Воспламенение и горение высокозольных углей в фонтанирующем слое  

Росколупа А.И., Чернявский Н.В.

Институт угольных энерготехнологий НАН и МинТопЭнерго Украины, Киев, Украина

Одним из перспективных направлений малозатратной модернизации пылеугольных энергоблоков является внедрение автотермических предтопков-воспламенителей пыли. В отличие от проточных муфельных, предтопки с фонтанирующим слоем способны работать в автотермическом режиме при Т = 900-950°С, т.е. ниже точки размягчения золы, при условии сгорания в предтопке 5-10% горючей массы угля и организации интенсивного тепломассообмена для быстрого (термоконтактного) нагрева подаваемой пыли. Однако сведения о результатах расчетных и экспериментальных исследований, необходимых для разработки таких предтопков применительно к пылеугольным котлоагрегатам ТЭС, до настоящего времени в литературе отсутствовали.

Длительная стабильная работа автотермического фонтанирующего предтопка требует выполнения следующих условий:

	выхода и сгорания летучих (в случае АШ – дополнительно часть фиксированного углерода) за время пребывания частиц в предтопке;
	наличия в топливе достаточной доли частиц, скорость витания (уноса) которых больше, чем скорость газа в предтопке, для формирования фонтанирующего слоя с развитыми внутренней циркуляцией и кондуктивным теплообменом.

Топливом, удовлетворяющим второе условие работы автотермического фонтанирующего предтопка, является крупная пыль возврата сепаратора ШБМ (R₁₀₀ > 50%). Снижение удельного расхода возврата сепаратора в ШБМ является весьма актуальной задачей, поскольку на большинстве существующих ТЭС, как каменноугольных, так и антрацитовых, повышенный расход возврата сепаратора является одной из главных причин снижения эффективности размола, производительности мельниц, как следствие – максимально достигаемой нагрузки котлов, и в конечном счете - эффективности использования топлива, или его удельного (в г у.т./кВт∙ч) расхода на отпуск электроэнергии.

Расчетные оценки [1] подтверждают возможность реализации автотермического воспламенения пыли возврата сепаратора марок А, Т (A^d=30-40%) и Г (A^d=60-70%) в фонтанирующем слое с точки зрения обеспечения условий материально-теплового баланса при тепловых потерях через стенку от 7 до 12% тепловой мощности предтопка. Окончательный вывод о возможности реализации данного процесса с учетом особенностей тепломассообмена в фонтанирующем слое должен базироваться на результатах экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования проводились на установке Ф-0,05 производительностью по углю до 20 кг/ч, внутренним диаметром 0.1 м, высотой реакционной зоны 1.3 м. Объектом исследования были выбраны пыли возврата сепаратора марок А и Т (A^d=28.8-30.5%). Во всех опытах расход воздуха на пневмотранспорт пыли поддерживался на уровне 0,4 нм³/ч, варьировались расходы дутьевого воздуха и угля. По усредненным оценкам, величина теплопотерь через стенки топочной части установки составляла около 15-20% от тепловыделения, т.е. экспериментальные условия были более жесткими, чем расчетные.

В поисковых экспериментах было установлено, что минимально необходимый для реализации процесса фонтанирующий слой набирается в течение 5-10 мин. с момента подачи угля, после чего возможны отключение подачи газа и переход к автотермическому режиму. Материал в слое накапливается до определенного уровня, при котором достигается равновесие между расходом подаваемой пыли и выносом из шапки фонтана. По мере накопления материала в слое тепловые потери через стенки несколько возрастают вследствие увеличения кондуктивной составляющей теплообмена топочного объема со стенками. Область режимных параметров, при которых реализуется автотермическое воспламенение, для антрацитовой пыли оказалась более узкой, а длительность стабильных режимов составляла не более 2 часов, после чего дальнейшее протекание процесса было возможным только после принудительного слива части материала слоя. Для тощего угля, напротив, реализовывались многочасовые эксперименты в широком диапазоне нагрузки и степени накопления материала в слое. Анализ результатов проведенных экспериментов показывает следующее.

1. Несмотря на менее благоприятные, чем в расчетных оценках для крупномасштабного предтопка, условия протекания процесса в маломасштабной экспериментальной установке (время пребывания газового потока £ 1 с против расчетных ³ 1,6-2 с, тепловые потери через стенку Δq = 15-20% против расчетного Δq = 7%), для крупной пыли возврата сепаратора марок А и Т удалось реализовать стабильные режимы автотермического воспламенения в фонтанирующем слое при Т = 900-970°С. Ни в одном из режимов не наблюдалось зашлаковки либо слипания коксозольных частиц.

2. Определенная по анализу газовой и твердой фаз степень конверсии угля и углерода для пылей марок А (13.7%; 9.8%) и Т (16-19%; 10-13%) указывает на практически полный выход летучих и конверсию от 4 до 6-7% фиксированного углерода за время пребывания частиц в реакционной зоне.

3. Для антрацитовой пыли на выходе присутствовало до 3% остаточного кислорода, что свидетельствует о полном сгорании летучих и до 4% фиксированного углерода. Для пыли тощего угля отсутствие на выходе кислорода и присутствие СО, водорода и метана свидетельствует о неполном сгорании летучих и до 6-7% фиксированного углерода.

4. Следует ожидать, что в крупномасштабном предтопке с большим временем пребывания и меньшим уровнем теплопотерь диапазон регулирования нагрузки расширится, а накопление материала в слое не будет лимитировать длительность работы.

Результаты исследования процесса автотермического воспламенения пыли возврата сепаратора основных энергетических углей подтвердили возможность создания предтопков-воспламенителей фонтанирующего слоя для оснащения существующих пылеугольных котлоагрегатов и послужили основой для проектирования предтопка применительно к реконструкции котлоагрегата ТП-100 блока электрической мощностью 200 МВт Старобешевской ТЭС.

1. Передтопки-запалювачі фонтануючого шару для спалювання на ТЕС високозольного львівсько-волинського вугілля / О.Ю.Майстренко, З.С.Гелетій, А.І.Росколупа, М.В.Чернявський // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2003. - №1. – С.10-13.