Исследование сжигания эстонских сланцев с непроектными топливами Зайченко Михаил Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Обзор литературных источников 11

1.1. Горючие сланцы как энергетическое топливо 11

1.2. Развитие сланцевой отрасли в СССР и России 14

1.3. Проблема использования горючих сланцев в настоящее время 20

1.4. Замещение проектных топлив 23

Постановка задачи исследования 25

ГЛАВА 2. Разработка и верификация адекватной модели котла ТП-101 28

2.1. Описание объекта исследования 29

2.2. Создание и верификация адекватной математической модели котла ТП-101 Эстонской электростанции 34

Заключение по главе 2 43

ГЛАВА 3. Разработка критериев для анализа результатов расчетов работы котла и котельной установки 44

3.1. Разработка критериев оценки надежности и эффективности работы котла на непроектном топливе 45

3.2. Разработка критериев оценки надежности и эффективности работы вспомогательного оборудования на непроектном топливе 47

3.3. Разработка критериев оценки экологической безопасности работы котла на непроектном топливе 49

Заключение по главе 3 50

ГЛАВА 4. Расчетные исследования возможности работы котла на сланцах с пониженной теплотой сгорания 52

4.1. Исследование работы котла и котельной установки при сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания 52

4.2. Исследование работы котла и котельной установки при сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания совместно с полукоксовым газом 61

4.3. Исследование работы котла и котельной установки при сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания совместно с углем 72

Заключение по главе 4 з

ГЛАВА 5. Расчетные исследования возможности работы котла на полукоксовом газе 86

5.1. Исследование работы котла и котельной установки при использовании полукоксового газа в качестве основного топлива 86

5.2. Численные исследования малоэмиссионных горелочных устройств для сжигания полукоксового газа в котле 97

Заключение по главе 5 116

ГЛАВА 6. Расчетные исследования работы котла при совместном сжигании сланца с пониженной теплотой сгорания и биотоплив 118

6.1. Исследование возможности использования фрезторфа 118

6.2. Исследование возможности использования соломы в качестве дополнительного топлива при совместном сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания 129

6.3. Исследование возможности использования древесных опилок в качестве дополнительного топлива при совместном сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания 136

Заключение по главе 6 140

Выводы по диссертации 141

Список литературы 144

• Проблема использования горючих сланцев в настоящее время
• Создание и верификация адекватной математической модели котла ТП-101 Эстонской электростанции
• Разработка критериев оценки надежности и эффективности работы вспомогательного оборудования на непроектном топливе
• Исследование работы котла и котельной установки при сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания совместно с полукоксовым газом

Введение к работе

Актуальность темы. Среди различных видов энергетического топлива органического происхождения горючие сланцы выделяются в отдельную группу. Они характеризуются высокими зольностью и содержанием карбонатов, ввиду чего относятся к низкокалорийным топливам. Сжигание сланцев в котлах сопровождается значительными выбросами оксидов азота и серы в атмосферу, шлакованием и заносом поверхностей нагрева, высокотемпературной коррозией пароперегревателя и другими негативными явлениями.

Наиболее широкое энергетическое использование получили горючие сланцы Прибалтийского бассейна, который расположен на территории Ленинградской, Псковской и Новгородской областей России и в Эстонии. Специально для сжигания данных сланцев на электростанциях в разные годы были установлены паровые котлы типа ТП-101, спроектированные с учетом шлакующих и загрязняющих свойств сланцев, проектная теплота сгорания которых составляла 8-11 МДж/кг. В России в настоящее время ведутся научно-исследовательские работы по созданию комплексов по добыче и энергохимическому использованию сланцев.

В то же время на электростанциях Эстонии в данных котлах сжигаются сланцы с теплотой сгорания ниже проектной с перспективой дальнейшего снижения. Это вызвано как выработкой (истощением) ныне используемых месторождений, так и разработкой более глубоких слоев залегания сланца, что поощряется снижением налогового бремени на использование недр. Однако из-за снижения теплоты сгорания сланцев возникает проблема их эффективного использования для получения электрической и тепловой энергии.

Альтернативным направлением использования сланцев в Эстонии является его термическая переработка, основным продуктом которой является сланцевое масло, а одним из побочных – полукоксовый (ретортный) газ. Последний обладает высокой калорийностью и повышенным содержанием соединений серы. В связи с этим возникает необходимость эффективно и экологически безопасно утилизировать полукоксовый газ в достаточно больших объемах. Кроме того увеличение объемов производства сланцевого масла диктует необходимость уменьшения доли сланцев в выработке электрической и тепловой энергии на электростанциях Эстонии.

Для решения указанных проблем было предложено сжигать полукоксовый газ в энергетических котлах для частичного или полного замещения сланцев. В настоящее время его периодически используют в ограниченных объемах (до 7% по теплу) в качестве дополнительного топлива при сжигании сланцев на Эстонской электростанции. Такое ограничение вызвано более высокой теплотой сгорания полукоксового газа и соответственно более высокой температурой его горения. Это приводит к повышению температуры дымовых газов на выходе из топки и опасности шлакования поверхностей нагрева. При этом также происходит перераспределение тепловосприятий между радиационными и конвективными поверхностями нагрева котла, что в свою очередь может вызвать проблемы с обеспечением номинальной температуры перегрева пара по первичному и вторичному трактам.

Альтернативой полукоксовому газу при частичном или полном замещении сланцев с пониженной теплотой сгорания могут стать другие высококалорийные виды топлива. В качестве таких топлив возможно использование угля или различных видов биотоплива.

Основными условиями использования замещающих непроектных топлив являются обеспечение надежной, эффективной и экологически безопасной работы

котла с номинальными параметрами пара в рабочем диапазоне нагрузок при минимальной модернизации котла и/или минимальной замене его отдельных элементов и вспомогательного оборудования котельной установки. В настоящее время проблема перевода действующих котлов на непроектные виды топлива является актуальной для России и Эстонии.

Оценке возможности перевода котла ТП-101 Эстонской электростанции на сжигание непроектных топлив посвящена данная работа.

Цель работы – теоретическое обоснование и расчетные исследования возможности использования различных непроектных видов топлива при частичном или полном замещении сланцев при условии обеспечения надежной, эффективной и экологически безопасной работы котла и котельной установки в целом при минимальном объеме реконструкции.

В этой связи в работе решались следующие задачи:

создание и верификация математической модели действующего котла ТП-101, отражающей фактическое состояние оборудования во всем рабочем диапазоне нагрузок котла;

разработка и обоснование критериев оценки работы котла и котельной установки с позиций надежности и эффективности при соблюдении нормативов по выбросам вредных веществ в атмосферу;

определение возможности использования сланцев с пониженной теплотой сгорания в качестве основного и единственного топлива;

исследование возможности обеспечения работы котла и котельной установки в соответствии с разработанными критериями при частичном и полном замещении сланцев с пониженной теплотой сгорания непроектными топливами;

численные исследования малоэмиссионных горелочных устройств стадийного сжигания, предназначенных для реализации как частичного, так и полного перевода котла на сжигание полукоксового газа;

исследование возможности использования различных видов биотоплива в качестве дополнительного топлива при сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Определена минимальная величина теплоты сгорания сланца, ниже которой невозможна нормальная работа котла и котельной установки в целом в рабочем диапазоне нагрузок при использовании сланца в качестве основного и единственного топлива.

2. Численными исследованиями обоснована и показана принципиальная возможность использования полукоксового газа в качестве основного и единственного топлива при минимальном объеме реконструкций сланцевого котла.

3. Предложены и исследованы варианты конструкции малоэмиссионных горелочных устройств стадийного сжигания полукоксового газа, обеспечивающие надежное и эффективное сжигание данного топлива при эмиссии оксидов азота менее 200 мг/м³.

4. Исследована возможность использования различных видов биотоплива при совместном сжигании со сланцем с пониженной теплотой сгорания.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработаны критерии оценки работы котла и котельной установки в целом с позиций надежности, эффективности и экологической безопасности при переводе на частичное и полное сжигание непроектных топлив.

2. Показана принципиальная невозможность надежной и эффективной работы исследуемого котла ТП-101 во всем рабочем диапазоне нагрузок при сжигании сланцев с теплотой сгорания ниже 6,64 МДж/кг.

3. Определены доли по теплу непроектных топлив (полукоксового газа и угля), обеспечивающие при их совместном сжигании со сланцем с пониженной теплотой сгорания надежную, эффективную и экологически безопасную работу котла во всем рабочем диапазоне нагрузок.

4. Показана принципиальная возможность использования полукоксового газа в качестве основного топлива в котле ТП-101 при минимальном объеме реконструкции котла за счет существенного увеличения избытка воздуха на пониженных нагрузках.

5. Показано, что совместное сжигание сланца с пониженной теплотой сгорания с некоторыми видами биотоплива позволит расширить область нормальной работы котла и котельной установки в целом с позиций надежности, эффективности и экологической безопасности.

Методология и методы исследования, достоверность результатов. Решение поставленных в работе задач осуществлялось путем проведения расчетных исследований, численных экспериментов и анализа полученных результатов. Достоверность результатов работы обеспечивается применением хорошо апробированных и широко используемых программных продуктов, верификация разработанной математической модели проводилась сопоставлением результатов численного моделирования с опытными данными, полученными при испытаниях котла.

На защиту выносятся:

предложенный подход к исследованию работы действующих котлов при переводе на непроектные виды топлива, включающий в себя создание математической модели котла, адекватно отражающей его текущее состояние и работу, и разработку критериев оценки работы оборудования на непроектном топливе с позиций надежности, эффективности и экологической безопасности;

результаты расчетных исследований работы котла при использовании непроектных топлив в различных сочетаниях: сланцев с пониженной теплотой сгорания, полукоксового газа и угля;

разработанные конструкции горелочных устройств стадийного сжигания, предназначенные для использования полукоксового газа в качестве основного или дополнительного топлива;

результаты расчетных исследований работы котла при совместном сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания и различных видов биотоплива.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на:

1. XXI международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии», г. Москва, 2013 г.;

2. XX международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2014 г.;

3. Национальном конгрессе по энергетике, г. Казань, 2014 г.

4. II Международной научно-технической конференции «Использование твёрдых топлив для эффективного и экологически чистого производства электроэнергии и тепла», г. Москва, 2014 г.;

5. Международной конференции «IX Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике», г. Казань, 2015 г.;

6. Пятой международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», г. Казань, 2015 г.;

7. Заседаниях кафедры паровых и газовых турбин, подразделение Парогенераторостроения НИУ МЭИ, 2015 г.

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 8 публикациях, в том числе в двух статьях в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 152 страницы текста, 32 таблицы, 50 рисунков. Список литературы содержит 92 наименования.

Проблема использования горючих сланцев в настоящее время

Среди различных видов энергетического топлива органического происхождения горючие сланцы (ГС) выделяются в отдельную группу. Горючий сланец – это комплексное органо-минеральное энергохимическое полезное ископаемое керогенового типа каустобиолитов, осадочного образования в морских, озерных, дельтовых или речных условиях. Представляет собой твердое горючее, содержащее кероген сапропелевого, сапропелево-гумусового или гумусово-сапропелевого состава, равномерно распределенный в минеральной массе силикатного, алюмосиликатного или карбонатного состава, при термической переработке образует смолу, газ и зольный остаток (полукокс) [6].

Основными положительными отличиями ГС от других твердых горючих ископаемых являются высокое атомное соотношение водорода к углероду в органической массе, которое для некоторых сланцев достигает 1,7 (нефть 1,9, уголь 0,4-0,5), уникальный состав органического вещества, ценный в первую очередь для энерготехнологической и химической переработки. Негативные отличия состоят в значительном содержании осадочных пород, в основном карбонатов, повышенным содержанием серы, азота и кислорода (в зависимости от месторождения). Это усложняет технологии сжигания и переработки горючих сланцев.

Органическое вещество сланцев называется кероген, который из-за высокого содержания водорода при термическом разложении переходит в жидкое или газообразное состояние. При этом кероген не извлекается в заметных количествах при использовании растворителями [7]. Среди ГС по содержанию органического вещества выделяют три вида: богатые – свыше 20%, среднего содержания – 10-20%, бедные – меньше 10%. Для горючих сланцев характерен выход летучих 50-95%. Выход смолы зависит от двух основных факторов – содержания в сланце органического вещества и смолоотдачи, т.е. выхода смолы на органическое вещество сланца. Этот показатель для горючих сланцев разных месторождений колеблется от 15-20 до 70-75%. По выходу смолы также выделяют три основных вида ГС: высокосмоляные (от 20%), среднесмоляные (10-20%) и низкосмоляные (до 10%) [8]. По выходу продуктов полукоксования – смолы, газа, полукокса – можно получить представление о поведении горючих сланцев в процессе термической переработки и оценить их химико-технологический потенциал.

На минеральную часть, как правило, приходится бльшая доля от состава горючих сланцев. Состоит она в основном из известковых, глинистых и кремнистых минералов [8]. Многообразие типов горючих сланцев обусловлено вариациями количеств известковых и глинистых или глинистых и кремнистых минералов. При образовании горючих сланцев происходило обогащение тяжелыми металлами и редкими элементами: ураном, ванадием, молибденом, никелем, рением и т. д. [6, 7]. Поэтому некоторые сланцы представляют интерес как сырье для производства редких элементов и соединений.

Зольность горючих сланцев является одним из основных оценочных критериев. Зольный остаток от сжигания сланцев, в зависимости от их состава, может составлять от 45 до 85%. Чем выше выход золы, тем меньше содержание органического вещества, тем ниже теплота сгорания сланцев и выход смолы.

Содержание золы в горючих сланцах является условным понятием и не соответствует содержанию в них неорганических веществ [9]. При сжигании ГС в зависимости от характера неорганической части происходят различные процессы разложения и соединения, которые сопровождаются тепловыми эффектами. Основной причиной расхождения между значениями зольности и содержания неорганической части является углекислый газ, выделяющийся при нагревании и разложении карбонатов, содержание которых в горючих сланцах некоторых месторождений достигает 50-60%. Ввиду высокой зольности и наличия карбонатов горючие сланцы относятся к низкокалорийным топливам. В зависимости от месторождения теплота сгорания может изменяться в широких пределах от 4-5 МДж/кг до 25 МДж/кг. Наиболее высокой теплотой сгорания – более 15 МДж/кг – характеризуются горючие сланцы отдельных слоев и пластов Эстонского, Ленинградского, Рубежинского, Болтышского месторождений, некоторые сланцы Австралии, Новой Зеландии. Большинство горючих сланцев мира имеют среднюю 8-12 МДж/кг или низкую – 5-8 МДж/кг теплоту сгорания [9].

Горючие сланцы по сравнению с другими видами традиционных горючих ископаемых более равномерно распространены по всему земному шару. В мире имеется более 560 крупных месторождений. Тем не менее, вовлеченность ГС в энергетику и промышленность низка, т.к. на протяжении всей истории развития и становления сланцевой промышленности она вынуждена была конкурировать с более дешевыми видами сырья – нефтью и природным газом.

Данные по запасам горючих сланцев неоднократно пересматривались, и на данный момент нет единой оценки. Вместе с тем доказано, что мировые запасы ГС в несколько раз превышают запасы нефти. В [10] для оценки обеспеченности мировыми энергетическими ресурсами приводится соотношение имеющихся запасов к ежегодной добыче, выраженные в нефтяном эквиваленте (1 TOE = 41,868 ГДж). Обеспеченность нефтью самая низкая из добываемых углеводородов и составляет 41 год (табл. 1.1).

Горючие сланцы [11] 411 - Отсутствие данных о ежегодной добыче горючих сланцев не позволяет с определенной точностью рассчитать подобным образом обеспеченность этим видом ресурсов. Однако, ориентируясь на равнозначный порядок запасов сланцев и угля и принимая уровень добычи, равным ежегодной добыче угля, можно приблизительно оценить этот срок в 200 лет [8].

Данные по запасам сланцев на территории Российской Федерации также неоднократно пересматривались. В таблице 1.2 представлены данные оценки общих геологических ресурсах ГС в 1999 года. По данным [12] суммарные запасы сланцев России оцениваются в 700 млрд. т, что составляет около 10% от мировых запасов сланца, ресурсы сланцевой смолы – около 8%.

Создание и верификация адекватной математической модели котла ТП-101 Эстонской электростанции

Следует отметить, что в настоящее время в котле сжигается сланец калорийностью 7 МДж/кг и выше, при этом фактические расчетные значения паросодержания среды на выходе из экономайзера превышают предельные значения х = 25%. При таких значениях паросодержания максимальные нагрузки котла при сжигании сланца калорийностью не выше 6,64 МДж/кг без подсветки полукоксовым газом могут быть увеличены до 210250 т/ч.

Оценка экологических показателей работы котла при сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания. Как показали проведенные расчетные исследования (см. табл. А.2), адиабатная температура при сжигании сланцев существенно ниже 1500С (1800 К), что практически исключает образование «термических» оксидов азота. Таким образом, эмиссия NOx при сжигании сланцев будет определяться величиной «топливных» оксидов азота. Расчетные методики [76-78] достаточно хорошо позволяют оценить образование «топливных» оксидов азота при содержании азота в топливе Np 0,5%. Как видно из табл. 4.1 содержание азота в указанных сланцах существенно ниже. В связи с этим оценка производилась по формуле, приведенной в [79]: NOx= конвNOr, мг/м3 где кконв - коэффициент конверсии, определяемый по Рисунку 4.4; NOxmax максимально возможное значение концентрации «топливных» оксидов азота (приведенных к концентрации кислорода 6%), мг/м3, определяется по соотношению: хт тах 32640-Np х Vг+0,4-V 0 Расчетные значения NOx будут равны 468,7 и 146,1 мг/м3 соответственно для сланцев 4,84 МДж/кг и 6,64 МДж/кг. Коэффициент конверсии, в соответствии с Рисунком 4.4 будет находиться в диапазоне кконв= 0,810,93 для сланца 4,84 МДж/кг с Np = 0,0448% и кконв= 0,950,98 для сланца 6,64 МДж/кг с

Таким образом, концентрация оксидов азота составит 380440 мг/м3 при сжигании сланца 4,84 МДж/кг и 140145 мг/м3 при сжигании сланца 6,64 МДж/кг. Необходимо отметить, что значения степени конверсии, приведенные на Рисунке 4.4 были получены для углей и нуждаются в уточнении для сланцев. Экспериментальные данные, полученные при испытаниях котла в период 12-13 марта 2014 г. и 16-20 июня 2014 г. показали, что выбросы оксидов азота при сжигании сланца находятся в диапазоне 285320 мг/м3 (при О2 = 6%). Эти значения достаточно близки к значениям, приведенным в [7] для котла ТП-101, которые составляют 250 мг/м3 (при О2 = 6%). Следует отметить, что характеристики сланцев, сжигаемых во время испытаний (см. табл. 4.4), отличались от рассматриваемых сланцев теплотой сгорания 4,84 МДж/кг и 6,64 МДж/кг. Для концентрации оксидов азота 285320 мг/м3 и содержании азота в сланцах NР = 0,060,09% расчетная степень конверсии будет составлять приблизительно kконв = 0,50,65.

По результатам проведенной оценки расчетная концентрация оксидов азота в продуктах сгорания для приведенных выше условий будет составлять 140170 мг/м3 для сланцев 6,64 МДж/кг и 280300 мг/м3 для сланцев 4,84 МДж/кг (при О2 = 6%). Бльшая эмиссия оксидов для сланца с теплотой сгорания 4,84 МДж/кг объясняется тем, что содержание материнского азота в нем в 2,5 раза больше, чем в сланце калорийностью 6,64 МДж/кг. Кроме того из-за меньшей теплоты сгорания расход данного сланца при одинаковой нагрузке больше на 30% и более.

В соответствии с [59] по выбросам NOX требуется снижение концентраций до 200 мг/м3, т.е. примерно на 40-50%. Для достижения этой цели может быть использовано ступенчатое или нестехиометрическое сжигание сланцев [79, 80].

Оценка содержания оксидов серы и твердых частиц в продуктах сгорания сланцев производилась в соответствии с расчетными методиками [76, 77] без учета установленных систем сероочистки и золоудаления. Проведенные расчеты показали, что для сланца 4,84 МДж/кг концентрации оксидов серы в пересчете на О2 = 6% составили 1330 мг/м3, а для сланца 6,64 МДж/кг – 1236 мг/м3. Концентрация оксидов серы без учета сероочистки, согласно экспериментальным данным составляет 20002300 мг/м3 (при О2 = 6%). Меньшие значения концентраций оксидов серы, по сравнению с экспериментальными данными, объясняются пониженным содержанием Sp в сланцах 4,84 МДж/кг и 6,64 МДж/кг и большим объемом продуктов сгорания, получаемым при их сжигании.

На котле смонтирована установка сероочистки с применением технологии NID. Учитывая, что при сжигании сланцев калорийностью 4,84 МДж/кг и 6,64 МДж/кг расход топлива достаточно сильно возрастает, валовые значения выбросов оксидов серы при их сжигании составит 7080% от текущего уровня. Из этого следует, что расход реагента для сероочистки возрасти не должен.

Концентрация летучей золы в продуктах сгорания до систем золоулавливания за счет большего значения зольности составит 133,6 г/м3 для сланца 4,84 МДж/кг и до 97,1 г/м3 для сланца 6,64 МДж/кг, что достаточно близко к текущим значениям. Следует также учесть, что объем продуктов сгорания повысится, что приведет к повышенной нагрузке на систему золоудаления. Нормативное значение по выбросам золы для котла составляет 20 мг/м3. Таким образом, эффективность систем золоудаления должна составлять 99,985% для сланца 4,84 МДж/кг и 99,979% для сланца 6,64 МДж/кг.

В итоге нормальная работа котла с номинальными параметрами пара ВД и НД и сушильно-мельничной системы при сжигании сланца с пониженной теплотой сгорания может быть обеспечена только на пониженных нагрузках: в диапазоне 130170 т/ч для сланца калорийностью 4,84 МДж/кг, в диапазоне 130230 т/ч для сланца с калорийностью 6,64 МДж/кг. Для обеспечения большей паропроизводительности котла необходимо совместное сжигание сланца с более калорийным топливом.

Разработка критериев оценки надежности и эффективности работы вспомогательного оборудования на непроектном топливе

В свою очередь температуры газов перед конвективными поверхностями нагрева (ВЭ и ТВП) стали ниже по сравнению с режимами сжигания сланца, что привело к уменьшению температурных напоров в этих поверхностях и соответственно их тепловосприятия. Вследствие этого снижается температура горячего воздуха, значение которой не превышает 292С (Рисунок 5.1). Однако эти значения достаточны в случае сжигания полукоксового газа для его стабильного воспламенения.

В то же время во всем диапазоне нагрузок 130320 т/ч за счет регулирования избытками воздуха (увеличивая их вплоть до а = 1,91 на минимальных нагрузках) принципиально возможно обеспечить перегрев пара ВД и НД более 500С (Рисунок 5.1) как в начальный период после перехода на сжигание полукоксового газа («грязный» котел, вариант 1), так и в процессе его дальнейшей длительной эксплуатации (вариант 2). КПД котла на этих режимах выше, чем при сжигании сланца и составляет 85,889,5%.

Однако в процессе длительной эксплуатации в результате самоочистки поверхностей нагрева от загрязнений и дальнейшего перераспределения долей радиационного и конвективного теплообмена область нормальной работы котла с требуемыми характеристиками (см. главу 3) будет постепенно сужаться. В пределе, если в процессе эксплуатации котла произойдет практически полная самоочистка поверхностей нагрева от сланцевых загрязнений (вариант 3, «чистый» котел), то температуру перегрева острого пара удастся обеспечить только при нагрузках котла ниже 220 т/ч, а температура вторичного пара не будет обеспечена во всем рабочем диапазоне нагрузок от 130 до 320 т/ч.

Это объясняется тем, что при более загрязненных поверхностях нагрева температуры газов в газоходах котла возрастают по сравнению с «чистыми», обеспечивая больший температурный напор в конвективных поверхностях нагрева.

Следовательно, номинальные параметры пара ВД и НД при переводе котла ТП-101 на сжигание полукоксового газа могут быть обеспечены во всем рабочем диапазоне нагрузок котла от 130 до 320 т/ч за счет существенного увеличения избытков воздуха на малых нагрузках (вплоть до а = 1,91) для обеспечения конвективной составляющей в пароперегревателях (Рисунок 5.1). При этом температура уходящих газов снижается до 166170С, т.е. на 3035С по сравнению с режимами сжигания сланца на максимальных нагрузках и примерно на 10ЮС - на минимальных нагрузках. В результате этого, а также из-за уменьшения количества выбрасываемых в атмосферу уходящих газов, КПД котла вырастает до 89,33%, т. е. на 5,9% по сравнению с текущими режимами сжигания сланца (при 20%-ной подаче газов рециркуляции соответственно до 88,82% или на 5,39%). Кроме того снижаются потери на собственные нужды в связи с отключением сушильно-мельничной системы, существенным снижением сопротивления газового тракта (см. табл. А. 19) и др.

Одним из негативных моментов перехода на сжигание полукоксового газа является увеличение интенсивности низкотемпературной коррозии холодной части ТВП из-за его повышенной сернистости. Выполненная в соответствии с [82] оценка показывает, что температура конденсации паров, в результате чего образуется серная кислота, будет существенно превышать температуру стенки холодного пакета ТВП. В связи с этим необходимо предусмотреть мероприятия, снижающие вероятность низкотемпературной коррозии.

Оценка экологических показателей работы котла при сжигании полукоксового газа. Расчетные оценки концентрации оксидов азота в продуктах сгорания при сжигании полукоксового газа производилось по методике, изложенной в СО 153-34.02.304-2003 «Методические указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов тепловых электростанций» [78]. Так как при сжигании полукоксового газа образуются «термические» оксиды азота, то расчетные оценки проводились для нагрузок 320 и 292 т/ч, для которых будет наблюдаться их максимальная эмиссия.

При оценке учитывалось, что значительное влияние на образование оксидов азота будет оказывать степень загрязнения топочных экранов. В связи с этим расчеты выполнялись для трех вариантов: «грязного» котла (вариант 1, v/экр = 0,33), после частичной самоочистки (вариант 2, \/экр = 0,49) и «чистого» котла (вариант 3, уэкр = 0,65). Проведенные расчеты (табл. 5.2) показали, что без использования природоохранных мероприятий концентрация оксидов азота для всех значений \/экр существенно превышает требуемое значение 200 мг/м3 (табл. 5.2, варианты 1, 4, 7, 10, 13, 16).

Исследование работы котла и котельной установки при сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания совместно с полукоксовым газом

Расчеты показали, что использование соломы в качестве дополнительного топлива с более высокой теплотой сгорания, чем рассматриваемые сланцы, несколько расширяет диапазоны рабочих нагрузок котла. Причем чем больше доля соломы (по теплу), тем шире эти границы. Принятое ограничение по температуре на выходе из топки не сузило диапазоны нормальной работы котельной установки (табл. 6.5) по сравнению с работой сланцах с пониженной теплотой сгорания. Однако ввиду малого опыта факельного сжигания соломы и твердого топлива в отечественной энергетике реализация данного способа связана с рядом рисков.

Первый из них связан с возможным увеличением интенсивности шлакования поверхностей нагрева как в самой топке, так и на выходе из нее в связи с малой изученностью свойств золы соломы, а также изменчивости ее состава, о чем уже упоминалось выше.

Кроме того следует ожидать увеличенной по сравнению со сжиганием сланцев эмиссии оксидов азота ввиду большего содержания материнского азота в составе соломы и более высокой адиабатной температуры горения. Сжигание соломы, в отличие от сланцев, будет также сопровождаться эмиссией токсичных хлоридов, содержание которых сильно влияет на коррозию поверхностей нагрева.

Солома пригодна для сжигания, если ее влажность не превышает 20%. Соответственно на станции должен быть предусмотрен технологический процесс предварительной сушки поступившей соломы, для чего может быть использован воздух.

Перед вводом в топку солома должна подвергаться измельчению. Использовать для этих целей существующие мельницы не рекомендуется из-за высокой вероятности их забивания стеблями соломы. Для этого целесообразно использовать шнековые измельчители [92]. Однако они не обеспечивают необходимое качество подготовки соломы для сжигания и требуемую равномерность измельчения. Но именно эти характеристики будут влиять на процессы воспламенения и полного выгорания соломы, а также на интенсивность шлакования поверхностей нагрева. В противном случае крупные частицы соломы не смогут полностью сгореть в объеме топочной камеры.

Для реализации сжигания соломы в качестве дополнительного топлива потребуется следующая реконструкция котельной установки.

Таким образом, анализ результатов исследований показал, что с точки зрения совместное сжигание сланца с соломой позволяет несколько расширить области надежной и эффективной работы котла и котельной установки по сравнению со сжиганием сланцев с пониженной теплотой сгорания. Однако совместное сжигание сланцев и соломы может сопровождаться интенсификацией шлакования поверхностей нагрева, увеличением эмиссии оксидов азота, образованием хлорсодержащих соединений и требует больших объемов реконструкции оборудования. В связи с этим использование соломы в качестве дополнительного топлива не целесообразно.

Исследование возможности использования древесных опилок в качестве дополнительного топлива при совместном сжигании сланцев с пониженной теплотой сгорания

В данном разделе проводились исследования сжигания древесных опилок, состав которых приведен в табл. 6.6, со сланцами пониженной калорийности 4,84 и 6,64 МДж/кг во всем диапазоне нагрузок. При этом доля опилок (по теплу) принималась в диапазоне 10-30%.

В составе древесных опилок содержатся также в небольших количествах деготь, смолы и фенолы, которые при определенных условиях могут из дымовых газов оседать на холодные поверхности нагрева и дымоходов с образованием трудно удаляемых отложений.

Результаты расчетов совместного сжигания сланцев с опилками качественно и количественно оказались близки к аналогичным результатам, полученным при исследовании работы котла при использовании соломы в качестве дополнительного топлива (см. табл. 6.7). Разница заключалась в том, что при сжигании древесных опилок не вводилось дополнительное ограничение на температуру на выходе из топки.

Организация совместного сжигания сланцев с опилками технически несколько проще, нежели сжигание с соломой. Так опилки в требуемом количестве без предварительной подсушки можно подавать вместе с основным топливом в мельницы, где они будут подсушиваться и перемешиваться со сланцем. При этом на всех нагрузках котла суммарный расход сланца и опилок будет несколько меньше чем расход топлива при работе на сланце. Поэтому никаких трудностей в работе сушильно-мельничной системы быть не должно.

Далее смесь сланца и опилок традиционным путем направляется в горелки. При этом не потребуется реконструкция как самих горелок, так и воздухо-, топливопроводов к ним. Как показывает, практика древесные опилки легко воспламеняются и сгорают в потоке воздуха. При этом, однако, следует учитывать возможность увеличения механического недожога топлива, связанного с тем, что опилки могут иметь размеры больше чем сланцевая пыль.