РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БЕЗМАЗУТНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ РАСТОПКИ И ПОДСВЕТКИ НА ОСНОВЕ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА УЛЬТРАТОНКОГО

Бурдуков А. П., Чернова Г. В., Коновалов В. В., Чурашев В. Н. — Институт Теплофизики СО РАН ОАО «Алтайэнерго» — Институт Экономики и организации промышленного производства СО РАН

Источник: http://www.lib.tpu.ru/../19.pdf

Описание: рассмотрены экономические и технологические проблемы использования мазута, отечественный опыт по разработке плазменной растопки и подстветки, мировой опыт применения топлива ультратонкого помола.

1. Тенденции топливообеспечеиия тепловых электростанций сибирского региона

Как в настоящее время, так и в перспективе, теплоэнергетика сибирского региона будет ориентироваться на использование угля [1].

По ретроспективе это видно из приведенной в таблице динамики структуры потребления топлива на тепловых электростанциях в Сибирьэнерго за 1996 — 2000 г.г. Топливообеспечение имеет явно выраженную угольную направленность, при этом с устойчиво падающей долей мазута (с 5,6 до 0,8 %).

Динамика структуры потребления топлива в Сибирьэнерго

Новая топливная политика, осуществляемая РАО «ЕЭС России», направлена на сокращение использования мазута и газа в большой энергетике и увеличение использования угля.

Однако, качество поступающих на тепловые станции углей создает ряд технологических проблем. Поступление одновременно углей различных шахт, разрезов и обогатительных фабрик с меняющимися во времени пропорциями, что характерно для всех энергопредприятий, приводит к ненадежной и неэкономичной работе котлов, возрастанию потерь тепла с механическим недожогом.

Промышленный опыт эксплуатации котлов ТЭС Сибирского региона показывает, что в среднем для энергетического котла порядка 250 Гкал /час (котлы серии ТП-80, БКЗ-420) только из-за изменения качества угля дополнительно ежегодно увеличивается число вынужденных остановов на 1–2, использование мазута для «подсветки» и для дополнительных растолок приблизительно на 100 т/год, а энергозатраты на собственные нужды возрастают на 2–3 %.
Для улучшения воспламенения и стабилизации горения низкосортных углей осуществляются дополнительные мероприятия: повышаются тонина помола угольной пыли (до 1190 = 6–8%, где И90 — остаток на сите с ячейкой 90 мкм) и подогрев вторичного воздуха (до 670 К) и аэросмеси (410 К), обеспечивается подача угольной пыли высокой концентрации (μ = 50 кг/кг) с последующим разбавлением до μ = 0,5–1 кг/кг и, наконец, производится сжигание низкосортных углей совместно с мазутом. В последнем случае мазут используется для стабилизации горения пылеугольного факела и стабилизации выхода жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением.

Также производится растопка пылеугольньгх котлов с подачей на последних стадиях растопки угольной пыли при работающих мазутных форсунках, т.е. на стадии так называемого «подпыливания».

Однако, упомянутые методы повышения эффективности воспламенения и стабилизации горения пылеугольного факела, включая термохимическую подготовку углей к сжиганию с использованием мазутного предтопка, обладают существенными недостатками, снижающими эффективность топливоиспользования и надежность работы котлоагрегата с одновременным ухудшением экологических показателей. Так, повышение тонины помола приводит к значительному перерасходу энергозатрат на помол и усложнению сепарации пыли, что уменьшает КПД-нетто котла; повышение температуры аэросмеси выше 410 К и вторичного воздуха выше 673 К нецелесообразно по причинам пожароопасности работы котлов; использование пыли высокой концентрации на котлах приводит к пульсации горения пылеугольного факела и необходимости мазутной стабилизации последнего.

2. Экономические и технологические и проблемы использования мазута

Мазут является дорогим топливом. В настоящее время его стоимость превышает стоимость угля более, чем в два раза, и приблизилась к соотношению мировых цен мазут/уголь: мировые цены на мазут составляют 80 – 90 долл/тут, на энергетический уголь — 40 – 50 долл/тут. Кроме того, с переходом на более глубокую переработку нефти с высокой долей выхода светлых нефтепродуктов для российской энергетики мазут станет дефицитным топливом, что уже наблюдается. Прогнозируется, что в перспективе для условий сибирского региона соотношение цен мазут/уголь будет соответствовать мировому.

Кроме того, совместное сжигание угля с мазутом приводит к возрастанию мехнедожога топлива, снижению КПД-брутто котлов, повышению выбросов оксидов азота, серы и пяти окиси ванадия. При этом мехнедожог может возрасти в 2–3 раза по сравнению с безмазутным сжиганием, выбросы оксидов азота — в 1,5 раза, оксидов серы на 20–30% и оксидов ванадия на 95–100%, если ванадий содержится только в мазуте. Совместное сжигание твердого и жидкого топлива приводит к ускорению высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева и сокращению срока службы станционного оборудования.

При сжигании мазута вместе с углем в предтопках для предварительной термохимической подготовки топлива указанные недостатки сохраняются, но методы термохимической подготовки топлива повышают реакционную способность низкосортных углей и снижают удельный расход мазута в 2–3 раза по сравнению с традиционной технологией мазутной подсветки факела.

Таким образом, существуют экономические и технологические предпосылки к переходу на безмазутные технологии сжигания угля.

3. Отечественный опыт по разработке системы плазменной растопки и подсветки

В 80-е годы научно-исследовательские работы, проведенные в ИТФ СО АН, СибНИИЭ и КазНИИЭ, показали, что плазменная технология сжигания пылевидного топлива с помощью электродуговых плазмотронов может выступать как перспективный способ решения задачи высокоэффективного использования низкосортных твердых топлив [2].

В основе плазменной технологии лежит электро-термохимическая подготовка топлив к сжиганию, которая заключается в нагреве электродуговой плазмой небольшой части аэросмеси до температуры полного выделения летучих и частичной газификации коксового остатка.

Использование электродуговой плазмы приводит к многократному (в 3 и более раз) ускорению термохимических превращений топлива и окислителя, а следовательно, и более полному и быстрому выгоранию пылеугольного факела.

Вторым преимуществом плазменной технологии безмазутного воспламенения углей является отказ от совместного сжигания двух видов топлива с различной реакционной способностью: высокореакционного — мазута и низкореакционного — угля.

Третьим преимуществом плазменной технологии воспламенения углей является снижение вредных газовых выбросов (оксидов азота и серы) в 1,5–2 раза по сравнению с процессом совместного сжигания угля и мазута.

При РАО «ЕЭС России» создан Отраслевой Центр плазменно-энергетических технологий (ОЦ ПЭТ), занимающийся разработкой и внедрением систем плазменного розжига и подсветки на пылеугольных котлах (ПРП).

ПРП испытьшались и внедрялись на 24-х котлах паропроизводительностью от 75 до 670 т/ч на 14 ТЭС России, Казахстана, Монголии, Китая и Северной Кореи. Всего на угольных ТЭС установлено 66 систем ПРП. Однако, в процессе опытно-промышленных испытаний безмазутного розжига и подсветки котлов и эксплуатации ПРП возникла проблема, связанная с необходимостью повышения ресурса плазмотронов для подсветки при использовании углей с низким выходом летучих (10% и ниже).

Дальнейшим развитием этой технологии для энергопредприятий, использующих некачественные угли и с низким выходом летучих, может быть применение ПРП с использованием технологий ультратонкого помола углей. В целом уголь ультратонкого помола может играть заметную роль в системах розжига и подсветки пылеугольных котлов.

4. Тонкое и ультратонкое измельчение углей как метод направленного изменения
физико-химических свойств

Подавляющее большинство областей использования углей связано с измельчением, уровень которого определяется видом химико-технологической переработки. Известно, что с увеличением тонкости и величины удельной поверхности ΔS возрастает поверхностная энергия

ΔG_пов= σΔS_пов

где σ — удельная поверхностная энергия.

Однако с крупности примерно 0,001 мм, угли начинают проявлять особые свойства, резко отличающие их от тех же углей, но большей крупности. Они получили название «микрон-угли».
Аномальные свойства «микрон-углей», например выход битумов и др., не могли быть объяснены только увеличением удельной поверхности. Более детальное изучение свойств явилось основанием рассматривать структурно-химические изменения углей как следствие механохимического процесса.

Тонкодисперсное состояние углей обычно достигается диспергированием в мельницах повышенной энергонапряженности в сравнении с обычными барабанными мельницами: вибрационных, струйных, планетарных, а также специальных размалывающих аппаратах, среди которых наиболее распространены дезинтеграторы.

Следует отметить, что и в барабанных мельницах, где диспергирование достигается гравитационной силой шаров, при достаточном времени измельчения можно получить высокую тонкость веществ.

Для целей ультратонкого измельчения широко распространены вибрационные мельницы, эффективность помола в которых определяется числом вибраций барабанов и их амплитудой, временем измельчения и рядом других технологических показателей.

Эффективность вибромельниц удобно характеризовать соотношением

где Ф — кратность ускорения кругового колебания (центробежный фактор), часто выражаемый в единицах силы тяжести;

α — амплитуда колебаний;

η — число вибраций барабана;

ω — угловое ускорение;

g — гравитационное ускорение;

к  — коэффициент, зависящий от размерностей.

Промышленные вибромельницы характеризуются значением Ф, равным 16 – 12 при амплитуде 4...6 мм и энергонапряженности (0,8...1,2)10 ⁻³ кВт.ч/см³ объема камеры. Но в настоящее время созданы машины, в которых значение Ф, определяющее уровень энергетических воздействий, в несколько раз выше. Такие машины, часто называемые виброцентробежными ввиду приближения траектории движения к круговой, являются весьма перспективными для ультратонкого измельчения углей. Примером могут служить трехсекционные вибромелъницы, созданные ИХТТМХ СО РАН и выпускаемые в ПК «Механохимия» (г. Новосибирск) [3]. Эти мельницы позволяют регулировать ударно-истирающий режим обработки и создать нужную степень тонкости и структурной измененности минеральных веществ.

5. Мировой опыт применения ультратонкого помола угля

В США создана компания MicroFuel Corporation, занимающаяся поставкой оборудования по микропомолу. Первоначально уголь микропомола производился как экономичное по цене топливо для замены газа и мазута в объектах промэнергетики.

Основное направление работы по ультратонкому помолу — исследование возможностей использования микроугля при запуске котла. Работы проводились с использованием систем помола MicroFuel Corporation на Duke Power Company Cliffside station на блоке 600 mw в Nord Carolina. Микроуголь при этом — с размером частиц 80–90% меньше 43 микрон (сито 325 mesh). Для обеспечения требуемого размера частиц при помоле использован внешний центробежный классификатор. Запуск на угле микропомола проводился без подогрева воздуха на «холодном» котле. Мельницы — на 5 т/час угля при затратах энергии ∼ 22 кВт.ч/т. Основные проблемы — создание специальных горелок для микроугля в тангенциальной топке, модификация систем подачи угля от микромайзера до горелок, согласование с существующей системой автоматизации процесса, регулирование подачи микроугля к горелкам, установка специальных бустерных вентиляторов. Следует отметить, что подача микроугля на большие расстояния (десятки метров, как в этой схеме) чревата агрегированием частиц с образованием кластеров с размерами, намного превышающими исходные размеры частиц, что может в существенной мере снизить эффективность сжигания микроугля.

Уголь микропомола использовался при розжиге котлов также фирмой Steinmuller (Германия), для чего была разработана специальная растопочная горелка.

Вообще для получения микроугля возможны 2 пути — сепарация мелкой фракции пыли из обычной системы пылеприготовления или создание специальных систем микропомола.

При сепарации микродисперсной пыли и подаче ее в специальный бункер для последующего использования возникает ряд технологических проблем, связанных с подачей слежавшейся в бункере пыли, повышенной взрывоопасностью при хранении, громоздкостью систем сепарации тонкодисперсной пыли.

Однако наиболее благоприятные условия для сжигания реализуются, когда мелкодисперсную пыль можно подавать непосредственно из мельницы в горелку, так как при этом сохраняется повышенная химическая активность угля, возникающая в процессе помола, исключающая проблемы, связанные с хранением мелкодисперсной пыли.

Схемы с сепарацией пыли и отдельной системой пылеприготовления были опробованы на блоках 150 и 350 МВт на электростанции Lunen в Германии в начале 80-х годов.

Аналогичные исследования проводятся в США, где по данным Union Carbide Corporation доля сжигаемого на угольных ТЭС растопочного мазута находится в среднем на уровне 6% от расхода основного топлива и поэтому замена более дорогостоящего мазута углем, несомненно, актуальна. Здесь пошли еще дальше — разрабатываются проекты использования микродисперсного угля в системах Rebening для подавления окислов азота [55], а также для создания котлов с углем микропомола как основного топлива для замены мазута в мазутных котлах.

6. Разработка технологии безмазутной плазменной растопки и подсветки при применении ультратонкого помола угля

В настоящее время в Институте теплофизики СО РАН создан стенд и начаты исследования по сжиганию углей различных типов при ультратонком помоле с целью изучения механизма скорости горения и газификации углей различной степени метаморфизма для определения условий создания технологических устройств в системах снижения уровней выбросов NOx, розжига и подсветки пылеугольных котлов, замены топлива в газо-мазутных котлах. На стенде смонтирован иредтопок с прямоточной и вихревой горелкой, оснащенный системой ПРП. Ультратонкий помол угля (до 20 мкм) осуществляется виброцентробежной мельницей ВЦМ 10К. Стенд оснащен комплексом электронных  и  газоаналитических  приборов  для  сбора,  контроля  и  обработки информации по экологически чистому сжиганию. Результаты работ будут использованы при промышленных испытаниях на объектах энергетики.

Впервые в отечественной практике перевод мазутного поджига на систему ПРП с ультратонким помолом угля осуществляется на пылеугольиом котле БКЗ-210-140Ф Барнаульской ТЭЦ-2, на которую поступают угли разных разрезов кузнецкого бассейна и с низким выходом летучих.

Как выше было отмечено, наиболее благоприятные условия для сжигания реализуются, когда ультратонкую пыль можно подавать непосредственно из мельницы в горелку, так как при этом сохраняется повышенная химическая активность угля, возникающая в процессе помола, исключающая проблемы, связанные с хранением мелкодисперсной пыли.

Реконструкция котла предусматривает разработку и внедрение 2-х узлов: ультратонкого помола угля, системы ПРП, а также разработку нестандартных элементов для осуществления процесса подачи и сжигания топлива.

Система ультратонкого помола осуществляется с помощью 2-х виброцентробежньгх мельниц ВМК-30 производительностью 1,5 т/час, изготавливаемых в ПК «Механохимия». Установка мельниц предусматривается непосредственно перед узлом подачи угольной пыли.
Ультратонкий помол угля, кроме выше перечисленных технологических достоинств, позволяет также снизить мощность и число установленных плазмотронов в системе ПРП.

Система ПРП мощностью 100 кВт состоит из одного двухпостового источника питания ПРП мощностью 100 кВт, двух плазмотронов мощностью по 50 кВт каждый с регуляторами расхода воздуха, двух сглаживающих дросселей, двух токоограничивающих сопротивлений, двух осцилляторов и двух ЗИПов к плазмотрону. Все названное оборудование изготавливается на ОЦ ПЭТ РАО «ЕЭС России».

Нестандартные элементы включают в себя муфельный предтопок, узлы ввода угольной пыли, разгонное устройство топливной смеси, разгрузитель-отвеиватель топливной крупки, бункер-накопитель крупки. Это оборудование изготавливается на ТЭЦ–2 «Алтайэнерго» с привлечением к разработке специалистов ОАО «Новосибирсктеплоэлектропроект» и Института Теплофизики СО РАН.

Расчеты экономической эффективности Проекта с использованием бухгалтерской отчетности предприятия и в ценах и нормативах Ш-го квартала 2001 г. (оборудование, топливо, энергия, банковские ставки и др.), проведенные в Институте Экономики и организации промышленного производства СО РАН, позволяют характеризовать инвестиционный проект освоения системы ПРП с ультратонким помолом угля для условий базового варианта как привлекательный для инвесторов. За 10 лет эксплуатации удается обеспечить благоприятные значения показателей эффективности проекта: ЧДД — 1441 тыс. руб., ИД — 1,81 , ВИД — 28%, срок возврата инвестиций — 5,7 лет.

Выводы
1. Основным видом топлива для тепловых электростанций сибирского региона, как в настоящее время, так и в перспективе, будут оставаться угли, качество которых будет снижаться. Используемый для розжига и подсветки мазут целесообразно вытеснять либо газом (где это возможно), либо углем с применением новых технологических мероприятий.
2.    Энергоэффективное  безмазутное  сжигание угля  на ТЭС     может быть осуществлено путем применения уже существующих в отечественной практике систем плазменного розжига и подсветки, изготавливаемых в ОЦ ПЭТ «РАО ЕЭС России» (г. Гусиноозерск), и ультратонкого помола мельницами ВЦМ ЗОК, разработанными в г. Новосибирске в кооперативе «Механохимия».

Литература:

1. Бурдуков А.П. Чернова Г.В., Чурашев В.Н. Угольная направленность развития теплоэнергетики Сибирского региона: технологические и технические аспекты ее осуществления // Труды Международной конференции «Восточная энергетическая политика России и проблемы интеграции в энергетическое пространство Азиатско-Тихоокеанского региона». — Иркутск, 1998.

2. Научно-технические основы и опыт эксплуатации плазменных систем воспламенения углей на ТЭС (безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела)/ Е.И. Карпенко, М.Ф. Жуков, В.Е. Мессерле и др. – Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1998.

3.Денисов М.Г., Денисов Г.А., Носиков Т.П. Патент 2001680 РФ, 1680,1993.