Распределение воздуха и топлива по горелкам котлов

A. H. Алехнович





                РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА И ТОПЛИВА ПО ГОРЕЛКАМ КОТЛОВ




Монография




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.1
ББК 31.361
    А49

Рецензенты:
к. т. н., главный инженер Уральской теплотехнической лаборатории
В.  В. Богомолов;
к. т. н., заслуженный энергетик РФ
В. В. Васильев

    | Алехнович, А. Н7|
А49 ______Распределение воздуха и топлива по горелкам котлов : монография /
     |А. Н. Алехнович. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 128 с. : ил., табл.

           ISBN 978-5-9729-1262-9


     Рассмотрены схемы распределения воздуха и топлива. Приведены решения по оптимизации элементов воздушного тракта, особенности распределения аэросмеси при наличии и отсутствии эффективных пыледелителей. Даны рекомендации по обеспечению равномерности распределения пыли и воздуха.
     Для специалистов в области энергетики. Может быть полезно студентам электроэнергетических направлений подготовки.


                                                                      УДК 621.1
                                                                      ББК 31.361

















ISBN 978-5-9729-1262-9

     |© Алехнович А. Н|, 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        Введение


    В 70-е годы автор совместно с коллегами из УралВТИ и СибОРГРЭС выполнил успешную наладку реконструированного котла ПК-40. Через год ожидалось, что названный «оптимизированным» второй вариант реконструкции обеспечит ещё лучшие показатели, однако при первых пусках работа котла оказалась хуже. Проекты в том числе отличались тем, что во втором варианте были применены прямоточные пылеугольные горелки вместо вихревых. Такое решение для реакционных кузнецких углей, как показал последующий опыт на котлах разных конструкций, оправдало себя, но в данном конкретном случае повлекло повышение неравномерности распределения воздуха и, как результат, снижение экономичности и устойчивости работы котла. Увеличение сопротивления горелок путём установки в подводящих воздуховодах дросселирующих решёток в процессе наладки перевело котёл, по определению проверявшего специалиста из министерства, из разряда «на котором можно работать» в разряд «на котором хотелось бы работать».
    Приведённый частный случай согласуется с высказываниями о том, что проблемный котёл от хорошо работающих часто отличается только неудовлетворительным распределением воздуха и топлива, основная наладка на котле в большинстве случаев сводится к обеспечению заданного¹* и нахождению оптимального распределения воздуха и топлива.
    Степень равномерности распределения топлива и воздуха по отдельным горелкам влияет на заполнение топочного объема, воспламенение и выгорание топлива, формирование температурных и газовых полей. Эти факторы, в свою очередь, определяют температурный режим работы радиационных и конвективных поверхностей нагрева, их шлакование и коррозию, образование в топочной камере оксидов азота, никакие мероприятия по внедрению новых технологий сжигания не дают ожидаемого эффекта, в случае если не будет обеспечено заданное распределение расходов топлива и воздуха по горелкам, развитие топочной техники порождает необходимость расширения круга возможных решений [1-4].
    В настоящее время актуальность вопроса обеспечения рационального распределения воздуха и топлива существенно возросла, что связано со следующими факторами.

¹ «Заданное распределение» - автор использует этот термин как более общий по сравнению с «равномерное распределение» с учётом практически повсеместной практики организации нестехиометрического и ступенчатого сжигания для снижения оксидов азота.

3

    Внедрение внутритопочных (технологических) методов снижения оксидов азота, которые, по сути, сводятся к созданию зон с восстановительной атмосферой или низкими избытками воздуха, усложнило достижение хороших показателей по выгоранию, обеспечению бесшлаковочной и без-коррозионной работы топочных камер. Незаданное, неравномерное распределение воздуха и топлива дополнительно ухудшают ситуацию.
    Традиционное сжигание менее критично к оптимальности распределения топлива и воздуха. Основное котельное оборудование на отечественных станциях старой постройки и конструкции, топливо - воздухос-набжение которых обычно не приспособлено для современных методов сжигания топлива.

        1. Коротко о КПД котлов, шлаковании и коррозии поверхностей

    Коэффициент полезного действия котла (брутто) дк как доля полезно использованного от поступившего (располагаемого) тепла Ор по обратному балансу определяется как
Дк = 100 - q2 - Дз -q4 — qs - qe,
где q2 * qe - доли потерь тепла в котле разной природы.
    Потеря с теплом шлака q6шл отсутствует при сжигании газообразного топлива и по отчётности станций не зависит от состояния оборудования и уровня его наладки для пылеугольных топок. Она обычно не учитывается ^бшл < 0,07 %) для топок с твёрдым шлакоудалением при зольности угля менее Ar<Qir/100 (где Qir - низшая теплота сгорания в рабочем состоянии в ккал/кг) и рассчитывается при неизменных значениях коэффициента шлакоулавливания Зшл = 0,05 (если нет результатов специальных исследований), температуры шлака 1шл = 600 °C и теплоёмкости (с-1)зл = 133,8 ккал/кг при большей зольности:
q6шл = ашл-(с-1)зл-Аг/Ор = 6,69-Ar/Qp, %.      (1.1)
    Потеря тепла от наружного охлаждения qs тоже невелика. Обычно она не определяется в неспециальных исследованиях и в отчётности принимается в зависимости от производительности котла (корпуса) по приводимому в нормативном методе графику [5,6]. В интервале номинальной паропроизводительности Оном = 42-250 кг/с её можно рассчитать по приводимому ниже полиному
           qs = (0,8-3,825-10-³-Юном + 5,725-10'⁶-Оном²)-Оном/О, %. (1.2)

4

    При Dhom > 250 кг/с (900 т/ч) принимается qs = 0,2 %.
    Потеря тепла от механической неполноты горения q4 отсутствует при сжигании газообразного топлива и составляет существенную долю при пылеугольном сжигании низкореакционных топлив (порядка 5 + 7 % при сжигании углей Т и антрацита [6]). Она определяется недожогом топлива в уносе и в шлаке + провале. Помимо совершенства топочно - горелочных устройств и их соответствия качеству топлива эта потеря, зависит от уровня наладки. Это касается помола, распределения топлива по горелкам и общего содержания воздуха, присосов холодного воздуха и распределения организованно подаваемого воздуха по горелкам и соплам.
    Величина q4 в технической системе единиц (при выражении теплоты в ккал/кг) рассчитывается по формуле:
(a --------Гшл₊ₙₚ  , п-----Гу^_. 7 ₇⁸°₀.Ar
         q⁴   ⁽“^⁺„Р 100-Гшл+„р ⁺ ,у" 100-Гун )   Qp ’ %-      ⁽¹.³⁾
где ашл+пр, аун - доли золы топлива в шлаке, провале и уносе, %; Гшл+пр, Гун - содержание горючих в шлаке, провале и уносе, %.
    Потеря тепла от химической неполноты сгорания (недожога) q3 обусловлена суммарной теплотой сгорания продуктов неполного горения, остающихся в уходящих газах. В технической системе единиц потеря рассчитывается как:
q3= 100-Ус.г • (30,18 • CO + 25,79 • H2+ 85,55 • CH4 +
+ 141,1 • CnHm)/Qp, %,                 (1.4)
где CO, H2, CH4, CnHm, % - содержание продуктов неполного горения; Ус.г, м³/кг - объём сухих продуктов горения.
    В результате нарушения заданного соотношения топливо-воздух в горелках не только ухудшается устойчивость воспламенения и снижается полнота выгорания топлива (рост q4 + q3), но и увеличивается выход токсичных продуктов сгорания, один из наиболее устойчивых и токсичных из которых - бенз(а)пирен [7]. Выбросы бенз(а)пирена при сжигании топлива на ТЭС значительно ниже предельно допустимой концентрации и электростанции вносят незначительный вклад в загрязнение воздуха этими веществами [7]. По нормативным документам концентрация СО не должна превышать 300-400 мг/м³ в зависимости от вида сжигаемого топлива [8, 9].
    Проблема актуальна из-за практики сжигания газа с недопустимо низкими избытками воздуха при высокой неравномерности его распределения. Пропагандируемая в последние годы политика снижения выбросов

5

оксидов азота в режимах контролируемого химического недожога, по мнению автора, не оправдана из-за практически отсутствия необходимого контроля.
    Потеря тепла с уходящими газами q2 определяется как разность теплосодержания продуктов сгорания на выходе из последней поверхности нагрева котла Iух и холодного воздуха (1о.прс и 1о.х.в). В наиболее простом виде (при равенстве температур холодного воздуха на входе в воздушный тракт и присосов) расчётная формула имеет вид:

q2 = (Iух-аух ■ Iхв) ■ (100-q₄)/Qp, %,

(1.5)

где /ух, (ккал/кг и ккал/м³) - энтальпия уходящих газов при избытке воздуха аух и температуре Зух;
Iх.в, (ккал/кг и ккал/м³) - энтальпия холодного воздуха.
    При отклонении распределения воздуха и топлива от заданного увеличивается оптимальный избыток воздуха и, соответственно, эксплуатационный по тракту котла, что ведёт к росту потерь тепла с уходящими газами.
    Пример распределения потерь тепла по видам на пылеугольном и газовом котлах показан на рис. 1.1, на котором более тёмным фоном выделены показатели, которые зависят от уровня наладки котла, равномерности распределения топлива и воздуха. Очевидно, что в эту группу по-

падают все потери, определяющие уровень экономичности котла.

Рис. 1.1. Пример распределения потерь тепла по видам: А - котёл Е-550 уголь, Б - котёл ТГМП-114 газ

    Шлакование котлов. В узком, научном плане, под шлакованием понимают процесс образования в котле с огневой стороны прочных отложений из минеральной части топлива путём налипания заметного количества частиц и последующего упрочнения отложений за счёт спекания и

6

химических реакций. На практике к шлакованию относят образование отложений по разным механизмам, приводящее к затруднениям в работе котла, снижению теплообмена или требующее применения средств очистки.
    Аварийное шлакование возникает при несоответствии конструкции котла и качества топлива (например, недостаточная высота топки в проектном исполнении котла П-49 для назаровского угля, П-50 для АШ). Локальное шлакование связано с неоптимальной конструкцией отдельных элементов (расположение выступающих в топочный объём элементов горелок, неохлаждаемых поверхностей в зоне высоких температур и другие). Известны также примеры аварийного шлакования котлов удачных конструкций из-за длительной работы в неоптимальных режимах, прежде всего, с низкими избытками воздуха (котёл П-57).
    Во многих, если не в большинстве случаев, шлакование связано с плохой наладкой котла, неравномерность распределения топлива и воздуха при которой играет важную роль. Хорошей иллюстрацией значимости распределения топлива может служить опыт эксплуатации котлов ПК-39, сжигающих нешлакующий экибастузский уголь. На котлах Троицкой ГРЭС, оборудованных системой с промежуточным бункером пыли, несмотря на очевидные конструктивные недостатки (близкое расположение горелок к четырёхскатному поду из горизонтальных труб), проблема шлакования не возникала. На таких же котлах с прямым вдуванием пыли других электростанций проблема весьма актуальна вплоть до настоящего времени.
    Шлакование возникает или усиливается при неравномерном распределении топлива и воздуха в силу следующих факторов:
     - рост локальных температур. При увеличении температуры сильнее упрочняются образовавшиеся отложения за счёт спекания (увеличение перемычек между закрепившимися частицами и уменьшение пористости массива отложений). При росте температуры в высокотемпературном диапазоне достигается определённое значение, получившее название «температура начала шлакования» кл, при превышении которой в потоке летучей золы образуется достаточное количество липких частиц для формирования собственно шлаковых отложений. При дальнейшем увеличении температуры рост отложений быстро интенсифицируется. Примеры влияния температуры на рост и прочность отложений показаны на рис. 1.2, 1.3.

7

Рис. 1.2. Изменение интенсивности шлакования неохлаждаемого зонда при сжигании ряда углей в энергетических котлах.
Угли: 1 - майкубенский 3Б, 2 - кузнецкий 2CC0KII, 3 - челябинский 3Б, 4 - минусинский Д, 5 - кузнецкий Т, 6 - экибастузский KCH



            900 1000       1100 1200 3, °C


Рис. 1.3. Зависимость прочности отложений на разрыв в условиях формирования ар¹ от температуры газового потока &.
Угли: 1 - берёзовский Ad = 7,5 %, 2 - азейский, 3 - подмосковный, 4 - кузнецкий Г, 5 - экибастузский Ad = 38 %


     Неравномерность распределения пыли по пылепроводам в определяющей мере влияет на температурное поле в топке. В испытаниях УралВТИ (рук. Кузнецов А.Ю.) максимальная Agmax = 100-(Gmax-Gmin)/GCp = = 100'(gmax-gmin)/, % (средняя Ag= 100 ■ ^экс^ср|Юср, %) неравномерность

8

распределения пыли на двух пылесистемах котла КВТ-128 была уменьшена с Agmax = 60-84 %, Ag = 31-50 % до Agmax = 30-34 %, Ag = 18-21 %. Здесь Gmax, Gmin, G₃kc, Gcp - максимальный, минимальный, экстремальный и средний расход на пылепровод, gi = Gi/XGi.
     При этом измеренная оптическим пирометром по периметру топки на отметке 8 м разница температур факела снизилась с A3 = 205 °C до A3 = 60 °C (относительная неравномерность температурного поля (3max-3min)/3cp уменьшилась от 0,13 до 0,065). Результаты наладки реконструированного с повышением мощности котла Е-65 обеспечили уменьшение неравномерности распределения пыли с 8gmax = 60-95 %, 8g = 3060 % до 8gmax= 16-28 %, 8g = 8-17 %; разницы температур факела с A3 = = 205 °C до A3 = 70 °C (относительная неравномерность температурного поля (3max-3min)/3cp уменьшилась от 0,13 до 0,034. Графически результаты исследований на котле Е-65 показаны на рис. 1.4;

Рис. 1.4. Распределение пыли по пылепроводам котла Е-65 (реконструирован на Е-75) до (а) и после (б) наладки. Поле температур в плане топки до (а’) и после (б’) наладки

9

     - усугубление шлакующих свойств летучей золы. Минеральная часть углей и, соответственно, образующаяся при сжигании топлива летучая зола содержит элементы, придающие расплаву золы противоположные свойства. Элементы, которые относят к кислым (в частности, их оксиды в воде показывают кислую реакцию) кремния, титана и алюминия относятся к комплесообразователям, увеличивающим вязкость расплава и при большом содержании уменьшающие шлакующие свойства. Элементы основного состава (кальций, магний, калий и натрий) являются модификаторами сетки, уменьшающими вязкость. Железо имеет амфотерные свойства и находится в двух- и трёхвалентной форме. Форма железа зависит от состава золы и среды. При низком избытке или недостатке воздуха оно выступает как модификатор сетки и для углей с высоким содержанием кислых компонентов может заметно уменьшать температуру начала шлакования. Так, температура начала шлакования экибастузского угля в конкретных опытах измерена 1190-1220 °C и уменьшается до 1120 °C, как это характерно для более шлакующих углей. Недостаток воздуха для подобных углей также приводит к увеличению спекаемости летучей золы (рис. 1.5) и росту прочности отложений. Для углей с высоким содержанием компонентов основного состава типа канско-ачинских температура начала шлакования от избытка воздуха заметно не зависит, и усиление шлакования в зонах низких избытков связано только с ростом температуры факела.

Рис. 1.5. Прочность при спекании летучей золы экибастузского угля при работе котла с разными избытками воздуха

     Низкие избытки воздуха затягивают процесс выгорания пирита, что в совокупности с наличием двухвалентного железа способствует образованию весьма прочных железистых отложений (содержание железа более 70 %, коэффициент линейного расширения близок к стали, что предотвращает их саморасшлаковку при останове оборудования и затрудняет рас-шлаковку средствами очистки). В ряде случаев это наиболее отрицательный момент работы с низкими избытками воздуха.

10