Содержание к диссертации
Введение
1. Технико-экономическое моделирование необходимости замены экибастузского угля на омской ТЭЦ-5 12
1.1. Модель структуры ценообразования топлива, поставляемого на ТЭЦ и топливный баланс 13
1.2. Структура снижения эксплуатационных затрат при переходе на сжигание кузнецкого угля 16
2. Научный анализ энергетических свойств твердых топлив сибирского региона и возможности их сжигания на установленном оборудовании омской ТЭЦ-5 20
3. Обобщенный анализ результатов сжигания различных видов топлива на огневом стенде и определение критериев выбора нового топлива 37
3.1. Анализ шлакующих свойств кузнецких углей по их минеральной части38
3.2. Эксплуатационные свойства золы кузнецких углей и условия шлакования поверхностей нагрева котла 50
3.3. Результаты опытов по сжиганию кузнецких углей и их смесей с экибастузским 62
4. Реконструкция тракта топливоподачи ТЭЦ для возможности приема нового топлива 71
4.1. Исследование состояния склада топлива ТЭЦ и методы совместного хранения и складирования смесей экибастузского и кузнецкого углей 72
4.2. Анализ возможностей разгрузочных устройств, при выгрузке кузнецкого угля в зимний период 77
5. Пути реконструкции оборудования котельного отделения для возможности сжигания кузнецких углей и исследования результатов опытного сжигания их на котле БКЗ-420-140-5 79
5.1. Технические предложения по реконструкции оборудования для безопасного проведения опытов по сжиганию кузнецкого угля 79
5.2. Характеристика установленного оборудования 80
5.3. Программа проведения опытов 85
5.4. Анализ результатов испытаний пылесистем 87
5.5. Результаты балансовых опытов и их анализ 93
6. Исследования возможности сжигания березовских углей на котле БКЗ-420-140-5 И возможность перевода котла на сжигание угля в режиме ЦКС 110
6.1. Организация топливоподачи 111
6.2. Особенности схемы пылеприготовления 113
6.3. Организация топочного процесса 115
6.4. Исследование процесса работы поверхностей нагрева котла, при сжигании березовского угля 119
6.5. Техническая возможность перевода котла БКЗ-420-140-5 на работу в режиме циркулирующего кипящего слоя при сжигании березовского угля123
7. Реконструкция котлоагрегата для сжигания кузнецких углей с повышенной эффективностью работы котла 127
8. Исследования метода сжигания различных видов топлива на котельном агрегате, позволяющего снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу 136
Основные результаты и выводы 149
Библиографический список 153
- Структура снижения эксплуатационных затрат при переходе на сжигание кузнецкого угля
- Эксплуатационные свойства золы кузнецких углей и условия шлакования поверхностей нагрева котла
- Исследование состояния склада топлива ТЭЦ и методы совместного хранения и складирования смесей экибастузского и кузнецкого углей
- Исследование процесса работы поверхностей нагрева котла, при сжигании березовского угля
Введение к работе
Топливоснабжение многих электростанций Западной Сибири и Урала базируется на каменных углях марки СС Экибастузского угольного бассейна, отличающихся от других углей высоким содержанием золы и ее абразивностью, повышенной тугоплавкостью минеральной части, незначительной влажностью. По пожаровзрывоопасным характеристикам они приравнены к тощим углям и имеют пониженную опасность /1/.
В течение нескольких десятков лет требуемый объем и ритмичность поставок экибастузского угля полностью обеспечивал потребность электростанций, запроектированных на сжигание данного угля. Однако в последние годы ситуация резко ухудшилась, хотя по сравнению с 1990 г. объем потребления экибастузского угля крупными электростанциями Сибири и Урала сократился (Рефтинская и Троицкая ГРЭС были вынуждены работать в режимах с минимально допустимыми нагрузками из-за снижения электропотребления; Омские ТЭЦ-4,5 также работали на сниженных нагрузках из-за снижения электропотребления региона и теплопотребления нефтехимического комплекса Омской области). Бесперебойное обеспечение электростанций углем не обеспечивалось. Экибастузский угольный комплекс разделился на три отдельных акционерных предприятия, приобретенных иностранными владельцами, что усложнило работу по перспективному развитию комплекса и проведению вскрышных работ по разработке новых пластов угля.
Качество товарного угля не соответствует требованиям ГОСТ 8779-79 и отличается большой неоднородностью по зольности и теплоте сгорания /2/. По данным электростанций значение зольности угля колеблется от 38,3 до 42,8%, соответственно меняется и теплота сгорания топлива. Периодически производится отгрузка угля 2 группы, зольность, которого достигает 46,0-48,0%.
Экономическая реформа и переход к рыночной экономике предъявляют повышенные требования к эффективности работы электростанций и энергообъединений. Важнейшую роль в новых условиях играют вопросы стратегии развития энергосистем, связанные с техническим
перевооружением входящих в их состав тепловых электростанций.
Омская энергосистема имеет ряд особенностей, отличающих ее от других энергосистем России. Энергосистема АИСОмскэнерго" входит в объединенную энергетическую систему Сибири (ОЭЭС Сибири) и обеспечивает централизованное электроснабжение потребителей Омской области, а также теплоснабжение промышленных предприятий и жилищно-коммунального хозяйства г.Омска. Ведущими отраслями промышленности являются предприятия нефтехимического комплекса, машиностроения, металлообработки, строительной индустрии.
В составе объединения находятся пять теплоэлектроцентралей, две из которых (ТЭЦ-2 и ТЭЦ-6) работают в режиме производственно -отопительных котельных.
Суммарная установленная электрическая мощность ТЭЦ, входящих в АК «Омскэнерго», составляет 1665 Мвт, из которых 85% энергогенерирующих установок работают с начальным давлением пара 12,8 МПа, а остальные - 8,8 МПа.
Политика суверенизации и общий кризис экономики России резко обострил влияние специфических особенностей Омской энергосистемы на производственно-финансовый механизм ее функционирования и экономику области с рядом вытекающих из этого негативных последствий.
Основными факторами, обуславливающими необходимость скорейшей реконструкции энергообъектов АК «Омскэнерго», являются следующие.
1. Энергосистема была и остается дефицитной по установленной
мощности и производству электроэнергии с тенденцией роста этих
показателей. В настоящее время дефицит составляет соответственно
примерно 500 Мвт и 2,9 млрд.кВт.ч/год /3/. Доля сальдоперетоков из
соседних энергосистем по отношению к выработанной энергии достигла
39%.
Основная причина усилившейся зависимости по перетокам электроэнергии заключается в том, что на Омских ТЭЦ с 1987г. не было ввода новых и замещающих генерирующих мощностей. С 1989 по 1993г.г. демонтировано генерирующих мощностей на 175 Мвт.
2. Основными потребителями тепловой энергии являются:
промышленность - 46-50%; коммунально-бытовое хозяйство - 17-20%; сельское хозяйство, транспорт и строительная индустрия - примерно 10%; прочие отрасли - 20-24%.
Объем потребления промышленности с каждым годом падает из-за снижения объемов производства.
Доля электростанций в покрытии тепловых нагрузок составляет 68%, котельных - 26%. Наибольшее количество тепла отпускается с отработанным паром турбин до 76%.
3. Выработка 100% электроэнергии в энергообъединении производится
турбоагрегатами типа Р, ПТ и Т, характерная черта которых наличие
"привязанной" тепловой нагрузки. Подобный состав энергогенерирующего
оборудования приводит к сложностям при работе в переменной части
графика электрических и тепловых нагрузок: с одной стороны,
невозможность снижения электрической мощности в отопительный период; с
другой, - ограничение по нагрузке установленных электрических мощностей
из-за недостатка тепловых нагрузок.
4. Значительная часть основного энергооборудования выработала
моральный и физический ресурс или близка к их выработке. Практически
50% установленного оборудования введено в работу до 1976 года.
5. Экологическая обстановка в Омской области весьма
неблагоприятная. Сжигание низкосортных углей, сернистого мазута, наличие
устаревшего оборудования систем очистки газов и золошлакоудаления
усугубляет негативные тенденции в этой части.
Основным видом топлива ТЭЦ АК «Омскэнерго» является каменный уголь экибастузского (ТЭЦ-4, ТЭЦ-5) и кузнецкого (ТЭЦ-2) месторождений, составляющий в топливном балансе 60%, при этом доля экибастузского угля превышает 90% от всего потребляемого угля.
Омская область является регионом, не имеющим свого топливную базу.
Уголь (импортный для России), доставляемый железнодорожным транспортом, низкосортного качества, в тоже время становится самым дорогим видом топлива. Согласно договорам, заключенным на поставку угля в долларовом эквиваленте после кризиса августа 1998г., себестоимость продукции энергосистемы увеличилась более, чем в 2 раза. АК «Омскэнерго»
несет существенные убытки от перевозки на расстояние 800 км экибастузского угля с зольностью более 40%. Кроме того, ежегодно на золоотвалы ТЭЦ отправляется более 2,0 млн т золы, что требует значительных затрат на их строительство и отвод дополнительных земель.
Одним из путей уменьшения зависимости Омской энергосистемы от суверенного государства Казахстан является постепенный перевод котлов Омских ТЭЦ-4 и ТЭЦ-5 на сжигание углей российских месторождений.
В современных условиях проблема топливообеспечения возникла на многих тепловых электростанциях (ТЭС) России. Сегодня этим вопросом занимаются ТЭС Дальнего Востока, Сибири и ГРЭС федерального подчинения, такие как Рефтинская, Троицкая, Рязанская, Углегорская и др. Сжигание в котельных агрегатах углей с различными физико-химическими характеристиками всегда создает множество проблем. В связи с этим, особое внимание при сжигании непроектного топлива уделяется устойчивой работе систем пылеприготовления, условиям шлакования поверхностей нагрева котла и обеспечению оптимального режима работы котельного агрегата с поддержанием выходных параметров пара.
Большую работу в этом направлении совместно с персоналом электростанций проводят сотрудники УралВТИ, Сибтехэнерго, ВТИ, СибВТИ и др. В центральной и отраслевой печати постоянно ведутся обсуждения по решению многочисленных проблем возникающих при переходе на сжигание непроектного топлива, но в каждом случае всегда подход должен быть индивидуальным.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Топливоо беспечение многих электростанций Западной Сибири и Урала не обеспечивает надежность работы целых регионов России из-за постоянных сбоев по поставке экибастузского угля электростанциям. Частые сбои в поставке топлива происходят из-за отсутствия системы расчета за полученную энергию потребителями с акционерными обществами энергетики деньгами и функционированием бартерных обменов в России. В этой ситуации энергосистемы, получающие
уголь их государства Казахстан и оплачивающих его поставку в долларовом эквиваленте, не могут обеспечить стабильную оплату деньгами. Оплата поставок угля товарами (бартер) зависит от политических и экономических взаимоотношений двух государств. Показателем такой проблемы, существующей в этих регионах, является кризис 17 августа 1998 года, когда стоимость угля в течение нескольких месяцев выросла в 2-гЗ раза, а тарифы на энергию остались на прежнем уровне.
В этом случае особую актуальность приобретает решение вопроса поиска альтернативных топлив для существующего оборудования электростанций данных регионов, сжигание которых не потребует огромных капитальных затрат на реконструкцию оборудования и обеспечат надежность работы электростанций согласно правилам технической эксплуатации электростанции.
Основными факторами, обуславливающими необходимость скорейшей реконструкции энергообъектов АК"Омскэнерго", являются следующие:
1. Энергосистема была и остается дефицитной по установленной
мощности и производству электроэнергии и зависит от перетоков
электроэнергии из других регионов России. В этом случае необходимы
повышенные требования к надежности работы собственного оборудования.
2. Электроэнергия вырабатывается на трех ТЭЦ, основными
потребителями тепла у которых является промышленность - 46-50%,
коммунально-бытовое хозяйство - 17-20%, сельское хозяйство, транспорт и
строительная индустрия -10%, прочие отрасли - 20-24%.
В этом случае производство электроэнергии энергосистемой зависит от потребителей тепла, т.к. промышленное потребление тепла в последнее время постоянно падает. В этой ситуации турбины типа "Р" и "ПТ" часто находятся в резерве, т.к. их работа зависит от тепловых нагрузок.
3. Значительная часть основного энергооборудования выработала свой
моральный и физический ресурс, а угли экибастузского бассейна обладают
повышенными абразивными свойствами и требуют частых замен
оборудования.
Отсюда со всей очевидностью возникает актуальность вопроса поиска
углей, замещающих экибастузский уголь на угли российских месторождений.
Цель работы. Основной целью диссертационной работы является: определение путей реконструкции ТЭЦ при переводе на сжигание других видов топлива.
В связи с тем, что котельные агрегаты, запроектированные на сжигание определенного угля, при переходе на сжигание углей с новыми физико-химическими характеристиками могут иметь ограничения по выходным параметрам перегретого пара, по скоростным характеристикам дымовых газов по тракту котла, по условиям шлакования топочной камеры и конвективных поверхностей нагрева, требуется проведение всестороннего анализа возможности использования новых видов топлива.
В данной работе проведено исследование возможности сжигания углей кузнецкого месторождения на установленном оборудовании Омской ТЭЦ-5 без значительных экономических затрат на реконструкцию оборудования.
При решении данного вопроса были поставлены следующие задачи:
определить экономическую эффективность использования российских углей для ТЭЦ г. Омска;
исследовать существующие угли Кузнецкого угольного бассейна, их запасы и объемы добычи в настоящее время и на перспективу;
провести анализ физико-химического состава углей и их шлакующих свойств;
провести анализ тракта топливоподачи на возможность приема, разгрузки, хранения различных видов кузнецкого угля и организации приготовления смесей из различных видов топлива;
исследовать результаты опытного сжигания различных видов угля на огневом стенде и котле БКЗ-420-140-5 для разработки рекомендаций по реконструкции оборудования с повышением его экономичности.
Методика исследования. В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования. При анализе процесса горения топлива использован нормативный метод теплового баланса котла. Экспериментальные исследования опытного сжигания новых видов топлива проведены на действующем оборудовании.
Научная новизна работы заключается в следующем:
построена технико-экономическая модель эффективности использования кузнецких углей;
по результатам опытного сжигания нового топлива на огневом стенде и на котле БКЗ-420 научно обоснована возможность сжигания кузнецких углей на оборудование запроектированном для использования экибастузского угля;
выполнены научно-технические разработки по изменению конструкции хвостовых поверхностей нагрева котла для повышения эффективности его работы;
выполнен анализ теплового процесса и разработаны рекомендации по изменению конструкции котла при переводе его на сжигание березовского угля;
разработаны научные рекомендации по выбору методов сжигания топлива на котле БКЗ-420-140-5 для снижения выброса вредных веществ в атмосферу.
Практическая ценность и реализация результатов работы. На
основе теоретических и экспериментальных исследований выполненных с участием автора разработаны и доведены до внедрения технические мероприятия по реконструкции существующего оборудования для возможности приема, складирования и сжигания кузнецких углей марки СС на Омских ТЭЦ-4,5.
Опробована схема складирования и смешения кузнецких углей на угольном складе ТЭЦ.
Разработаны мероприятия по подготовке котельного агрегата и вспомогательного оборудования для опытного сжигания кузнецких углей и их смесей с экибастузским углем.
Разработана и выполнена реконструкция хвостовых поверхностей нагрева котельного агрегата с установкой низкотемпературного экономайзера, позволившая повысить КПД котла БКЗ-420-140-5 на 2,0%.
Исследован новый способ сжигания топлива на котельном агрегате, позволяющий снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.
Внедренные результаты исследования данной работы позволили Омской энергосистеме проводить гибкую политику по обеспечению топливом ТЭЦ-4,5 в последние годы.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-техническом совете предприятия ОАО «Сибтехэнерго» (г.Новосибирск, 1999), на научно-техническом совете теплоэнергетического
факультета ОМГУПС (г.Омск, 1999), на техническом совете АК"Омскэнерго" (г.Омск, 1999), на техническом совете ЗСФ «ВНИПИЭнергопром» (г.Омск, 1999), на IV Международном научно-техническом семинаре «Энергосбережение в регионе: проблемы и перспективы» (г.Омск, 1999), на техническом совещании по реконструкции котельных агрегатов АО «Сибирьэнерго» (г.Красноярск, 1997).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 в центральных изданиях.
Структура и объем. Работа состоит из введения, 8 глав, выводов и предложений, библиографического списка из 54 наименований и приложение. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков и 46 таблиц.
Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментальных исследований выполненных на действующем оборудовании Омской ТЭЦ-5. Контроль за работой оборудования осуществлялся при помощи установленных контрольно-измерительных приборов определенных проектом и имеющий класс точности 1.5, а также для контроля за состоянием поверхностей нагрева котла, шлакованием труб применялись специальные зонды конструкции УралВТИ, измерительные мосты и пирометры.
Для контроля расходов воздуха, газов и аэросмеси использовались лабораторные приборы и тарировочные сита.
Для замеров выбросов вредных веществ в атмосферу использовались газоанализаторы типа IMR-3000P, TESTO-33, ГХП-100.
1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ЗАМЕНЫ ЭКИБАСТУЗСКОГО УГЛЯ НА
ОМСКОЙ ТЭЦ-5
Затраты на производство тепловой и электрической энергии на тепловых электростанциях зависят от многих факторов. Себестоимость производимой энергии характеризуется, не только техническим состоянием предприятия ее производящего, но и является базовой величиной для определения ее тарифов. Поэтому неэффективные, морально устаревшие технологии ведения производственных процессов, использования углей низкого качества приводят к высоким тарифам на вырабатываемую энергию. В настоящее время эти тарифы в каждом регионе России разные. Задача каждого предприятия вырабатывающего энергию искать пути снижения затрат на ее производство от своих энергоисточников, так как они оказывают большое влияние на стоимость промышленной продукции производимой в данном регионе.
Рассмотрим составляющие затрат тепловой электростанции при производстве тепловой и электрической энергии.
Годовые затраты на производство электрической и тепловой энергии,
тыс. р., могут быть представлены как сумма составляющих:
где Стт - затраты на топливо, включая транспортные расходы, тыс.р.; Св.м- затраты на воду и вспомогательные материалы, тыс.р.; Сот ^ затраты на оплату труда, тыс.р.; Ссн - затраты на социальные нужды, тыс.р.; Сш - затраты на амортизацию основных фондов, тыс.р.; Сироч- прочие затраты, тыс.р.
Затраты на топливо, тыс.р., состоят из затрат на оплату приобретаемого топлива (Ст) и оплату железнодорожных услуг (Сжт) по поставке топлива на ТЭЦ.
Затраты на приобретение топлива, тыс.р., определяются по формуле:
Сг = Цт-Вн (13)
где Цт - цена одной тонны натурального топлива, р./т;
Вн - годовой расход натурального топлива на производство электроэнергии и тепла, р.
Если используются смеси топлива, то затраты на приобретение топлива, тыс .р., будут определяться по формуле:
С, = Цт1 Вн'+ ЦТ ВІ'- + Цти,-В+.„ (1.4)
Годовой расход натурального топлива, т, складывается:
В„ = ВНЭ+ВНТ (1.5)
где Внэ - годовой расход натурального топлива на производство электроэнергии, р.;
Внл - годовой расход натурального топлива на производство теплоэнергии, р.
Согласно структуре составляющих себестоимости вырабатываемого тепла и электроэнергии на тепловых электростанциях топливная составляющая составляет 60-65% от всех затрат. В случае принятия мер по ее снижению достигается существенное снижение себестоимости, а следовательно, и снижение тарифа отпускаемого тепла и электроэнергии.
Перевод электростанций города Омска на сжигание кузнецкого угля позволяет снизить затраты на вырабатываемую электрическую и тепловую энергию в регионе и обеспечить их независимость от изменения курса рубля по отношению к доллару США.
Проведем анализ изменения затрат на сжигаемое топливо при использовании в топливном балансе ТЭЦ кузнецких углей.
Структура снижения эксплуатационных затрат при переходе на сжигание кузнецкого угля
Выбор углей для сжигания на Омской ТЭЦ-5 рассматривается с различных точек зрения: возможность сжигания других марок топлива; надежность работы котельного агрегата на новом топливе; безопасность обслуживания существующего тракта топливоподачи при использовании данного топлива; эффективность очистки дымовых газов существующей системой газоочистных сооружений. При решении данного вопроса рассматриваются ближайшие регионы по обеспечению углем теплоисточников Омской энергосистемы: Кузнецкий, Канско-Ачинский, Хакасский угольные бассейны. Кузнецкий угольный бассейн - одна из основных топливных баз России, где к настоящему времени разведаны и пригодны для промышленного освоения угли энергетических марок в количестве 13 млрд т. Максимальная добыча энергетических углей достигнута в 1988-1989 г.г. - 89,1 млн т при общей добычи всех марок 153,8 млн т, в последующие годы в силу известных причин добыча углей снизилась. В качестве энергетического топлива на ТЭС поставляются угли, которые по каким-либо признакам не находят применения для технологических целей (пониженная коксующая способность марки Г, отсутствие коксующей способности марок Д, СС, Т) или не соответствуют требованиям промышленных технологических процессов по другим показателям (окисленность, содержание золы). Перед нами стоит задача - сделать выбор наиболее приемлемых углей Кузнецкого угольного бассейна, сжигание которых не потребует больших затрат на перевод оборудования ТЭЦ для надежного и экономичного использования нового вида топлива. Количественные соотношения отдельных марок в последние годы находились в пределах: поставка угля марки Д составляла 9,2 - 11,2%, марки Г - 18,3 - 24,9%, марки СС - 14,4 - 21,7%, марки Т - 26,2 - 37,0%, промпродукта - 14,9 - 16,0% и шлама- 1,5 - 2,8%/6/. Отличительной особенностью углей открытой добычи (разрезов) является их разная степень окисленности. Согласно ГОСТ 10020-88 окисленные каменные угли Кузнецкого бассейна подразделяются на две группы в зависимости от величины относительного уменьшения высшей теплоты сгорания на сухое беззольное состояние топлива. К первой группе относится топливо с относительным уменьшением QH до 10%, к второй - от 10 до 25%. В зависимости от группы по степени окисленности уголь обозначается OKI или ОКИ. Например, обозначение слабоспекающегося угля марки СС группы 2СС и первой группы окисленности - СС(2СС)ОК1. Основная масса кузнецких энергетических углей отгружается на тепловые электростанции в рядовом виде (размер кусков 0-200 для шахт и 0-300 для разрезов), а промпродукты сортировки отгружаются главным образом классов СШ и МСШ (0-13 и 0-25 мм). Кузнецкие энергетические угли имеют относительно высокое качество и успешно сжигаются на ТЭС не только в близлежащих регионах, но и в Европейской части страны. Однако, сжигание этих углей на ТЭС может вызывать значительные трудности, особенно на неприспособленном для этого оборудовании, из-за значительных колебаний физико-химических и теплотехнических свойств и специфики углей некоторых месторождений. В аспекте замены экибастузского угля кузнецкие угли большинства месторождений по ряду показателей имеют характеристики существенно отливающиеся от таковых для экибастузского. Подчеркиваем еще раз, что в отличие от низкосортного экибастузского угля основная сложность организации использования кузнецких энергетических углей обусловлена нестабильностью их состава и свойств. Проведем анализ проблем возникающих при использовании кузнецкого угля. 1. Большое количество поставщиков угля. Кузнецкий уголь добывается более, чем 80 угледобывающими предприятиями на большой площади бассейна (26,7 тыс.км , 350x110 км), которые разрабатывают угленосные пласты, приуроченные к различным геологическим системам, сериям и свитам. Основные промышленные свиты бассейна: Балахонская и Кольчугинская имеют различный географический состав и разную степень углефикации. Угли Балахонской серии имеют повышенное содержание инертинита 30-40% (в Кольчугинской серии 8-18%) при более низком но сравнению с углями Кольчугинской серии содержании витринита (40-60% и 70-90% соответственно), что в целом определяет их более низкие реакционные и размольные свойства. По стратиграфическим и тектоническим признакам в бассейне выделяется 21 угленосный район. Перечень действующих разрезов, которые ведут добычу углей в том или ином угленосном районе, приведен в табл.2.2. Представления о мощности разрезов в марочном составе добываемых углей дает табл.2.3. На конкретные электростанции уголь обычно поступает с нескольких угледобывающих предприятий. 2. Различие стадий метармофизма (углефикации). По стадиям углефикации кузнецких углей прослеживается весь ряд от бурых до тощих и антрацитов. Углефикация повышается к центральной части бассейна с возрастанием мощности перекрывающих пород. По мере приближения к окраинам бассейна располагаются менее углефицировапные угли до длиннопламенных включительно. Наряду с региональным метаморфизмом, в бассейне проявляется контактовый (локальный), наиболее четко выраженный на юго-востоке Кузбасса (Томь-Усинский, Мрасский угленосные районы), где вблизи изверженных пород угли изменены до тощих и антрацитов.
В настоящее время для покрытия дефицита экибастузского угля имеются резервы углей марок 2СС и Т Сибиргинского, Томь-Усинского, Краснобродского и при увеличении объемов добычи Бачатского, Кедровского угольных разрезов. К использованию этих углей взамен экибастузского необходимо подходить с большой осторожностью вследствие их низких и переменных, в широком диапазоне, реакционных свойств, хотя по формальным общепринятым признакам эти угли одни из наиболее благоприятных для замены экибастузского. Такие свойства углей этих разрезов связаны, по нашему мнению, прежде всего с контактовым обуглероживанием части из них. Определенную роль может играть их окисленность. Отметим, что в основном в силу низкой реакционной способности углей этого угленосного района котлы ПК-40 Томь-Усинской ГРЭС в свое время были реконструированы на жидкое шлакоудаление. Не были достигнуты достаточно хорошие показатели устойчивости и экономичности сжигания этих углей позже при применении регулируемых вихревых (ТП-81) и плоскофакельных (ТП-109) горелок. В Кузбассэнерго отмечено ухудшение горения при поставке рассматриваемых углей взамен тощих шахтной добычи. Поэтому возможность использования углей этого района в котлах БКЗ-420 «Омскэнерго» требует экспериментальной проверки в промышленных условиях при предварительной подготовке оборудования (прежде всего в части возможности глубокого утонения помола топлива).
Эксплуатационные свойства золы кузнецких углей и условия шлакования поверхностей нагрева котла
В науке разработано несколько десятков эмпирических показателей для оценки шлакующих и загрязняющих свойств углей на базе сведений в объеме справочного материала. В настоящее время разработана методика и компьютерная программа расчета шлакующих и загрязняющих свойств углей по широко доступным данным 151. Методика и программа также позволяет выполнять анализ с привлечением результатов исследований минеральной части.
Разработка выполнена на основании исследований, определяющих факторов и механизмов формирования отложений различных типов: экспериментального изучения шлакующих свойств широкого круга разнообразных углей на котлах, огневом стенде в лабораторных условиях и на базе анализа ситуации по шлакованию практически всех отечественных котлов, сжигающих широкую гамму углей.
При оценке шлакующих свойств углей обращается внимание на следующие основные требования: 1. На поверхностях нагрева по тракту котла образуются отложения различных типов, которые формируются по отличающимся механизмам из разной по совокупности частиц летучей золы. В зависимости от температурной зоны определяющими факторами шлаковых отложений являются их разные характеристики: прочность отложений для полурадиационных поверхностей нагрева, температура начала шлакования для конвективных поверхностей. 2. Согласно исследованиям механизма образования отложений они могут образовываться по разным механизмам из отличающихся частиц, роль каждого из них может меняться в зависимости от состава угля, температурной зоны котла и режима работы. Поэтому при окончательном определении свойств шлакования все полученные результаты суммируются. 3. По возможности, показатель, характеризующий те или иные отложения, оценивается по разным исходным данным и его усредненное значение определяется суммированием частных показателей с удельным весом, пропорциональным значимости их статистической оценки. 4. Для вывода прогнозирующих показателей использованы результаты исследований шлакующих свойств и большого количества углей, отличающимися по составу и свойствам добываемых партий. При определении свойств учитываются: химический состав минеральной части; элементный состав органической части или данные о содержании серы; технические данные (влажность, зольность, теплота сгорания); сведения о котельных агрегатах.
Для возможности перевода котла БКЗ-420-140-5 Омской ТЭЦ-5 на сжигание углей проведены исследования шлакующих свойств опытных партий хакасского, экибастузского и кузнецкого (марки СС) углей, а также смесей экибастузского и кузнецких углей.
Экибастузский уголь - наименее шлакующий из углей, сжигаемых на отечественных ТЭС, и при его замене любым другим углем, в первую очередь, должны анализироваться вопросы шлакования и загрязнения. Кузнецкие угли в своем большинстве, прежде всего из-за низкой склонности к образованию первичных отложений, также не обладают высокими шлакующими свойствами. Однако, для котлов специально спроектированных на экибастузский уголь по показателям шлакующих свойств для некоторых поверхностей нагрева кузнецкие угли могут оказаться неприемлемыми или привести к ограничениям паропроизводительности и трудностям в эксплуатации. Кроме того, отметим еще раз особенность минеральной части кузнецких углей не характерную для экибастузского, которая заключается в значительной переменности состава и свойств минеральной части не только для углей разных угледобывающих предприятий, но и в пределах одного разреза, месторождения.
Усредненный химический состав минеральной части по разрезам и перспективным месторождениям приведены в табл.2.5. Какой-либо закономерности от марки угля не прослеживается. Зависимости от зольности выражены слабо и состав золы в большей мере определяется местом и условиями добычи. Более выражено влияние окисленности угля. В окисленных углях за счет обмена функциональных групп гуминовых кислот с катионами солей грунтовых вод в большинстве случаев возрастает содержание СаО. Так, в сильно окисленных углях Байдаевского разреза (марка Г) содержание СаО достигает 28%, тогда как при содержании СаО в неокисленном угле - 3%.
По исследованиям лаборатории обеспечения бесшлакочных режимов УралВТИ минералогический состав минеральной части кузнецких углей в качественном отношении одинаковый для углей разных марок, группы окисленности, зольности. Он представлен кварцем (SiOj), глинистыми минералами, плагиоклазами (альбит NaAISisOg и твердые растворы на его основе), карбонатами (СаСОз - кальцит, СаМ(СОз)г - доломит, РеСОз -сидерит), пиритом (FeS2). Глинистые минералы присутствуют в виде смеси в разной пропорции каолинита (ALtSUCOH ) и глин монтмориллонитовой группы, близких по составу к (АГ, Ті, Fe)2 Аю,б8 Sij,32 Ою ОНю- Наличие глинистых минералов группы монтмориллонита является еще одним из факторов, обуславливающим переменность состава минеральной части и его слабую зависимость от зольности, поскольку в формировании разновидностей монтмориллонита сложного состава могут участвовать разнообразные ионы.
Железо в минеральной части кузнецких углей представлено сидеритом и пиритом. На присутствие пирита, основного минерала определяющего образование прочных первичных железистых отложений, указывают не только результаты рентгено-фазового анализа части проб, но косвенно и присутствие около половины серы в пиритной форме и взаимосвязь содержания железа и серы для некоторых из рассматриваемых углей. Такая взаимосвязь отмечается для углей Красногорского, Краснобродского, Междуреченского, Кедровского, Томусинского разрезов, разреза им.Вахрушева; для остальных рассматриваемых разрезов связь отсутствует. Однако, основным железосодержащим минералом в кузнецких углях является сидерит при его высокой дисперсности в составе угля.
Исследование состояния склада топлива ТЭЦ и методы совместного хранения и складирования смесей экибастузского и кузнецкого углей
Под шлакующими свойствами золы угля понимается комплекс показателей, характеризующих процессы образования различных типов золовых отложений.
Наиболее объективное представление о шлакующих свойствах углей достигается в промышленных опытах, где определяются температура начала фактического шлакования (Цт - температура неохлаждаемого зонда при начале образования шлаковых отложений, &фш - температура газов в месте расположения неохлаждаемого зонда при условии начала шлакования); интенсивность шлакования (образования шлаковых отложений); прочность свойств шлаковых отложений; склонность угля к образованию селективных (обогащенных железом, кальцием, щелочами) отложений. В дополнении к промышленным опытам в лабораторных условиях изучается: химический, фазовый состав минеральной части угля, уноса, шлака, отложений; спекание золошлаковых материалов. При необходимости выполняются другие физико-химические исследования состава, структуры и свойств углезоло-шлаковых материалов.
Опыты на котле и лабораторные исследования проводились по отработанным методикам УралВТИ. На котле с помощью неохлаждаемых зондов, устанавливаемых на 20-30 мин. в газоход котла через существующие лючки на глубину 2,0-2,5 м определялись температурные условия образования отложений. После извлечения зонда фиксировалось наличие или отсутствие отложений на его рабочем конце, отбирались пробы. Интенсивность шлакования (гДґс), оценивалась по формуле:
Для измерения температуры газов (tr) использовался охлаждаемый зонд с отсосной термопарой, оснащенной тройным мультиэкраном. С помощью неохлаждаемых зондов также отбирались пробы отложений для последующей оценки их прочностных свойств. Из охлажденных отложений вырезались образцы кубической формы, которые подвергались соосному сжатию на гидравлическом прессе с целью определения разрушающего усилия с последующим расчетом прочности отложений (а0тл) При построении зависимостей gora = f (Із, ti) для сопоставления результатов измерений, использовались приведенные значения интенсивности шлакования (gnp0TJi, г/м2с):
Измерения с помощью зондов проводились в верхней части через существующие лючки. При этом следует отметить, что для получения наиболее полной информации о показателях шлакующих свойств золы, количество лючков должно обеспечивать возможность измерений в максимально широком диапазоне температур газов (например, 900 - 1400С) при одном режиме работы котла. К сожалению, на котле имелось всего два пригодных для измерений лючка по топке и четыре перед "горячей" ступенью пароперегревателя. Это обстоятельство потребовало проведения большого количества измерений и более частого изменения нагрузки котла.
Результаты опытов по определению показателей шлакующих свойств золы исследованных углей представлены в табл. 3.5. Зависимость интенсивности шлакования (g ora) от температуры газов (Oi) приведена на рис.3.1., зависимость коэффициента шлакования г от &i на рис.3.1а. Из представленных результатов следует, что экибастузский уголь имеет температуру начала фактического шлакования (цш) - 1140 - 1160С, уголь разреза Бачатский - 1155 - 1175С, уголь разреза Черниговский - 1130С
При температуре газов, соответствующих выходу из топки (1240С при D да DHOM) интенсивность шлакования исследуемых углей низкая и сопоставима между собой (рис.3.1). Обращает на себя внимание расхождение расчетных и экспериментальных значений температур начала шлакования для кузнецких углей (табл.3.4.). Экспериментальные значения Цш для кузнецких углей выше расчетных на 60-130С.
Проанализируем факторы, которые могли бы оказать влияние на условия начала шлакования, определенные в опытах. Из режимных параметров отметим, что тонкость помола угля в опытах практически не изменялась и мало отличалась от таковой для экибастузского угля, а избыток воздуха практически не оказывает влияния на температуру шлакования 111.
В опытах дополнительно проверено влияние избытка воздуха системы пылеприготовления (а п/п). Подтверждено, что изменения а п/п в диапазоне 1,21-1,45 практически не влияют на интенсивность шлакования и Цш.
Для некоторых углей на Цш влияет перераспределение состава золы между шлаком и уносом. В данном случае отмечено незначительное обогащение уноса кислыми компонентами L Куноса /2 К30Лы угля = 1,02-1,03 для бачатского угля; 1,02 - 1,07 для черниговского (для экибастузского L К носа /S Кзолы угля =1,02-1,04) и соответствующее обеднение уноса основными компонентами L Оуноса / Ошпл уіЛЯ =0,89 - 0,92 для бачатского; 0,82 - 0,96 черниговского углей (для экибастузского Е Оуноса /2 О30лы угля =0,9 - 0,92).
Исследование процесса работы поверхностей нагрева котла, при сжигании березовского угля
Таким образом, проведенные исследования показали, что шлакующие свойства опытных углей, при имевшем место в опытах повышенном механическом недожоге, благоприятны и в целом соответствуют "нешлакующим" углям типа экибастузского. Вместе с тем, основная цель исследований заключается не столько в определении шлакующих свойств непроектных углей, сколько в установлении допустимости шлакующих свойств этих углей конкретной конструкции котла при существующих условиях эксплуатации.
В связи с этим, во время опытов выполнялись систематические наблюдения за состоянием доступных осмотру поверхностей нагрева ширм и конвективного пароперегревателя. Наблюдениями не зарегистрировано случаев образования шлаковых отложений (очагов шлакования) на поверхности труб в верхней части ширм и Ш ст. пароперегревателя. Аварийных ситуаций, связанных со шлакованием топки, таких как скопление отложений на экранах, падение крупных кусков отложений в холодную воронку, перекрытия устья холодной воронки и т.п. в период опытного сжигания не наблюдалось. На это убедительно указывают результаты осмотра остановленного котла: на вертикальных экранах топки выше пояса горелок, имеются незначительные по площади локальные участки со следами шлаковых отложений на плавниках; поверхность плавников наклонного ската пережима напротив на 70-80% покрыта шлаковыми отложениями толщиной до 50 мм. На отсутствие прогрессирующего шлакования топочной камеры при сжигании кузнецких углей указывает также тот факт, что не удалось обнаружить в холодной воронке во время останова котла и в опытах (за шнековыми транспортерами) фрагментов шлаковых отложений размерами больше, чем примерно 150x200x50мм. Обнаруженные единичные фрагменты таких размеров, как правило, не имели следов от экранных труб. По внешнему виду отложения представляли хорошо спеченную, в ряде случаев проплавленную массу, в то же время проплавленные стекловидные фрагменты отложений практически отсутствовали. Это указывает на то, что на экранах топки не образуется сплошного, перекрывающего значительные площади, шлакового покрытия и температуры вблизи экранов не были столь высоки, чтобы обеспечить жидкотекучее состояние отложений.
Бесшлаковочная работа топки котла подтверждается тем, что допустимые по условиям шлакования топочной камеры теплонапряжения qp, чи, рассчитанные по показателям шлакующих свойств в соответствии с /8/ соответствует проектным (табл.3.10). Осмотры ширмового пароперегревателя показали, что его шлакование не усилилось по сравнению с работой котла на экибастузском утле. Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что при сжигании опытных партий кузнецких углей разрезов Бачатский и Черниговский ограничения в работе котла, связанные со шлакованием поверхностей нагрева, отсутствуют. Стремление повысить экономичность сжигания кузнецких углей марок СС за счет более эффективной организации выжига топлива, например, при утонении помола угля, может привести к усилению шлакования верхней части топки и конвективного пароперегревателя. Этот вывод базируется на сильном влиянии недожога на шлакующие свойства золы. Снижение СГ}ЭД приводит к снижению іфШ, росту прочности и интенсивности образования шлаковых отложений. Вместе с тем, данные УралВТИ, полученные ранее при сжигании экибастузского и кузнецкого углей марки СС, образующих на поверхностях нагрева рыхлые первичные отложения, указывают, что утонение пыли приводит к росту $"т из-за интенсификации роста рыхлых первичных отложений на экранах топки. В табл. 3.8. представлены данные расчета &"т (без учета фактора недожога) по прочности при спекании золы в соответствии с рекомендациями /8/, там же даны сведения о фактической температуре газов в опытах, замеренной отсосным пирометром на выходе из топки. Вопрос заключается в том, на сколько снизится $"г и снизится ли вообще (с учетом приведенных выше соображений) при достижении благоприятных, например, как для экибастузского угля, значений недожога в уносе. При этом $"т по условиям шлакования ширм не должна превышать допустимых значений (табл.3.8). По условиям шлакования конвективного пароперегревателя, средняя температура газов перед ним должна быть не выше 1000С, 1020С (без учета температурной разверки по газоходу) /8/ соответственно для углей разрезов Бачатский и Черниговский. Суммируя изложенные экспериментальные и расчетные данные, можно сделать следующие заключения: при имевших место в опытах повышенных недожогах, шлакующие свойства опытных партий кузнецких углей близки к свойствам экибастузского угля (ограничений в работе котла по условиям шлакования при их сжигании не наблюдалось); окисленные угли рассматриваемых разрезов по имеющимся данным содержат на 6,7 - 22% больше СаО и, соответственно, допустимые результаты температуры на выходе из топки на 130-150 С ниже (сжигание таких углей не рекомендуется, как и не следует также без предварительного опробования сжигать другие марки кузнецких углей); в силу близости шлакующих свойств углей экибастузского и Бачатского разрезов могут сжигаться в смеси в любой пропорции, а также в чистом виде; при прогнозировании ситуации по шлакованию ширм и конвективного пароперегревателя при внедрении мероприятий по снижению величины механического недожога на кузнецких углях, неопределенность связана с отсутствием достоверных сведений о знаке и величине изменения температуры на выходе из топки. По расчетам АО «Сибтехэнерго» и АО «Сибэнергомаш», температура газов на выходе из топки снижается существенно и полностью перекрывает имеющее при этом ухудшение шлакующих свойств золы. Реальное изменение температуры оценено экспериментально и значительных отклонений не отмечено, однако это может касаться лишь уровня ограничений максимальной нагрузки, а не принципиальной возможности замены экибастузского угля на опробованные марки кузнецких или сжигание их в смеси с экибастузским.
