Завод получает уголь с высоким содержанием серы в один месяц, смесь биомассы в следующий, а после этого партию отходов фабрики – и ему все еще приходится каждый день обеспечивать потребности в пару и ограничения по выбросам. Сжигание в кипящем слое (FBC) существует именно для этой ситуации. В котле FBC частицы твердого топлива взвешены в горячем, кипящем слое песка, золы и известняка, где они горят при температуре примерно 850°C. Именно этот выбор конструкции делает большую часть работы: низкая температура слоя подавляет образование термических NOx, а известняк, смешанный с слоем, улавливает 90 или более процентов топливной серы внутри самой печи, прежде чем она достигнет дымовой трубы. Результатом стал котел, который превращает низкосортное, трудно сгораемое топливо в полезный пар с эффективностью сгорания более 90 процентов. Инженерам не следует упускать из виду другую половину истории — путь, который горячие, насыщенные пылью дымовые газы проходят через обратный проход, потому что именно здесь прогнозируемая экономия топлива либо материализуется, либо утекает.
Как работает сжигание в кипящем слое
Принцип легко представить. Воздух поступает в воздухозаборник под печью и проходит вверх через распределительную тарелку в слой инертного материала — песка, золы или отработанного известняка — глубиной в несколько сотен миллиметров. Как только скорость воздуха достигает точки псевдоожижения, примерно от 1 до 2 метров в секунду в кипящем слое и от 4 до 6 метров в секунду в циркулирующем слое, частицы теряют контакт друг с другом, и слой ведет себя как кипящая жидкость. Топливо, измельченное до исходного размера, впрыскивается непосредственно в эту массу, и интенсивное перемешивание приводит к контакту каждой частицы с кислородом и горячими твердыми частицами. Поскольку слой удерживает тепло, во много раз превышающее энергию, выделяемую топливом в секунду, температура остается почти одинаковой - от 820 до 900°C по всей печи.
Что делает возможной низкая температура
Химия внутри кровати объясняет, почему FBC заслужил свое место. Известняк, подаваемый вместе с топливом, сначала обжигается при нагревании, выделяя CO2 и оставляя реактивную известь; затем эта известь вступает в реакцию с SO2 из угля, образуя твердый CaSO4, который выходит вместе с золой. Таким образом, удаление серы происходит внутри печи, а не в отдельном скруббере. Та же самая низкотемпературная среда дает еще три практических результата:
- Гибкость использования топлива — уголь, биомассу, шлам, нефтяной кокс и топливо, полученное из отходов, можно сжигать, часто смешивать или заменять с минимальным снижением характеристик.
- Надежное догорание некачественного топлива — слой выступает постоянным источником воспламенения, поэтому высоковлажное и высокозольное топливо горит стабильно.
- Эффективное улавливание серы — молярное соотношение кальция к сере примерно от 2,0 до 2,5 обычно удаляет 90 или более процентов топливной серы.
- Низкий уровень выбросов NOx — термические NOx практически не образуются при температуре 850°C, а уровень неконтролируемых выбросов воздуха для горения значительно ниже, чем при высокотемпературном сжигании.
Три конфигурации: БОС, ЦФБ и ПФБК.
Кипящий псевдоожиженный слой (BFB)
Котлы BFB работают в нижней части диапазона скоростей, примерно от 1 до 3 м/с. Большая часть твердых частиц остается в печи, поверхности в слое или на стенах отводят тепло, а топливо подается через поверхность слоя. Эта конфигурация хорошо справляется с влажной биомассой, осадком и грубым топливом, поэтому она доминирует на промышленных паровых установках, сжигающих эти потоки.
Циркулирующий псевдоожиженный слой (ЦКС)
Котлы с ЦКС повышают скорость до 4–6 м/с, благодаря чему большое количество твердых частиц выносится из печи, улавливается циклоном и возвращается через петлевое уплотнение. Твердые частицы могут циркулировать десятки раз, прежде чем уйти в виде золы, что увеличивает время пребывания и повышает эффективность сгорания до 97–99 процентов. Сегодня CFB используется по умолчанию для коммунальных предприятий и крупных промышленных предприятий, работающих на низкосортном угле, поскольку он сочетает в себе высочайшую эффективность с самым широким диапазоном топливных возможностей.
Кипящий слой под давлением (PFBC)
PFBC управляет всей системой при давлении от 10 до 16 бар внутри сосуда под давлением и расширяет горячие дымовые газы под давлением через газовую турбину в дополнение к повышению пара. Хотя логика эффективности обоснована, было построено лишь несколько демонстрационных заводов, и это остается нишей. Для большинства проектов практическим решением является выбор между BFB и CFB.
| Параметр | BFB | CFB | PFBC |
|---|---|---|---|
| Скорость псевдоожижения | 1-3 м/с | 4-6 м/с | Похоже на: ЦФБ |
| Рабочее давление | Атмосферный | Атмосферный | 10-16 бар |
| Эффективность сгорания | 90-96% | 97-99% | 99 % проектная цель |
| Контроль серы | Пластовой известняк | Пластовой известняк | Пластовой известняк |
| Типичный масштаб | До ~100 МВттепл. | Промышленный класс до 600 МВт | Только демонстрация |
| Лучшее топливо | Влажная биомасса, шлам, уголь | Низкосортный уголь, нефтяной кокс, смешанное топливо | Высокосернистый уголь |
Почему растения выбирают FBC
Экономическое обоснование опирается на три столпа: он сжигает топливо, которое не могут использовать обычные котлы, обеспечивает соблюдение ограничений по выбросам за счет более простого газового тракта и делает это без ущерба для значимой эффективности. Для заводов, имеющих доступ к дешевому проблемному топливу, арифметика имеет решающее значение: отходы обогащения, нефтяной кокс или отработанное топливо могут стоить лишь часть стандартного угля, а установка FBC конвертирует эту скидку непосредственно в операционную экономию. Соблюдение требований также благоприятствует данной технологии: сера улавливается известняком в слое, контроль NOx в значительной степени не зависит от низкой температуры слоя, а приведенные ниже цифры отражают обычные показатели, а не лабораторные обещания.
~850°С Рабочая температура кровати
90% Улавливание серы в пласте
97-99% Эффективность сгорания CFB
2,0-2,5 Типичное молярное соотношение Ca/S
Обратный проход: где экономика FBC выигрывает или проигрывает
Псевдоожижение решает проблему печи; он ничего не делает для того, что его покидает. Газ выходит из циклона ЦКС при температуре от 850 до 900°C и поступает в обратный проход, неся с собой большое количество мелких твердых частиц. Пластовая зола в основном представляет собой твердое, угловатое минеральное вещество, и даже после циклонного разделения поток остается абразивным и склонным к загрязнению. Поэтому каждая конвективная поверхность ниже по потоку — пароперегреватели, испарительные батареи и экономайзер — должна быть спроектирована с учетом эрозии и накопления золы, а также с учетом теплопередачи.
Экономайзер дымовых газов хвостового котла для рекуперации тепла питательной воды Расположенный на холодном конце обратного прохода ЦКС, этот экономайзер поглощает оставшееся тепло перед воздухонагревателем и дымовой трубой, снижая температуру выходящего газа и расход котлового топлива даже в абразивных, содержащих золу дымовых газах. Посмотреть продукт → Экономайзер выполняет большую часть этой функции. Расположенный на холодном конце газового тракта, он поглощает последнее полезное тепло перед воздухонагревателем и дымовой трубой. Как правило, каждое снижение температуры выхлопных газов на 15–20°C снижает эффективность котла примерно на 1 процент, поэтому разрыв между хорошо подобранным экономайзером и экономайзером недостаточного размера становится постоянной статьей в счетах за топливо. При работе в условиях высокой запыленности трубы также нуждаются в защите: умеренные скорости газа, противоизносные щитки на ведущих рядах и дополнительный запас по толщине стенок.
Ребристая труба типа H для запыленных дымовых газов Параллельные H-образные ребра образуют прямые газовые каналы, которые противостоят накоплению золы и эрозии, добавляя при этом большую протяженную поверхность, что делает эти трубы подходящим выбором для склонных к загрязнению конвективных поверхностей после циклона CFB. Посмотреть продукт → Геометрия плавников имеет не меньшее значение. Ребристые трубы H-типа были разработаны именно для этой среды: ребра, сваренные параллельными рядами, оставляют прямые газовые каналы между трубками, уменьшая турбулентность в основании ребра и вихревых зонах, где оседает зола, одновременно увеличивая большую поверхность теплопередачи в компактных модулях. Такое сочетание увеличенной площади, устойчивости к эрозии и свойств самоочистки сделало их стандартной расширенной поверхностью в обратных проходах CFB. Прежде чем исправлять конструкцию поверхности, стоит проанализировать, как оребренные трубы Н-типа сравниваются с гладкими трубами в дымовых газах с высоким содержанием пыли.
Определение рекуперации тепла вокруг установки FBC
Для промышленного оператора котел FBC редко является отдельной покупкой; он закрепляет сеть рекуперации тепла. Пар из слоя приводит в движение процессы, и во многих схемах отдельный котел-утилизатор, включенный в горячий поток выхлопных газов (охладители печных газов, печного газа или твердых веществ), преобразует избыточное тепло в дополнительный пар без сжигания еще одного килограмма топлива. Если рассматривать блок FBC и его последующие поверхности как единую интегрированную систему, то это превращает гибкость использования топлива в окупаемость.
Промышленный котел-утилизатор для потоков выхлопных газов Поскольку котел FBC обеспечивает интегрированную сеть рекуперации тепла, котел-утилизатор преобразует избыточное тепло отходящих газов печи или выхлопных газов печи в дополнительный пар без потребления дополнительного топлива. Посмотреть продукт → Закупки должны проверяться по тем же трем осям, которых требует технология. Во-первых, соответствие: детали, работающие под давлением, изготовлены в соответствии с требованиями ASME с документально подтвержденным качеством сварки, подкреплены автоматизированными сварочными линиями и рентгеновским контролем в реальном времени, а не только документацией. Во-вторых, инженерное соответствие: поставщик должен работать с 3D-макетами, проверять тепловложение и преобразовывать существующие чертежи, чтобы новые поверхности попадали в текущий путь газа без изменения конструкции. В-третьих, мощность: графики EPC наказывают поставщиков, которые не могут поставить тоннаж, а годовой объем производства выше 20 000 тонн является справедливым порогом, о котором стоит спросить. Такие производители, как Wuxi Jinker Power Equipment, поставляют экономайзеры, оребренные трубы и котлы-утилизаторы как одно семейство продуктов — именно так и следует покупать обратный проход FBC. Прежде чем зафиксировать конструкцию поверхности, стоит еще раз вспомнить, как экономайзеры котлов сокращают расходы на топливо и утилизируют отходящее тепло.
Сжигание в кипящем слое сохраняет свои позиции в современной выработке электроэнергии и пара, потому что оно делает то, чего не может сделать высокотемпературное сжигание: сжигает дешевое и неудобное топливо в современных пределах выбросов. Температура пласта и химический состав известняка устанавливают эти пределы; поверхности обратного прохода определяют экономику. Указание того и другого с одинаковой строгостью — стабильные условия основания с одной стороны, устойчивые к эрозии ребристые поверхности нагрева и экономайзер правильного размера с другой — вот что отличает проект FBC, который окупает себя, от проекта, который незаметно отстает.
