Разработка технологии сжигания с внутритопочной термической подготовкой углей

Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» основным топливом для производства тепловой и электрической энергии Сибири будут являться угли Канско-Ачинского бассейна, запасы которого около 140 млрд тонн, что составляет более 70 % от общероссийских запасов углей пригодных для открытой разработки.

Канско-Ачинский бассейн является единственным угледобывающим бассейном России, который способен без значительных инвестиций быстро нарастить добычу и гарантировать поставки больших объемов угля стабильного качества.

Анализ результатов исследований использования канско-ачинских углей на тепловых электростанциях показал, что освоение сжигания углей Канско-Ачинского бассейна ставит целый ряд вопросов их эффективного энергетического использования.

Прежде всего, к ним следует отнести следующие:

1. Шлакование и загрязнение поверхностей нагрева котельных агрегатов, что обусловлено специфическим составом минеральной части канско-ачинских углей. Для их решения в свое время было предложено на некоторых тепловых электростанциях провести довольно дорогую реконструкцию топочных камер котлоагрегатов с переводом их на жидкое шлакоудаление. В результате реконструкции снизилась скорость роста прочносвязанных отложений на высокотемпературных поверхностях нагрева, но одновременно возросла их прочность и значительно увеличилась концентрация оксидов азота в уходящих дымовых газах.

На сегодняшний день различными организациями проведено огромное количество исследований по изучению механизма образования и упрочнения натрубных отложений при сжигании канско-ачинских углей. Тем не менее вопросы шлакования и загрязнения поверхностей нагрева котлов остаются далеко не решёнными и ощущается дефицит работ в этой области по обобщению и практическому применению результатов исследований.

2. В настоящее время требуется разработка высокоэффективных технических решений по существенному снижению оксидов азота как наиболее вредных газовых выбросов с уходящими дымовыми газами при сжигании углей на тепловых электростанциях.

Химические методы очень эффективны, но слишком затратны, поэтому различными организациями основное внимание уделяется разработке технологических методов подавления оксидов азота. Наиболее существенного снижения оксидов азота добились на котлах с кипящим слоем и низкотемпературным сжиганием. Однако внедрение этих технологий в большую энергетику сопряжено со значительными трудностями.

3. В настоящее время не находят применения в энергетике огромные запасы забалансовых сажистых (окисленных) углей Канско-Ачинского бассейна, превратившихся в результате сильного окислительного выветривания в рыхлую бесструктурную массу, которые при добыче товарного угля вместе с пустой породой уходят в отвал. Весь уголь, лежащий ниже сажистого, считается плотным, не окисленным. Для каменных углей имеются данные, свидетельствующие о том, что между слоями сажистого и рядового существует значительная по мощности переходная зона угля высокой степени окисленности.

Использование углей этой зоны совместно с рядовыми углями под общим названием «товарные канско-ачинские угли», на наш взгляд, является одной из причин ненадежной и низкоэкономичной работы энергетических котлов.

4. Ежегодно на пылеугольных тепловых электростанциях России в настоящее время для растопки котлов, подсветки факела и стабилизации выхода жидкого шлака расходуется более 5 млн. тонн мазута, цена которого в настоящее время непрерывно растет и составляет сейчас около десяти тысяч рублей за тонну. Поэтому становится очевидной актуальность замены мазута при растопке и подсветке факела топочных камер котельных агрегатов ТЭС дешевыми углями Канско-Ачинского бассейна, стоимость которых более чем на порядок ниже стоимости жидкого топлива – мазута. Для эффективного использования углей Канско-Ачинского бассейна на тепловых электростанциях существуют различные энергетические технологии. Однако, к сожалению, они решают только отдельные вопросы эффективного сжигания углей на ТЭС.

В этой связи возникла необходимость проведения исследований по разработке методов и средств, направленных на комплексное решение вышеуказанных вопросов энергетического освоения углей Канско-Ачинского бассейна, что и определяет актуальность проводимых исследований.

В результате анализа работ по вопросам современных способов сжигания канско-ачинских углей обоснована постановка цели и сформулированы основные задачи исследований.

Экономичность работы и экологическая безопасность котельных агрегатов тепловых электростанций определяется в первую очередь физико-химическими свойствами органической и минеральной частей угля, поступающего на сжигание на тепловую электростанцию.

Так был проведен целый комплекс исследований по изучению особенностей вещественного состава и физико-химических свойств углей Канско-Ачинского бассейна по высоте угольного пласта, глубине его залегания и характеру распространения окислительного выветривания на примере самого мощного и наиболее перспективного угольного разреза Канско-Ачинского бассейна – «Березовского».

Для проведения исследований Алтатской геолого-разведочной партией по договору с ПИ СФУ было пробурено более 30 скважин с разделением керна на несколько проб по высоте угольного пласта разреза «Березовский». Отбор проб углей производился по следующей схеме: первая – сажистый уголь, затем 5 проб через 1 м, остальные – через 5 м. В итоге керновая проба делилась на 10 – 15 проб в зависимости от толщины пласта. В конечном итоге исследовано более 500 керновых проб.

Проведенные исследования показали, что степень окисленности проб угля изменяется от 43 до 89 %. Впервые установлено, что угольный пласт канско-ачинского угля по степени окисленности следует разделить на три самостоятельные зоны:

верхняя зона – забалансовый высокоокисленный, так называемый сажистый уголь, нижняя – рядовой уголь; промежуточная зона, представленная высокоокисленным углем, который по своим теплотехническим характеристикам приближается к сажистому углю. С учетом углей этой зоны окисления запасы забалансовых высокоокисленных березовских углей увеличиваются практически вдвое. Окислительное выветривание приводит к значительным изменениям в составе органической части при повышении степени окисленности более 50 %. При этом происходит резкое увеличение содержание кислорода, снижение углерода, водорода и накопление гуминовых кислот. Установлено, что в процессе окислительного выветривания канско-ачинского угля увеличивается в два раза содержание в нем азота, который, как известно, связан с гуминовыми кислотами.

Поскольку содержание оксидов азота в дымовых газах напрямую связано с количеством азота в топливе, сжигание окисленных углей в смеси с рядовыми дополнительно усугубляет экологическую обстановку вокруг тепловых электростанций. По глубине пласта наблюдается значительное колебание теплотехнических характеристик канско-ачинского угля.

В то же время было впервые установлено, что коксовый остаток углей имеет практически постоянную теплоту сгорания, независимо от степени окисленности исходного угля.

Установлено, что реакционная способность коксовой основы канско-ачинского угля практически не зависит от степени окисленности.

В результате проведенных исследований впервые были установлены основные закономерности влияния окислительного выветривания на состав и физико-химические свойства органической и минеральной частей канско-ачинских углей по высоте и глубине залегания угольного пласта.

Это позволило определить направление дальнейших исследований по разработке эффективных способов энергетического использования канско-ачинских углей различной степени окисленности путем применения предварительной термической подготовки.

Для более детального установления положительного влияния процесса термической подготовки канско-ачинских углей на последующие свойства термоуглей были проведены комплексные исследования по сравнительному сжиганию канско-ачинского угля и его полукокса, полученного на энерготехнологических установках завода «Сибэлектросталь» г. Красноярска и Свердловской опытно-промышленной установке.

Впервые была поставлена задача рассмотреть термическую переработку углей не только как способ, предложенный академиком З.Ф. Чухановым и позволяющий получить из угля ценные продукты (газообразные, жидкие и полукокс), а использовать термическую подготовку в более широком смысле − как технологию, являющуюся составной частью процесса сжигания канско-ачинских углей, что позволит обеспечить повышение эффективности энергетического использования канско-ачинских углей в энергетических системах, в том числе и в Канско-Ачинском топливно-энергетическом комплексе.Исследования были проведены как в промышленных условиях (на котлах Егоршинской ГРЭС и БКЗ-320 Красноярской ТЭЦ-1), так и на специально созданной экспериментальной установке кафедры ТЭС ПИ СФУ производительностью до 150 кг угля в час (рис. 4.3).

Для проведения исследований были взяты две партии березовского угля различной степени окисленности (окисленный и рядовой).

После размола и предварительной подсушки угля в системе пылеприготовления, оборудованной шаровой барабанной мельницей производительностью три тонны угля в час, топливо поступало в специальное устройство по термической подготовке 13 (рис.4.3). Узел термоподготовки обеспечивал термодеструкцию бурого угля в потоке дымовых газов в интервале температур от 300 до 900 °С при времени пребывания угольных частиц в нем от 0,6 до 1,2 с. Он прошел успешные испытания на различных режимах и защищен двумя патентами на изобретение.

Сжигание исходных углей и продуктов их термической подготовки проводили в циклонной топочной камере 9 огневого стенда, являющегося составной частью экспериментальной установки (рис.4.3).

На рисунке 4.4 представлены результаты исследований интенсивности образования вторичных золовых отложений на экспериментальных зондах

огневого стенда в зависимости от температуры обработки березовского угля различной степени окисленности.

Рис. 4.3. Экспериментальная установка по термической подготовке и сжиганию углей: 1 – камеры сгорания жидкого топлива; 2 – дробилка; 3 – циклон; 4 – бункер дробленого угля; 5 – шаровая барабанная мельница; 6 – циклон-сепаратор; 7 – бункер угольной пыли; 8 – тканевые фильтры; 9 – циклонная топочная камера; 10 – экспериментальный газоход; 11 – экспериментальные зонды; 12 – воздухоподогреватель; 13 –камера термической подготовки топлива; 14 – горячий циклон; 15 – бункер термоугля

Глубина термоподготовки оказывает значительное влияние на снижение скорости роста вторичных отложений при сжигании как рядового, так и окисленного углей (рис.4.4). При одинаковых значениях тонины помола R₉₀, глубины термоподготовки Т_обр, режимах сжигания –температуре сжигания Т_т и коэффициенте избытка воздуха в топочной камере a_т, было отмечено, что для термоуглей по сравнению с исходными топливами содержание горючих веществ в летучей золе в 2 – 2,5 раза меньше. Это значит, что формирование состава и свойств летучей золы при сжигании термоуглей протекает в окислительной среде. В этом случае практически будут отсутствовать сульфидно-сульфатные эвтектики, являющиеся основой при образовании прочных вторичных натрубных отложений. Полученные результаты хорошо согласуются с исследованиями лаборатории «Термическая подготовка углей» ПИ СФУ при сжигании полукокса канско-ачинского угля.

Рис. 4.4. Зависимость интенсивности образования вторичных отложений от температуры обработки березовского угля при температуре сжигания Т_сж = 1240 - 1275 °С:

D – рядовой уголь; ○ – окисленный уголь

Специальные исследования посвящены изучению влияния различных режимов термической обработки канско-ачинских углей на образование оксидов азота NO_x как наиболее токсичных газовых выбросов котельных агрегатов. Следует отметить, что сжигание березовского угля и его термоуглей проводилось в циклонной топочной камере экспериментальной установки, поэтому выход оксидов азота намного превышает значение NO_x, характерное для прямоточного факела. Результаты опытов подтвердили ранее полученные данные по увеличению концентрации топливных NO_х с ростом коэффициента избытка воздуха в корне факела (рис. 4.5). Как следует из рис.4.5, максимальный выход NO_x наблюдается при a_Т = 1,3 – 1,35, но при этом снижается концентрация оксидов азота при сжигании термоуглей.

На рисунке 4.6. представлена зависимость содержания оксидов азота в дымовых газах от глубины предварительной подготовки березовского угля (окисленного и рядового). Образование оксидов азота в дымовых газах при увеличении температуры термоподготовки заметно снижается. Например, при сжигании предварительно обработанного топлива при температуре 700 °С концентрация оксидов азота NO_x уменьшается практически в два раза по сравнению с исходным топливом независимо от степени его окисленности.

Приведенные данные хорошо согласуются с исследованиями В. И. Бабия [3–8]. Известно, что концентрация топливных оксидов азота пропорциональна содержанию азота и летучих веществ в топливе.

Рис. 4.5. Содержание оксидов азота NO_x в дымовых газах в зависимости от избытка воздуха a_T при температуре сжигания Т_сж = 1250 °С: 1 – Т_обр = 400 °С; 2 – Т_обр = 500 °С;

D – рядовой уголь; ○ – окисленный уголь

Рис. 4.6. Содержание оксидов азота NO_x в дымовых газах в зависимости от температуры термической обработки березовского угля (T_сж = 1200 °С; a = 1,24;

t_обр = 0,6 – 1,2с): 1 – рядовой; 2 – окисленный уголь

По данным американских ученых для бурых углей существует тенденция увеличения образования оксидов азота с ростом отношения выхода летучих веществ к величине связанного углерода, %:

NO_x » V^daf/C_связ. (4.1)

В опытах КГТУ с увеличением глубины термической подготовки бурого угля получают термоугли с малым содержанием летучих веществ и с большим количеством связанного углерода. Таким образом, чем выше температурный режим предварительной термической подготовки углей, тем меньше будет величина отношения V^daf/C_связ. Это является одним из факторов, приводящих к снижению оксидов азота при сжигании термоуглей.

Для окисленного угля характерными являются более высокие значения V^daf/C^daf по сравнению с рядовым углем. В связи с этим можно было прогнозировать более высокий выход оксидов азота NO_x при сжигании термоуглей окисленного угля. Это и было подтверждено исследованиями КГТУ при экспериментальном сжигании термоуглей окисленного и рядового березовских углей. Из рисунка 4.6. видим, что кривая изменения оксидов азота при сжигании термоуглей рядового березовского угля располагается значительно ниже кривой окисленного угля.

При получении термоуглей на экспериментальной установке время термической подготовки угольных частиц составляло 0,6 – 1,2 с, что значительно превышает время предпламенного периода при факельном сжигании топлива. В результате организации термической подготовки углей перед их воспламенением образуется самостоятельный, довольно длительный период термического разложения угольной пыли, позволяющий до воспламенения топлива в топке организовать в узле термоподготовки условия для перехода значительной части «материнского» азота исходного топлива и быстрых NO в гемиоксид азота N₂O. C точки зрения П. В. Рослякова, практически весь N₂O затем преходит в молекулярный азот за счет его восстановления радикалами O, OH, H. Таким образом, чем больше материнского азота топлива и быстрых оксидов азота на предпламенной стадии горения перейдет в N₂O, тем меньше будет конечная концентрация оксидов азота в дымовых газах.

По мнению многих исследователей, для более глубокого связывания оксидов азотсодержащими веществами (аммиаком, мочевиной и др.) их следует вводить в объем топочной камеры с инертной средой (дымовые газы, водяные пары). При термической подготовке углей (a < 1) в результате разложения органической части происходит образование HCN и NH₃ в смеси с водяными парами и дымовыми газами при незначительном содержании кислорода.

Таким образом, если в технологию сжигания углей будет включен узел по термической подготовке, то мы как бы автоматически получаем смесь HCN, NH₃ с инертной средой в виде водяных паров и дымовых газов.

Практической реализацией такого способа сжигания стали технологические схемы и устройства по предварительной термической подготовке углей, разработанные в лаборатории «Термохимическая подготовка углей» ПИ СФУ. Были проведены специальные исследования на полупромышленной экспериментальной установке кафедры ТЭС ПИ СФУ. Эти исследования защищены более чем 50 патентами на изобретение и показали, что термоподготовка углей может быть реализована как в системах пылеприготовления, так и непосредственно в топочной камере котлоагрегата.

Для более глубокого связывания оксидов азота необходимо, чтобы пылеугольный факел как можно дольше находился в восстановительной зоне. Другими словами, следует максимально растянуть процесс воспламенения топлива, но при этом требуется обеспечить экономичность работы котла за счет глубокого выгорания топлива и уменьшения шлакования и загрязнения поверхностей нагрева.

С этой точки зрения наиболее перспективной будет технология, сочетающая двухступенчатое и концентрическое сжигание углей. Однако для твердых топлив такой комбинированный способ сжигания не дает желаемых эколого-экономических результатов работы котлов. Это объясняется тем, что для глубокого выгорания твердого топлива и обеспечения бесшлаковочной работы котла необходимо значительно увеличивать высоту топочной камеры, чтобы иметь достаточное время пребывания топливных частиц и продуктов разложения топлива в зоне догорания.

Наибольшего внимания заслуживает техническое предложение, основанное на внутритопочной термической подготовке с организацией ступенчатого сжигания применительно для котлоагрегата Е-500-140 (рис. 4.7).

Топочная камера котла Е-500-140 представляет собой призматическую топку глубиной 10,5 м и шириной 11,5 м. Конструкция топки котла содержит настенные экраны 1, образующие многогранный газоход, разделенный двухсветными экранами 2 на центральную 3 и периферийную камеры 4 сгорания (камеру термоподготовки), сообщающиеся верхними и нижними перепускными окнами 5 и 6. Двухсветные экраны 2 установлены с примыканием к смежным настенным экранам 1, образующим углы газохода, на которых установлены горелки 7 и воздушные шлицы 8, расположенные в два яруса. Каждая камера термоподготовки снабжена подом, выполненным из двух скатов 9 и 10, которые образованы выступами смежных настенных экранов 1 внутрь камер термической подготовки 4. Нижние перепускные окна 6 образованы между вершинами 11 выступов, разведенными на угол раскрытия факела. Камеры термической подготовки выполнены в виде равнобедренного

Рис. 4.7. Принципиальная схема термической подготовки угольной пыли в угловых камерах топки котла: 1 – настенные экраны; 2 – двухсветные газоплотные экраны; 3 – топочная камера; 4 – камеры термоподготовки; 5, 6 – верхние и нижние перепускные окна; 7 - горелочные устройства; 8 – верхние сопла вторичного воздуха; 9, 10 – скаты пода камеры термоподготовки; 11 – вершины выступов пода; 12, 13 – сопла третичного дутья; 14 – нижние воздушные сопла

треугольного сечения с размерами сторон 2,63´2,63´3,72 м и высотой 8,5 м. Конструктивные характеристики камер термоподготовки получены по результатам теплового расчета, исходя из условия обеспечения температуры в зоне термоподготовки ~ 800 °С при длительности пребывания угольных частиц 0,8–1,2 с. Высокотемпературные дымовые газы из топки поступают в верхнюю часть камер термической подготовки, где происходит термоокислительный пиролиз угольных частиц. Продукты термоподготовки воспламеняются за счет вторичного воздуха, подаваемого через воздушные шлицы 8. При этом очень важно организовать их сжигание таким образом, чтобы максимально снизить образование оксидов азота при минимальном шлаковании и загрязнении поверхности нагрева и максимальном КПД котла.

Для того чтобы существенно увеличить время пребывания топливных частиц в восстановительной среде и обеспечить более глубокое снижение образования оксидов азота и шлакования топки, предлагается совместить внутритопочную термоподготовку с последующим концентрическим сжиганием, который зарекомендовал себя как один из эффективных способов энергетического использования углей. В этом случае часть вторичного воздуха подается через нижние сопла по касательной к большой окружности (нижняя часть топки). Вторая часть вторичного воздуха подается выше, через второй ряд сопел, по касательной к меньшей окружности. При этом основная часть термоугля будет сжигаться в центральной части топки. Организация концентрического сжигания увеличивает время пребывания частиц топлива в восстановительной среде. При этом остается значительная верхняя часть топки, в которой за счет подачи третичного воздуха полностью завершится процесс горения коксовой основы топлива.

Численное трехмерное моделирование аэродинамики топки котла Е-500-140, оборудованного проточными камерами термической подготовки, показало, что будет обеспечиваться равномерное заполнение факелом топочного объема при отсутствии сепарации топливных частиц. При этом будут ликвидированы участки с высокими локальными лучистыми тепловыми потоками. Это позволит организовать равномерную и глубокую термическую обработку минеральной части, что приведет в конечном итоге к снижению шлакования радиационных поверхностей нагрева и уменьшению загрязнения конвективной части.

Финансово-экономическая оценка технологии энергетического использования углей Канско-Ачинского бассейна, основанной на внутритопочной термической подготовке, выполнена по приростному методу в соответствии с методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов на основе программного продукта ENERGY-INVEST для Windows-Excel, введенного РАО «ЕЭС России» для расчетов бизнес-планов в энергетике.

Расчет коммерческой эффективности проекта показывает, что при незначительных первоначальных инвестициях в данную технологию ожидается получение следующих результатов:

1. Чистый дисконтированный доход значительно больше нуля, что свидетельствует о принятии положительного решения по реализации проекта.

2. Индекс доходности намного больше единицы, что доказывает высокую устойчивость проекта и нетрудно сделать вывод, что данная технология перестает быть привлекательной для инвестора лишь в том случае, если

будущие денежные поступления окажутся меньше капитальных вложений в 7 раз.

3. Значение внутренней нормы доходности свидетельствует о большом резерве безопасности проекта, так как она превышает цену капитала, или норму дисконта, в 11,5 раза.

4. Одним из основных критериев выбора инвестиционных проектов на конкурсной основе для приоритетного бюджетного финансирования является период возврата инвестиций. Верхний предел для таких проектов, установленный Минэкономики РФ составляет два года. В данном случае и дисконтированный, и простой сроки окупаемости проекта составляет менее одного года с начала получения денежных поступлений на реализацию проекта.

Все вышеизложенное в целом характеризует предлагаемую технологию сжигания КАУ как имеющую высокую коммерческую эффективность и, следовательно, высокую привлекательность для потенциальных инвесторов она также может быть рекомендована для приоритетного бюджетного финансирования.

Таким образом, внутритопочная термическая подготовка топлива с последующей организацией концентрического сжигания позволяет решить одновременно три задачи. Во-первых, появляется реальная возможность вовлечения в топливно-энергетический баланс огромных запасов забалансовых окисленных углей. Во-вторых, значительно снижается скорость образования прочносвязанных натрубных отложений. Это означает, что будет увеличена надежность работы котельного оборудования; повысится экономичность работы котельных агрегатов за счет снижения расходов на очистку поверхностей нагрева; увеличится нагрузка котельных агрегатов и, как следствие, возрастет коэффициент использования установленной мощности тепловых электростанций. И, наконец, будет решена проблема выбросов оксидов азота, концентрация которых будет снижена как минимум в три раза. Таким образом, предлагаемая технология сжигания КАУ с использованием внутритопочной термической подготовки топлива решает одновременно вопросы энергосбережения, экологии и экономичности работы ТЭС.