Введение к работе
Актуальность. В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2020 года» структура топливно-энергетического баланса страны на долгосрочную перспективу предусматривает значительное увеличение использования угля. Вместе с тем расширение потребления угольного топлива в нашей стране, прежде всего, обусловлено освоением углей Канско-Ачинского бассейна - крупнейшего буроугольного бассейна России. Общие геологические запасы бассейна составляют около 640 млрд. тонн, из них пригодны для добычи наиболее дешевым открытым способом 140 млрд. тонн, что составляет более 70% общероссийских запасов углей открытой разработки.
Многолетний опыт использования канско-ачинских углей (КАУ) на тепловых электростанциях показал, что традиционные способы их подготовки и сжигания не в полной мере соответствуют современным требованиям обеспечения надежности, эколого-экономической эффективности работы котельных агрегатов. Все это выдвигает одновременно целый ряд проблем.
В первую очередь к ним следует отнести: шлакование и загрязнение поверхностей нагрева котлоагрегатов, обусловленные специфическим составом минеральной части канско-ачинских углей, в связи с чем значительно уменьшается коэффициент использования установленной мощности тепловых электростанций; снижение содержания оксидов азота как наиболее вредных газовых выбросов в уходящих дымовых газах на ТЭС; вовлечение в ТЭБ России забалансовых окисленных углей, которые при добыче КАУ вместе с пустой породой уходят в отвал; замена мазута при растопке и подсветке факела топочных камер котельных агрегатов углями Канско-Ачинского бассейна, стоимость которых более чем на порядок ниже стоимости жидкого топлива -мазута.
В связи с этим возникла необходимость разработки новых и совершенствования существующих методов и средств, обеспечивающих комплексное решение указанных проблем использования канско-ачинских углей в энергетических системах, а также применения наукоёмких технологий, что определяет актуальность настоящей диссертационной работы.
Основанием для выполнения диссертационной работы послужили:
федеральная целевая комплексная научно-техническая программа 0.Ц.008 («Энергия»), утвержденная ГКНТ, Госпланом СССР и АН СССР (№ 474/250/132 от 12.12.1980 г.);
отраслевые программы Министерства угольной промышленности СССР на 1985-1990 годы;
программа «Энергосбережение» Минобразования РФ;
тематический план научно-исследовательских работ по заданию Федерального агентства по образованию на 1995-2009 годы.
Объектом исследования являются устройства по сжиганию углей на тепловых электростанциях.
Предметом исследования являются технологические процессы топливоподготовки и сжигания канско-ачинских углей.
Цель работы состоит в разработке методов и средств повышения эффективности работы котельных агрегатов современных тепловых электростанций при сжигании углей Канско-Ачинского бассейна.
Основные задачи исследований:
-
Провести комплексные физико-химические исследования особенностей вещественного состава канско-ачинских углей по высоте пласта и глубине его залегания.
-
Усовершенствовать технологию сжигания канско-ачинских углей, обеспечивающую надежность, экономичность и экологическую безопасность энергетических систем и комплексов.
-
Разработать технологические схемы и устройства по термической подготовке КАУ в условиях энергетических систем.
-
Выполнить трехмерное математическое моделирование аэродинамики топочной камеры котла, оборудованного системой термической подготовки углей.
-
Разработать мероприятия по практическому использованию технических предложений по применению усовершенствованной технологии сжигания КАУ на действующих ТЭС.
-
Обосновать эффективность использования технологии предварительной термической подготовки канско-ачинских углей в условиях ТЭС на основе модифицированной энергетической модели России; определить рациональные масштабы тиражирования и приоритетные регионы России по внедрению этой технологии на долгосрочную перспективу.
Методы исследований.
В работе использованы экспериментальные методы исследований, выполненные на тепловых электростанциях и на специально созданной полупромышленной установке, а также методы математического моделирования.
Научная новизна.
1. Впервые установлены закономерности влияния окислительного
выветривания на состав и физико-химические свойства органической и
минеральной частей канско-ачинских углей на основе исследований угля
Березовского месторождения по высоте и глубине залегания угольного пласта.
2. Обоснована технология сжигания канско-ачинских углей с
применением термической подготовки в условиях тепловой электростанции,
обеспечивающая комплексное решение проблем их энергетического
использования: снижение загрязнения поверхностей нагрева котлов,
уменьшение концентрации оксидов азота в уходящих дымовых газах до
нормативных значений и вовлечение в ТЭБ РФ забалансовых окисленных углей.
-
Разработан номограммный метод определения конструктивных решений по компоновке пароперегревательных поверхностей нагрева котельных агрегатов на основе обобщения результатов исследований по образованию натрубных отложений при сжигании канско-ачинских углей, что обеспечивает на стадии проектирования создание котельных агрегатов повышенной эффективности.
-
Полученные результаты численного эксперимента показали, что предложенная конструкция топочного устройства котельного агрегата с внутритопочной термической подготовкой позволяет организовать эффективную аэродинамику топочного пространства с равномерным заполнением его объёма продуктами горения и повышает эффективность процесса сжигания КАУ.
-
На основании проведенной системной оценки показана высокая эффективность применения технологии термической подготовки КАУ в энергетических комплексах. Определены наиболее приоритетные регионы России по её тиражированию на долгосрочную перспективу с помощью модифицированной энергетической модели России.
Практическая значимость и использование результатов работы.
1. Усовершенствована технология сжигания КАУ, которая позволяет
осуществить комплексный подход по решению проблем их использования в
энергетических системах и комплексах.
-
Разработана техническая документация на установку системы термической подготовки углей для котельных агрегатов КВТК-100 «Крастяжмашэнерго», БКЗ-420-140 Красноярской ГРЭС-2, ПК-40-1 Беловской ГРЭС и передана заказчикам (патенты № 2113655, 2317485, 2313034 и др.).
-
Результаты исследований внедрены на котлах БКЗ-420-140 Красноярской ТЭЦ-2, ПК-40-1 блока 200 МВт Томь-Усинской ГРЭС с применением термоподготовки углей для организации энергосберегающей технологии муфельной растопки и подсветки факела топочных камер (патенты №2200950, 2294484, 2310125 и др.).
4. Разработан метод определения компоновки пароперегревательных
поверхностей нагрева котельных агрегатов, сжигающих КАУ, который
позволяет повысить тепловую эффективность их работы.
5. Создана полупромышленная экспериментальная установка (патенты №
2072479, 2088851), прототип которой рекомендуется использовать для
разработки эколого-экономичных режимов подготовки и сжигания
энергетических углей новых месторождений.
6. Результаты исследования использованы в учебном процессе при
изучении специальных дисциплин студентами направления 140100
«Теплоэнергетика».
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты исследований закономерностей влияния окислительного выветривания на состав и физико-химические свойства углей Канско-Ачинского бассейна по высоте угольного пласта и глубине его залегания.
-
Технология сжигания канско-ачинских углей с применением термической подготовки в условиях ТЭС по результатам исследований энергетического использования КАУ и их полукоксов в промышленных котлах и экспериментальных установках.
-
Результаты исследований процесса термической подготовки КАУ на основе численного эксперимента и созданной полупромышленной экспериментальной установки.
-
Технологические схемы и технические устройства по сжиганию КАУ с применением термической подготовки как эффективного элемента процесса сжигания в условиях ТЭС, предназначенного для комплексного решения проблем энергетического использования канско-ачинских углей.
-
Результаты промышленного использования термической подготовки углей на котлах тепловых электростанций России, показывающие возможность решения проблем экономичности, надёжности работы энергетических систем и комплексов.
-
Результаты исследований по системной оценке эффективности использования технологии сжигания с предварительной термической подготовкой канско-ачинских углей в условиях тепловых электростанций, определение рациональных масштабов освоения и наиболее приоритетных регионов России по её тиражированию.
Достоверность результатов обеспечена комплексным характером исследований, обоснованными технологическими схемами, подтверждается метрологическими характеристиками используемого оборудования и современных приборов, удовлетворительным совпадением результатов численных и экспериментальных исследований, положительными результатами опытно-промышленной эксплуатации технических разработок на тепловых электрическихстанциях. Исследования состава и свойств проб углей выполнялось лабораториями СибВТИ и ЦветметНИИпроекта, аттестованных Госстандартом.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: 2-4-й Всесоюзных конференциях «Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы парогенераторов» (Таллинн, 1974, 1980, 1986); Всесоюзной конференции «Современные процессы переработки и физико-химические методы исследования угля, нефти и продуктов их превращения (Иркутск, 1982); 5-й Всесоюзной конференции по горению органического топлива (Новосибирск, 1986); ежегодных научно-технических совещаниях по программе «Энергия» (Ленинград, 1982-1989); 2-й Всесоюзной конференции
«Теплообмен в парогенераторах» (Новосибирск, 1990); Всесоюзной конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, 1992); 26-м Международном теплотехническом коллоквиуме (Дрезден, 1994), Научно-техническом Совете Харбинского технического университета (Харбин, 1991-1994); Ежегодной всероссийской НТК «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (Красноярск, 1999-2007), 2- и 3-м Международных форумах стратегических технологий (Улан-Батор, 2007 и Новосибирск, 2008).
Личный вклад автора. Автору принадлежат: постановка проблемы и задач исследований, разработка, обоснование всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, постановка экспериментов, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций для принятия решений, автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальной установки и проведении стендовых и промышленных исследований.
Автор выражает благодарность канд. техн. наук профессору И. С. Дерингу за неоценимые консультации и содействие в работе. В решении отдельных задач принимали активное участие ст. науч. сотр. Л. Ф. Бугаева, канд. хим. наук. Ж. Л. Евтихов, мл. науч. сотр. Е. А. Бойко, Г. А. Потехин, С. М. Куликов, Б. А. Яцевич, А. А. Князев и М. В. Зубова, которым автор также глубоко признателен.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 152 научные работы, в том числе 1 монография, 10 статей в периодических изданиях из перечня ВАК, 65 - в центральных журналах, сборниках научных трудов Всероссийских и международных конференций, 76 авторских свидетельств и патентов.
Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 310 страницах основного текста, включающего 113 рисунков, 24 таблицы. Работа состоит из введения, семи разделов, заключения, списка использованных источников из 316 наименований и приложений.
