Основные проблемы использования углей низкого качества на энергетических котлах и возможные пути их решения.

 

Явления тепломассопереноса при сжигании пылеугольного топлива широко наблюдаются в технологических процессах, осуществляемых в современных энергетических комплексах. Подавляющее большинство таких установок используют в качестве метода получения энергии – факельное сжигание пылеугольного топлива, которое является, в свою очередь, основным источником вредных пылегазовых выбросов в атмосфере. Такими вредными веществами являются, в первую очередь, оксиды углерода (СО, СО₂₎, азота (NO, NO₂) и серы (SO₂). В целом задача ограничения вредных выбросов решается по следующим направлениям:

- путем перевода углеиспользующих установок на другие виды топлива;

- разработкой и применением систем очистки дымовых газов;

- разработкой и применением методов (технологий) уменьшения образования вредных выбросов.

Перевод углеиспользующих установок на другие виды топлива с целью улучшения экологических условий является эффективным мероприятием, но по технико-экономическим причинам далеко не всегда возможным. Использование экологически чистых топлив является важным и в ряде случаев единственно возможным способом защиты природы от загрязнения в случаях маломощных бытовых и коммунальных тепловых установок, для которых применение сложных систем технически и экономически неприемлемо.

Системы очистки дымовых газов от газообразных вредных веществ (оксидов азота и серы) ввиду сложности и высокой стоимости применяются в основном в тех случаях, когда технологические мероприятия не могут обеспечить регламентируемый уровень вредных выбросов. Разработка и применение технологий сжигания топлив с ограничением образования вредных веществ до уровня ПДВ является основным направлением обеспечения экологических требований для промышленных и энергетических установок, для которых это направление экономически наиболее выгодно.

В теплоэнергетике в целях улучшения показателей воспламенения и стабилизации горения низкосортного пылеугольного топлива, имеющего низкий уровень выхода летучих веществ, а также обладающего высокой зольностью применяются следующие основные методы: 

- повышение тонины помола (до R90=6-8%);

- высокий подогрев аэросмеси (угольная пыль + первичный воздух) до 410К и вторичного воздуха до 673К;

- подача угольной пыли высокой концентрации (до 50 кг/кг) с последующим ее подогревом;

- совместное сжигание пылеугольного топлива и мазута.

Однако во время эксплуатации топочных устройств эти методы сопровождаются значительными недостатками, которые связаны с определенными трудностями при их рациональном использовании. К примеру, уменьшение размера угольных частиц, т.е. увеличение тонины помола, вызывает дополнительные затраты энергии на пылеприготовление, и, как результат, снижает КПД котла. Перевод аэросмеси на температуру свыше 410К, а также вторичного воздуха до 673К вызывает пожароопасную ситуацию при работе энергетической установки.

На сегодняшний день, существует такая технология сжигания пылеугольного топлива, которая в значительной мере позволяет ликвидировать, описанные выше, недостатки высокотемпературного сжигания угольной пыли. Эта технология основана на методе термохимической обработки топлива, который позволяет широко воздействовать на реакционную способность топлива и тем самым стабилизировать процесс тепломассопереноса при горении, а также повысить его интенсивность.

 

2.1 Методы использования низкотемпературной плазы при сжигании углей ухудшенного качества.

 

В основе метода термохимической обработки топлива лежит использование низкотемпературной плазмы для снижения расхода мазута, используемого для стабилизации горения пылеугольного факела, а также частичная или полная газификация угольной пыли. В целях активации горения пылеугольного факела использование низкотемпературной плазмы во многих случаях энергетически более эффективно, чем применение современных огневых методов. Используемая низкотемпературная плазма, обладающая высокой концентрацией энергии и химически активных атомов, радикалов, ионов и электронного газа, предназначена для ускорения термохимических превращений аэросмеси и более полному выгоранию пылеугольного факела.

В настоящее время плазменно-энергетические технологии разработаны с достаточной степенью и хорошо освоены. Методика, используемая при термохимической обработке энергетического топлива, позволяет проводить безмазутную растопку котельных агрегатов, работающих на сжигании угольной пыли. Кроме того, эта технология используется для комплексной переработки твердого топлива и стабилизации его горения (подсветка пылеугольного факела). 

Главными преимуществами использования плазменных технологий и безмазутной растопки котельных агрегатов заключаются в том, что на теплоэлектростанциях в значительной степени сокращается потребление мазута, что снижает выбросы оксидов азота на 40-50%, оксидов серы на 30-40% и почти полностью устраняет выбросы пятиокиси ванадия. Кроме того, вследствие увеличения эффективности процесса горения пылеугольного топлива, снижается общее количество выбросов двуокиси углерода и уменьшается механический недожог топлива в 1,5-2,0 раза.

Проводимые исследования в области термохимической подготовки топлива показали высокую энергетическую, экологическую и экономическую эффективность топочных камер промышленных котельных агрегатов при стабилизации в них процессов сжигания пылеугольного факела. Однако без глубокого понимания воздействия низкотемпературной плазмы на угольную пыль, невозможно эффективно разрабатывать новые инновационные технологии термохимической подготовки топлива. Поэтому необходимо проводить исследования по установлению причин энергетической эффективности плазменной технологии в процессах подготовки низкосортных углей к сжиганию и определить место плазменных технологий их газификации в теплоэнергетике.

Кроме того, в последнее время остро встает проблема взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды, которая является весьма многосторонней и требует особого внимания. Значительный интерес для энергетики в области снижения антропогенного воздействия на окружающую среду представляют исследования по улучшению низкосортных твердых топлив, обеспечивающих снижение выбросов в атмосферу загрязняющих веществ и одновременно улучшающие основные показатели энергетических комплексов.

Основным направлением совершенствования пылеугольного горения и использования альтернативных видов топлива является выполнение жестких экологических требований по удельным выбросам вредных веществ с отработанными газами котельных установок. И на этом этапе создание технологий, позволяющих описать основные процессы формирования вредных пылегазовых выбросов, и разработать рекомендации по их снижению является актуальной задачей исследователей.

 

2.2 Сжигание низкосортных углей в топке с кипящим слоем

 

Второе направление научных экспериментов – сжигание низкосортных углей в топке с кипящим слоем – позволило создать более мягкие условия, при которых образуется меньше оксидов серы и азота, а зола пригодна для непосредственной переработки.

Преимущества:

·способность сжигать практически любые марки углей, включая отсевы и штыбы;

·низкий уровень вредных выбросов;

·значительно более высокий КПД в сравнении с фактическим КПД слоевых котлов на аналогичном топливе;

·высокая маневренность (30-100% от номинальной производительности).

 Стоит отметить, что сегодня в мире распространены именно эти, более совершенные технологии сжигания углей – в топках с циркулирующим кипящим слоем. Их главное преимущество в том, что они компактны, в них можно сжигать угли любой зольности. В США, Китае, странах Европы, Индии давно используются именно такие агрегаты.

Имеется целый ряд схем, реализующих технологию ЦКС. Рассмотрим одну из них, показанную на рисунке 8.

Уголь из бункера направляется на воздухораспределительную решетку топки, под которую для горения подается горячий воздух. На нее же из другого бункера поступает известняк, который вступает в химическую реакцию с серой, связывает ее и в дальнейшем вместе с сухой золой отводится из котла. Таким образом, исключается попадание серы в дымовые газы и затем в воздушный бассейн. Образующийся кипящий слой передает часть своей теплоты рабочему телу, движущемуся в экранах, которыми облицованы стены топки. Из верхней части топки смесь продуктов сгорания и частиц топлива, не сгоревших в кипящем слое, направляется в циклон, где происходит отделение частиц несгоревшего топлива от продуктов сгорания. Несгоревшие горячие частицы смешиваются с частицами свежего топлива, и эта смесь поступает в горящий кипящий слой топки. Продукты сгорания поступают в конвективную шахту, в которой расположены другие поверхности нагрева рабочего тела: конвективный первичный и промежуточный пароперегреватели, экономайзер, воздухонагреватель. На выходе из конвективной шахты из продуктов сгорания удаляется летучая зола, и затем они поступают в электрофильтры для удаления остатков летучей золы, после чего они направляются в дымовую трубу для рассеивания в верхних слоях атмосферы.

Рисунок 8- Сжигание низкосортных углей в топке с циркулирующим кипящим слоем

 

Котлы с ЦКС, кроме отмеченных выше преимуществ имеют ряд других.

1. В ЦКС эффективно сжигаются некачественные топлива: угли с большим содержанием породы, который в ЦКС играет роль циркулирующего наполнителя слоя; угли с высоким содержанием золы и влаги, а также трудно зажигаемые топлива (с малым выходом летучих легковоспламеняющихся газов).

2. В одном и том же котле можно сжигать топливо разного и меняющегося качества.

3. Перед подачей в топку ЦКС топливо не требует мелкого размола (достаточно дробление), что исключает необходимость в угольных мельницах и улучшает экологическую обстановку на ТЭС.

4. Отсутствие отдельных серо- и азотоочистки (в котлах с ЦКС они органически встроены в процесс горения) обеспечивает компактность этих котлов, что делает их привлекательными для реконструкции действующих ТЭС.

Вместе с тем, по сравнению с пылеугольными котлами, котлы с ЦКС более сложны, работают в более тяжелых условиях (эрозия поверхностей нагрева запыленным потоком), имеют повышенный расход электроэнергии на привод высоконапорных вентиляторов для подачи воздуха в зону горения и создания кипящего слоя.

Технико-экономические оценки показывают, что котлы с ЦКС в энергоблоках 150—200 МВт обеспечивают себестоимость электроэнергии, капитальные затраты, затраты на топливо, на обслуживание и ремонт, не превышающие аналогичные затраты для пылеугольных котлов с сероочисткой. При этом подчеркивается, что результаты сравнения зависят от большого числа факторов и определяются конкретными условиями.

Область применения котлов с ЦКС — сжигание низкосортных твердых топлив при паропроизводительности до 250 т/ч как для новых ТЭС, так и проходящих модернизацию. В мире в настоящее время эксплуатируется более 200 энергетических котлов с ЦКС, в том числе освоен энергоблок мощностью 250 МВт. В России разрабатываются котлы с ЦКС паропроизводительностью 160, 500 и 1000 т/ч для сжигания каменных и бурых углей различных месторождений.

 

2.3 Механоактивированный помол как способ увеличения химической активности углей низкого качества.

 

Применение рядовых углей сопряжено с неэффективным их сжиганием (низкими коэффициентами полезного действия существующего котельного оборудования увеличенными потерями, высокими вредными выбросами в атмосферу) и ограниченными областями его применения. 

Расширение областей энергоэффективного использования углей на объектах теплоэнергетики за счет более эффективного сжигания углей может быть достигнуто при увеличении их химической активности при механоактивированном микропомоле до 10–40 мкм с использованием различных мельниц (виброцентробежных, планетарных, дезинтеграторного типа).

Такими областями являются:

- замещение газомазутного топлива на объектах “большой” и “малой” теплоэнергетики; 

- вовлечение низкореакционных углей в топливные балансы.

Кроме того, применение механоактивированных углей микропомола при термоподготовке топлива приводит к дополнительному подавлению топочного азота и снижению выбросов NO_х.

В теплоэнергетике основным способом сжигания углей является пылеугольный факел, при этом возникают проблемы, связанные с необходимостью стабилизации горения факела при использовании низкореакционных углей и, кроме того, розжиг пылеугольных котлов чаще всего реализуется с помощью имеющегося в наличии высокореакционного углеводородного топлива - газа / мазута. На Востоке страны газ дефицитен, а стоимость мазута намного выше стоимости угля. Поэтому весьма актуальным является вопрос изменения физико-химических свойств углей в сторону приближения их свойств к углеводородному топливу. Следует отметить, что этот вопрос является актуальным и при разработке новых технологий переработки углей, в том числе газификации, являющейся основной ступенью переработки при создании парогазовых установок.

Приближение реакционных свойств механоактивированных углей микропомола к свойствам газа и мазута открывает широкие возможности для замещения топлив в газомазутных котлах на механоактивированные угли. При механических воздействиях на уголь, происходит распад отдельных химических связей с образованием свободных радикалов, ускоряющих последующее протекание химических реакций. При этом происходит также деформация органической составляющей топлива, представляющей высокомолекулярное образование. При деформации макромолекул происходит изменение структуры молекулярных цепей, изменение межатомных и межмолекулярных расстояний, что сопровождается ослаблением внутри- и межмолекулярных связей и соответствующим увеличением свободной энергии вещества. При деформации электронных оболочек происходит снижение энергетического барьера реакций. При диспергировании угля происходят структурные изменения со снижением плотности, уменьшение доли упорядоченных в слои углерода и т.д.

Эти процессы приближают горение пылеугольного топлива тонкого помола к горению газомазутных топлив. Кроме того, механоактивация углей позволяет снизить образование окислов азота при пылеугольном сжигании. Скорость выделения природного азота обычно отождествляется со скоростью выхода летучих, т.е. со временем прогрева частиц угля. Как следствие – для снижения количества NO_x перспективным является измельчение частиц, позволяющее сократить  время выхода летучих и образующихся при этом NO_X  на участке воспламенения и начала горения пылевзвеси. 

При интенсивных механических воздействиях на угольное вещество в диспергирующих аппаратах, реализующих воздействия достаточно высоких энергий, наряду с уменьшением размеров частиц и увеличением удельной поверхности происходит их активация, состоящая в частичной механодеструкции относительно высокомолекулярных составляющих органической массы угля, что приводит к значительному изменению его физико-химических свойств, в том числе повышению реакционной способности [10].

На рисунке 9 представлены размеры частиц бурого угля после помола на двух типах мельниц: виброцентробежной (ВЦМ) и мельнице –дезинтеграторе.

Рисунок 9 - Спектр размеров частиц бурого угля марки Б-2 после помола на двух типах мельниц: виброцентро-бежной (ВЦМ) и мельнице-дезинтеграторе (ДЕЗ). 

 

Средний размер частиц у них практически одинаков и равен ~ 40-42 мкм, т.е. поверхность реагирования в обоих случаях практически одинакова и, можно предположить, что должны быть одинаковы и скорости воспламенения и горения пылеугольного факела при сжигании этого угля. 

Однако скорость горения после измельчения на различных типах мельниц существенно отличаются. Об этом говорит большое различие в энергии активации при воспламенении и горении угля после измельчения. Факелы в топочном объёме при сжигании углей при использовании виброцентробежной мельницы и при использовании мельницы дезинтеграторного типа существенно отличаются (рисунки 10,11). При механоактивации на мельнице - дезинтеграторе происходит снижение энергии активации (до 2-3–х раз) пылеугольный факел за счет изменения физико-химических свойств угля становится аналогом мазутному/газовому (по размерам, теплонапряженности и интенсивности выгорания).

Рисунок 10 - Факел в топочном объёме при сжигании бурого угля при использовании виброцентробежной мельницы

 

 

Рисунок 11 - Сжигание пылеугольного факела при механоактивированном угле микропомола на мельнице–дезинтеграторе.

 

Инновационный продукт – механоактивированный уголь микропомола - может быть использован для:

• переоборудования угольных котлов с цепной решеткой на сжигание угля ультратонкого помола;

• замещения используемого жидкого топлива (мазута, дизельного) и газа на газомазутных котлах в “малой” энергетике;

• замещения используемого мазута и газа при розжиге и стабилизации горения пылеугольного факела на пылеугольных котлах в “малой” и “большой” энергетике;

• непосредственного использования в газотурбинных установках без стадии газификации. 

Внедрение технологии сводится к переоснащению котла/котельной, использующей жидкое топливо (мазут, дизельное топливо) и газ, новыми технологическими узлами для их замещения – устройствами ультратонкого помола угля и дополнительным оборудованием хранения, подачи и сжигания угля, а также системами золоулавливания и золоудаления. 

Основной узел – узел ультратонкого помола. Для ультратонкого помола угля (30 – 40 мкм) наиболее предпочтительны мельницы дезинтеграторного типа с меньшими динамическими нагрузками. Они позволяют регулировать ударно-истирающий режим обработки и создавать нужную степень тонкости и структурной измененности минеральных веществ. Диапазон производительности от 100 кг/час до 5 т/час, энергозатрат - 25 – 40 кВтч/т. Однако выбор типа мельницы должен определяться конкретными техническими и экономическими условиями [10].

Расчеты коммерческой эффективности показывают, что проекты по применению механоактивированных углей микропомола для ряда котельных Восточной Сибири и Якутии вместо жидкого топлива характеризуются короткими сроками окупаемости - от нескольких месяцев до 2-3 лет, а в «большой» энергетике для замещения мазутного розжига и подсветки на пылеугольных котлах - порядка 2-5- ти лет.

Вопросы к лекции 4:

1. С какой целью производится перевод углеиспользующих установок на другие виды топлива?

2. Какие меры в теплоэнергетике проводятся в целях улучшения показателей воспламенения и стабилизации горения низкосортного пылеугольного топлива?

3. Каким образом повышение тонины помола угля может отразиться на кпд?

4. Что предусматривает метод термохимической обработки топлива?

5. Преимущества применения плазменных технологий?

6. Основное преимущество применения топок с кипящим слоем?

7. Основные недостатки котлов с ЦКС и их диапазон применения?

8. В чём суть механоактивации углей?

9. Наиболее перспективные мельницы, применяемые для механоактивированного помола углей?

10. Является ли получение синтез-газа при сжигании низкореакционных топлив положительным для энергетических котлов?

11. Для каких целей может быть использован механоактивированный уголь?