Характеристика и принцип работы трехходовоого водогрейного жаротрубно-дымогарного котла с топкой полукипящего слоя для сжигания низкосортных углей

Многоходовыми (двух-, трехходовыми) или оборотными называют жаротрубно-дымогарные котлы, в которых дымовые газы при своем движении вдоль продольной оси котла один или два раза изменяют направление своего движения на 180 °C. Эти котлы ранее применялись на морских судах и их отличала развитая поверхность теплообмена при относительно небольших габаритах; легкость очистки поверхности нагрева от золовых отложений; возможность полностью изготовить котел в заводских условиях из металла и сократить до минимума время монтажа. За рубежом большинство котлов мощностью 1ч5 МВт выпускаются именно многоходовыми жаротрубно-дымогарными; некоторые российские котлостроительные компании (российско-финское предприятие ЗАО СП «ЗиОСАБ», ОАО «Белэнергомаш» и др.) также перешли на выпуск многоходовых жаротрубно-дымогарных котлов. Однако, поставляемые на отечественный рынок многоходовые жаротрубно-дымогарные котлы предназначены для сжигания, как правило, природного газа или жидкого топлива.

Из твердотопливных многоходовых жаротрубно-дымогарных котлов известен водогрейный котел «Кивиыли», который ранее выпускался Эстонским сланцехимическим комбинатом «Кивиыли», а теперь, по нашим данным, изготавливается рядом мелких котлостроительных предприятий Эстонии. Однако, этот котел был снабжен устанавливаемой в жаровой трубе стандартной чугунной колосниковой решеткой и предназначался для сжигания сортированных каменных углей.

Но, на угольные склады коммунальных котельных обычно поступают рядовые, сильно заштыбленные угли, угли со сверхнормативной зольностью и влажностью. При сжигании таких углей в неподвижном слое на стандартной колосниковой решетке часть топлива теряется с провалом через ее широкие щели, часть топлива шлакуется и теряется с выгребом из-за «кратерного» горения. В таком режиме уголь горит только в месте выхода воздуха из щели, т.к. угольная мелочь препятствует проходу воздуха под слоем топлива, образуется «кратер», вокруг него образуется слой воздухонепроницаемого шлака, который препятствует доступу воздуха к остальному углю, при чистке топки этот несгоревший уголь кочегар вынужден выгребать вместе со шлаком. Исследования эстонских специалистов показали, что КПД котла со стандартной чугунной колосниковой решеткой для сжигания рядовых углей в неподвижном слое в лучшем случае достигает 55%.

За рубежом, например, в Великобритании, предложен ряд конструкций многоходовых жаротрубно-дымогарных котлов для сжигания рядовых углей в низкотемпературном кипящем слое.

При сжигании в низкотемпературном кипящем слое необходимо обеспечить:

• — температуру в слое в пределах 800−900С (при температуре слоя ниже 800С горение угля неустойчивое, а при температуре слоя выше 900С возможно плавление золы, образование шлаковых агломератов и прекращение «кипения»);
• — снижение уноса частиц топлива из слоя (унос может достигать до 40% от вводимого в топку углерода);
• — обеспечить строго дозированную подачу топлива в слой, чтобы содержание горючих в нем в любой момент времени не превышало 5−7% от объема слоя (опять же из-за опасности спекания).

При этом уголь надо дробить, чтобы в топку не попали куски размером более 13−15 мм и строго регулировать высоту слоя, автоматически удаляя золу шнеком из-под воздухораспределительной решетки, или вводить дополнительно в топку инертный (негорючий) материал (например, песок), если уголь малозольный и надо восполнить убыль материала в слое (как уже отмечалось, слой на 93−95% состоит из инертного материала).

Чтобы механизировать и автоматизировать весь процесс подготовки топлива, его сжигания и удаления золы требуется много электрифицированных механизмов, например, для котла КС-500 (тепловая мощность 0,37 МВт) применено 8 электрифицированных механизмов (шнеков, дробилок, питателей, транспортеров, вентиляторов, дымососов), что резко увеличивает стоимость котельной установки и снижает ее надежность. Однако, вся эта механизация и автоматизация не гарантирует бесшлаковочной работы топки котла (в слое могут возникнуть «очаги кипения» и застойные зоны, в слой могут попасть куски породы с относительно низкой температурой плавления и т. п.). Поэтому, в слой начинают подавать воду для его охлаждения или сжигать водо-угольную суспензию. Но, в этом случае требуется помол угля до 15−50 мкм, в суспензию надо вводить специальные химические добавки, чтобы исключить расслоение суспензии. Кроме того, как показал опыт и исследования ученых из Екатеринбургского ГТУ, температурный диапазон работы топки еще более сужается (для кизеловского, нерюнгринского, донецкого угля он составляет всего 890−910°С), и надо строго следить за высотой слоя инертного материала.

Для эффективного, надежного и малозатратного использования рядовых, заштыбленных углей в коммунальных котельных нами была разработана технология сжигания в полукипящем слое, а также котельные установки, ее реализующие.

Полукипящий слой представляет собой промежуточное, переходное состояние между неподвижным и кипящим слоем угля. Т.к. рядовой уголь полидисперсный, т. е. состоит из кусков размером от 0 до 300 мм, то при продувке его воздухом, а также по мере увеличения расхода газообразных продуктов горения, выделяющихся при сжигании угля, мелкие кусочки угля размером от 0 до 15 мм начинают двигаться в промежутках между неподвижными крупными кусками угля. Все это в целом образует полукипящий слой. Мелкие куски угля горят быстро, за счет тепла, выделяющегося при их горении, прогреваются крупные куски. Кроме того, при движении мелкие кусочки угля счищают с крупных шлаковую корку, обеспечивая доступ кислорода к их внутренним слоям, интенсифицируя процесс горения топлива и его полное выгорание. Нами установлено, что в полукипящем слое развиваются температуры до 1800С и более, шлак при особом воздухораспределении получается пористым и воздухопроницаемым (нет препятствия доступа кислорода воздуха к частицам угля, попавшим в шлак), поэтому в полукипящем слое топливо зольностью до 80% и влажностью 55−70% выгорает на 93−99%. Также было установлено, что при сжигании в полукипящем слое снижаются выбросы вредных (загрязняющих) веществ в окружающую среду: выбросы золы и шлака сокращаются в 2,0−2,5 раза (в сравнении с сжиганием в неподвижном слое) — за счет более полного выгорания топлива, выбросы окислов азота не превышают 60−70% от ПДВ — за счет восстановления части образовавшихся при горении окислов до молекулярного азота углеродом топлива при фильтрации через его слой газообразных продуктов горения. Выбросы окиси углерода находятся на уровне ПДВ, т.к. за счет высокой температуры горения процессы окисления углерода протекают быстро и в достаточной степени полно.

Технология сжигания угля в полукипящем слое не требует предварительного дробления, грохочения и сортировки топлива, возможна ручная подача топлива в топку, также вручную из топки можно удалять золу и шлак.

Нами установлены оптимальные условия для сжигания угля в полукипящем слое: коэффициент избытка воздуха в слое горящего топлива и диапазон значений чисел псевдоожижения.

Технология сжигания в полукипящем слое реализована нами в конструкции трехходового жаротрубно-дымогарного стального горизонтального водогрейного котла. Первый котел был введен в эксплуатацию в 1997 году.

Внешний вид котла представлен на рис. 1, 2, а его схема — на рис. 3. Котел состоит из цилиндрического корпуса, в котором размещена жаровая труба с приваренными к ней воздухораспределителями, выполненными в виде перфорированных профилей (уголок или швеллер). Уголь горит непосредственно на водоохлаждаемой жаровой трубе, с толщиной слоя 10ч20 см. В заднюю стенку жаровой трубы вварен пучок коротких дымогарных труб, который образует первый ход дымовых газов. Своим вторым концом эти трубы вварены в заднюю дымовую коробку, где дымовые газы поворачивают на 180° и по второму пучку длинных дымогарных труб (второй ход дымовых газов) поступают в переднюю дымовую коробку. Здесь они опять разворачиваются на 180° и по дымоходу (третий ход) поступают в боров котельной или к дымососу. Диаметр труб первого и второго хода 57 мм, диаметр дымохода третьего хода-350 мм. Диаметр жаровой трубы 1350 мм для котлов мощностью 0,7 и 1,0 МВт и 1500 мм для котла мощностью 1,5 МВт. Поверхность нагрева котла мощностью 0,7 МВт составляет: радиационная — 11,5 м², конвективная — 17,54 м², котла мощностью 1,0 МВт: радиационная — 11,5 м², конвективная — 48 м², котла мощностью 1,5 МВт: радиационная — 14 м², конвективная — 63,2 м². Увеличение конвективной поверхности нагрева для котлов мощностью 1,0 и 1,5 МВт вызвано стремлением снизить потери тепла с уходящими газа при наборе котлом мощности (при выходе на режим), когда кочегар, стремясь сократить время выхода на режим, может загрузить в топку котла большое количество угля.

дымогарный низкотемпературный жаротрубный котельный.

Конвективная поверхность нагрева котла выполнена из прямых труб, которые через люки, расположенные на торцевых стенках котла, можно очистить от золы. Опыт показал, что золовые отложения содержат мало аморфного углерода (сажи) — за счет хорошего выгорания топлива, а потому они сыпучие и относительно легко удаляются. В зависимости от вида сжигаемого угля необходимость очистки поверхностей нагрева от золы возникает от 1 раза до 3−4 раз за сезон. Продолжительность очистки составляет 1,5ч2 часа. Котлы изготавливаются из стали 09Г2С, толщина листа 10−12 мм. Котлы монтируются на раме и устанавливаются на бетонную стяжку, устройства специального фундамента под котлы не требуется. Для тепловой изоляции котлы закрыты кожухом, изолирующим элементом служит воздушная прослойка между корпусом котла и кожухом, поэтому обкладывать котел кирпичом не требуется.

Испытания котлов на разных углях (Подмосковный, Кузнецкий, Донецкий, Интинский и др.) в основном рядовых, а также отсеве показали, что потери тепла с уходящими газами не превышают 17−18%, потери тепла от механической неполноты сгорания и с физическим теплом шлака не превышают 3−3,5%, от химической неполноты сгорания не превышают 0,5% и в окружающую среду — 2,5−3,0%. Т. е. КПД котла не ниже 75%, что на 20% и более выше, чем у котлов со стандартными колосниковыми решетками для сжигания углей в неподвижном слое.

Жаротрубно-дымогарные котлы вообще и описаваемый котел, в частности, имеют важное преимущество при их эксплуатации в котельных, не оборудованных системой химводоподготовки, или эти системы работают неэффективно.

При эксплуатации водотрубных котлов обычно возникает проблема их быстрого выхода из строя из-за прогорания труб при их забивании песком, илом, накипью и продуктами коррозии. Анализ известных конструкций водотрубных котлов показывает, что при работе на воде, не прошедшей даже стадию фильтрации от взвеси (что весьма характерно для многих котельных малых городов, поселков и сел, где нет системы водоподготовки или она не действует), предотвратить отложение в трубах песка, или накипи невозможно. Даже если во входном патрубке котла вода движется со скоростью, достаточной для исключения выпадения в осадок взвешенных в воде веществ, при разбивании потока на множество параллельных труб скорость в них снижается так, что выпадение осадка в этих трубах, а, следовательно, и их последующее забивание неизбежно.

Разработанный же нами котел имеет более высокую надежность при работе на не фильтрованной и химически неочищенной воде. В котле создаются два контура естественной циркуляции: первый — вокруг жаровой трубы за счет более сильного прогрева воды в водоподъемных трубах, установленных в жаровой трубе и второй — между водой, омывающей жаровую трубу и водой, омывающей дымогарные трубы. Эти два потока препятствуют росту накипных и прочих отложений на поверхности нагрева котла. Это обстоятельство подтверждено практикой. Один из котлов мощностью 0,7 МВт был пущен в эксплуатацию в 1998 г. Из-за постоянных утечек в системе отопления котел в течение четырех сезонов работал с постоянной подпиткой (примерно 7%). Подпиточная вода никакой обработке не подвергалась. В 2002 г. котел вскрыли. Был обнаружен шлам в пространстве между жаровой трубой и корпусом котла и в пространстве под дымогарными трубами в количестве примерно 15 кг. Накипи на нижней части жаровой трубы не было обнаружено, а толщина накипных отложений на верхней части жаровой трубы не превышала 1,0−1,5 мм. Водоподъемные трубы были чистыми (рис. 4), на поверхности дымогарных труб, омываемых водой, был налет ржавчины (рис. 5). На котле не было обнаружено коррозионных повреждений, утончения стенок труб, корпуса котла и жаровой трубы. Воздухораспределительные уголки (рис. 6), проработавшие четыре сезона в тяжелых высокотемпературных условиях, не прогорели, не деформировались и были признаны годными к дальнейшей эксплуатации. После удаления обнаруженных накипных отложений котел был собран и вводится в эксплуатацию. Скопления шлама можно было бы избежать, если бы эксплуатационный персонал строго следовал инструкции на котел и проводил его периодическую продувку через дренажный вентиль.

В заключении заметим, что разработанные котлы сертифицированы под твердое топливо и под газ. При работе на газе котел комплектуется газовой горелкой, которая устанавливается на специальной фурме сбоку котла. При работе на газе котел оборудуется взрывным клапаном. КПД котла при работе на газе 91%. Установка газовой горелки не на торцевой стенке, как это обычно бывает, а сбоку котла, обеспечивает круговое движение газового факела по жаровой трубе и исключает прогорание или растрескивание задней стенки жаровой трубы, что может наблюдаться даже при установке короткофакельных горелок.