Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы. Глава 3. Подготовка топлива на ТЭС (В. Р. Котлер, 2008)

3.1.1. Топливное хозяйство угольных ТЭС

Тепловая электростанция на твердом топливе, как правило, имеет угольный склад, на который топливо поступает обычно по железной дороге от места его добычи (рис. 3.1). В редких случаях, при размещении ТЭС непосредственно вблизи шахты или угольного разреза, топливо на ТЭС может подаваться с помощью ленточных конвейеров. Использование для этих целей подвесной канатной дороги или гидротранспорта встречается в России чрезвычайно редко. Для разгрузки угольных вагонов на современных электростанциях используют вагоноопрокидыватели производительностью более тысячи тонн угля в час.

Объем топливного склада зависит от надежности и регулярности поставок угля на ТЭС, а также от мощности ТЭС, точнее – от максимального расхода топлива. Для разгрузочных работ и перемещения угля на тракт топливоподачи топливные склады оборудуют необходимыми механизмами: штабелеукладчиками, кранами-перегружателями с мостовыми грейферными кранами, бульдозерами, скреперными установками.

Условия хранения топлива на складах определяются характеристиками угля: некоторые марки углей с высоким выходом летучих, например, склонны к самовозгоранию. Для предупреждения этого явления используют уплотнение топливных штабелей с помощью бульдозеров. В некоторых случаях гладкоукатанные откосы штабеля покрывают специальным лаком, а его поверхность – отработавшим маслом. При складировании сухих углей приходится принимать меры для ограничения их пыления. Известны случаи, когда вокруг топливного склада высаживали защитную лесополосу.

Для подачи угля со склада или непосредственно с места разгрузки в бункеры котельного цеха используют обычно конвейеры с резиновыми лентами. По пути к этим бункерам уголь проходит через дробильное помещение, так как мельницы, установленные в котельном цехе, не приспособлены к измельчению крупных кусков топлива. При одноступенчатом дроблении максимальный размер поступившего на ТЭС угля с 200–250 мм уменьшается до 15–60 мм. Если на ТЭС поступает уголь с кусками размера «плита» (до 800–1000 мм), то приходится устанавливать оборудование для двухступенчатого дробления топлива. Для некоторых видов твердого топлива (антрацитовый штыб, торф, отсевы каменных углей) дробилки на тракте топливоподачи вообще не требуются.

Рис. 3.1. Технологическая схема паротурбинной электростанции на минеральном топливе: 1 – вагоноопрокидыватель; 2 – приемный бункер; 3 – узел пересыпки; 4 – угольный склад; 5 – дробильное отделение; 6 – бункер сырого угля котельной; 7 – мельница; 8 – воздухоподогреватель; 9 – дутьевой вентилятор; 10 – цистерна с мазутом; 11 – обогреваемый межрельсовый лоток; 12 – приемный резервуар; 13 – насос; 14 – основной резервуар; 15 – насос первого подъема; 16 – паровые подогреватели; 17 – насосы второго подъема; 18 – газорегулировочный пункт; 19 – котёл; 20 – электрофильтр; 21 – каналы гидрозолоудаления; 22 – багерный насос; 23 – дымосос; 24 – дымовая труба; 25 – паропровод свежего пара

Для того чтобы не перегружать дробилки углем, который не содержит крупных кусков, перед дроблением устанавливают грохоты. Это снижает расход электроэнергии на дробление и уменьшает вероятность замазывания дробилок наиболее мелкими (а значит – более влажными) частицами топлива.

Подготовленная на тракте топливоподачи дробленка поступает в бункер сырого угля (БСУ), расположенный непосредственно в котельном цехе. Обычно БСУ выполняют бетонными с железненными поверхностями или металлическими, с гладкой внутренней поверхностью (для обеспечения полного их опорожнения при срабатывании топлива).

При работе ТЭС на влажных углях, обладающих низкими сыпучими свойствами, бункер выполняется с крутонаклонными, а иногда даже с вертикальными стенками. Вторым средством для устранения сводообразования и зависания влажного топлива в бункерах является увеличение выходного отверстия. Причем увеличение размеров только по направлению движения питателя сырого угля не дает желаемого эффекта. Поэтому для особо влажных бурых углей иногда применяют специальные комбинированные питатели сырого угля.

При использовании менее влажных каменных углей проблемы схода топлива из бункера возникают реже, но и для них требуется, чтобы угол наклона стенок бункера был не менее 60°, а сечение выходных горловин – не менее 700x700 мм.

Питатели сырого угля не только подают твердое топливо из бункера в размольное устройство, но и регулируют подачу топлива. Конструкции питателей сырого угля (ПСУ) могут быть самыми разными, но наибольшее распространение получили ленточные и скребковые ПСУ. Подача топлива на ленточных питателях регулируется положением плоского шибера, изменяющего высоту слоя топлива на ленте, или изменением скорости движения самой ленты. Достоинством ленточных ПСУ является возможность подачи топлива от бункера к мельнице на значительное расстояние.

Скребковые питатели устроены по-другому: у них слой топлива перемещается вдоль гладкого неподвижного стола при помощи множества последовательно установленных и шарнирно соединенных между собой скребков. Подача топлива, как и в случае ленточных питателей, регулируется шиберами, влияющими на толщину слоя, или плавным изменением скорости движения скребков.

От питателей сырого угля к мельницам топливо поступает по течкам, которые также могут создать трудности для бесперебойной подачи топлива в котел. Во избежание застревания в них топлива, течки должны иметь достаточно большой диаметр (от 250 мм при расходе топлива 5 т/ч до 800 мм при расходе 180 т/ч) и располагаться вертикально или под определенным углом к горизонту (не менее 60° для влажного топлива или 50° – для сухого, при условии обогрева течек).

На современных котлах молотковые и среднеходные мельницы (см. ниже) работают под давлением. В таких случаях на течках рекомендуется последовательно устанавливать две мигалки с принудительным открытием.

После течки дробленый уголь попадает в мельницу (впрочем, в некоторых случаях, при работе на высоковлажных углях, мельнице предшествует подсушивающее устройство, в котором за счет теплоты газа или газо-воздушной смеси испаряется часть влаги топлива). Но прежде чем будет дано описание различных типов мельниц, нужно познакомиться с основными характеристиками угольной пыли.

3.1.2. Основные характеристики угольной пыли

Физические свойства угольной пыли значительно отличаются от свойств исходного угля. Смесь угольной пыли с воздухом обладает высокой подвижностью и может легко перемещаться по трубопроводам на значительные расстояния. Угол естественного откоса угольной пыли равен 30–40°. Из-за пористой структуры пылинок насыщенная воздухом угольная пыль имеет насыпную плотность всего лишь 0,5 т/м³. Но со временем пыль слеживается, уплотняется, в результате чего её насыпной вес увеличивается. В нижней части пылевых бункеров насыпной удельный вес пыли может достигать 0,8–0,9 т/м³.

Полученная в результате размола угольная пыль состоит из отдельных пылинок разной величины. Размер самых мелких пылинок близок к нулю, а самых крупных – может быть различным. При сжигании бурых углей с высоким выходом летучих допускается, чтобы самые крупные частицы имели размер до 1000–1500 мкм. С другой стороны, при сжигании антрацита или тощих углей (с малым выходом летучих) максимальный размер угольных частиц не должен превышать 200–250 мкм.

Для оценки тонкости пыли в России используют такое понятие, как остаток на сите определенного размера (90, 200 и 1000 мкм), выраженный в %%. За рубежом обычно крупность пыли оценивается по проходу через сито с определенным числом отверстий на 1 дюйм (mesh). Сравнение отечественных и зарубежных характеристик тонкости угольной пыли приведено в табл. 3.1.

Следовательно, если в статье или в технической документации из США приведена характеристика угольной пыли (например, mesh 170 = 75 %), то это значит, что остаток на сите с размером ячейки 88 мкм (то есть почти что R₉₀) равен 25 %.

Представление о фракционном составе угольной пыли дает зерновая характеристика, которую легко получить, зная остаток на нескольких ситах. На рис. 3.2 приведена зерновая характеристика одного из видов каменного угля. Уравнение зерновой характеристики имеет вид:

, (3.1)

где R_x – полный остаток на сите с размером ячеек сита х, мкм; b – коэффициент тонкости измельчения, постоянный для определенного топлива и метода измельчения; n – коэффициент полидисперсности пыли, зависящий от типа мельничного устройства. Коэффициенты b и n определяются опытным путем.

Рис. 3.2. Зерновая характеристика пыли

Важнейшим параметром твердого топлива при его размоле является коэффициент размолоспособности К_ло. Этот коэффициент является отношением расхода электроэнергии при размоле угля, принятого за эталон, к расходу электроэнергии при размоле данного угля. Конечно, размол сравниваемых топлив производится от одинаковой крупности до одной и той же тонкости помола. В России в качестве эталонного топлива принят достаточно твердый уголь типа антрацит, поэтому практически все угли имеют К_ло больше 1,0.

Таблица 3.1. Сита для рассевки угольной пыли по американскому стандарту ASTM

Зарубежные специалисты для оценки размолоспособности углей обычно используют коэффициент Хардгроу. Соотношение между этим показателем и К_ло приведено на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Связь между К_ло по шкалам ВТИ, ЦКТИ, Хардгроу и горного бюро США

Изменение тонкости пыли значительно влияет на производительность мельниц, а также на удельный расход электроэнергии, затраченной на размол. Если руководствоваться только этими двумя характеристиками, то следовало бы всегда работать с грубым помолом. Однако нельзя забывать, что угольная пыль нужна для организации топочного процесса, а фракционный состав этой пыли влияет на устойчивость воспламенения, экономичность сжигания, шлакование и загрязнение поверхностей нагрева, а также на степень образования токсичных оксидов азота NO_x. Поэтому при эксплуатации угольных котлов всегда приходится настраивать пылесистемы таким образом, чтобы устранить неизбежные при работе на грубой пыли недостатки: затягивание процесса воспламенения, повышение температуры на выходе из топки, увеличение потерь с механическим недожогом и т. д. Обычно оптимальную величину R₉₀ определяют по минимальному значению суммы затрат на размол топлива в мельнице и стоимости потерь от механического недожога (рис. 3.4). Следовательно, для углей с малым выходом летучих, когда содержание горючих в уносе достигает 10–20 %, остаток на сите 90 мкм целесообразно поддерживать на более низком уровне, чем при работе на высокореакционных углях, механический недожог которых редко превышает 1 %.

Рис. 3.4. Определение оптимальной тонкости пыли

3.1.3. Пылесистемы и углеразмольные мельницы

Для размола топлива можно использовать центральные или индивидуальные системы пылеприготовления. В первом случае вблизи главного корпуса электростанции сооружается центральный пылезавод (ЦПЗ), на котором организованы сушка и размол топлива для всех котлов ТЭС. Готовая угольная пыль специальным насосом подается в пылевые бункеры каждого котла, а из них – к горелкам котельных установок. Достоинством ЦПЗ является независимость работы котлов от нагрузки систем пылеприготовления, которые могут работать в оптимальном режиме, снижая тем самым расход электроэнергии на собственные нужды. Кроме того, при наличии ЦПЗ легче организовать размыкание схемы сушки (то есть сброс очищенного сушильного агента в атмосферу), что повышает эффективность котельных установок.

Вместе с тем, сооружение ЦПЗ требует значительных капитальных затрат, а эксплуатационные расходы часто превышают достигнутый экономический эффект даже при использовании высоковлажных топлив: для сушки топлива на ЦПЗ обычно используется пар из отборов паровой турбины. В России практически единственным объектом с работающим ЦПЗ является II очередь Назаровской ГРЭС (два котла П-49, обеспечивающие паром блок мощностью 500 МВт).

Индивидуальные системы пылеприготовления располагают в главном корпусе ТЭС, рядом с котлами, для которых размалывается уголь. Для сушки топлива в них используются горячий воздух или смесь воздуха с дымовыми газами из этого же котла. Различают индивидуальные системы пылеприготовления с прямым вдуванием и с промежуточным бункером.

Первый, наиболее простой вариант предполагает, что сушильный агент (воздух или газовоздушная смесь, а также выделившиеся из угля водяные пары) транспортирует угольную пыль к горелкам (рис. 3.5). Второй вариант более сложен: он предполагает наличие циклона, в котором угольная пыль после мельницы почти полностью отделяется от сушильного агента (рис. 3.6). После этого уловленная в циклоне угольная пыль поступает в пылевой бункер, из которого она пылепитателями с регулируемым числом оборотов подается к горелкам. Причем возможны разные варианты: на этом участке транспортирующим агентом может быть горячий воздух (в данном случае сушильный агент с тонкими фракциями угля, не уловленными в циклоне, обычно подается в топку через так называемые «сбросные» горелки); или же для транспорта пыли к горелкам используется тот же самый сушильный агент, отсасываемый из циклона мельничным вентилятором (в этом случае не требуется оборудовать котел сбросными горелками).

Рис. 3.5. Индивидуальная система пылеприготовления с прямым вдуванием для молотковых мельниц: 1 – бункер сырого угля; 2 – отсекающий шибер; 3 – питатель угля; 4 – мигалка; 5 – течка сырого угля; 6 – мельница; 7 – сепаратор; 8 – распределитель пыли; 9 – взрывной клапан; 10 – короб вторичного воздуха; 11 – дутьевой вентилятор; 12 – воздухоподогреватель; 13 – пылепровод; 14 – горелка; 15 – котел; 16 – трубопровод аварийной присадки воздуха; 17 – шибер с быстрозакрывающимся устройством; 18 – клапан присадки холодного воздуха; 19 – воздухопровод горячего воздуха; 20 – трубопровод холодного воздуха для уплотнения вала мельницы; 21 – устройство для измерения расхода сушильного агента

В последние годы некоторое распространение в России получил 3-й вариант: подача пыли к горелкам с высокой концентрацией — ППВК. Этот метод заключается в том, что пылесистема оборудуется высоконапорными воздуходувками для транспорта пыли по трубопроводам малого диаметра (обычно – 76 мм) при концентрации угольных частиц 30–40 кг на кг воздуха (при традиционном методе концентрация твердых частиц близка 0,5 кг/кг, а диаметр пылепровода, в зависимости от мощности горелки, составляет 300–800 м).

Рис. 3.6. Индивидуальная система пылеприготовления с ШБМ и с промежуточным бункером: 1 – бункер сырого угля; 2 – отсекающий шибер; 3 – автоматические весы; 4 – весовой бункер; 5 – питатель угля; 6 – течка сырого угля; 7 – устройство для нисходящей сушки; 8 – мельница; 9 – клапан присадки холодного воздуха; 10 – устройство для измерения расхода сушильного агента; 11 – мигалка; 12 – сепаратор; 13 – течка возврата крупной пыли; 14 – циклон; 15 – перекидной шибер; 16 – реверсивный шнек; 17 – бункер пыли; 18 – питатель пыли; 19 – трубопровод рециркуляции; 20 – мельничный вентилятор; 21 – короб первичного воздуха; 22 – смеситель; 23 – горелка; 24 – взрывной клапан; 25 – трубопровод сушильного агента; 26 – атмосферный клапан; 27 – воздухопровод; 28 – газопровод; 29 – смесительная камера; 30 – короб вторичного воздуха; 31 – дутьевой вентилятор; 32 – воздухоподогреватель; 33 – заглушка; 34 – сбросная горелка; 35 – котел

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_ло ≤ 1,1, требующих для эффективного сжигания весьма тонкий размол (R₉₀ ≤ 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 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_i^r = 5,46 МДж/кг и W^r = 56 % теоретическая (адиабатическая) температура горения составляет всего 1373 К (1100 °С). Столь низкое значение ϑ_a 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_pf <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_c и l, где g_c – это доля пыли, поступающей в основной отвод, то есть

g_c = G_осн /G_о, (3.2)

а l – доля газа (несущего агента), также поступающего в основной отвод:

l = Q_осн/Q₀. (3.3)

Слабозапыленный поток, включающий в себя остаток пыли G_сбр = G₀−G_осн, выносится газовым агентом Q_сбр = Q_о−Q_осн в сбросной пылепровод и далее в сбросную горелку.

Глубина разделения пылегазового потока выражается как отношение:

g_c/l = (G_ocн · Q₀)/(G₀ · Q_осн). (3.4)

Следовательно,

g_c/l = μ_осн/μ₀

где μ₀, μ_осн – концентрации пыли на входе в пылеконцентратор (то есть за мельницей) и в основном отводе (перед основной горелкой).

Меньшая часть угольной пыли (l – g_c) вместе с определенной частью сушильного агента (1 – l) поступает, как упоминалось ранее, в сбросные горелки, расположенные выше основных. Поэтому время для горения сбросной пыли в топочной камере несколько уменьшается. Это обстоятельство накладывает определенные требования на фракционный состав сбросной пыли: она не должна содержать крупные частицы, особенно размером более 1000 мкм. И в этом плане центробежные пылеконцентраторы с регулируемой степенью крутки потока оказываются наиболее подходящими.

При проведении испытаний центробежного пылеконцентратора, изображенного на рис. 3.15, оказалось, что при α = 20° доля топлива, поступающая в основные горелки (g_c), была равна 0,85, а l = 0,5, то есть l/g_c = 0,59. В опытах с большей круткой потока (α = 45°) оказалось: g_c = 0,9; l = 0,6 и l/g_c = 0,67. Гидравлическое сопротивление пылеконцентратора составляло 60–65 кгс/м².

На рис. 3.16 показана конструкция двухступенчатого пылеконцентратора, позволяющая слабозапыленный поток аэросмеси дополнительно разделить на два потока. Один из них содержит чрезвычайно мало частиц угольной пыли, причем наиболее тонких, которые могут выгореть, поступая даже в верхнюю часть топочной камеры.

Рис. 3.16. Двухступенчатый пылеконцентратор: 1 – внешний корпус; 2 – завихритель; 3 – рассекатель; 4 – внутренний корпус; 5,6 – внешний и внутренний основные отводы; 7,8 – внешний и внутренний сбросные отводы; 9 – обтекатель