ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ БЕЗМАЗУТНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ФАКЕЛА В ТОПКАХ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ ТЭС

Иманкулов Э. Р., Кибарин А. А., Крылова Н. П., Дубовик В. П., Анциферова Е. А.
Алматинский институт энергетики и связи
Аханов Ж. У.
Геологоуправление Республики Казахстан

Источник: www.rosteplo.ru/Tech_stat/../383

Аннотация: Показана возможность перевода ТЭС, работающих на твёрдом топливе, на сжигание в топках парогенераторов основного топлива без использования растопочного и подсветочного мазута, с применением для этих целей плазменной технологии. Показана актуальность проблемы снижения расхода мазута при сжигании низкореакционных углей и перспективность применения плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела.

В связи с тенденцией непрерывного ухудшения качества поставляемого на электростанции угля вследствие увеличения его зольности А^р,%, влажности W^р,% и снижения теплоты сгорания Q_н^р,кДж/кг резко возросло количество мазута и природного газа, сжигаемого дополнительно для розжига и подсветки пылеугольного факела в топках парогенераторов ТЭС.

В настоящее время более 40 % электроэнергии в мире вырабатывается на ТЭС с использованием твердого топлива (угля). Для растопки энергетических котлов и подсветки пылеугольного факела на ТЭС сжигают дефицитный и дорогостоящий мазут (1 тонна мазута стоит 50-100 долларов США). Совместное сжигание углей (особенно низкореакционных) с мазутом ухудшает эколого-экономические показатели ТЭС: повышается механический недожог q₄, увеличиваются выбросы оксидов азота NO_x, оксидов серы SO_x и пятиокиси ванадия V₂O₅, а также ускоряется высокотемпературная коррозия экранных поверхностей нагрева парогенераторов.

Для поддержания устойчивости горения и покрытия дефицита пыли из-за увеличения зольности угля требуются повышенные расходы мазута до 40% и более [1]. Одним из прогрессивных путей решения этих проблем является оснащение пылеугольных горелок плазменной системой термообратки угольной пыли. В её основе лежит электро-термохимическая подготовка топлива (ЭТХПТ). Сущность ЭТХТП низкореакционных углей заключается в нагреве аэросмеси до температуры, при которой достигается наиболее полное выделение летучих из угольной пыли V^г,% и осуществлении частичной газификации коксового остатка с тем, чтобы получить горючую смесь на уровне выхода летучих высокореакционных углей в процессе их непосредственого сжигания.

Для этого весь поток аэросмеси, поступающей в горелку, разделяется на две неравные части и нагреве меньшей из них (15-20% GАЭР) в зоне электродуговой плазмы до температуры полного выделения летучих топлива и частичной газификации коксового остатка. В результате образуется высокопотенциальный растопочный агент, способный инициировать воспламенение и стабилизировать горение пылеугольного факела без использования для этих целей жидкого и газообразного топлив.

Такой подход позволяет рассматривать ЭТХТП как способ получения из низкореакционных топлив высокореакционного двухкомпонентного (горючий газ+коксовый остаток) с высоким уровнем подогрева (600 – 1000 ⁰С) энергетического топлива, воспламеняющегося на выходе из устья горелочного устройства и стабилизирующего основной факел в топке без использования «подсветочного» топлива (мазут, газ).

Помимо экономии мазута плазменная стабилизация позволяет снизить недожог q₄ до приемлемых величин (2 – 3%). Кроме того существенно снижается уровень NO_х в продуктах сгорания, т.к. основной источник его образования азот топлива N^р преобразуется в газообразный N₂, который при этих температурах инертен и не образует окислов азота. Отсутствие ванадия в процессе  полностью исключает образование V₂O₅ .

Для реализации плазменной технологии созданы плазменные системы воспламенения углей (СПВУ), состоящие из плазмотрона, источника электропитания и камеры ЭТХПТ. Плазмотрон постоянного тока мощностью 200 – 500кВт работает на выпрямленном напряжении 0,4 кВ и токах до 500 А. Источник электропитания подключается к трансформатору собственных нужд котла 6/0,4 кВ. Расчёт и оптимизация режимных параметров ЭТХПТ в зависимости от качества топлива проводился с использованием програмного комплекса «АСТРА-3», позволившей определить удельные энергозатраты при выполнении поставленной задачи [2].

Отработка конструктивных элементов плазмотронов, проверка расчетных данных проводилась на факельном стенде КазНИИЭ для широкой гаммы углей (V^г=2¸60%) [3,4,5,6].
На рисунке 1 представ-лены результаты расчёта удельных энергозатрат
G_уд, Квт.ч/кг в зависимости от содержания горючих в угле V^г,%.

Рисунок 1 — Изменение удельных энергозатрат G_уд в процессе плазменного воспламенения углей в зависимости от реакционной способности топлива (V^г) 1 – донецкий АШ, V^г~4 %,
G_уд = 0,37 кВт·ч/кг, 2 — экибастузский уголь, V^г~25 %, G_уд = 0,175 кВт·ч/кг, 3 – бурый уголь Канско-Ачинского месторождения, V^г~50%, G_уд = 0,07 кВт·ч/кг.

Принципиальная схема компоновки камеры ЭТХПТ с плазмотроном для вихревой горелки представлена на рисунке 2. Камера ЭТХПТ с плазмотроном устанавливается по оси горелки в торце горелки на внутренней трубе, где обычно помещается мазутная форсунка, причем внутренняя труба усечена для возможности смешения меньшей части аэросмеси, отработанной в камере ЭТХПТ с основной частью (избыток воздуха α_АЭР = 0,2 – 0,4). В результате в объеме горелки происходит частичная термообработка угольной пыли и на выходе из устья горелки исходное топливо представляет собой высокопотенциальное топливо, способное при смешении со вторичным воздухом (60 – 80% от теоретически необходимого количества воздуха для обеспечения выгорания угольной пыли) воспламеняется без участия в этом процессе дефицитного мазута.

Рисунок 2 — Схема компоновки камеры электро-термохимической подготовки топлива (ЭТХПТ) с плазмотроном на вихревой горелке ТКЗ. 1— топка; 2 — улитка вторичного воздуха; 3 — улитка аэросмеси; 4 — камера ЭТХПТ; 5 — плазмотрон.

Плазмотрон постоянного тока состоит из корпуса, охваченного электомагнитной катушкой, расходуемого графитового катода и медного водоохлаждаемого анода. Ресурс работы плазмотрона ≈ 500 часов. Относительные затраты на плазмотрон 0,2–0,3% от тепловой мощности котла.

В настоящее время СПВУ установлены на 18 пылеугольных котлах России, Казахстана, Монголии, Кореи и Китая. Экономический эффект от использования СПВУ на ТЭС составляет 0,8 долларов США на 1 кВт установленной мощности котлоагрегата. Срок окупаемости СПВУ не превышает 6 – 12 месяцев в зависимости от типа котлоагрегатов, горелочных устройств и соотношения цен на уголь, мазут и себестоимость вырабатываемой электроэнергии ТЭС.

Список литературы

1. Бабий В.И., Артемьев Ю.П., Вояков И.И.. Влияние качества антрацитового штыба на работу котлов / В сб. Подготовка и сжигание топлива в топках мощных котлов ТЭС. — М.: Энергоатомиздат, 1984.
2. Синярев Г.Б., Ватолин Н.А., Трусов Б.Г. Применение ЭВМ для термо-динамических расчётов металлургических процессов. — М.: Наука, 1982, 32 с.
3. Сакипов З.Б.,Иманкулов Э.Р., Мессерле В.Е и др. Результаты стендовых испытаний плазменной стабилизации горения низкореакционных топлив/ В сб. Эффективность сжигания низкосортных Донецких углей в энергетических котлах. – Горловка, 1987, с. 60 – 66.
4. Иманкулов Э.Р., Устименко А.Б., Сейтимов Т.М. и др. Опытные данные по плазменному воспламенению и сжиганию низкореакционных углей на фанельном стенде// В сб. Плазменная активизация горения углей. — Алматы, 1989, с. 89 – 95.
5. Иманкулов Э.Р., Мессерее В.Е.,Сакипов З.Б. и др. Плазменный розжиг и стабилизация горения факела донецого АШ/ Теплоэнергетика, 1990, №1, с. 51 – 53.
6. Иманкулов Э.Р., Мессерле В.Е. Способ сжигания пылевидного топлива и горелка для его осуществления / Патент на изобретение. Национальное патентное ведомство РК. №960709.1 от 16.03.98.