Вихревые топки и горелки

Назначение и применение

  • Универсальные вихревые горелки (предтопки) предназначены для эффективного сжигания низкосортных и низкоинерционных топлив: водоугольное топливо, нефтяные шламы, эмульсии и суспензии из отходов, торф, биомасса, опилки и др.
  • Вихревые горелки также позволяют сжигать традиционные виды твёрдого и жидкого топлива: уголь, дизель, мазут, газ.
  • Вихревые горелки могут быть установлены перед водогрейным или паровым котлом, а также перед сушильными печами различного назначения: печи элеваторов, сушки угля, сушки брикетов и др.
  • Вихревые топки также могут работать как самостоятельный теплогенератор.

Преимущества

  • Универсальность – вихревые горелки являтся многотопливными и позволяют сжигать различные виды топлива, одновременно или по очереди
  • Невысокая чувствительность к качеству сырья, возможность быстрого перехода от высококалорийного топлива к низкокачественному, а также возможность их совместного сжигания
  • Твёрдое топливо достаточно измельчить до 1…2мм и получить эффективность сжигания, сравнимую с эффективностью пылеугольных котлов большой мощности
  • Высокая эффективность – сжигание углерода на 98…99%
  • Низкие выбросы оксидов азота NOx и моноксида углерода CO
  • Для перехода на другой вид топлива не требуется реконструкция котла – достаточно установить вихревую горелку необходимого типоразмера

Принцип работы

  • В стенках топки проходят дутьевые щели, направляющие поток воздуха вдоль стенок так, чтобы в камере горения образовывался устойчивый вихрь. Топливо, попадая в вихревой воздушный поток, успевает прогреться, вспыхнуть и полностью выгореть. Продукты горения выходят через выходное отверстие вихревой горелки, соединённое с котлом или сушильной печью.
  • Аэродинамические характеристики горелок (предтопков) подобраны так, чтобы факел горящего топлива совершал оптимальное количество оборотов при минимальных габаритах топки (предтопка). Это позволяет достичь полного выгорания углерода и достичь передачи всего тепла в котёл.
  • Термодинамика вихревых горелок (топок) рассчитана так, что подаваемый для закручивания вихря объем воздуха обеспечивает оптимальный режим горения топлива. Теплоизоляция предтопка обеспечивает минимальные потери тепла, быстрый прогрев при запуске, устойчивость к кратковременным скачкам температуры до 1500 С° и длительную надежную работу.

Конструкция вихревой горелки

  • Горелка (предтопок) состоит из фурмы (передней дверцей) с дизельной или газовой горелкой для первичного поджига (если требуется), тела предтопка, дутьевого вентилятора, системы автоматики.
  • Передняя стенка (фурма) предтопка имеет крепёжные конструкции для монтажа мазутной, дизельной или газовой горелки, необходимой для начального прогрева предтопка.
  • Фурма представляет собой теплоизолированную шамотным кирпичом легкосъёмную металлическую конструкцию. Для удобства обслуживания фурма оборудована смотровыми окошками и датчиками контроля пламени.
  • Тело предтопка – горизонтально или вертикально установленный цилиндр с термодатчиками, форсункой для суспензионного топлива, либо воронкой для сыпучего топлива. В шамотном кирпиче и жаропрочном бетоне, используемыми в качестве теплоизоляции предтопка, прорезаны щели, направляющие поток вторичного воздуха для образования вихря с расчётными свойствами.
  • При работе на твёрдом или сыпучем виде топлива вместо форсунки устанавливается винтовой конвейер или иной дозирующий податчик топлива.
  • Дутьевой вентилятор подает вторичный воздух в предтопок. Скорость вращения вентилятора регулируется частотным регулятором и может меняться в зависимости от объема подаваемого топлива и производительности котла.
  • Система автоматики предтопка может быть как интегрирована в общую систему автоматики котельной. Система автоматики считывает показания работы горелки, параметры пламени, температуру в ключевых местах предтопка, объем и температуру подаваемого в предтопок воздуха. По результатам обработки этих показаний система автоматики регулирует поток вторичного воздуха, разряжение воздуха в котле, подачу топлива в камеру предтопка так, чтобы оптимизировать режим горения при заданной производительности.

Вихревые горелки выпускаются в диапазоне мощностей от 0,5МВт до 8МВт. Стандартная конфигурация горелок может быть изменена под конкртеный вид топлива. Перед изготовлением горелки для нестандартного топлива целесообразно провести его опытное сжигание на нашем огневом стенде в г.Ижевск.

Приготовление ВУТ, Узбекистан

Задача: приготовлить ВУТ для сжигания угля в жидкой форме в сушильной печи.

Решение: для приготовления ВУТ исползован ГУУМП. В качестве сырья использован дроблёный уголь и угольный шлам.

Проект реализован в 2016 году.

Комплекс газификации угля, г.Бийск / г.Ачинск

Цель проекта — получение синтетической нефти из бурого угля.

Описание процесса

На первой стадии готовится водоугольная суспензия (ВУС) из бурого угля с соотношением твёрдое/жидкое примерно 50%/50%. В дальнейшем суспензия поступает в реактор газификации. Синтезгаз, полученный в процессе газификации угля, в дальнейшем сжижается для получения синтетической нефти.

Роли в проекте

  • ООО “Амальтеа-Сервис” – поставка ГУУМП первого поколения для приготовления ВУС
  • ООО “Полипром”, г.Бийск – газификация угля, очистка и сжижение синтезгаза, разделение нефти по фракциям и т.д.

С 2011 года установка находилась в г.Бийск, Алтайский край, в настоящее время перемещена в г.Ачинск, Красноярский край.

Эксплуатацию объекта осуществляет ООО «Полипром».

Замещение мазута в пос.Ёнский, Мурманская область

Цель проекта – снижение топливных затрат пос.Ёнский Ковдорского района Мурманской области за счёт замены мазута на водоугольное топливо. По оценкам, проведённым в 2006 году, внедрение ВУТ позволит владельцам котельной (Администрации Ковдорского района) снизить топливные затраты примерно на 10 млн.руб в год.

  • МУП ЖКХ «Ёнское», пос.Ёнский — Заказчик, потребитель ВУТ.
  • Администрация Ковдорского р-на, г.Ковдор — представитель собственника котельной
  • Департамент строительства и ЖКХ Мурманской обл., г.Мурманск — куратор и координатор проекта со стороны Заказчика.
  • ЗАО «Амальтеа», г.Москва:
    • Управляющая компания, координатор проекта, Функциональный Заказчик
    • Основной инвестор проекта
    • Владелец технологии на территории Мурманской обл.
    • Поставщик ВУТ для котельной
  • ЗАО «НПП Сибэкотехника», г.Новокузнецк:
    • На начальном этапе — Генеральный проектировщик. После невыполнения большинства требований Функционального Заказчика, за компанией сохранена функция Проектировщика по некоторым разделам.
    • Выполнение Пусконаладочных работ в котельной.
  • ЗАО НПП «Экоэнергомаш», г.Барнаул — проектирование модернизации котлов и использования вихревого способа горения ВУТ.

В соответствии с проектным решением приготовление должно осуществляться двухстадийным способом. На первой стадии осуществляется дробление угля в молотковой дробилке. На второй стадии мокрый помол и перемешивание измельчённого угля осуществляется в двух вибромельницах — единственное на тот момент доступное техническое решение.

По ходу реализации проекта и проведения пусконаладочных работ в цехе приготовления ВУТ стало ясно, что предложенное проектное решение не позволяет достичь запланированных величин в части производительности оборудования и энергозатратам:

  • 3..3,8 т/ч вместо 5 т/ч, заложенных в проекте
  • фактические 100…110 кВт*ч/т вместо 55 кВт*ч/т, заложенных в проекте.

Чрезмерно завышенная высота ангара, непродуманное решение по его отоплению, многократно завышенная стоимость электрики, КИПиА, аспирации и другие ошибки привели к существенному увеличению затрат основного инвестора и заставили Управляющую Компанию (ЗАО «Амальтеа») отказаться от привлечения специалистов ЗАО «НПП Сибэкотехника» к проектированию и необходимости разработки собственных решений, что и было сделано впоследствии.

 

Указанные трудности привели к необходимости создания ГУУМП — гидроударный узел мокрого помола, который может быть компактно размещён в существующих помещениях и управляемый с одного пульта управления.

Для сжигания ВУТ в котлах ДКВР-6,5 и ДЕ-25 были модернизированы топки, что позволило организовать вихревой способ сжигания топлива. В результате, помимо мазута модернизированные котлы могут сжигать уголь в форме водоугольной суспензии.

 

Данное решение было предложено ЗАО НПП «Экоэнергомаш», г.Барнаул (вихревая камерная топка) и было успешно запущено в процессе пуско-наладочных работ.

Приготовление

В декабре 2007, т.е. через 13 месяцев после принятия решения о начале проектных работ, был возведён цех приготовления ВУТ и были произведены пусконаладочные работы в комплексе приготовления ВУТ. Результатом пусконаладочных работ стала первая партия ВУТ.
В процессе выполнения пусконаладочных работ была существенно упрощена технологическая схема приготовления ВУТ. В частности, существенно уменьшено количество задвижек: вместо 49, предложенных проектировщиками, в схеме осталось не более 20. Также, по причине быстрого забивания (2..3 минуты), из схемы был исключён фильтр грубой очистки ВУТ, располагавшийся на выходе вибромельницы.
После проведения ряда оптимизаций был достигнут необходимый гранулометрический состав ВУТ.
Также, в схеме приготовления ВУТ использовался реагент-пластификатор. Его применение позволило получить водоугольную суспензию, стабильную в течение 2..3 недель.
Полученный в процессе реализации проекта опыт эксплуатации вибромельниц привёл к необходимости разработки иных решений в части приготовления, что и было впоследствии сделано ГУУМП.

Сжигание

По причинам, не связанным с технологией (задержка финансирования, изменение котла, подлежащего модернизации, совмещение модернизации с капитальным ремонтом котла владельцем котельной и т.д.), модернизация котла ДКВР-6,5 была осуществлена только к началу 2008 года, а первый запуск котла был выполнен только в ноябре 2008 года (т.е., через год после готовности цеха приготовления ВУТ).
Для запуска котла была изготовлена пробная партия ВУТ, которая была перекачана из цеха приготовления в котельную (по трубопроводу длиной около 200м, см.генплан).
В соответствии с проектными решениями сжигание ВУТ происходило в вихревой топке. Для растопки (разогрева) котла был использован мазут. Затем подача мазута была постепенно снижена вплоть до полного прекращения, а подача ВУТ была увеличена. В процессе пробных запусков было сожжено несколько тонн ВУТ, был достигнут номинальный расход ВУТ. Подогрев ВУТ не осуществлялся.
 

После успешного пробного сжигания ВУТ на котле ДКВР-6,5 в ноябре 2008 года комплекс приготовления ВУТ быт выкуплен частным инвестором в 2010 году.

Замещение газа углём на БКЗ-120, Ванадзор, Армения

Цель проекта — замещение дорожающего газа на газовом котле БКЗ-120 (120т.п/ч) на ВУТ.

Период работы — 2011-2012гг.
ВУТ изготавливалось на трёх ГУУМП (первого поколения) из углей марок Г, Д. Достигнута необходимая производительность ГУУМП.

ГУУМП поставлены силами ООО «Амальтеа-Сервис», единый бункер дроблёного угля для трёх ГУУМП, а также дробление, организованы Заказчиком. Горение организовано Заказчиком, с учётом рекомендаций Амальтеа.

 

Горение осуществлялось с подсветкой газом в объёме около 10…15% в топливном балансе. Для сбора шлака в котле изменена конструкция пода для организации сухого шлакоудаления серией конвейеров.
Проект остановлен из-за отсутствия доступного сырья (угля) у Заказчика.

Замена дизеля/мазута углём, г.Сувон, Южная Корея

Цель проекта — замещение дизеля/мазута углём в сушильных печах и котлах.

Используемое решение: сжигать уголь в форму водоугольной суспензии.

Исполнители и роли:

  • Подготовка водоугольной суспензии – ООО “Амальтеа-Сервис”
  • Загрузка угля, система сжигания – FocusBIO (Республика Корея).

Установлено производство ВУТ на базе 1 ГУУМП (первого поколения). ВУТ производится из углей различных марок, прежде всего Сахалинских.

Многотопливные решения

Вопрос снижения топливных затрат актуален для большинства поставщиков тепла (РСО), Концессионеров ЖКХ, промышленных предприятий с большим потреблением тепла (пара). В негазифицированных районах основным источником тепла является уголь. Помимо угля в регионах обычно существуют местные источники энергии: торф, отходы древесного производства, отходы пиролизного производства, куриный помёт и т.д.

Мы предлагаем решения, которые позволяют использовать несколько видов топлива в качестве источника тепла. Возможны комбинации как твёрдого, так и жидкого топлива, например

  • газ + уголь/угольные отходы
  • мазут + уголь/угольные отходы + птичий помёт
  • уголь + угольные отходы + помёт
  • угольные отходы + древесные отходы
  • другие комбинации.

Благодаря полному сжиганию в многотопливных вихревых горелках сжигание комбинаций из различных видов топлива происходит с минимальным объмом выбросов и полностью экологично. Например, при сжигании смеси угольных шламов с газом выбросы сушильной печи нашего Заказчика в Ирландии не превышают норм ЕС по уровню CO, NOx.

Примеры решений:

Для сушильных и обжиговых печей

Нашей компанией разработаны и внедрены решения для генерации тепла в сушильных и обжиговых печах различного назначения: сушки брикетов, элеваторные сушки, другие теплогенераторы.

Возможно два типа решений:

  • С применением вихревых горелок – для твёрдых видов топлива типа угля, древесных отходов, щепы, торфа и т.д.
  • С использованием впрыска суспензионного топлива (ВУС, ВУТ) непосредственно в торцевую часть сушильной камеры.

В первом случае вихревые топки устанавливаются перед сушильной или обжиговой печью, продукты горения попадают непосредственно в печь, либо с добавлением воздуха из окружающей среды для получения необходимой температуры. Рабочий диапазон температур обычно составляет до 1000 градусов С.

Если процесс сушки не позволяет попадания золы, а в качестве топлива используется уголь или его отходы, между топкой и сушкой может быть установлен воздушный теплообменник, либо система золоудаления для горячих газов.

Во втором случае, при непосредственном впрыске ВУС в тело печи, важным является качественная подготовка суспензии. ВУС может выступать в роли основного или дополнительного топлива для печи наряду с газом, мазутом и дизелем. В ряде случаев ВУС может быть единственным топливом, если температурный режим печи это позволяет. В любом случае, устойчивое самовозгорание ВУС происходит при температурах от 650 градусов С.

Рабочие температуры при сжигании ВУС составляют обычно до 900 градусов С. Более высокие температуры могут быть достигнуты при использовании дополнительного топлива – газ, мазут, – либо при подмешивании кислорода в форсунку для распыли ВУС. Практика показала возможность увеличения температуры до 1100…1200 градусов.

Примеры проектов:

  • Вельц-печь в Казахстане. Использован непосредственный впрыск ВУС в печь для замены мазута. Подробнее о проекте
  • Сушильная печь в Ирландии. Использовано совместное сжигание ВУС и сжиженного газа в вихревой горелке, установленной непосредственно перед сушильной печью. Подробнее по проекте
  • Сушильная печь в Испании. Используется вихревая горелка для сжигания пеллет. Подробнее о проекте

Решения для ТЭЦ

Концепция решения

Предложение по повышению эффективности работы ТЭЦ состоит из двух основных частей:

  • использование шламов в качестве дополнительного топлива
  • использование плазменной горелки как горелки для поджига основного топлива вместо мазута.

С целью снижения топливных затрат предлагается использовать угольный шлам в качестве дополнительного топлива на угольных ТЭЦ. Угольный шлам обычно имеет влажность 30…40% и размер частиц менее 1мм. На оборудовании мокрого помола такой шлам дополнительно измельчается и гомогенизируется в результате чего получается однородное водоугольное топливо (суспензия).

Полученная суспензия накапливается в суточном/сменном объёме в ёмкостях хранения.

Доля ВУТ из шлама в топливном балансе может составлять 20..70%. Точное допустимое значение определяется на стадии проектирования.

Для поджига ВУТ использовать плазменные растопочные горелки, включающие оборудование плазменного поджига и форсунку для распыла ВУТ.

Таким образом, решение включает два ключевых элемента: топливоподготовку и плазменный поджиг.

Решение по использованию шлама на котле БКЗ-75 (на примере)

Приготовление ВУТ должно осуществляться в цеху топливоподготовки. Расположение цеха определяется проектными работами. По предварительным оценкам при доле ВУТ в топливном балансе котла около 30% требуемая площадь топливоподготовки ВУТ составит около 100кв.м. для котла БКЗ-75 (75 т.п./час).

В качестве базового оборудования топливоподготовки использовать ГУУМП (гидроударный узел мокрого помола) с удельными энергозатратами на приготовление 8…10кВт*ч/т.

Подготовку ВУТ осуществлять непрерывно или с остановками. Хранение ВУТ обеспечить в объёме, необходимом для сменной работы (12часов). Более точные значения определить на стадии проектирования.

Поджиг ВУТ на котле БКЗ-75 предлагается осуществлять двумя плазменными горелками:

  • мощность каждой горелки – примерно 7,4МВт,
  • расход ВУТ примерно 2,3т/ч
  • пиковая мощность плазматрона – 200кВт.

При использовании плазменной горелки возможен отказ от использования мазута для растопки котла на «сухой» пылеугольной смеси.

Мощность плазматрона регулируется, пиковая мощность плазматрона требуется только на начальной фазе поджига ВУС. После выхода котла на режим 70% мощности и выше плазматрон ВУС воспламеняется от существующего факела котла, плазматрон отключается.

Эскиз плазменной горелки, использованной на огневых испытаниях ВУТ на котле БКЗ-420 №9Б Красноярской ГРЭС-2 (ОГК-2) ниже.

Экономический эффект использования шлама как дополнительного топлива

На основании данных опросного листа, полученного от одной из ТЭЦ, произведена оценка экономического эффекта от внедрения ВУТ из шлама на котле БКЗ-75.

Рассмотрены сценарии доли угля 70% и 50%, доля ВУТ 30% и 50% соответственно.

Основной экономический эффект от внедрения ВУТ из шлама состоит в более низкой стоимости шлама по сравнению с рядовым углём. При этом, затраты на подготовку ВУТ также учтены.

Таблица 2

НаименованиеДо реконструкцииВариант 1, доя угля 70%Вариант 2, доля угля 50%
МАЗУТ   
Выработка тепла, Гкал/год   
Потребление, т/год1,20000
Стоимость, руб/тнт12,00012,00012,000
Всего затраты на сырьё, руб14,400,0000.000.00
    
УГОЛЬ 70%50%
Выработка тепла на угле, Гкал/год224,968157,477.60112,484.00
Потребление, т/год (котёл №6)48,72034,10424,360
Стоимость, руб/тнт2,1002,1002,100
Всего затраты на сырьё (уголь), руб102,312,00071,618,40051,156,000
    
УГОЛЬ для ВУТ – сырьё   
Выработка тепла на ВУТ, Гкал/год 67,490112,484
Теплота сгорания угля, ккал/кг 4,0004,000
Потребление, т/год 17,76129,601
Стоимость, руб/тнт 300300
Всего затраты на сырьё для ВУТ, руб                        –     5,328,1898,880,316
    
ВУТ – приготовление   
Расход ВУТ, т/год 19,24132,068
    
    
ВСЕГО затраты приготовление ВУТ, руб06,734,23911,223,732
    
ВСЕГО ЗАТРАТЫ116,712,00083,680,82871,260,048
    
Экономия, руб/год 33,031,17145,451,952

Стоимость мазута указана примерная, за неимением иной информации.

На основании имеющихся данных простой срок окупаемости составляет 3…3,5 лет при замещении угля на 30%.

Для ЖКХ и концессий

В соответствии с действующим законодательством обновление инфраструктуры ЖКХ осуществляется в рамках государственно-частных партнёрств (ГЧП) – концессий. Поставщики услуг ЖКХ являются ресурсо-снабжающими организациями (РСО), для которых действуют установленные нормы по порядку оказания услуг населению и организациям. 

Мы имеем опыт участия в сбыте тепловой и электрической энергии, поэтому хорошо представляем потребности РСО, особенно участвующих в ГЧП. Наша компания является поставщиком технических решений, которые позволяют РСО сосредоточиться на обслуживании Заказчиков. 

Для поставщиков тепловой энергии наша компания предлагает решение, которое позволяет существенно снизить топливные затраты на угольных и мазутных котельных, что позволяет Концессионеру (РСО) снизить себестоимость вырабатываемой тепловой энергии и снизить сроки возврата инвестиций.

На угольных котельных за счёт использования вихревых горелок и дополнительной топливоподготовки (дробление до фракции 1…2мм) повышается эффективность сжигания угля, снижается его потребление на 20…30% по сравнению с классическим сжиганием на решётке. Благодаря повышению эффективности сжигания топлива снижаются твёрдые и выбросы.

Вихревые горелки также позволяют перейти на альтернативные местные виды топлива.

Мазутные котельные, переводтся на сжигание местных источников сырья: уголь, торф, опилки, ветки, а также другие нестандартные виды топлива, том числе отходы. Мазут может оставаться резервным топливом.

При использовании золосодержащих видов топлива на мазутных котлах вопрос золоудаления решается индивидуально, в зависимости от выбранного вида топлива и существующих котлов.

В ряде случаев, на мазутных или угольных котлах целесообразно применение отходов углепроизводства в форме водоугольных суспензий в качестве основного или дополнительного топлива.

 
Пример 1. Перевод мазутной котельной на сжигание угольной суспензии
НаименованиеДо реконструкцииПосле реконструкции
МАЗУТ  
Выработка тепла, Гкал/год5 613 
Потребление, т/год64650,00
Стоимость, руб/тнт13 00013 000,00
Всего затраты на сырьё8 398 000,00650 000,00
   
УГОЛЬ  
Выработка тепла, Гкал/год 5 613,00
Потребление, т/год 1 198,00
Стоимость, руб/тнт 1 500,00
Всего затраты на сырьё                         –1 797 000,00
ВСЕГО затраты на топливоподготовку, руб/год0884 725,00
   
ВСЕГО ЗАТРАТЫ8 398 000,003 331 725,00
   
Экономия, руб/год 5 066 275,00
 
Наша компания готова поставить весь комплекс услуг и оборудования для реконструкции котельных и их перевода на местные виды топлива.
Предлагаемые нами решения обладают низким сроком окупаемости и позволяют Концессионерам быстрее возвращать свои инвестиции.
Решение особенно актуально в регионах с тяжёлой экологической обстановкой, поскольку позволяет снизить вредные выбросы и утилизировать неиспользуемые угольные отходы.
 

[read more=”Подробнее про механизм концессий” less=”скрыть”]

Механизм концессии регулируется ФЗ №224 ФЗ от 13.07.2015, который создан с целью привлечения инвестиций для повышения качества услуг:

  • Отопление
  • Водоснабжение и канализация
  • Другие

В соответствии с механизмом ГЧП Концессионер забирает объект оказания услуг (котельную) в управление, обслуживание и усовершенствование. Сам объект сохраняется в муниципальной собственности.

Возврат инвестиций, произведённых концессионером и/или финансовым партнёром, производится исходя из средств, собранных с потребителей услуг (населения) за оказанные услуги в соответствии с установленным тарифом.

Тариф регулируется на уровне региональных РЭК. В тарифе учитываются себестоимость тепловой энергии, инвестиционная составляющая, индексация тарифа производится в соответствии с действующим законодательством, возможны региональные субсидии.

Порядок инвестирования, размер тарифа и прочие условия оговариваются в концессионном соглашении, заключённым между Концессионером, местной муниципальной властью и, при наличии, финансового партнёра.

Концессионное соглашение осуществляется на конкурсной основе в соответствии с ФЗ №224-ФЗ.

[/read]