Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы

Принципиальная разница между схемами пылеприготовления с прямым вдуванием и промежуточным бункером заключается в том, что первая предполагает жесткую связь между мельницами и котлом: изменение нагрузки котла требует обязательного изменения режима работы мельничного оборудования.

Для второго варианта характерна большая гибкость: наличие промежуточного бункера позволяет эксплуатировать пылесистему в оптимальном режиме независимо от колебаний нагрузки котельной установки. Более того, эта схема допускает даже кратковременный останов мельницы: котел несколько часов может работать на топливе из пылевого бункера. А при наличии связи между соседними бункерами котел может длительно работать, получая угольную пыль от пылесистемы соседнего котла.

К недостаткам систем пылеприготовления с промежуточным бункером относятся, во-первых, увеличение затрат на оборудование и места для его размещения, а во-вторых, повышенные затраты на собственные нужды в связи с наличием не только мельницы, но и мельничного вентилятора.

С учетом этого в последнее время пылесистемы с промежуточным бункером устанавливают только при проектировании энергоблоков на малореакционных углях или использовании топок с жидким шлакоудалением, когда для надежного воспламенения и повышения температуры в зоне активного горения целесообразно подавать топливо к горелкам горячим воздухом.

При сжигании каменных углей с высоким выходом летучих, а также различных марок бурого угля и торфа обычно применяют системы пылеприготовления с прямым вдуванием.

Собственно размол топлива в сочетании с его сушкой осуществляется в мельницах. На тепловых электростанциях получили распространение тихоходные шаровые-барабанные (ШБМ), среднеходные валковые и шаровые (МВС и МШС), а также быстроходные молотковые (ММ) мельницы и мельницы-вентиляторы (М-В).

Шаровая барабанная мельница представляет собой барабан, выложенный внутри волнистыми броневыми плитами. Почти треть его объема заполнена стальными шарами диаметром 25–60 мм. Размол угля осуществляется по принципу удара и истирания. При вращении барабана (16–23 об/мин) шары поднимаются на определенную высоту и падают, разбивая кусочки угля. Перекатывание шаров дополнительно превращает дробленку в пыль за счет истирания (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Шаровая барабанная мельница: 1 – входной патрубок; 2 – опорный подшипник; 3 – барабан мельницы с тепло– и звукоизоляцией; 4 – выходной патрубок; 5 – большая шестерня; 6 – редуктор; 7 – электродвигатель

Сырое топливо вместе с горячим воздухом подается в барабан через входной патрубок, а готовая пыль удаляется вентилирующим агентом через выходной патрубок.

Достоинством ШБМ является их универсальность: они пригодны для размола как мягких углей с высоким выходом летучих, так и твердых топлив, типа АШ. В случае попадания в ШБМ посторонних (в том числе – металлических) предметов не требуется аварийный останов мельницы.

К недостаткам ШБМ относятся, прежде всего, повышенный расход электроэнергии на размол: энергия тратится на вращение барабана даже при отсутствии топлива. Второй недостаток – износ шаров (при размоле АШ, например, истирается 400 г металла на 1 т полученной угольной пыли). Кроме того, пылесистема с ШБМ – это, как правило, пылесистема с промбункером, то есть громоздкая и сложная система, требующая место для сепараторов, циклонов, пылевых бункеров и пылепитателей. Поэтому такие мельницы в настоящее время применяются только в случае использования малореакционных твердых углей с К

? 1,1, требующих для эффективного сжигания весьма тонкий размол (R

? 10 %).

Большое распространение в России для размола бурых и каменных углей с высоким выходом летучих получили молотковые мельницы. Размол топлива в этих мельницах происходит по принципу удара, поэтому скорость вращения ротора достаточно высока: 735–980 об/мин. Ротор мельницы вращает билодержатели, на которых укреплены съемные била, изготовленные из отбеленного чугуна или марганцовистой стали. Корпус мельницы изнутри защищен съемной броней (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Молотковая мельница с аксиальным подводом сушильного агента: 1 – корпус; 2 – била; 3 – ротор; 4 – патрубки для подвода сушильного агента; 5 – электродвигатель

Кроме дробленого топлива, в молотковую мельницу подается сушильный агент: горячий воздух или смесь воздуха с дымовыми газами, отобранными из конвективной шахты котла дымососом рециркуляции. По способу подвода сушильного агента молотковые мельницы делятся на аксиальные (ММА) и тангенциальные (ММТ). Заодно с мельницами устанавливаются центробежные или инерционные сепараторы, которые возвращают грубые частицы угля на повторный размол в мельницу. На котлах малой производительности можно встретить шахтные (гравитационные) сепараторы, после которых аэросмесь поступает в топку через открытую амбразуру (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Схема действия молотковой мельницы и её компоновка с котлом: 1 – поступление топлива; 2 – размол топлива; 3 – гравитационный сепаратор; 4 – амбразура; 5 – топочные экраны

Для размола каменных углей за рубежом обычно используют среднеходные мельницы. И в российской энергетике мельницы такого типа встречаются всё чаще. Принцип получения угольной пыли в среднеходных мельницах – раздавливание. Движущаяся часть мельницы – нижнее кольцо в шаровых (МШС) или нижний стол в валковых (МВС) среднеходных мельницах вращаются с частотой 50–150 об/мин. В МШС между верхним (неподвижным) и нижним (вращающимся) кольцами установлено 9–12 шаров диаметром 270–750 мм. Производительность наиболее крупных МШС достигает 50 т/ч по каменному углю (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Шаровая среднеходная мельница: 1 – вход сырого топлива; 2 – выход угольной пыли и сушильного агента; 3 – регулируемые лопатки сепаратора; 4 – возврат грубых частиц; 5 – пустотелые шары; 6 – вращающееся нижнее размольное кольцо; 7 – вход первичного воздуха; 8 – нажимные цилиндры; 9 – направляющие ступицы колеса; 10 – стационарное верхнее кольцо; 11 – проходная плита; 12 – редуктор; 13 – камера провала

В мельницах МВС обычно устанавливают два конических валка. Попадая под них, угольная дробленка раздавливается (рис. 3.11). Горячий воздух, как и в МШС, выносит пыль в сепаратор, установленный над мельницей. Крупные частицы из сепаратора возвращаются на размольный стол, а подсушенная пыль направляется по пылепроводу к горелке (или через делитель пыли к нескольким горелкам одного яруса).

Рис. 3.11. Валковая среднеходная мельница

Достоинствами среднеходных мельниц являются их компактность (по сравнению с ШБМ) и значительно меньший (12–15 кВт·ч/т) расход электроэнергии на размол. Основной недостаток – чувствительность к попаданию вместе с топливом металлических предметов, а также неравномерность износа размалывающих элементов. При размоле высоковлажных бурых углей использование среднеходных мельниц приводит к их замазыванию. Более подходящими для этого случая считаются молотковые мельницы, описанные выше, а также мельницы-вентиляторы (М-В), которые в последние годы всё чаще устанавливают на энергоблоках, сжигающих высоковлажные бурые угли (рис. 3.12). Особенностью этих агрегатов является возможность подсоса высокотемпературного сушильного агента из верхней части топки. Благодаря этому обеспечивается эффективная подсушка топлива в опускной шахте перед мельницей. Дымовые газы в сушильной шахте с нисходящим движением потоков топлива и газов охлаждаются примерно от 900 °С до допустимой (перед мельницей) температуры 300–400 °С, а влажный уголь – подсушивается: доля съема влаги составляет как минимум 0,4, то есть

, кг влаги/кг сырого топлива.

Дальнейшая сушка топлива осуществляется в процессе размола в мельнице-вентиляторе и частично в пылепроводе от мельницы до горелки, где температура пылегазовоздушной смеси еще достаточно высока (до 180 °С).

Рис. 3.12. Мельница-вентилятор М-В 3300/800/490: 1 – муфта; 2 – система смазки; 3 – ходовая часть откатной дверки

Благодаря предварительной подсушке топлива увеличивается размольная производительность мельницы, уменьшается износ мелющих органов и снижается расход электроэнергии на пылеприготовление. Подсушенные частицы топлива разрушаются при меньшем времени пребывания их в мельнице за счет снижения кратности циркуляции.

Кроме дымовых газов на всас М-В подается горячий воздух, изменение количества которого позволяет регулировать температуру сушильного агента.

Мельницы-вентиляторы устанавливают как можно ближе к горелкам, чтобы уменьшить длину (а следовательно, и сопротивление) газовоздушного тракта. Для отключения мельницы от топки до и после нее предусматривают установку шиберов. Индивидуальная схема пылеприготовления с прямым вдуванием, мельницей-вентилятором и пылеконцентратором представлена на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Схема пылеприготовления с мельницей-вентилятором М-В 2700/850/590 блока 150 МВт: 1 – бункер топлива; 2 – отсекающий шибер; 3 – питатель сырого топлива; 4 – сушильная шахта; 5 – мельница-вентилятор; 6 – инерционный сепаратор; 7 – горелочное устройство; 8 – окно отбора газов для сушки топлива; 9 – смесительная камера; 10 – отключающий шибер; 11 – котел; 12 – дутьевой вентилятор; 13 – воздуховод горячего воздуха; 14 – воздухоподогреватель; 15 – взрывной клапан; 16 – клапан присадки холодного воздуха; 17 – мигалка; 18 – форсунка для впрыска воды; 19 – пыледелитель; 20 – газопровод дымовых газов; 21 – смесительная камера газов и горячего воздуха; 22 – пылеконцентратор; 23 – сбросная горелка

Мельница-вентилятор для высоковлажного бурого угля – агрегат, состоящий из улитки-корпуса и консольного мелющего колеса, состоящего из основного диска, покрывающего диска и лопаток. Корпус изнутри покрыт броневыми плитами толщиной 70–80 мм. На каждой лопатке закреплена изнашивающаяся сменная часть толщиной 30–50 мм. Вал, на котором сидит мелющее колесо, опирается на подшипники и через муфту соединяется с электродвигателем.

Входной патрубок выполнен в виде открывающейся или отодвигаемой дверки, что позволяет производить замену мелющего колеса. Узел крепления дверки к корпусу для М-В небольшой производительности выполняют в виде консольной подвески. Но для более крупных мельниц-вентиляторов, когда масса дверки приближается или даже превышает Ют, дверку подвешивают на балки и оснащают колесиками, которые по направляющим позволяют свободно открывать ее в осевом направлении.

Для замены мелющего колеса используют специальные автопогрузчики, которые должны иметь доступ к мельнице-вентилятору со стороны открывающейся дверцы.

Основным изготовителем мельниц-вентиляторов в России является Сызранский завод тяжелого машиностроения в Самарской области (ОАО «Тяжмаш»). В табл. 3.2 (#tab_3_2) приведены характеристики М-В, выпускаемых этим заводом в последние годы.

Таблица 3.2. Мельницы-вентиляторы завода «Тяжмаш»

*Цифры типоразмера соответствуют: наружному диаметру рабочего колеса, мм; ширине лопаток, мм; частоте вращения ротора, об/мин.

Стремление к повышению интенсивности размола топлива в мельницах-вентиляторах привело к установке перед лопаточным колесом дополнительных бил, закрепляемых обычно на консольном валу во всасывающем патрубке мельниц. На рис. 3.14 показана двухопорная мельница-вентилятор с четырехрядными предвключенными билами производительностью 80 т/ч по бурому углю.

Рис. 3.14. Мельница-вентилятор двухопорного типа: 1 – вал; 2 – упорный подшипник; 3 – броня улитки; 4 – приемный патрубок; 5 – предвключенные била; 6 – выступ мелющей лопатки; 7 – электродвигатель; 8 – штурвал для прижатия люка; 9 – окно для замены лопаток и бил

Предвключенные била измельчают уголь до его поступления в ротор и увеличивают равномерность распределения топлива по его окружности. Опыт эксплуатации мельниц-вентиляторов подтверждает, что замена обычной М-В на М-В с предвключенными билами значительно уменьшает долю грубых фракций с размером более 1000 мкм.

3.1.4. Пылеконцентраторы

В последние десятилетия при использовании высоковлажных и низкокалорийных твердых топлив на тракте между мельницей и горелкой стали устанавливать пылеконцентраторы (рис. 3.15). Необходимость их установки объясняется следующим образом.

Рис. 3.15. Схема пылеконцентратора: 1 – корпус; 2 – завихритель; 3 – рассекатель; 4 – основной отвод; 5 – сбросной отвод

При сжигании, например, болгарского лигнита с Q

= 5,46 МДж/кг и W

= 56 % теоретическая (адиабатическая) температура горения составляет всего 1373 К (1100 °С). Столь низкое значение ?

объясняется не только большой влажностью, но и сушкой топлива газами рециркуляции для получения достаточно подсушенной пыли. Подача в ядро горения вместе с топливом большого количества инертных газов приводит к дополнительному снижению теоретической температуры горения топлива. Расчеты показывают, что, например, для получения достаточно сухой пыли (W

<20 %) при размоле болгарских бурых углей доля газа, идущего на сушку, а затем вдуваемого вместе с пылью в ядро факела в виде сравнительно холодного агента (140–200 °С), составляет 40–60 % всех топочных газов. Кроме того, наличие в первичной аэросмеси такого большого количества инертного продукта и водяного пара уменьшает концентрацию кислорода, что также затрудняет нормальное развитие топочного процесса.

Для надежного сжигания высоковлажных углей типа болгарского бурого, путем повышения температуры и концентрации кислорода в ядре факела при сохранении всех преимуществ системы с прямым вдуванием, был использован пылеконцентратор, позволяющий отделить часть слабозапыленного влажного сушильного агента и сбросить его в верхнюю часть топки.

Принцип действия пылеконцентратора заключается в разделении исходной пылегазовой смеси на сильно– и слабозапыленные потоки за счет различных гидродинамических свойств твердой и газовой фазы. В центробежном пылеконцентраторе, схема которого приведена на рис. 3.15, поток аэросмеси проходит через лопаточный завихритель и приобретает вращательное движение. За счет действия центробежной силы пылевые частицы отжимаются к внутренней поверхности корпуса, увеличивая концентрацию несущего газового потока. Рабочий процесс в пылеконцентраторе заканчивается выделением в самостоятельные отводы части несущего газового потока, имеющего большую, по сравнению с исходным потоком, концентрацию пыли и другой части с соответственно меньшей, чем у исходного, концентрацией пыли.

Основными режимными параметрами пылеконцентратора являются g

и l, где g