Введение к работе
Актуальность темы. Топливно-энергетический комплекс России (ТЭК) оказывает определяющее влияние на функционирование и развитие экономики страны. Такое положение ТЭК в большей мере предопределяется наличием в России богатых природных топливно-энергетических ресурсов и его крупным производственным потенциалом.
Потребности мирового энергетического сектора в топливе для производства тепла и электроэнергии обеспечиваются углем на 25%, при этом угольные электростанции производят 38% мировой электроэнергии. В современной энергетике России тепловые электрические станции (ТЭС), работающие на твёрдом топливе, занимают значительную долю в энергетическом балансе. Важным аспектом экономической привлекательности использования угля является более прогнозируемое увеличение цен на него по сравнению с дорожающим природным газом и мазутом. Дальнейшее повышение роли угля в энергетике обусловлено еще и тем, что масштабы использования других энергоносителей постепенно снижаются. Согласно утвержденной Правительством Российской Федерации «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» основой электроэнергетики России остаются ТЭС.
В энергосистеме Сибири работает 86 электростанций. При этом 50,9% их общего количества составляют ТЭС. Свыше 50 котлов указанных ТЭС оборудованы топками с жидким шлакоудалением. Несмотря на технико-экономическую привлекательность и тенденцию увеличения объемов использования твердого топлива, происходит снижение его качества и включение в топливный баланс ТЭС непроектных видов топлива. Это сказывается на стабильности выхода жидкого шлака, а в некоторых случаях практической невозможности ее осуществления. Количество углеобогатительных фабрик не позволяет обеспечить существующие потребности электроэнергетики, к тому же в результате обогащения можно снизить зольность и влажность, но увеличить выход летучих практически невозможно. Остро стоят вопросы дальнейшей эксплуатации котлов с жидким шлакоудалением, проведением на них реконструктивных работ с переводом на другие технологии. Основным аргументом являются высокие выбросы NOx по сравнению с твердым шлакоудалением.
Традиционные технологии топливоиспользования, основанные на использовании режимных мероприятий, изменении конструкций пыле-угольных горелочных устройств, не позволяют достичь желаемого эффекта. Использование мазута или природного газа для подсветки пылеуголь-ного факела и обеспечения устойчивой эвакуации жидкого шлака свиде-
тельствует о неэффективности и эколого-экономической нецелесообразности такого пути для современных ТЭС.
Наиболее перспективным направлением является повышение реакционной способности топлива за счет термохимической подготовки топлива (ТХПТ). Стабилизация выхода жидкого шлака с использованием мазута или газа для ТХПТ не исключают негативных моментов совместного их сжигания с углем. Технология ТХПТ с использованием для этой цели резисторного запальника приемлема для ограниченного количества типов углей. Направление снижения температуры плавления шлака, связанное с изменением плавкостных характеристик минеральной части топлива, требует решения трудоемких технических задач, что в значительной степени увеличивает затраты на топливо.
Можно резюмировать, что внедрение новых подходов, обеспечивающих повышение реакционной способности твердого топлива, стабилизацию выхода жидкого шлака и снижение выбросов NOx на котлах с жидким шлакоудалением, остается актуальной задачей. Наиболее перспективной технологией для решения этих вопросов, предложенной в данной работе, является использование надподовых пылеугольных горелок с плазменно-топливными системами, использующими низкотемпературную плазму. Изложенные выше аргументы послужили основанием для выполнения исследований диссертационной работы.
Объектом исследования являются топки котлоагрегатов с жидким шлакоудалением.
Предметом исследования являются способы стабилизации выхода жидкого шлака на котлах с жидким шлакоудалением.
Цель работы заключается в совершенствовании технологии стабилизации выхода жидкого шлака на основе результатов экспериментальных натурных исследований и научно-технического обоснования нового подхода к сжиганию низкосортных и непроектных твердых топлив с целью обеспечения надежной работы и снижения NOx на котлах с жидким шлакоудалением ТЭС в различных эксплуатационных режимах.
Для достижения поставленной в работе цели задачи исследования сводились к следующему:
анализу современного состояния проблем топливоснабжения и работы котлов с жидким шлакоудалением, обеспечения их рабочих режимов в условиях эксплуатации;
анализу преимуществ и недостатков существующих технологий, разработке новых технических решений для стабилизации выхода жидкого шлака в топках парогенераторов с жидким шлакоудалением (используемые конструкции топочных камер, проведенные модернизации и реконструкции оборудования, особенности режимов эксплуатации);
теоретическому обоснованию энергетической эффективности стабилизации выхода жидкого шлака на котлах с жидким шлакоудалением с использованием плазменно-угольнои горелки и обобщением полученных результатов, а также выявлением закономерностей и особенностей изменения температуры и состава продуктов сгорания в плазменно-угольнои горелке и топочных камерах котлоагрегатов;
разработке технологических рекомендаций по использованию плазменной технологии стабилизации выхода жидкого шлака, направленных на создание новых и совершенствование действующих плазменно-топливных систем;
проведению исследований процессов, протекающих в топочной камере котлоагрегата БКЗ-640-140-ПТ1 с жидким шлакоудалением Гуси-ноозерской ГРЭС с использованием плазменной технологии, и получению результатов расчета технико-экономической эффективности ее применения.
Методы исследования. Моделирование процесса повышения реакционной способности исходного топлива проводилось с использованием программ TERRA, Plasma-Coal, FLOREAN. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современных методик.
Научная новизна состоит в разработке и предложении плазм енно-энергетической технологии для решения вопросов стабилизации выхода жидкого шлака и снижения NOx для котлов с жидким шлакоудалением.
К числу наиболее существенных результатов, полученных лично автором, относятся:
результаты анализа существующего положения в области эксплуатации котлов с жидким шлакоудалением;
результаты анализа существующих способов для стабилизации эвакуации жидкого шлака в свете поставленных задач исследования;
результаты расчетно-теоретического обоснования эффективности плазменной стабилизации выхода жидкого шлака и снижения NOx;
результаты практического исследования стабилизации выхода жидкого шлака на котлах с жидким шлакоудалением с применением надподовой плазменно-угольнои горелки в условиях пылеугольной ТЭС;
результаты анализа преимуществ при применении плазменной технологии для повышения эффективности топливоиспользования пыле-угольных ТЭС.
Практическая значимость и использование результатов работы. 1. Получены расчетно-теоретические данные, подтверждающие повышение реакционной способности топлива для решения вопросов стабилиза-
ции выхода жидкого шлака и снижения NOx с использованием плазменно-топливных систем (ПТС).
2. Проведены опытно-промышленные испытания плазменно-топливной
системы стабилизации выхода жидкого шлака на котле БКЗ-640-140-ПТ1
Гусиноозерской ГРЭС.
Полученные экспериментальные данные исследования и рекомендации использованы на Гусиноозерской ГРЭС (Республика Бурятия, Россия), Кураховской ГРЭС (Украина).
На основе анализа полученных данных разработаны технологические рекомендации по созданию новых и совершенствованию действующих ПТС.
Результаты диссертационных исследований применены в учебных курсах теоретических и практических дисциплин в процессе обучения студентов и аспирантов ВСГТУ по специальности 05.14.14 - «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты» .
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты анализа преимуществ и недостатков существующих технологий стабилизации выхода жидкого шлака в топках парогенераторов с жидким шлакоудалением, предложение нового технического решения;
результаты теоретического обоснования энергетической эффективности стабилизации выхода жидкого шлака на котлоагрегатах с жидким шлакоудалением с использованием плазменно-угольной горелки;
данные проведенных натурных экспериментальных исследований процессов, протекающих в топочной камере при стабилизации выхода жидкого шлака с использованием ПТС в различных режимах работы;
результаты обобщения теоретических и экспериментальных исследований и выявленных закономерностей;
технологические рекомендации по применению плазменно-угольных горелок.
Достоверность результатов натурных экспериментов на стенде и действующем оборудовании обеспечивается применением апробированных методик экспериментальных исследований, использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры и подтверждается удовлетворительным совпадением с экспериментальными данными, полученными другими исследователями.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований озвучены на региональных и международных научно-практических конференциях и на объединенных научно-методических семинарах кафедры ТЭС ВСГТУ и Отраслевого Центра Плазменно-энергетических Технологий (ОЦ ПЭТ) (Улан-Удэ, Гусиноозерск - 1999-
2003 гг.); научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов, посвященной 35-летию со дня образования университета. Улан-Удэ, 1997г.; III Международной научно-технической конференции «Плазменно-энергетические процессы и технологии». Улан-Удэ, 2000 г; научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ, посвященной 300-летию инженерно-технического образования в России. Улан-Удэ, 2001г.; научно-технических совещаниях ОАО «Энел ОГК-5», 2006 -2009 гг.
Теоретической и методологической базой исследования послужили работы отечественных и зарубежных авторов по вопросам и проблемам эксплуатации пылеугольных тепловых электрических станций, использующих котлы с жидким шлакоудалением, применения различных методов стабилизации выхода жидкого шлака при использовании низкокачественных и непроектных видов топлива.
В качестве исследовательского инструментария использовались надподовые плазменно-угольные горелки для стабилизации выхода жидкого шлака из топок котлоагрегатов с жидким шлакоудалением, пирометры, программное обеспечение. Расчетно-теоретические методики расчета и обоснования применения плазм енно-энергетических технологий, а также табличные и графические методы представления данных При решении поставленных задач использовались пакеты прикладных программ «Plasma-Coal», TERRA, Microsoft Word, Microsoft Excel.
Информационной основой исследования послужили официальные данные Правительства Российской Федерации, Министерства энергетики России, отчетность Росстата, научные публикации, материалы периодических изданий, сети Интернет и электронных средств массовой информации по тематике исследования.
Публикации. Результаты исследования приведены в 10 публикациях
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка использованной литературы, включающего 104 наименования. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, иллюстрирована 29 рисунками, 4 таблицами и 5 приложениями.
