Котли з киплячим шаром, що циркулює.
При розгляді перспектив використання твердого палива, зокрема для енергоблоків нового покоління, одним із основних питань є його ефективне спалювання. Під останнім насамперед розуміється виконання двох вимог: спалювання має бути повним, тобто. економічним і воно не повинно призводити до великих викидів шкідливих речовин (насамперед оксидів сірки та азоту).
Довгий час для спалювання використовувався і продовжує використовуватися так званийфакельний метод, при якому суміш дрібнорозмеленого вугілля і гарячого повітря безперервно подається в зону горіння, підтримуючи палаючий смолоскип, що є джерелом променистої та теплової енергії для нагрівання робочого тіла. Для виконання зазначених вище вимог розроблено та впроваджено у практику цілу низку режимних та конструктивних заходів, які, проте, не можуть вирішити проблему повною мірою. Тому останні 15 років ведуться пошуки екологічно чистих технологій спалювання широкої гами твердих палив, особливо енергетичних твердих палив низької якості. У числі таких технологій знаходиться технологія спалювання твердих палив у циркулюючому киплячому шарі (ЦКС) при атмосферному тиску.
Теоретичною основою функціонування котлів з ПКС є уявлення прокиплячому шарі. Якщо в деякій камері (рис. 11.9,а) встановити решітку, на яку помістити шар вугілля, і до ґрат подати в невеликій кількості повітря, то після попереднього розігріву шару почнеться горіння палива з поверхні з виділенням газоподібних продуктів згоряння . При заповненні згоряючого палива на решітці підтримуватиметься фіксований шар, що горить. Здійснюватиметься так званешарове спалюваннятвердого палива. Якщо збільшувати подачу повітря під ґрати, то начастинки палива, що знаходиться на решітці, діятиме швидкісний напір, який протидіятиме силі тяжіння, що діє на кожну частину палива. При певній швидкості повітря частинки палива виявляться у зваженому стані в підйомному потоці повітря, а товщина шару, що горить, зросте (рис. 11.9,б).
При подальшому зростанні швидкості у шарі з'являються окремі бульбашки повітря (рис. 11.9,в), і товщина шару зростає ще більше. Це так званий бульбашковий киплячий шар. Він поводиться так, як поводиться кипляча рідина, звідси і назва методу - спалювання в киплячому шарі.
При ще більшій витраті повітря підйомна сила, що діє на частинки палива, виявляється настільки великою, що вони не встигають згоряти і вириваються з киплячого шару. При подальшому збільшенні витрати повітря видимий шар зникає і відбувається горіння скупчень частинок палива у всьому об'ємі камери з інтенсивним перемішуванням (рис. 11.9,г). Більша кількість частинок палива не встигає згоріти та виноситься з камери. Тут на їхньому шляху встановлюють циклон — циліндричну посудину, в якій продукти згоряння відокремлюються від частинок, що не згоріли. Продукти згоряння направляються в другу частину котла — конвективну шахту — для нагрівання робочого тіла (води та пари), а частинки, що не згоріли, рухаються в закрученому потоці, відкидаються до стінок, падають вниз і знову направляються в камеру горіння. Це і є циркулюючий киплячий шар. Головна його особливість полягає в тому, що циркулюючий матеріал у сотні разів перевищує кількість повітря, яке подається для горіння.
Одна з основних ідей, що реалізуються в котлах із ЦКС, полягає в тому, що температура киплячого шару виявляється невисокою — на рівні 820—900 °С. При таких температурахутворення оксидів азоту йде дуже повільно. Зауважимо, що у факельних пиловугільних топках температура горіння досягає 2000 °С. У свою чергу, низька температура горіння забезпечується великим розміром частинок вугілля (від 2 до 25 мм) та їх роз'єднаністю в киплячому шарі, на відміну від пиловугільного спалювання, коли розмір пилових частинок знаходиться на рівні 200 мкм.
Інша важлива ідея - багаторазова циркуляція гарячої суміші золи, вапняку і порівняно невеликої кількості свіжого палива, що підводиться. Це забезпечує не тільки хорошу сіроочищення продуктів згоряння, а й суттєво інтенсифікує процес спалювання.
Котли з ЦКС, крім зазначених вище переваг, мають низку інших.
- 2. В одному і тому ж котлі можна спалювати паливо різної якості, що змінюється.
- 3. Перед подачею в топку ЦКС паливо не вимагає дрібного розмелювання (досить дроблення), що виключає необхідність у вугільних млинах та покращує екологічну обстановку на ТЕС.
- 4. Відсутність окремих сіро- та азотоочищення (у котлах з ЦКС вони органічно вбудовані у процес горіння) забезпечує компактність цих котлів, що робить їх привабливими для реконструкції діючих ТЕС.
Разом з тим, порівняно з пилокутними котлами, котли з ЦКС складніші, працюють у більш важких умовах (ерозія поверхонь нагріву запиленим потоком), мають підвищену витрату електроенергії на привод високонапірних вентиляторів для подачі повітря в зону горіння та створення киплячого шару.
Техніко-економічні оцінки показують, що котли з ЦКС в енергоблоках 150—200 МВт забезпечують собівартість електроенергії, капітальні витрати, витрати на паливо, на обслуговування та ремонт, що не перевищують аналогічні витрати для пиловугільних котлів із сіроочищенням. При цьомупідкреслюється, що результати порівняння залежать від великої кількості факторів та визначаються конкретними умовами.
Область застосування котлів з ЦКС — спалювання низькосортних твердих палив при паропродуктивності до 250 т/год як для нових ТЕС, так і для модернізації. У світі наразі експлуатується понад 200 енергетичних котлів із ЦКС, у тому числі освоєно енергоблок потужністю 250 МВт. В Україні розробляються котли з ЦКС паропродуктивністю 160, 500 і 1000 т/год для спалювання кам'яного та бурого вугілля різних родовищ.