Применение котлов с ЦКС для сжигания сланцев

Начиная с 60-х гг прошлого столетия электроэнергией Эстонию в основном обеспечивают крупные сланцевые электростанции, построенные вблизи г. Нарвы. На Балтийской электростанции установлены энергоблоки электрической мощностью 100 и 200 МВт, а на Эстонской электростанции – 200 МВт. Технология сжигания пылевидная. Ученые Таллиннского технического университета в сотрудничестве с другими научными организациями сконструировали, а на Таганрогском котлостроительном заводе выполнили уникальные по своей конструкции котлы. При разработке котлов были учтены мировые достижения того времени, с помощью которых решали проблемы загрязнения и коррозии поверхностей нагрева котлов, сжигающих топливо с высокой зольностью. Балтийская электростанция оснащена котлами ТП-17 и ТП-67, Эстонская электростанция, построенная позже, котлами ТП-101. Первый котел был пущен в эксплуатацию в 1959 г., а последний – в 1973 г. При разработке каждого последующего котла учитывался опыт эксплуатации предыдущих котлов. Первые котлы находятся в работе уже свыше 40 лет и устарели как физически, так и морально.

Эстонский сланец оказался настолько непредсказуемым, что, несмотря на серьезные реконструкции, идеально работающих котлов получить не удалось. Основными проблемами являются интенсивное загрязнение поверхностей нагрева котлов и коррозия. Существенным вопросом остается высокое содержание SO₂ (1500–2000 мг/м³) в выбрасываемых в атмосферу дымовых газах. Также содержание СО₂ в дымовых газах сланцевых электростанций выше, чем в дымовых газах электростанций, работающих на другом виде твердого топлива. Из-за высокого содержания известняка в эстонском сланце при его термическом разложении образуется дополнительное количество СО₂ к уже образовавшемуся при горении органической части топлива СО₂. В связи с интенсивным загрязнением и коррозией поверхностей нагрева котлов пылесланцевых электростанций проектная мощность достигнута не была и коэффициент полезного действия электростанции остался на уровне 29–30 %. Высоки также эксплуатационные и ремонтные затраты. Для сокращения эмиссии сделаны существенные инвестиции в виде новых электрофильтров.

В связи с необходимостью реконструкции Нарвских электростанций встал вопрос о смене технологии сжигания топлива. Наиболее перспективным виделось освоение технологии кипящего слоя, которая получила всеобщее признание. На крупных котлостроительных заводах были построены сотни больших котлов, работающих на различных видах топлива. Коэффициент полезного действия котлов с кипящим слоем более высокий.

Для окончательного принятия решения о выборе технологии сжигания были проведены экспериментальные сжигания эстонского сланца в кипящем слое с использованием опытного оборудования ведущих фирм. Первое экспериментальное сжигание было проведено еще в 1994 г. на опытном оборудовании фирмы Ahlstrom (переименована в дальнейшем в «Foster Wheeler») в Финляндии. Затем, в 1996 г. последовали опыты по экспериментальному сжиганию на опытном оборудовании фирмы Lurgi в Германии и в том же году в Канаде по заказу фирмы «ABB Combustion Engineering» на опытном оборудовании Британского Колумбийского университета. И, наконец, в 1998 г. состоялось экспериментальное сжигание сланца в кипящем слое с наддувом на опытном оборудовании фирмы «ABB Carbon AB» в Швеции. Во всех перечисленных опытах по сжиганию сланца принимали участие научные сотрудники Таллинского технического университета и инженеры «Eesti Energia» [3].

Эксперименты показали, что технология сжигания в кипящем слое очень хорошо подходит для сжигания эстонского сланца. Предпочесть следовало бы сжигание в циркулирующем кипящем слое. Результаты экспериментов позволяют предположить, что сжигание сланца в кипящем слое значительно улучшит условия работы поверхностей нагрева котла – ощутимо снизят загрязнение поверхностей нагрева и высокотемпературную коррозию (температуры в топке снижаются с 1400 °С до 800 °С). С позиции охраны окружающей среды особенно важно снижение выбрасываемого в атмосферу количества SO₂ (более чем в 100 раз), составляющее не более 15 мг/м³. Сниженные температуры в топке уменьшат также связанные с разложением известняка выбросы СО₂ в атмосферу. Примечательно и то, что результаты экспериментов, проведенные с использованием оборудования разных фирм, совпали.

На основании экспериментов «Eesti Energia» было принято решение перевести во время реконструкции электростанций технологию пылевидного сжигания топлива на технологию кипящего слоя. Объявленный конкурс, в котором приняли участие все фирмы, участвовавшие в экспериментальном сжигании, выиграла фирма «Foster Wheeler», с которой в 2001 г. был заключен договор на строительство двух новых энергоблоков. Оба энергоблока – дубль-блоки, оборудованные двумя котлами с циркулирующим кипящим слоем, турбиной и электрогенератором. Первый из них построен на Эстонской электростанции, а второй – на Балтийской. Оба эстонских энергоблока уже введены в эксплуатацию.

На новых блоках используются существующие модернизированные турбины. Договор, заключенный с фирмой «Foster Wheeler», не касается строительства новых топливоподготовительных и золоудаляющих транспортных систем.

Эффективность котла.В конце 2003 г. на Эстонской электростанции был пущен первый энергоблок (два котла с кипящим слоем) с хорошей возможностью маневра и легкоуправляемый. Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке (215 МВт) составил 35–36 % (при пылевидном сжигании – 29–30 %) и удельный расход топлива 12,0 – 11,7МДж/(кВт/ч).

Высокая эффективность котлов с кипящим слоем по сравнению с котлами с пылевидным сжиганием сланца объясняется:

– меньшим разложением карбонатов. Если в котлах с пылевидным сжиганием сланца разложение карбонатов достигает 95 %, то в новых котлах с кипящим слоем благодаря значительному снижению температуры в топке (750800 °С) – примерно 75 %;

– высокой степенью связывания серы. Среднее значение связывания серы в котлах с пылевидным сжиганием топлива составляет 80 %, а в котлах с кипящим слоем – до 99,9 % (SO₂ в горючих газах меньше 5 ррт).

Суммарный расчетный эффект от изменения разложения карбонатов и связывания серы при низшей теплотворной способности сланца 8,2 – 8,6 МДж/кг составляет 0,33 МДж/кг, или примерно 4 %, что довольно велико.При сжигании сланца основными выбросами в атмосферу являются: оксиды серы, азота, двуокись углерода, твердые частицы (летучая зола) и НСL.

Пылевидное сжигание. Основной проблемой котлов с пылевидным сжиганием сланца выступает очень высокое содержание в выбросах SO₂ (820–1360 мг/МДж) и твердых частиц (1040–1540 мг/МДж). Выбросы SO₂ велики, несмотря на то что основная часть их (приблизительно 80 %) связывается со свободной известью, образовавшейся при разложении карбонатов (при температуре горения 1400 °С и выше). Выбросы NO_x (в виде NO₂) находятся в пределах 90–110 мг/МДж и концентрация HCI в дымовых газах составляет 80 мг/м³ (при 6 % О₂). Почти полное разложение карбонатов в минеральной части сланца сопровождается высоким выбросом СО₂ (1 кг СО₂ на 1кг сланца), что превышает показатели большинства других видов твердого топлива. Установка новых электрофильтров на восьми энергоблоках в 1999–2002 гг. значительно снизила выбросы твердых частиц (меньше 100 мг/МДж) и, как следствие, выбросы тяжелых металлов.

Сжигание сланца в кипящем слое.Характер горения сланца в циркулирующем кипящем слое с температурой в топке 750–800 °С существенно отличается от пылевидного сжигания. Проведенные замеры выбросов в окружающую среду показали, что концентрация SO₂ практически близка к нулю, концентрация NO_x остается в среднем на уровне 150 мг/м³ и концентрация твердых частиц в пределах 30 мг/м³ (оба значения при содержании кислорода 6 %). Проанализированное на основании проб золы выгорание топлива близко к идеальному, содержание вызывавших опасения сульфидов оказалось очень низким (меньше 0,16 % в данной золе даже при температуре в топке ниже 800 °С). По составу топлива и дымовых газов получена степень разложения карбонатов 75–80 %, что означает снижение выбросов СО₂ на 12–13 % по сравнению с пылевидным сжиганием.

При сгорании сланца в кипящем слое выбросы в атмосферу будут меньше, чем при сжигании относительно влажного биотоплива. По сравнению с природным газом основным отличием являются высокие выбросы СО₂, которые все-таки находятся в тех же пределах, что и при сжигании других видов твердого топлива.

Загрязнение поверхностей нагрева. Серьезное внимание при эксплуатации уделяется загрязнению летучей золой поверхностей нагрева новых котлов с кипящим слоем, особенно интенсивности и характеру загрязнения.

Минералогический состав золы котлов с кипящим слоем существенно отличается от состава золы пылесланцевых котлов преимущественно из-за более низких температур в топке. При сжигании в кипящем слое почти весь образовавшийся при сгорании топлива двуоксид серы связывается золой уже в топке и его содержание в дымовых газах, омывающих конвективные поверхности нагрева, очень мало.

При осаждении на поверхностях нагрева предварительно сульфатизированные частицы золы не образуют плотных отложений, которые, как показывает эксплуатация пылесланцевых котлов, возникают при сульфатизации прямо в отложениях. При низкой температуре в топке котлов с кипящим слоем уменьшаются разложение минеральной части топлива, испарение калия и образование КСL в горючих газах.

Другим существенным моментом является то, что в находящихся за топкой с кипящим слоем циклонах крупные частицы отделяются и летучая зола состоит в основном из мелких частиц с низким абразивным и уплотняющим воздействием.

Таким образом, при сжигании в кипящем слое не возникает предпосылок для формирования плотно связанных отложений и можно ожидать образования лишь легкоудаляемых. Несмотря на относительно короткий опыт эксплуатации котлов с кипящим слоем на Эстонской электростанции, выяснилось, что проблем с загрязнением поверхностей нагрева не возникло.

При обследовании поверхностей нагрева обнаружено, что они покрыты тонким слоем легкоудаляемых золовых отложений. Анализ изменения в течение длительного периода времени (4000 ч) температур горючих газов на входе и выходе из поверхностей нагрева конвективного газохода одного из двух котлов указывает на слабое снижение тепловосприятия в перегревателе, свидетельствующее о небольшом загрязнении. Тепловосприятие в экономайзере сохраняется стабильным.

Коррозия.Серьезной проблемой при эксплуатации пылесланцевых котлов является высокотемпературная коррозия, вызванная КСL. В котлах с кипящим слоем высокотемпературные пароперегревательные ступени расположены в теплообменнике с кипящим слоем INTREX, в котором поверхности нагрева размещены в среде циркулирующей золы и воздуха. Благодаря циркуляции золы с низким содержанием хлора и невысокой скорости воздуха в кипящем слое в INTREX не должно быть коррозии и эрозии, но для подтверждения этого требуется время. В принципе возникновения коррозии можно ожидать на поверхностях нагрева в конвективном газоходе, где на основе анализов установлено, что содержание хлора в отложениях золы может доходить до 1 %. Исследования ученых Таллинского техничнского университета указывают, однако, на существенное снижение интенсивности коррозии при температуре поверхности нагрева ниже 450 °С. Это означает, что риск коррозии конвективных поверхностей нагрева невелик. Вместе с тем, как нередко случается при пуске крупного оборудования, и с новыми котлами возникли некоторые трудности. Они не были связаны с принципиальными вопросами, решение которых требует серьезных исследований, а, к примеру, с неполадками в работе реновированных паровых турбин, с необходимостью оптимизации гранулометрии подаваемого топлива, а также с наладкой удаления и складирования золы. Эти технические вопросы частично решены или близки к решению.

В заключение следует отметить, что для сланцевой энергетики началась новая эра, когда существующие энергоблоки оборудуются современным более эффективным и дружественным к окружающей среде оборудованием. По выбросам в атмосферу новые котлы отвечают законам Эстонской Республики и Европейского союза. Нет сомнений, что заметное снижение вредных выбросов в воздушное пространство значительно улучшит состояние окружающей среды.