превосходят обычные пылеугольные. При этом циклонные топки всех типов заметно превосходят однокамерные пылеугольные по своей стоимости, трудозатратам на изготовление, монтаж и ремонт.

Все это предопределило отказ от широкого внедрения котлов с циклонными предтопками в энергетике, но не подавило стремления к интенсификации топочного процесса с целью снижения 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 были призваны сохранить некоторые преимущества циклонного принципа сжигания, но позволяли избавиться от сложных циклонных предтопков.

В 60–70-е годы большую известность получили: топка МЭИ с пересекающимися струями, топка ВТИ со встречно-наклонным расположением прямоточных горелок (гамма-топка), вихревая топка ЦКТИ и топка с низкотемпературным вихрем ЛПИ. В начале 80-х годов были развернуты работы по исследованию кольцевой топки Сибтехэнерго, прямоточно-вихревой топки МЭИ и топок некоторых других конструкций.

В настоящее время накоплен большой объем лабораторных и полупромышленных исследований, связанных с разработкой конструкций перечисленных топочных устройств. Некоторые из них были внедрены путем реконструкции действующих котлов (топка МЭИ с пересекающимися струями, гамма-топка ВТИ, первая топка ЛПИ с НТВ), другие были сооружены на котлостроительных заводах (котел ТПЕ-427 с вихревой топкой ЦКТИ, котел БКЗ-420-140 с низкотемпературным вихрем ЛПИ, котел Е-820-13,8 с кольцевой топкой Серанта Ф.А.).

Опыт наладки и эксплуатации перечисленных котлов свидетельствует о том, что предложенные новые технологии и схемы топочных устройств обладают некоторыми преимуществами перед традиционными для пылеугольных топок с факельным методом сжигания. Почти все они позволяют несколько снизить габариты топочных камер благодаря раннему воспламенению и форсированному выгоранию угольной пыли. Некоторые конструкции топок способствуют снижению интенсивности шлакования топочных экранов и уменьшению загрязнения конвективных поверхностей нагрева. Все это способствует повышению бесшлаковочной мощности котлов, а также позволяет избавиться от сложных систем очистки поверхностей нагрева.

И все же новые технологии факельного сжигания не получили широкого распространения в энергетике. Несмотря на большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ оказалось, что новые топочные устройства имеют существенные недостатки. Например, все вихревые топки с форсированным сжиганием требуют сложной подготовки топлива, а при сжигании высоковлажных бурых углей – разомкнутой системы пылеприготовления. При этом возникают трудные инженерные задачи, связанные с обеспечением взрывобезопасности пылесистем и с очисткой от мельчайшей угольной пыли сушильного агента, выбрасываемого в атмосферу.

Эти проблемы можно решить путем применения топок с низкотемпературным вихрем на дробленке, однако при этом возникают новые трудности. Резкое уменьшение реагирующей поверхности при переходе от угольной пыли к дробленке не позволяет за короткое время дожечь до приемлемого уровня даже высокореакционные бурые угли. Все проверенные в промышленности топки с низкотемпературным вихрем вынужденно работают с повышенным избытком воздуха, что влечет за собой потери тепла с механической неполнотой сгорания, в несколько раз превышающие аналогичный показатель для обычных пылеугольных топок.

Но все же главной причиной, повлиявшей на снижение интереса к новым технологиям сжигания, разработанным в 60–70-е годы, были экологические требования к топливосжигающим устройствам, которые в законодательном порядке были приняты во всех промышленно развитых странах. Необходимость существенно снизить выбросы токсичных оксидов азота NO_x (NO+NO₂) заставила изменить подходы к разработке новых технологий, причем в некоторых случаях оказалось, что именно те мероприятия, которые снижали образование NO_x, не способствовали повышению.

В настоящее время энергетика является ведущей отраслью современного общества. Объекты энергетики, как и многие предприятия других отраслей промышленности, представляют источники неизбежного, потенциального, до настоящего времени практически количественно не учитываемого риска для населения и окружающей среды.

Среди газовых выбросов оксиды азота являются наиболее вредными отравляющими веществами

В таблице 1.1. приведены данные по содержанию оксидов азота в уходящих дымовых газах котлов без средств очистки.

В табл. 1.2 приведены нормативы удельных выбросов в атмосферу оксидов азота, оксидов серы и твердых частиц для вновь вводимого оборудования на ТЭС России и ЕС, приведенные к одинаковому содержанию кислорода в дымовых газах/2/.

Таблица 1.1

Содержание оксидов азота в дымовых газах котлов

Таблица 1.2

Нормативы удельных выбросов основных загрязняющих веществ в атмосферу

Источниками образования оксидов азота при сжигании органического топлива являются азот воздуха и азотсодержащие компоненты топлива. Из азота воздуха оксиды азота образуются при высоких температурах (Т≥1500 ^оС) в некотором температурном интервале (механизм Зельдовича). Эти оксиды азота называются «термическими» /1–7/.

Скорость образования термических NO_x зависит от содержания кислорода в степени 0,5 и от температуры – по экспоненте. Учитывая высокую энергию активации реакции образования термических NO_x,считается, что образование термических оксидов азота является существенным лишь в некотором температурном интервале – так называемой температурной ступеньке:

∆T = RT² max, (1.1)

где T_max – максимальная температура процесса; а R – газовая постоянная.

Для углеводородных топлив ∆T = 50–70 ˚С, поэтому часто встречающееся утверждение о том, что количество образующихся NO_x зависит от трех факторов (избыток воздуха, температура и время пребывания) является не совсем точным; время пребывания не следует рассматривать как самостоятельный фактор.

Важно отметить, что образуются термические NO_x при максимальной температуре, т.е. в той зоне факела, где уже сгорела основная масса топлива. Время пребывания в этой зоне во много раз меньше времени достижения равновесной концентрации. Кроме того, в так называемых «низкотемпературных» топочных устройствах, в которых максимальная температура не превышает 1500°С, термические NO_x можно вообще не учитывать ввиду их малости. Такое положение характерно для пылеугольных топок с прямым сжиганием высоковлажных бурых углей, при высокой доле рециркуляции газов, подаваемых через горелки, или при чрезмерно высоком избытке воздуха в топочной камере.

Доля «термических» оксидов азота монотонно увеличивается с ростом температуры и оказывается определяющей в высокотемпературных установках (при Т> > 2000 К); при низкотемпературном сжигании углей, например в кипящем слое, «термические» оксиды не образуются. Таким образом, именно топливные оксиды дают определяющий, вклад в общий баланс оксидов азота для всех технологий сжигания и газификации твердых топлив.

Образование топливных NO_x происходит на начальном участке факела, при горении летучих, выделившихся из частиц угля или мазутных капель.

Топливные оксиды азота отсутствуют при сжигании природного газа (так как он, за редким исключением, не содержит связанного азота). Но зато при сжигании мазута, и особенно всех видов твердого топлива (торфа, сланцев, бурых и каменных углей) доля топливных NO_x весьма велика, а в некоторых случаях составляет 100 % общего выброса NO_x.

Важно отметить, что образование топливных NO_x начинается с момента воспламенения летучих, т.е. значительно раньше, чем образуются термические NO_x.

Интенсивность воспламенения топлива и скорость его смешения с вторичным воздухом в значительной степени определяют образование топливных оксидов азота в факеле.

Кроме того, из азота воздуха во фронте факела при сравнительно низких температурах образуется небольшое количество «быстрых» оксидов азота (механизм Фенимора).

«Быстрые» воздушные оксиды азота образуются во фронте горения при сравнительно низких температурах в результате реакций углеводородных, радикалов с азотом воздуха и последующего взаимодействия азотсодержащих и кислородсодержащих радикалов. При сжигании твердого топлива доля «быстрых» оксидов азота незначительна (менее 10–15 %). Поэтому для твердого топлива можно говорить о необходимости подавления только топливных и термических NO_x. При сжигании газа и мазута с предельно низкими избытками воздуха в котлах малой мощности доля «быстрых» NO_x может составить 30 – 50 %, и для них надо искать пути подавления.

Опытами В.И. Бабия (ВТИ) показано, что при температуре факела до 1800 К оксиды азота на 95 % образуются из азота топлива и только 5 % – в результате окисления атмосферного азота. При это выявлено, что NO_x на 95–97 % состоит из оксида азота (NО), который образуется на начальном участке факела, на стадии выгорания летучих и, достигнув определенной концентрации, характерной для конкретных условий сжигания, в дальнейшем; по ходу факела не изменяется, несмотря на активное горение и высокие концентрации кислорода, в топке. При сжигании газа около 25 % составляют быстрые окислы азота, остальные 75 % – термические. При сжигании мазута около 45 % составляют топливные оксиды, 50 % – термические, около 5 % – «быстрые». При сжигании угля около 85 % составляют топливные оксиды азота, 0,5 % – быстрые» оксиды азота, а 15 % – термические. Наибольшая температура факела существует при сжигании газа, наименьшая – при сжигании угля, а избытки воздуха – наоборот.

На рис. 1.1 приведен механизм образования оксидов азота, из которых наглядно видна роль азота воздуха и топлива /2/.

Рис.1.2. Схема образования оксидов азота

Влияние температуры факела на образование оксидов азота при сжигании угля видно из рисунка. 1.2.

Количество оксидов азота зависит от содержания азота в горючей массе топлива в первой степени, от среднеинтегрального значения концентрации кислорода на участке образования NO_x в квадрате и сравнительно слабо зависит от температуры пылеугольного факела в этой зоне: при Т> 1200 К концентрация топливных NO_x.

При максимальной температуре в зоне активного горения Т ≤ 1800твердого топлива в высокотемпературных топочных устройствах с жидким шлакоудалением (при Т > 1800 К) термические оксиды азота составляют значительную долю и достигают 40–60 %.

При, сжигании газа и мазута оксиды азота образуются в основном по термическому механизму.

К настоящему времени предложены достаточно подробные кинетические модели генерации оксидов азота при сжигании органических топлив. Однако вследствие большой размерности и выраженной жесткости получаемой системы уравнений эти модели реализуются, как правило, только в рамках одномерной схемы расчета, Поэтому значительный интерес при моделировании реальных камер сгорания представляют упрощенные кинетические модели образования NO, основанные на обобщенных химических реакциях.

Рис. 1.2. Влияние температуры в топке на образование оксидов азота

В работе /3/ выполнен подробный анализ современных брутто-моделей, используемых для моделирования образования оксидов азота. В них предполагается, что все топливные оксиды азота образуются из азота, перешедшего вместе с летучими в газовую фазу, а ролью связанного азота в коксовом остатке пренебрегают. Образование топливных рассчитывается в предположении, что во время выхода и горения летучих происходит разложение азотсодержащих компонентов топлива до активного атомарного азота N. Далее считается, что процесс протекает по двум ветвям: окисление азота N+O₂ → NO и образование молекулярного азота вследствие реакций 2N → N₂ или N+NO → N₂. При этом учитывается также вторичная реакция разложения NO в результате взаимодействия с углеродом в угольных частицах, что при определенных условиях может приводить к заметному снижению конечной концентрации оксидов азота.

Более подробной и вместе с тем компактной моделью предсказания уровня образовавшихся при сжигании угольной пыли вредных оксидов азота является кинетическая схема Митчелла-Тэрбелла, которая в настоящее время наиболее широко распространена в разработанных пакетах численного моделирования процессов горения твердого топлива (например, в программе FLUENT). Эта модель была, апробирована при численном моделировании топочных процессов для ряда промышленных котлоагрегатов и сделан вывод об удовлетворительном согласии расчетов уровня концентрации NO_х с данными измерений на исследованных котлах.

Модель Митчелла – Тэрбелла включает 8 азотсодержащих реакций и соответствует современным представлениям о химических процессах, ведущих к образованию NO_х при сжигании пылеугольного топлива.

Согласно схеме кинетического механизма образования оксидов азота (рис. 1.3) процесс образования оксидов азота представляется следующим образом. В ходе термического разложения угольной частицы и выхода летучих компонентов часть связанного азота топлива (азот летучих N_v, составляющий до 70 – 80 % от всего количества N) практически мгновенно (реакция 1, рис. 2.45) переходит в газовую фазу в виде цианидов (для глобальной модели допускается, что HCN – центр подсистемы цианидов).

Остаточный азот кокса (N_c ≈ 20–30 % от всего азота топлива), равномерно распределенный по частице кокса, окисляется прямо в NO со скоростью, пропорциональной скорости горения коксового остатка (реакция 2). Образовавшиеся при выходе летучих цианиды переходят (реакция 3) в амины (NH₃ – представитель группы аминов NH₄, которые, реагируя как с О₂ (реакция 4), так и с NО (реакция 5), могут способствовать как образованию оксидов азота так и восстановлению N₂ из NO.

В этом состоит модель схемы четырех центров Гейнса. Кроме того, важными реакциями с точки зрения конверсии оксидов азота являются реакции «обратного» образования HCN в результат взаимодействия углеводорода (СН₄) с NO (реакция 6), и гетерогенная реакция поглощения NO на свободном углероде кокс, (реакция 7). В схеме также учтен «термический» механизм образования NO по Я.Б. Зельдовичу в результате диссоциации кислорода при высокой температуре (реакция 8).

Из рис. 1.3 также видно, что для замыкания модели образования оксидов азота достаточно определить значения скоростей химических реакций, ответственных за изменение концентраций таких компонентов; как NH₃, HCN, NO. Поскольку концентрации этих компонентов в топочной камере на порядки меньше, чем значения концентраций О₂, N₂, летучих и продуктов сгорания топлива, и так как тепловой режим в пылеугольной топке целиком определяется горением летучих, коксового остатка и радиационным теплообменом, допустимо рассчитывать концентрации азотсодержащих газофазных компонентов (кроме N₂) после решения основной задачи моделирование топочных процессов, пользуясь предварительно вычисленным, значениями основных характеристик процесса (полей скорости, температуры, концентраций O₂, N₃, летучих и т.д.).

Рассмотренная модель образования оксидов азота при сжигании пылеугольного топлива тестировалась по экспериментальным данным для реальных топочных устройств и по результатам расчетов концентрации NO_х на выходе из топочной камеры. В пылеугольных топках паровых котлов при горении топлива образуются; оксиды азота двух типов – NO и NO₂, причем процентное содержание диоксида азота NO₂ на выходе из ,камеры сгорания не превышает 5 % от суммы оксидов азоте NO_х = NO + NO₂. Доокисление NO до NO₂ происходит при поступлении дымовых газов в атмосферу.

Рис.1.3. Схема кинетического механизма образования оксидов азота (в кружках отмечены номера реакций)

Поэтому в теплоэнергетике массовый выброс оксидов азота в окружающую среду (массовое содержание оксидов в единице объема уходящих газов) рассчитывается по NO₂ для нормальных условий (Т = 273 К, р = 1.013·10⁵ Па)

[NO_х] = ρºС_NO (1.2)

где ρº= 1.3 кг/м³ – значение плотности дымовых газов при нормальных условиях.