Угольные котельные

Особенности угольных котельных:

Использование угля в качестве топлива очень удобно и экономически выгодно в районах, расположенных вблизи мест добычи угля. Стоимость котельных, работающих на угле, несколько превышает стоимость изготовления котельных на других видах топлива за счет необходимости устройства дополнительных линий топливоподачи, склада для хранения и системы золоудаления. Но при этом, вложения в изготовление и строительство угольных котельных окупаются за счет дешевизны топлива и его высокой теплотворной способности.

Основные преимущества:

• Автономность - независимость от магистральных энергоресурсов;
• Экономическая эффективность, КПД угольной котельной составляет 84%;
• Доступность и невысокая стоимость угольного топлива;
• Возможность комплектования различными типами котлов;
• Эффективное сжигание низкокачественных углей;
• Невысокая стоимость строительства котельной и низкие эксплуатационные расходы;
• Небольшое количество обслуживающего персонала;
• Бесперебойная работа в сложных климатических условиях;
• В отличие от газовой, строительство угольной котельной не нужно согласовывать в огромном количестве инстанций.

Основные недостатки:

• Требуются значительные площади для хранения угля;
• Невысокий уровень экологичности топлива;
• Необходимость проведения очистки дымовых газов;
• Необходимость ежедневной очистки топки;
• Необходимость постоянного контроля над процессом горения;
• Ранее была ещё и проблема с выбросами вредных веществ в атмосферу, однако сейчас она легко решается системой фильтров. 

Современные угольные котельные — это преимущественно механизированный вариант: то есть, топливо (уголь) попадает в котёл из бункера, куда оно в свою очередь перемещается на специализированном конвейере из элеваторов. Участие человека в данном случае минимально, а дополнительные фильтры, золоуловители и прочие системы позволяют в таком же полуавтоматическом режиме удалить из агрегата продукты горения. Пользуются спросом и автоматизированные угольные котельные, оснащённые сложными системами автоматики и контроля. Наличие сигнализаций, датчиков и индикаторов делает их не только удобными и простыми в обращении, но и достаточно безопасными.

Данный вид твердого топлива – самое дешевое в нашей стране горючее. Использование угля по сравнению с применением жидкого или газообразного топлива не требует герметичных высоконапорных перекачивающих и подающих систем и резервуаров: хранение и подача угля на сжигание – менее взрывопожароопасная операция, чем аналогичные процессы с жидким и газообразным топливом; самая высокая калорийность горючей части; более простое топливное хозяйство.

Особенности сгорания:

Известно, что любое углеводородное топливо, включая и уголь, горит в газообразном состоянии. При этом эффективность процесса горения (т. е. наибольшее количество получаемой тепловой энергии) наряду с другими факторами определяется соотношением углерода и водорода (С/Н) в горючей части топлива.

Однако, в отличие от газообразного или жидкого углеводородного топлива, на качество процесса горения угля и количество получаемой при этом энергии большее влияние оказывает структура горючего, форма и размеры угольных частиц, влагосодержание угля и другие факторы.

Для первичного нагрева, прогрева и воспламенения угольных частиц требуется подвод тепловой энергии – так называемая подсветка – в противном случае процесс горения прекращается. Горение угля начинается тогда, когда достигается температура окисления углерода (около +950...+1050 °С), а газообразные продукты, образовавшиеся в результате выхода летучих веществ, не препятствуют доступу кислорода воздуха к сгораемому топливу.

При подводе тепла к угольным частицам быстро нагревается их тонкий поверхностный слой и равномерно прогреваются их внутренние слои. При этом воздух диффундирует во внутренние слои горючего, что приводит к его светимости, медленному и равномерному разложению, выходу значительного количества летучих составляющих, а также к выделению тепловой энергии. 

Технологии сжигания:

На сегодняшний день применяется множество технологий подготовки и сжигания угля. Однако практический интерес представляют технологии, сочетающие в себе как высокую экономическую эффективность, так и высокую экологическую чистоту.

 К таким технологиям следует отнести:

• псевдофакельное сжигание пылеугольновоздушной смеси;
• факельное сжигание угольноводяной суспензии;
• сжигание угля в кипящем слое;
• низкотемпературный вихревой способ сжигания.

 Псевдофакельное сжигание:

Подготовка угля к данному способу сжигания заключается в сухом помоле исходного топлива с влажностью до 21 процента в центробежных мельницах до получения однородных угольных частиц со средним размером (дисперсностью) 50‑300 мкм, образующих угольную пыль.

Приготовленная пыль поступает в вибрирующий сборный бункер‑сепаратор, где угольные частицы размером более 70 мкм отводятся назад в мельницу, а частицы с размером 50‑70 и менее мкм всасываются струйным аппаратом, прокачиваемым подогретым (до температуры +300 °С и более) воздухом, приготавливая при этом сухую пылеугольновоздушную смесь (ПУВС). Далее ПУВС подается воздухом к топливным горелкам со сниженным выходом оксидов азота.

С помощью горелок смесь распыляется в топочном объеме и зажигается, образуя факел, похожий на мазутный. Для первичного нагрева угольных частиц и постоянного поддержания процесса горения под корневую часть факела непрерывно подается небольшое количество жидкого или газообразного топлива, образуя подсветку.

Псевдофакельное горение угля имеет гомогенный характер, в результате чего суммарная площадь контакта горючего и окислителя максимально возможная, а коэффициент избытка воздуха для организации горения данного вида топлива – минимальный и составляет не более 1,3.

Рассмотренная технология подготовки и сжигания угля показала свою высокую эколого-экономическую эффективность в котлах большой мощности ТЭС Великобритании, в частности Eggborough и Longannet, и в котельных установках крупных ТЭС Франции, США, Канады и Тайваня.

Технологический процесс псевдофакельного сжигания угля постоянно совершенствуется в экспериментальных центрах Mitsui Babcock и Ratcliffe, расположенных в Шотландии и Англии.

 Факельное сжигание:

Впервые этот способ сжигания угля был предложен, разработан и опробован в России. Подготовка угля к сжиганию включает помол исходного топлива в шаровых или барабанных мельницах до получения однородных угольных частиц размером не более 40‑50 мкм. 

После этого полученная угольная пыль смешивается с пресной водой и готовится грубодисперсная углеводяная суспензия (УВС), включающая 65‑70 процентов угля и 30‑35 процентов воды.

Далее УВС винтовыми насосами подается на форсунки топливных горелок, которые распыляют суспензию в топку котла в виде факела. В качестве распыляющей среды применяется как пар, так и воздух. Воспламенение факела углеводяной суспензии производится мазутом, подаваемым растопочной форсункой, и по достижении ее устойчивого гомогенного горения подача мазута прекращается, и растопочная форсунка отключается. Последующее горение УВС идет без подсветки.

Коэффициент избытка воздуха при сжигании угля указанным способом составляет не более 1,2. Технология факельного сжигания углеводяной суспензии подтвердила свою высокую эколого-экономическую эффективность в энергетических котлах Беловской ГРЭС и Новосибирской ТЭЦ-5 (Россия).

Кроме того, данная технология сжигания угля применяется в США, Канаде, Японии, Швеции, Китае и Италии. В настоящее время Китай активно продвигает представленную технологию подготовки и сжигания угля на мировом энергетическом рынке.

 Сжигание в кипящем слое:

Для реализации способа сжигания угля в «кипящем слое» производится дробление топлива до получения частиц размером не более 25‑30 миллиметров.

Размельченный уголь подается транспортером в бункер, из которого с помощью скребкового питателя подается в район первой дутьевой зоны решетки. Одновременно часть воздуха (около 60 процентов), подогретого в воздухоподогревателе, дутьевым вентилятором нагнетается в дутьевые зоны под колосниковую решетку через зазоры между колосниками для формирования высокотемпературного «кипящего слоя» и организации процесса сгорания угля. Оставшийся воздух (около 40 процентов) подается в сопла вторичного дутья для дожигания продуктов неполного сгорания и создания специальной аэродинамики в топочной камере, а также на работу воздушного струйного аппарата, возвращающего горючие компоненты на дожигание.

В случае сжигания угля в «кипящем слое» горение носит гомогенно-гетерогенный характер. Полное выделение энергии в «кипящем слое» обеспечивается всеми горящими в нем угольными частицами. Коэффициент избытка воздуха при сжигании в кипящем слое составляет 1,3.

Наибольшая эффективность данного способа сжигания достигнута в котельных установках средней и малой мощности. Для практической реализации данного способа сжигания угля необходимо дооборудовать котлы топками высокотемпературного кипящего слоя.

Низко-температурное вихревое сжигание:

Данный способ сжигания угля впервые предложен, разработан и внедрен российскими инженерами и учеными.

При реализации этого способа перед подачей на горение уголь подвергается углубленному помолу с получением угольных частиц максимальным размером до 10‑25 миллиметров. Первичный воздух в зону горения нагнетается снизу по оси топки и закручивается.

Угольные частицы транспортируются к зоне горения вторичным, воздушным потоком, образуя угольновоздушную смесь, которая подается в вихревой поток первичного воздуха горелками, расположенными под углом к оси топки.

Первое воспламенение смеси осуществляется газом, дизельным топливом или мазутом при помощи растопочной форсунки, затем процесс сгорания угольных частиц идет в виде турбулентного факела без подсветки. В топке котла организуются две зоны горения, разнесенные по высоте: вихревая и прямоточная.

Вихревая зона является основной и занимает нижнюю часть внутреннего объема топки от устья холодной воронки до горелок. Прямоточная зона горения располагается над вихревой зоной.

Смешиваясь с горячими частицами и газами, новая порция помолотого угля быстро прогревается и воспламеняется, обеспечивая устойчивое горение в топке. Горение топлива равномерно распределено по всему объему топки и не зависит от изменения нагрузок на котел.

Такое сжигание угля снижает максимальную температуру в ядре факела и выравнивает температурное поле по всему объему горения. Коэффициент избытка воздуха при указанной технологии сжигания угля составляет не более 1,3.

Технологический процесс подготовки и низкотемпературного вихревого сжигания угля длительное время используется на энергетических котлах средней и большой мощности энергетических объектов России, например на Иркутской ТЭЦ-10 и Усть-Илимской ТЭЦ.

Технология сжигания в «кипящем слое» наиболее распространенный способ на сегодняшний день в России.

Первое направление ориентировано на технологию сжигания твердого топлива в низкотемпературном «кипящем слое» (НТКС). Технология низкотемпературного «кипящего слоя» предусматривает горение твердого топлива в слое инертного материала (кварцевый песок, шамотный порошок, зола топлива и др.), обладающего большой теплоаккумулирующей способностью. Это, совместно с отбором теплоты в погружных поверхностях нагрева, обеспечивает поддержание температуры горения топлива в пределах 800-850°С с образованием в качестве очаговых остатков только летучей золы без каких-либо шлаковых спеков. Технология требует жесткого соблюдения указанного температурного режима, фракционного состава топлива с крупностью кусков не более 13-15 мм и влажности не более 20%. 

Вторым направлением  является разработка котлов малой мощности с топками высокотемпературного «кипящего слоя» (ВТКС). Топка ВТКС может устойчиво работать на рядовом влажном угле. Крупные куски топлива размером более 30 мм, которые не могут подниматься воздухом, горят прямо на решетке и вместе со шлаком удаляются из топки. 

При работе котла по технологии высокотемпературного «кипящего слоя» используется гравитационный способ подачи топлива на решетку и упрощенная конструкция питателя, обеспечивающая надежную топливоподачу. 

Как видно из описания, котлы с топками ВТКС, сохраняя все свойства «кипящего слоя», могут устойчиво работать на несортированных влажных бурых углях, не предъявляют высоких требований к поддержанию температурного режима горения, к подсушке и дроблению топлива.

Мы считаем, что реальной альтернативы ВТКС для замены устаревших слоевых способов сжигания (а для котлов мощностью свыше 35 МВт - и камерного сжигания), на настоящий момент нет. Помимо ряда отличительных особенностей, приведенных ранее, следует упомянуть следующие преимущества:

• Большая универсальность по сжигаемому топливу - в котлах с топками ВТКС возможно успешное сжигание широкой гаммы углей: антрацитов и тощих углей, озоленных каменных углей, низкосортных бурых углей;
• Высокие показатели маневренности - диапазон изменения нагрузки котла 20 - 100%;
• Быстрая растопка котла, например, время вывода водогрейного котла тепловой мощностью 10 МВт с топкой ВТКС из холодного состояния на номинальную нагрузку не превышает 40-60 мин;
• Отсутствие необходимости в растопочном топливе;
• Привычные методы эксплуатации, незначительно отличающиеся от обычных слоевых котлов.