В 1968 г. в научно-исследовательском центре фирмы Ahlstrom (Karhula, Финляндия) началась разработка технологии сжигания угля в кипящем слое. В 1976 г. возникла идея ЦКС, а первые установки тепловой мощностью 0,2 и 1,5 МВт были пущены в 1977 и 1978 гг. Разработанный процесс получил название “Pyroflow” (поток огня). В 1979 г. началась эксплуатация первой промышленной установки тепловой мощностью 15 МВт на заводе фирмы Ahlstrom в г. Пихлава (Финляндия), а первый паровой котел производительностью 90т/ч пара вошел в строй в 1981 г. в Kauttua (Финляндия). С 1982 г. началось строительство котлов “Pyroflow” в Швеции (Getawerken) и США (Ahlstrom Pyropower). В 1991 г. был разработан новый ЦКС-котел типа Compact, а в 1993 г. началась промышленная эксплуатация первых образцов котлов такого типа. С 1995 г. ведущее предприятие фирмы — Ahlstrom Pyropower (Калифорния, США) и сама технология были приобретены фирмой Foster Wheeler (США).
Основными элементами котлоагрегатов системы “Pyroflow” первого поколения являются следующие: топочная камера, горячий выносной циклон и конвективные поверхности нагрева.
Топочная камера разделена на футерованную нижнюю и верхнюю части, выполненную из мембранных испарительных экранов (последние годы вся топка делается из мембранных экранов с их футеровкой в нижней части). В верхней части также рас положены ширмовые экраны, которые используются в виде испарительных и пароперегревательных поверхностей. Циклоны футерованы, а в конвективной части установки находятся воздухоподогреватель, экономайзер и ступени пароперегревателя. Принцип работы котлоагрегатов системы “Pyroflow’’ близок к котлоагрегатам системы «Lurgi». Однако на тракте возврата данных парогенераторов отсутствуют системы охлаждения золы, а регулирование производительности осуществляется в результате изменения скорости пылегазового потока и температуры в топке. Таким образом, температура за топкой и в циклоне практически одинакова и составляет 870—900 °С. При такой организации процесса горения 60—65 % полезной теплоты передается нагревательным поверхностям в топке, а от 35 до 40 % — в конвективной шахте. Диапазон регулирования производительности ЦКС-котлоагрегатов системы «Pyroflow» уже, чем системы “Lurgi” (за счет отсутствия теплообменника кипящего слоя) и составляет в основном 45—110 % номинальной нагрузки, причем без изменения технологических показателей горения только 70—110 %.
К преимуществам технологии следует отнести ее относительную простоту, более низкую металлоемкость по отношению к котлоагрегатам “Luigi”, возможность использования различных видов твердого топлива: древесной щепы, торфа, лигнитов, сланцев, угля и нефтяного кокса. К недостаткам — узкий диапазон регулирования нагрузки парогенератора, повышенный износ ширмовых поверхностей нагрева, нецелесообразность использования для сжигания высокосернистых углей (из-за регулирования производительности изменением температуры горения). При прочих равных условиях мощность котлоагрегатов системы “Pyroflow” первого поколения ниже, чем системы «Lurgi».
Для устранения указанных недостатков компанией были разработаны ЦКС-котлоагрегаты второго поколения типа «Compact» (“Компакт”). Промышленная эксплуатация первого котла такого типа произошла в 1992 г. в Kuhmo (тепловая мощность— 15 МВт, электрическая — 5 МВт). Отличительная особенность ЦКС-котла типа “Compact”: встроенный квадратный циклон и щелевой тракт возврата КЗО. Данные котлоагрегаты могут работать в режиме естественной циркуляции и как прямоточные парогенераторы. Последнее решение позволяет повысить КПД процесса за счет более высоких параметров пара. Фирмой также разработан вариант ЦКС-котлоагрегата с пароохлаждаемым вертикальным циклоном.
ЦКС-котел типа «Compact». Геометрия топочной камеры котлов «Компакт» большой электрической мощности (262 МВт) практически не отличается от ЦКС-котла первого поколения (электрическая мощность 235 МВт): поперечное сечение топки составляет около 200 м2 при высоте от распределительной решетки кипяшего слоя до потолка порядка 40 м. Топочная камера повернута на 90° по сравнению с котлом первого поколения для обеспечения вмещения сепараторов “Компакт”, установленных с обеих сторон в свободное пространство. Такая схема позволяет осуществить более простую компоновку конвейеров, подающих топливо, и вспомогательного оборудования котельного отделения. Дополнительными поверхностями нагрева в топочной камере служат испарительные плавниковые экраны в отличие от котлов первого поколения, где были установлены ширмовые пароперегреватели «Омега» последней ступени. В котле «Компакт” в качестве последней ступени пароперегревателя установлены теплообменники INTREX™. Распределительная решетка имеет водяное охлаждение. Нижняя часть топки котла имеет огнеупорную . Запатентованная фирмой Foster Wheeler “сбрасывающая” конструкция используется для устранения эрозии экранных труб над верхней кромкой огнеупорной футеровки.
Сепараторы «Compact». Несмотря на прямоугольную форму, принцип работы сепаратора типа “Компакт” состоит в центробежной сепарации частиц посредством вихревого потока газа. Отделенные частицы стекают вниз по стенкам и собираются напротив выходного отверстия топки и в углах сепаратора.
Сепараторы имеют пароохлаждаемую конструкцию. Стенки сепараторов включены в паровой тракт и образуют первую ступень пароперегрева, что исключает необходимость в тяжелых огнеупорах, используемых в не-охлаждаемых сепараторах В конструкции “Компакт” толщина стойкого к износу огне-упора составляет всего 50 мм. Это сводит к минимуму необходимость в техобслуживании и позволяет сократить время пуска установки. Основная часть огнеупора может быть отлита в заводских контролируемых условиях, что обеспечивает более высокое качество и, как следствие, большой срок его эксплуатации. Конструкция “Компакт” сокращает общую площадь котельной установки за счет компактности, поскольку сепаратор встроен в котел.
Средняя температура газа и горячих твердых частиц внутри сепаратора составляет примерно 850 °С, а средняя температура потока в экранных трубах — 370 °С. Сепаратор “Компакт” охлаждает смесь газа и твердых частиц, так что температура газа на выходе из сепаратора ниже температуры газа на выходе из топки: примерно 845 °С вместо 870 °С. Поскольку как топка, так и сепаратор подвешены на опорной решетке и являются охлаждаемыми конструкциями, тепловые деформации сводятся к минимуму и поэтому необходимы более простые компенсаторы теплового расширения. Это одна из наиболее важных характеристик конструкции «Компакт», так как компенсаторные стыки в котлах с ЦКС обычно их наиболее слабое место.
На мощных ЦКО котлоагрегатах системы “Pyroflow” второго поколения в последние годы устанавливаются теплообменники типа «Intrex». При таком решении часть пылегазового потока забирается из верхней части кипящего слоя, охлаждается в теплообменнике “Intrex» и возвращается в нижнюю часть слоя. Это расширяет регулировочные возможности котлоагрегатов и увеличивает их мощность.
Теплообменник «Intrex» состоит из водоохлаждаемого кожуха, объединенного с пароводяной системой топки, и возвратного канала. Трубные пучки пароперегревателя погружены в материал кипяшего слоя. Они охлаждают твердые частицы, уловленные сепаратором, до возвращения в топку. Отверстия в задней стенке топки помимо охлаждения твердых частиц обеспечивают доступ дополнительных частиц для внутренней циркуляции через трубные пучки теплообменника, в результате чего достаточное количество горячих частиц поступает в теплообменник «Intrex» при изменении нагрузки. Избыток частиц возвращается обратно в топку через отверстия в задней стенке топки.
Относительная простота системы “Pyroflow” привела к ее самому широкому из ЦКС-технологий использованию на ТЭС мира. На начало 2003 г. в эксплуатации находилось 196 ЦКС-котлов и 18 строилось. Наиболее крупные из них установлены на следующих ТЭС: «Turow» (Польша), “Nova Scotia” (Канада), в г. Эссен (Германия), “Sejnajoki” (Финляндия), “Тгоna”, “Nucla” (США). В настоящее время ЦКС-котлоагрегаты системы “Pyroflow” создают фирмы Foster Wheeler, EVT, Fakop, Rafako, Mitsui.
Разработка технологической документации, в том числе конструкторской и эксплутационной — http://www.tehdoc-razrabotka.ru/index/razrabotka_tekhnologicheskoj_dokumentacii/0-17.