Модернизация теплоэнергетического оборудования по принцыпу НТВ сжигания топлива
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ВИХРЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СЖИГАНИЯ

1.1 Общая информация о НТВ технологии сжигания

Низкотемпературная вихревая (НТВ) технология сжигания является современной эффективной технологией энергетического использования твердого органического топлива.

Способ НТВ-сжигания и топочное устройство для его реализации разработаны выдающимся советским ученым-теплоэнергетиком Виктором Владимировичем Померанцевым и возглавляемым им коллективом кафедры «Реакторо- и парогенераторостроение» в Ленинградском политехническом институте (ныне Санкт-Петербургский государственный политехнический университет — СПбГПУ).

НТВ технология сжигания прошла широкую апробацию в энергетике с 1970 по 1990 годы.

Способ НТВ-сжигания и топочное устройство для его реализации защищены патентами.

К главным достоинствам НТВ технологии сжигания относятся ее улучшенные экологические показатели, гарантированное обеспечение устойчивого воспламенения и горения твердых топлив без подсветки газом и мазутом, устранение шлакования.

НТВ технология сжигания может быть реализована в традиционной камерной топке, путем ее модернизации в период капитального ремонта котла.

Для подготовки топлива угрубленного помола используются существующие мельницы с упрощенными сепараторами или без них, а для таких топлив как торф, древесные отходы, лигнин возможно использование безмельничных схем.

В большинстве случаев НТВ технология сжигания не требует для ее реализации изменений в тепловой схеме котла и замены тяго-дутьевых устройств.

Модернизация котлов с переводом их на НТВ-сжигание позволяет сравнительно просто и с малыми затратами обновить существующее котельное оборудование, улучшить его технико-экономические и экологические показатели, упростить эксплуатацию и повысить надежность работы котлов.

Важным достоинством НТВ технологии сжигания является низкая чувствительность к колебаниям характеристик топлива. Это унифицирует топку по топливу и дает возможность сжигать в одном котле несколько видов твердого топлива.

НТВ технология сжигания прошла апробацию на широкой гамме твердых топлив, таких как торф, бурые и каменные угли, горючие сланцы, отходы деревообработки и микробиологического производства.

НТВ технология сжигания отработана на котлах производительностью от 20 до 420 тонн пара в час при сжигании практически всей гаммы органических топлив и горючих твердых отходов производства в России, Эстонии, Болгарии, Китае.

Наиболее эффективно внедрение НТВ технологии сжигания одновременно с модернизацией действующих котлов.

Все работы по реконструкции и модернизации котельного оборудования Компания "НТВ-энерго" выполняет совместно с российскими котельными заводами:
ПК "Сибэнергомаш" ОАО "Энергомаш" (Барнаульский котельный завод)
ОАО ТКЗ «Красный котельщик» (г. Таганрог)
ОАО "Белгородский завод энергетического машиностроения"
ИК «ЗиО-МАР» (г. Подольск)
ОАО «Бийскэнергомаш» (г. Бийск)
ОАО «Дорогобужкотломаш» (п. Верхнеднепровский)

Технология НТВ-сжигания была признана Минэнерго СССР и ГКНТ СССР перспективной для обновления котельного оборудования электростанций.

В 1987 году приказом Минэнерго СССР (№ 51а от 30.03.87 г.) были начаты работы по созданию серии котлов 75, 220, 320, 420, 640 т/ч с НТВ-топками для технического перевооружения ряда электростанций Урала, Сибири и Дальнего Востока. Однако, в связи с прекращением финансирования в 1990 году все работы по созданию новой котельно-топочной техники были остановлены.

1.2 Принцип работы НТВ-топки

В основу НТВ технологии заложен принцип организации низкотемпературного сжигания груборазмолотого твердого топлива в условиях многократной циркуляции частиц в камерной топке.


Рис. 1 Схема НТВ-топки:
В НТВ-топке (рис. 1) организованы две зоны горения, которые разнесены по ее высоте: вихревая (2) и прямоточная (1). Вихревая зона занимает объем нижней части топки от устья топочной воронки до горелок. Прямоточная зона горения располагается над вихревой зоной в верхней части топки.

Аэродинамика вихревой зоны создается за счет взаимодействия двух организованных потоков: первый поток (а) сформирован из топливно-воздушной смеси, поступающей в топку через горелки; второй поток (b) состоит из горячего воздуха, подаваемого в топку через систему нижнего дутья. Потоки направлены навстречу друг другу и образуют пару сил, создающую вихревое движение в нижней части топки.

В отличие от традиционной технологии пылеугольного сжигания, где основная часть топлива (до 92…96 %) сгорает в так называемой "зоне активного горения", расположенной в районе горелок и занимающей относительно небольшой объем камерной топки, в вихревой топке с НТВ технологией сжигания в "зону активного горения" вовлечен значительно больший объем топочного пространства. Это дает возможность снизить максимальную температуру в вихревой топке (примерно на 100…300 оС) и за счет активной аэродинамики выровнять уровень температуры в объеме вихревой зоны.

Пониженный уровень температуры, ступенчатый ввод окислителя, многократная циркуляция горящих топливных частиц и угрубление гранулометрического состава золы в совокупности обеспечивают улучшенные показатели вихревых топок по вредным выбросам: оксидам азота и серы, а также повышают эффективность работы золоулавливающего оборудования котельной установки.

Снижение генерации оксидов азота в НТВ-топке обусловлено условиями топочного процесса: низким уровнем температуры в зоне активного горения и ступенчатым подводом окислителя к топливу. Максимальная температура продуктов сгорания в классической НТВ-топке не превышает 1100…1250 оС. Вихревая зона топки является практически изотермичной. При таком температурном уровне образуются в основном "топливные" оксиды азота и количество "воздушных" оксидов азота ничтожно мало. Коэффициент избытка воздуха в горелках при НТВ-сжигании зависит от марки топлива и составляет порядка 0,5…0,8. В результате применения НТВ-сжигания удается снизить генерацию оксидов азота в 1,2…2,0 раза в сравнении с традиционной технологией сжигания в прямоточном факеле.

В НТВ-топке созданы благоприятные условия для связывания оксидов серы. Низкий уровень температуры определяет активное связывание оксидов серы основными оксидами (CaO, MgO) минеральной части топлива. Этому процессу способствует увеличение времени пребывания связывающих компонентов в вихревой зоне, а также меньшая оплавленность (то есть большая поверхность реагирования) частиц золы. Применение НТВ технологии сжигания позволяет повысить степень связывания оксидов серы в пределах газового тракта котла на 20…50 % (в зависимости от марки топлива) в сравнении с технологией прямоточного факела. Кроме того, как показывает опыт, условия вихревой топки позволяют эффективно использовать различные сорбенты на основе СаО для повышения степени связывания оксидов серы.

Укрупнение помола топлива при НТВ-сжигании приводит к укрупнению летучей золы уноса. Испытания золоулавливающего оборудования котлов, переведенных на НТВ-сжигание, показали повышение эффективности работы как установок циклонного типа, так и электрофильтров.

НТВ-топка отличается высокой устойчивостью воспламенения топлива, что особенно актуально при сжигании низкосортных топлив. Несмотря на пониженный уровень температуры, благодаря организованной многократной циркуляции горящих коксовых частиц топлива и ступенчатому подводу воздуха в вихревой зоне топки создан устойчивый и надежный механизм, стабилизирующий воспламенение и обеспечивающий выгорание топлива. Важную роль при этом имеет конструктивное исполнение горелочно-сопловых устройств и аэродинамические приемы, обеспечивающие взаимодействие горелочных и сопловых потоков между собой. НТВ-топка позволяет обеспечить эффективное сжигание низкосортных топлив без использования "подсветки" пылеугольного факела газом и мазутом.

Применение НТВ-сжигания позволяет практически полностью исключить шлакование поверхностей нагрева котла и повысить надежность его работы. Пониженный уровень температуры в зоне активного горения снижает количество расплавленных частиц золы, что в сочетании с активной аэродинамикой снижает вероятность возникновения отложений на поверхностях нагрева котла.



1.3. Достоинства НТВ-сжигания

Применение НТВ-технологии позволяет:

• упростить систему подготовки топлива, увеличить её производительность, обеспечить взрывобезопасность, снизить затраты на подготовку топлива к сжиганию, увеличить срок службы размольного оборудования;
• стабилизировать воспламенение и горение и отказаться от "подсветки" факела газом или мазутом даже при сжигании низкосортных топлив;
• обеспечить устойчивый процесс горения вне зависимости от колебаний нагрузки котла и технических характеристик топлива, что унифицирует топку по топливу;
• повысить коэффициент тепловой эффективности топки, что дает возможность увеличить паропроизводительность котла на 15…20 %;
• исключить шлакование и загрязнение топочных и конвективных поверхностей нагрева;
• обеспечить снижение выбросов оксидов азота NOx на 30…50 %;
• обеспечить снижение выбросов оксидов серы SOx на 20…40 % за счет их связывания с основными оксидами золы (CaO и MgO) при благоприятных внутритопочных условиях;
• обеспечить более глубокое связывание оксидов серы за счет ввода в вихревую топку СаО-содержащих добавок.



1.4. Характеристики топлив, опробованных при НТВ-сжигании


НТВ технология сжигания прошла апробацию на широкой гамме твердых топлив, таких как торф, бурые и каменные угли, горючие сланцы, отходы деревообработки и микробиологического производства.

Качественные характеристики опробованных при НТВ-сжигании твердых топлив:
Влажность на рабочую массу,14…75, %
Зольность на рабочую массу,5…50, %
Выход летучих на сухое беззольное состояние,23…90,%
Удельная теплота сгорания,1000…6200, ккал/кг
Содержание серы на рабочую массу, 0,2…3,0, %
Содержание азота на рабочую массу,0,4…2,0, %

1.5. Схемы котельных установок с НТВ-сжиганием

Возможны различные варианты систем подготовки и подачи грубоизмельченного топлива в топку котла при НТВ-сжигании. Выбор схемы подготовки топлива зависит от технических характеристик, реакционных свойств и гранулометрического состава (крупности) топлива. Возможные варианты систем подготовки топлива при НТВ-сжигании приведены на рис. 2.

Для каменных, некоторых бурых углей (с влажностью на рабочую массу Wtr45 %) и горючих сланцев рекомендуется схема, приведенная на рис. 2,а, с использованием молотковых мельниц с воздушной сушкой и упрощенным сепаратором, обеспечивающая умеренное угрубление помола.

Для высоковлажных, высокореакционных топлив (бурые угли, лигниты) используется схема, приведенная на рис. 2,б, с газовоздушной сушкой и бессепараторным размолом топлива в мельницах-вентиляторах. При этом обеспечивается грубый размол топлива, высокая загрузка вихревой зоны циркулирующими горящими частицами топлива, что обеспечивает устойчивое воспламенение и горение топлив с высокой влажностью и пониженной теплотой сгорания. Существенное угрубление помола позволяет поднять производительность пылеприготовительных систем (ППС), резко снизить затраты на размол, обеспечить взрывобезопасность ППС.

Схема, приведенная на рис. 2,в, используется при переводе котла на сжигание грубодробленого топлива. Она дает наибольшую экономию собственных нужд, так как в ней отсутствует энергоемкое мельничное оборудование. Дробленое до размеров частиц менее 25...30 мм топливо с помощью эжекторной системы подается через прямоточные горелки в топку котла. Схема успешно применяется для влажных топлив (фрезерный торф, древесные отходы, лигнин).

Во всех схемах используется типовое оборудование (мельницы, питатели и др.). Приведенные схемы подготовки топлива для НТВ-сжигания прошли широкую проверку в эксплуатационных условиях.

Накопленный опыт позволяет принять оптимальные, прошедшие апробацию технические решения при модернизации действующего и создании нового котельно-топочного оборудования и гарантировать их эффективность.
а)


б)


в)


1 – бункер топлива;
2 – питатель топлива;
3 – устройство подачи топлива;
4 – горелка;
5 – котел;
6 – воздухоподогреватель;
7 – дутьевой вентилятор;
8 – горячий воздух;
9 – первичный воздух;
10 – вторичный воздух;
11 – нижнее дутье;
12 – мельница-вентилятор;
13 – пылепровод;
14 – устройство нисходящей сушки;
15 – горячие дымовые газы;
16 – молотковая мельница;
17 – сепаратор.

Рис. 2 Схемы подготовки топлива для НТВ технологии сжигания
твердых органических топлив:
а) — каменный и бурый угли, сланец; б) — бурый уголь, лигниты;
в) — бурый уголь, торф, отходы сельскохозяйственной, целлюлозно-
бумажной и микробиологической промышленности и т.п.

1.6. Примеры НТВ-сжигания

НТВ-сжигание башкирских бурых углей. Башкирские бурые угли (Бабаевское и Тюльганское месторождения) являются одними из самых низкокачественных углей России. Они относятся к местным низкосортным топливам и сжигаются на Кумертауской ТЭЦ. Для них характерна высокая влажность на рабочую массу, доходящая до 60 %, относительно низкая зольность (Ar = 7...14 %), высокий выход летучих (Vdaf = 65 %) и низкая удельная теплота сгорания (Qir = 1780...2000 ккал/кг).

Сжигание этих углей по технологии прямоточного факела сопряжено с большими трудностями. Применялись различные схемы подготовки этих топлив к сжиганию. Однако ни одна из них, в сочетании с сжиганием по технологии прямоточного факела, не позволила обеспечить требуемую производительность пылесистем, устойчивую работу котлов на угле и номинальную паропроизводительность. Для стабилизации работы котлов использовалось совместное сжигание угля с природным газом, доля последнего составляла 50...70 % по теплу. При этом нагрузка котлов ограничивалась по условиям шлакования топок.

В 1982 году на Кумертауской ТЭЦ котел ТП-14А (паропроизводительностю 220 т/ч; с параметрами пара: давлением — 9,8 МПа, температурой — 540 оС) был переведен на НТВ технологию сжигания.

В проекте реконструкции котла применен вариант схемы НТВ-сжигания с бессепараторным размолом топлива в мельнице-вентиляторе. Схема котла после реконструкции показана на рис. 3.

Опыт эксплуатации котла ТП-14А после реконструкции доказал эффективность НТВ-метода сжигания при сжигании низкосортных башкирских углей. Модернизация котла обеспечила:
1. Устойчивое воспламенение и горение высоковлажных бурых углей во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок D = (0,4...1,0)Dном, что позволило отказаться от совместного сжигания угля с природным газом;
2. Увеличение более чем в 2,5 раза производительности систем подготовки топлива и уменьшение удельного расхода электроэнергии на размол. Увеличение межремонтного срока мельниц в три раза;
3. Полную взрывобезопасность систем подготовки топлива за счет угрубления помола;
4. Работу топки без шлакования и отказ от эксплуатационных средств очистки поверхностей нагрева;
5. Коэффициент полезного действия котла (брутто) на уровне 87...87,6 %. Потери тепла от механического недожога в пределах 0,2...0,6 %;
6. Выбросы оксидов азота NОх на уровне 275...350 мг/м3 (приведенные к =1,4)
7. Выбросы оксидов серы SОх не более 1550 мг/м3 (приведенные к =1,4);
8. Максимальная температура в топке не выше 1260 оС.

После модернизации котел отработал более 100 тыс. час. По итогам освоения НТВ-сжигания низкосортных башкирских углей было принято решение о разработке современного опытно-промышленного котла Е-220-9,8-НТВ для работы на высоковлажных бурых углях. Совместно с ОАО ТКЗ "Красный котельщик" по заявке Минэнерго России разработан проект такого котла. Котел предназначен для замены устаревшего оборудования при модернизации ТЭС.


Рис. 3. Схема котла ТП-14А, переведенного на низкотемпературную
вихревую технологию сжигания башкирских бурых углей:
1 — бункер сырого угля; 2 — питатель сырого угля; 3 — участок нисходящей
сушки; 4 — мельница-вентилятор; 5 — пылегазовая горелка; 6 — устройство
нижнего дутья; 7 — механизированное устройство шлакоудаления;
8 — дутьевой вентилятор; 9 — золоуловитель; 10 — дымосос; 11 — отбор газов
на сушку топлива; 12, 13 — первичный и вторичный воздух, соответственно

Опыт НТВ-сжигания в КНР. Впечатляющий результат был получен при сжигании по НТВ-технологии бурых (в том числе в смеси с каменным) углей КНР на котле BG-65 (паропроизводительность — 65 т/ч; параметры пара: давление — 3,8 МПа, температура — 450 оС) ТЭЦ Бумажного комбината города Инкоу (пров. Ляонин). Отличительная особенность ляонинских углей — низкая теплота сгорания летучих (около 2500 ккал/кг). Для сравнения указанная характеристика для бикинского угля, считающегося одним из самых трудновоспламеняемых бурых углей в России, составляет 4850 ккал/кг, а у большинства углей России калорийность летучих около 5500…10000 ккал/кг.

До реконструкции, несмотря на тонкий помол в шаровых барабанных мельницах, стабильную подачу топлива из промежуточных бункеров в топку с угловым расположением горелок, обеспечить устойчивое горение смеси в топке даже при подсветке факела мазутом (до 50 % по теплу) не удавалось. Работа топки характеризовалась частыми хлопками, непрерывным шлакованием. Нагрузка котла составляла не более 70 % от номинальной. Расход мазута на один котел равнялся 4000...5000 тонн/год, что резко повышало себестоимость вырабатываемой энергии.

В течение 1992 года была выполнена работа по модернизации котла BG-65, с переводом его на НТВ технологию сжигания.

В результате модернизации котла удалось обеспечить устойчивое воспламенение и горение низкосортного топлива и полностью отказаться от подсветки факела мазутом. Максимальную нагрузку на котле удалось поднять на 15 % выше номинальной (до 75 т/ч). Резко возросла надежность работы оборудования, прекратились хлопки в топке, полностью ликвидировано шлакование поверхностей нагрева. Замена шаровых барабанных мельниц с системой промбункера на пылесистемы с молотковыми мельницами, оснащенными малогабаритными инерционными сепараторами, сушкой топлива горячим воздухом и прямым вдуванием позволила резко снизить затраты электроэнергии на подготовку топлива (с 40...60 кВтч/т до 5...6 кВтч/т), обеспечить взрывобезопасную эксплуатацию системы пылеприготовления. Затраты на реконструкцию окупились уже в течение первых 8 месяцев работы котла по НТВ схеме сжигания.

НТВ-сжигание Подмосковного угля. В 2003 году на НТВ схему сжигания был переведен котел БКЗ-220-9,8-510-4 Новомосковской ГРЭС ОАО «Тулэнерго».

Паровой котел Е-220-9,8-510-4 Новомосковской ГРЭС имеет следующие расчетные параметры: номинальная паропроизводительность D = 220 т/ч; давление перегретого пара pпп = 9,8 МПа; температура перегретого пара tпп = 510 оС.

Котел рассчитан для работы на подмосковном буром угле, марки Б2. В связи с ухудшением качества проектного топлива, котлы станции с конца 60-х годов работают только с подсветкой факела резервным топливом — мазутом и газом.

Основные проблемы до реконструкции котла:
1. Невозможность сжигания угля без подсветки факела мазутом.
2. Сильное шлакование поверхностей нагрева.
3. Ограничение нагрузки котла до 160 т/ч.
4. Высокие выбросы оксидов серы SOx.

В проект реконструкции котла были заложены следующие основные технические решения по узлам модернизации:
• замена старой негазоплотной топки на новую (в газоплотном исполнении, специально сконструированную и оснащенную новыми горелочно-сопловыми устройствами для организации НТВ-сжигания);
• применены современные отечественные сертифицированные газомазутные горелки с пониженной генерацией оксидов азота;
• опускная система котла вынесена за пределы обмуровки (изоляции);
• тяжелая обмуровка топки заменена на облегченные базальтовые маты;
• реконструированы сепараторы мельниц (с целью угрубления помола топлива) и пылепроводы;
• котел оснащен современной системой КИПиА.

Основные узлы модернизации изготовлены и поставлены барнаульским котельным заводом.

Общий вид котла после реконструкции показан на рис. 4.

В результате реконструкции котла БКЗ-220-100 с переводом на НТВ-сжигание получены следующие результаты:
1. Обеспечена устойчивая работа котла на Подмосковном буром угле без подсветки факела резервным топливом.
2. Обеспечена работа без шлакования.
3. КПД (брутто) котла составил η=89…91 %.
4. Степень связывания оксидов серы в котле только за счет основных окислов собственной золы топлива составила 40…45%.
5. Выбросы оксидов азота (приведенные к нормальным условиям и  = 1,4) составили NOx=200…250 мг/м3 .
6. Максимальная температура в топке не превышает 1000…1100 оС.
7. Одновременно на котле за счет установки современных отечественных сертифицированных газомазутных горелок и организацией ступенчатого сжигания обеспечена возможность работы котла на газе во всем рабочем диапазоне нагрузок с η=93…94 % при NOx125 мг/м3.


Рис. 4. Общий вид котла БКЗ-220-9,8-510-4 после реконструкции
с переводом на НТВ технологию сжигания подмосковного бурого угля
(продольный разрез)
***
НТВ технология сжигания может быть использована для модернизации и создании новых котлов паропроизводительностью от 35 т/ч и выше при сжигании любых твердых энергетических топлив и отходов производств для котельных и ТЭС.

НТВ технология сжигания может быть реализована в камерных топках с фронтовым, встречным, встречно-смещенным и тангенциальным расположением пылеугольных горелок.

Затраты на реконструкцию котлов с переводом на НТВ технологию сжигания составляют от 5 до 50 USD/кВт (в зависимости от объема модернизации и мощности установки).

Крайне важно то, что НТВ технология позволяет решать проблемы перевода оборудования на сжигание непроектных топлив.

Так, предложенный нами вариант (рис. 5) реконструкции котла БКЗ-420-140-3 Омской ТЭЦ-4 на НТВ-сжигание ирша-бородинского бурого угля (проектное топливо экибастузский каменный уголь) показал возможность обеспечения работы котельной установки без снижения ее производительности.

С другой стороны, вариант реконструкции котла с организацией пылеугольного сжигания в дубль-тангенциальной топке с элементами нижнего дутья, предложенный станции барнаульским котельным заводом, предполагает снижение номинальной нагрузки котла до 350 т/ч (по условиям шлакования).

Ориентировочная стоимость модернизации котельной установки с котлом БКЗ-420-140-3 на НТВ-сжигание в зависимости от объема работ составляет:
в варианте без замены топки — 5,3 USD/кВт;
в варианте с заменой топки на газоплотную — 9,2 USD/кВт.

При этом, вариант с газоплотной топкой обеспечит увеличение КПД (брутто) котла на 3…4 %, резко снизит ремонтные затраты, что позволит окупить дополнительные затраты за 3…4 года.


Рис. 5 Модернизация парового котла БКЗ-420-140
с организацией НТВ-сжигания угля
(вид с фронта и поперечный разрез котла)

Заключение

Накопленный опыт эксплуатации и результаты исследований на более чем 30 котельных установках, позволяет рассматривать НТВ способ сжигания, как перспективную высокоэффективную технологию для модернизации действующих и создания новых котлов.

Хотелось бы еще раз выделить, что главное преимущество НТВ технологии — простота реконструкции, высокие технико-экономические и улучшенные экологические показатели, сравнительно малые затраты.
Низкотемпературная вихревая (НТВ) технология сжигания является современной эффективной технологией энергетического использования твердого органического топлива.