Обзор котельного оборудования и технологий сжигания угольного топлива

Угольные котлы малой мощности, выпускаемые отечественными котлостроительными заводами, можно условно разделить на три группы в зависимости от тепловой мощности и типа топочных устройств.

Первая группа включает угольные котлы с ручными топками единичной мощностью до 300−500 кВт. Номенклатура таких котлов представлена рядом отечественных котлостроительных заводов (КВр-0,2 КБ, КВ-0,25−90Н, КВр-0,29 КБ, КВС-0,4−95Р, КВ-0,4−95Н, КВр-0,46 КБ-Н, КВр-0,5 и др.). Эффективность работы таких котлов относительно невысока и характеризуется КПД 60−70%, но только на сортированных каменных углях с малой зольностью, влажностью и высокой теплотой сгорания.

Вторая группа включает котлы с механическими топками (с шурующей планкой, подвижной горизонтальной колосниковой решеткой, наклонной переталкивающей решеткой и др.). Отечественными котлостроительными заводами представлена достаточно широкая номенклатура таких котлов (КВ-Р-0,63−95, УСШВ-1−14СП, КВр-0,715, КВм-1,16КсТЩП, КВ-Р-2,0−95(ТЛП), КЕВ-2,5−14−115-СО, КВ-Р-1,6−95 (ТЗП-РПК), КВ-Р-1,5−95Н, КВ-1,25−95 ОШп, КРZ-800, КWZ-1000-W и др.). Использование котлов с механическими топками в совокупности с устройством механизированного угольного склада и механизированными системами углеподачи и шлакозолоудаления, газоочистки может существенно повысить технико-экономические, экологические показатели, а также санитарно-гигиенические условия работы эксплуатационного персонала. Так, по данным заводов-изготовителей КПД таких котлов может достигать 80% и более на высококачественных сортированных углях. Однако при работе котлов с механическими топками на бурых и каменных углях низкого качества (зольность и влажность — более 20−30%, теплотворная способность — не более 3000−4000 ккал/кг, крупность кусков — от 1 до 40−50 мм), КПД не сможет превышать 65−70%.

Это объясняется химическим составом угля и природой его горения. В отличие от газа и жидкого топлива, горящего в объеме гомогенно, горение угля является поверхностным (гетерогенным). Эффективность такого горения в существенной степени зависит от полноты омывания поверхности куска угля окислителем (кислородом из воздуха). При слоевом сжигании кусок угля лежит на подвижном или неподвижном основании и поверхность соприкосновения имеет плохой доступ к кислороду. Кроме того, часть поверхности куска угля соприкасается с соседним куском. Все это обуславливает неполный контакт поверхности куска угля с кислородом, а значит не достаточную эффективность процесса окисления (горения).

Вторым фактором, усложняющим процесс гетерогенного горения, является то, что уголь состоит из горючих элементов (углерода, водорода, серы) и негорючего балласта (в основном глинозем, кремнезем), являющегося источником образования золы и шлака. Горючие составляющие и негорючий балласт равномерно распределены по объему куска угля и, вследствие этого, при горении на поверхности куска образуется корочка шлака и золы, препятствующая доступу кислорода к несгоревшим горючим элементам внутри куска.

Изложенные факторы предопределяют наличие значительного до 30−40% механического недожога. Относительное перемешивание угля в ручных топках с помощью шуровки или в механических топках является недостаточным для полного выгорания горючих в угле, поэтому уже во второй половине прошлого века стала находить широкое применение технология сжигания твердого топлива в «кипящем слое». Ее сущность состоит в том, что кусок угля горит не на поверхности, а во взвешенном, псевдосжиженном состоянии, создаваемом потоком воздуха. Поднимаясь под напором воздуха и опускаясь вниз под действием силы тяжести, кусочек угля постоянно витает в топочном пространстве. При этом вся поверхность куска эффективно омывается кислородом, а образующаяся при горении корочка шлака сбивается за счет трения кусков друг о друга.

Котлы, использующие данную технологию, относятся к третьей группе котлов малой мощности.

В теплоэнергетике получили распространение несколько разновидностей технологий горения топлива в «кипящем слое» (циркулирующий, низкотемпературный, высокотемпературный и др.). Анализ современных разработок по созданию котлоагрегатов с «кипящим слоем» и опыт их внедрения в области теплоснабжения показал, что наиболее адаптивной применительно к условиям коммунальной энергетики является технология высокотемпературного кипящего слоя [1−3]. Котлы, реализующие такую технологию, обладая всеми достоинствами «кипящего слоя» (высокая степень выгорания горючих, хорошая маневренность и пусковые характеристики), одновременно характеризуются простотой конструкции, надежностью, долговечностью, ремонтопригодностью, удобством управления.