Технология сжигания твердых топлив в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) динамично развивалась последние десятилетия. Но на сегодняшний день количество реализованных и планируемых проектов в мире в сравнении с традиционными котельными технологиями все же не очень велико. Тут скорее подходит словосочетание «умеренное уверенное развитие». Вместе с тем, результаты внедрения технологии ЦКС в мире и перспективы отечественного и зарубежного энергетических рынков все так же говорят о ее высоком потенциале.

Постепенно повышается единичная мощность котлоагрегатов с ЦКС и параметры вырабатываемого пара, совершенствуется их конструкция. Главными особенностями и преимуществами технологии ЦКС являются столь востребованные сегодня высокие экологические показатели (т.е. низкие выбросы в атмосферу вредных оксидов азота и оксидов серы) и высокое качество сжигания «трудных» низкосортных энергетических топлив.

Тема освоения и развития технологии ЦКС долгое время остается предметом дискуссий в научно-техническом сообществе. Сотрудниками научно-исследовательских институтов и конструкторами котельных заводов часто высказывались различные мнения, иногда радикальные – от «только ЦКС» до «только не ЦКС». Дело в том, что хорошо освоенное в нашей стране и СНГ традиционное факельное сжигание справлялось с практически всеми типами энергетических углей, а при применении специальных устройств по очистке дымовых газов от оксидов азота и серы, обеспечивались требуемые экологические показатели. Котлы с ЦКС более громоздки (если брать отдельно котел без устройств очистки) и сложны в эксплуатации. Да, у каждой технологии есть свои особенности, плюсы и минусы. Но с определенного времени ЦКС стал набирать очки. Было понятно, что с проблемой сжигания крайне низкосортных углей (например, с большим содержанием «пустой» породы) хорошо справляется только ЦКС. При современных экологических требованиях к котельным установкам обеспечить требуемые показатели без применения устройств по очистке (при этом выиграв в итоговых габаритах котельной установки) ЦКС может уже не всегда. Но самое главное для нас, энергомашиностроительных предприятий – это то, что сегодня эта технология все так же продолжает быть востребована рынком.

Отраслевыми институтами России был выполнен определённый объем теоретических и прикладных работ по теме ЦКС. Разработка и внедрение котлов с ЦКС вошла в утвержденный в Министерстве промышленности и торговли Российской Федерации перечень важнейших инновационных проектов государственного значения, начинаемых в 2010 году. При финансировании Минпромторга совместно ТКЗ «Красный котельщик», ВТИ и НПО ЦКТИ был выполнен ряд исследовательских и опытно-конструкторских работ. Была разработана концептуальная компоновка котлов к энергоблокам 225 и 330 МВт, выполнены начальные теплогидравлические расчеты, концептуально проработаны элементы конструкции, произведено математическое моделирование отдельных узлов.

ТКЗ наладил тесные связи с мировыми котельными фирмами-лидерами по технологии ЦКС. Эти компании имеют многолетний опыт разработки, изготовления и эксплуатации котлов с ЦКС, который нам, безусловно, полезен.

Более того, сотрудничество с одной из таких компаний - «Foster Wheeler» принесло конкретные плоды. По базовому инжинирингу «Foster Wheeler» ТКЗ выпустил рабочую документацию  и изготовил котел к энергоблоку 330 МВт для Новочеркасской ГРЭС (рис.1). Котел рассчитан на сверхкритические параметры пара и имеет паропроизводительность 1000 тонн в час. Топливо  – антрацит и кузнецкий каменный уголь. Пуск этого котла состоялся в 2015 году. Это первый в стране энергоблок с технологией ЦКС. Причем мощность 330 МВт для первенца – цифра весьма впечатляющая.

Рис.1. Котел ЦКС к энергоблоку 330 МВт Новочеркасской ГРЭС

Как это работает

Котлы с циркулирующим кипящим слоем вызывают интерес энергетиков последние 25 лет, когда стало особенно актуальным внедрение на электростанциях энергосберегающих технологий, переход на нетрадиционные виды топлива, что позволяет сэкономить на топливе и одновременно обеспечить высокий КПД.

В этом смысле интерес представляют твердые виды топлива, однако остается проблемой то, как добиться полного сжигания топлива и при этом минимизировать выбросы в атмосферу вредных веществ (в первую очередь оксидов серы и азота). Одновременно требуется, чтобы была возможность использовать как можно более широкий ассортимент видов твердого топлива.

Одна из технологий, позволяющих добиться успешного выполнения этих условий, – сжигание твердых топлив в циркулирующем кипящем слое при атмосферном давлении (см. рис.2).

Рис. 2. Топка котла с циркулирующим кипящим слоем

Суть технологии в следующем. Если в камере установить решетку, на которую поместить слой угля, и к решетке подать в небольшом количестве воздух, то после предварительного разогрева слоя начнется горение топлива с поверхности с выделением газообразных продуктов сгорания. При восполнении сгорающего топлива на решетке будет поддерживаться горящий фиксированный слой (см. рис.3). На решетке будет осуществляться так называемое слоевое сжигание твердого топлива. Если увеличивать подачу воздуха под решетку, то на частицы топлива будет действовать скоростной напор, который будет противодействовать силе тяжести, действующей на каждую частицу топлива. При определенной скорости воздуха частицы топлива окажутся во взвешенном состоянии в подъемном потоке воздуха, а толщина горящего слоя возрастет. Если и дальше скорость воздуха будет расти, то в этом слое появятся отдельные пузыри воздуха, а толщина слоя еще больше увеличится. Этот слой называется пузырьковым кипящим слоем (см. рис. 4). Он ведет себя так, как ведет себя кипящая жидкость, отсюда и название метода — сжигание в кипящем слое.

Рис. 3 - Рис. 4. - Рис.5

При еще большем расходе воздуха подъемная сила, действующая на частицы топлива, оказывается настолько большой, что они не успевают сгорать и вырываются из кипящего слоя. При дальнейшем увеличении расхода воздуха видимый слой исчезает и происходит горение скоплений частиц топлива во всем объеме камеры с интенсивным перемешиванием. Большее количество частиц топлива не успевает сгореть и выносится из камеры. Здесь на их пути устанавливают циклон — цилиндрический сосуд, в котором продукты сгорания отделяются от несгоревших частиц. Продукты сгорания направляются во вторую часть котла — конвективную шахту — для нагрева рабочего тела (воды и пара), а несгоревшие частицы движутся в закрученном потоке, отбрасываются к стенкам, падают вниз и снова направляются в камеру горения. Эти частицы и составляют циркулирующий кипящий слой (см. рис.5). Система сжигания в циркулирующем кипящем слое состоит из топки, которая заполнена смесью из, приблизительно, 95-99% инертных материалов (топливная зола, известняк, песок) и 1-5 % твердого топлива. Весь внутренний объем поддерживается в постоянном движении с помощью воздуха для горения и сепарирующего устройства газа/твердых частиц, которое возвращает твердые частицы в топку.

Если рассмотреть технологию на примере конкретной установки, то схема будет выглядеть так (см. рис.6)

Рис. 6. Котельная установка с котлом ЦКС в системе электростанции

Уголь из бункера направляется на воздухораспределительную решетку топки, под которую для горения подается горячий воздух. На нее же из другого бункера поступает известняк, который вступает в химическую реакцию с серой, связывает ее и в дальнейшем вместе с сухой золой отводится из котла. Таким образом, исключается попадание серы в дымовые газы и затем в воздушный бассейн. Образующийся кипящий слой передает часть своей теплоты рабочему телу, движущемуся в экранах, которыми облицованы стены топки. Из верхней части топки смесь продуктов сгорания и частиц топлива, не сгоревших в кипящем слое, направляется в циклон, где происходит отделение частиц несгоревшего топлива от продуктов сгорания. Несгоревшие горячие частицы смешиваются с частицами свежего топлива, и эта смесь поступает в горящий кипящий слой топки. Продукты сгорания поступают в конвективную шахту, в которой расположены другие поверхности нагрева рабочего тела: конвективный первичный и промежуточный пароперегреватели, экономайзер, воздухонагреватель. На выходе из конвективной шахты из продуктов сгорания удаляется летучая зола, и затем они поступают в электрофильтры для удаления остатков летучей золы, после чего они направляются в дымовую трубу для рассеивания в верхних слоях атмосферы.

Экономика и экология

Что дает использование котлов с ЦКС? Во-первых, температура в топке составляет, приблизительно, +850°C, что обеспечивает благоприятные условия для снижения выбросов окислов серы и азота. Для сравнения: в факельных пылеугольных топках температура горения достигает +1500 °C. Понижение температуры достигается благодаря тому, что частицы угля имеют достаточно большой размер - от 2 мм до 25мм и разобщены в кипящем слое, а также благодаря наличию большого количества инертных материалов. Для сравнения: при пылеугольном сжигании размер пылевых частиц составляет менее 100 мкм. Это второе преимущество КЦКС – не требуется тонкого размола угля, достаточно дробления. При помощи добавления в топку котла известняка происходит эффективное связывание серы. При этом способе достигнуты значения связывания серы до 95 %.  

В-третьих, в котлах с ЦКС можно использовать некачественные топлива: угли с большим содержанием породы, которая в ЦКС играет роль циркулирующего наполнителя слоя; угли с высоким содержанием золы и влаги, а также трудно воспламеняемые топлива (с малым выходом летучих легковоспламеняющихся газов). Причем в одном и том же котле можно сжигать топливо разного и меняющегося качества. И наконец, котельные установки с котлами ЦКС более компактны. Сам котел получается более громоздким, но благодаря тому, что не нужно обеспечивать отдельно серо- и азотоочистку, котельная установка выигрывает в размерах.