Стабилизация выхода жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Стабилизация выхода жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением

Специальность 05.14.14 -- «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Молонов Ярослав Жалсараевич

Улан-Удэ 2009

Работа выполнена на кафедре «Тепловые электрические станции» Восточно-Сибирского государственного технологического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Карпенко Евгений Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Буянтуев Сергей Лубсанович

кандидат технических наук Неуймин Валерий Михайлович

Ведущая организация: ЗАО отраслевой центр плазменно-энергетических технологий РАО «ЕЭС России», Республика Бурятия, г. Гусиноозерск

Защита диссертации состоится «22» октября 2009 г. в 14⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.03 по Тепловым электрическим станциям при Восточно-Сибирском государственном технологическом университете (ВСГТУ) по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан «22» сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Б.Б. Бадмаев

шлакоудаление жидкий плазменный

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

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. 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. 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 «Стратегии развития электроэнергетики на период до 2020 года» основой электроэнергетики России остаются ТЭС.

Несмотря на технико-экономическую привлекательность и тенденцию увеличения объемов использования твердого топлива низкого качества, применение в топливном балансе непроектных видов топлива существенно сказывается на стабилизации выхода жидкого шлака, а в некоторых случаях становится практически невозможным. Поэтому вопросы стабилизации эвакуации жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением остаются актуальными.

Количество углеобогатительных фабрик в стране не позволяет обеспечить потребности электроэнергетики, учитывая высокие затраты на обогащение углей. В результате обогащения можно снизить зольность и влажность, но увеличить выход летучих практически невозможно. Традиционные технологии топливоиспользования, основанные на использовании режимных мероприятий, изменении конструкций пылеугольных горелочных устройств, не позволяют достичь желаемого эффекта. Использование мазута или природного газа для подсветки пылеугольного факела и обеспечения устойчивой эвакуации жидкого шлака свидетельствует о неэффективности и эколого-экономической нецелесообразности такого пути для современных ТЭС.

Стабилизация выхода жидкого шлака с использованием традиционных методов термохимической подготовки топлив (ТХПТ) не исключает негативных моментов совместного сжигания угля с высокореакционным топливом. Технология ТХПТ с использованием для этой цели резисторного запальника приемлема для ограниченного количества типов углей. Направление, связанное с изменением плавкостных характеристик минеральной части топлива, требует решения трудоемких технических задач, связанных с поставкой, хранением, подготовкой и организацией подачи добавок, что значительно увеличивает затраты на топливо.

Изложенные выше аргументы, а также возможность полного исключения из топливного баланса ТЭС дополнительного высокореакционного топлива предопределяют актуальность проведения исследований. Внедрение плазменных технологий, использующих низкотемпературную плазму для повышения реакционной способности твердого топлива и стабилизации выхода жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением, становится актуальным особенно в свете существующих тенденций ухудшения топливной базы и использования непроектных видов топлив.

Цель и задачи диссертационного исследования. Цель исследования состоит в использовании и научно-техническом обосновании новых подходов к сжиганию низкосортных и непроектных твердых топлив для обеспечения стабильного жидкого шлакоудаления и надежности работы котлов с жидким шлакоудалением ТЭС в различных эксплуатационных режимах с использованием плазменно-энергетических технологий.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

· Обзор существующих проблем с топливоснабжением и работой паровых генераторов с жидким шлакоудалением, обеспечением их рабочих режимов и основных параметров в современных условиях эксплуатации ТЭС.

· Анализ преимуществ и недостатков существующих технологий стабилизации выхода жидкого шлака в топках парогенераторов с жидким шлакоудалением; разработка новых технических решений.

· Теоретическое обоснование энергетической эффективности стабилизации выхода жидкого шлака на котлоагрегатах с жидким шлакоудалением с использованием плазменно-угольной горелки.

· Выдача технологических рекомендаций по использованию плазменной технологии стабилизации выхода жидкого шлака.

· Получение результатов практического применения плазменной технологии на котле БКЗ-640-140-ПТ1 с жидким шлакоудалением Гусиноозерской ГРЭС и технико-экономическая эффективность ее применения.

Объектом исследования являются котлы с жидким шлакоудалением.

Предметом исследования являются способы стабилизации выхода жидкого шлака на котлах с жидким шлакоудалением.

Научная новизна исследования состоит в обосновании и предложении плазменно-энергетической технологии для решения вопросов стабилизации выхода жидкого шлака в топках энергетических котлов с жидким шлакоудалением.

К числу наиболее существенных результатов, полученных лично автором и обладающих элементами научной новизны, относятся:

· проведение анализа существующего положения в области эксплуатации котлов с жидким шлакоудалением в контексте стабилизации выхода жидкого шлака;

· выполнение анализа существующих способов стабилизации эвакуации жидкого шлака в свете поставленных задач исследования;

· проведение расчетно-теоретического обоснования эффективности применения плазменной стабилизации выхода жидкого шлака;

· проведение практических исследований по стабилизации выхода жидкого шлака на котлах с жидким шлакоудалением с применением надподовой плазменно-угольной горелки в условиях ТЭС;

· проведение анализа преимуществ применения плазменных технологий стабилизации выхода жидкого шлака на котлах с жидким шлакоудалением.

Практическая значимость результатов исследования. Результаты исследования и полученные рекомендации использованы на Гусиноозерской ГРЭС (Республика Бурятия, Россия), Кураховской ГРЭС (Украина), а также в процессе обучения студентов и аспирантов ВСГТУ по специальности 05.14.14 - «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты».

На основе анализа полученных данных выданы рекомендации для проектирования и изготовления плазменно-угольных горелок для ТЭС, использующих котлы с жидким шлакоудалением.

Основные положения, выносимые на защиту:

· Анализ преимуществ и недостатков существующих технологий стабилизации выхода жидкого шлака в топках парогенераторов с жидким шлакоудалением, и разработка новых технических решений.

· Теоретическое обоснование энергетической эффективности стабилизации выхода жидкого шлака на котлоагрегатах с жидким шлакоудалением с использованием плазменно-угольной горелки.

· Технологические рекомендации по применению плазменно-угольных горелок на различных котлах с широким спектром сжигаемых углей, что позволяет осуществлять безмазутную стабилизацию выхода жидкого шлака, безмазутную растопку котлов.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследования доложены и получили одобрение 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.

Публикации. Результаты исследования приведены в 9 публикациях, в том числе двух публикациях в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка использованной литературы, включающего 93 наименования. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, иллюстрирована 24 рисунками и 4 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели, задачи, предмет и объект исследования, показаны научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе «Анализ эксплуатации котлов с жидким шлакоудалением и существующие технологии стабилизации выхода жидкого шлака» проведен анализ топливной базы ТЭС и эксплуатации котлов с жидким шлакоудалением, рассмотрены существующие технологии стабилизации выхода жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением, описаны их преимущества и недостатки, а также показана перспектива их применения для пылеугольных ТЭС. В главе осуществлена постановка задачи по применению безмазутной и безгазовой стабилизации выхода жидкого шлака в парогенераторах с жидким шлакоудалением при использовании надподовых плазменно-угольных горелок.

В последние 30-40 лет наблюдается тенденция ухудшения качества добываемого и поставляемого на ТЭС твердого топлива наряду с увеличением его доли в топливном балансе, которые являются мировой тенденцией. Современные экономические условия вынуждают их работать на непроектном топливе и даже нескольких видах (смесях) непроектных топлив с отличным от проектного топлива составом минеральной части, что оказывает существенное влияние на плавкостные характеристики получаемой золы. Использование непроектных углей в будущем реально, так как сужение топливной базы характерно для многих стран или их отдельных регионов. Ухудшение качества частично связано со значительной выработкой действующих угольных месторождений. Современные способы добычи угля позволяют увеличить объемы добываемого твердого топлива, но сказываются на его качестве. Количество обогатительных фабрик не удовлетворяет росту его потребления на ТЭС. К тому же в результате обогащения можно снизить лишь зольность и влажность углей, тогда как увеличить выход летучих в низкореакционных топливах путем обогащения в принципе невозможно, учитывая довольно высокую стоимость обогащения.

Непосредственное сжигание твердых топлив ухудшенного качества, непроектных видов топлив связано со значительными трудностями ухудшения воспламенения, стабилизации горения, полноты выгорания угля и стабильной эвакуации жидкого шлака. Снижение температурного уровня горения в активной зоне горения приводит к интенсивной сепарации несгоревших частиц топлива на под топки, что даже при полной нагрузке котла не позволяет достичь необходимых условий устойчивого выхода шлака в котлах с жидким шлакоудалением.

Сжигание углей с одинаковыми значениями температуры нормального жидкого шлакоудаления (T_нж) с отличающейся по составу минеральной частью на котлах с жидким шлакоудалением различных конструкций показывает значительное отличие в их маневренности. Ситуация осложняется работой пылеугольных ТЭС не в базовой части графика нагрузок, их работой с разгрузкой до технологического минимума (вплоть до останова), когда создаются условия для ухудшения стабильности выхода жидкого шлака. Это создает реальную угрозу превышения допустимых пределов в эксплутационном диапазоне нагрузок.

На показатели котлов, работающих на низкореакционных углях, оказывает влияние и качество ремонтного обслуживания. Несмотря на увеличившиеся периоды простоев в ремонте, на многих электростанциях не удается поддерживать котельное оборудование в удовлетворительном состоянии. При недостатке времени и нехватке персонала часто не выполняются или выполняются не в полном объеме такие работы, как уплотнение топочной камеры и газового тракта, восстановление зажигательных поясов, ремонт горелок, восстановление подогревателей.

Обеспечение устойчивой работы котлоагрегатов ТЭС при снижении качества поставляемого угля и в режимах с пониженными нагрузками традиционно достигается подсветкой пылеугольного факела более высокореакционным жидким или газообразным топливом, расход которого зависит от теплоты сгорания, влажности, зольности сжигаемого топлива, химического состава золы и способа сжигания. Для систем шлакоудаления создаются неблагоприятные условия на пиковых выходах шлака. Поэтому для обеспечения стабилизации воспламенения пылеугольного факела и эвакуации жидкого шлака при снижении качества твердого топлива и работе при сниженных нагрузках требуется соответствующее увеличение расхода высокореакционного топлива.

В мире на эти цели ежегодно расходуется более 50 млн. т мазута в год, более 5 млн. т мазута ежегодно используется на пылеугольных ТЭС России. При этом увеличение глубины переработки нефти ведет к значительному ухудшению качества и снижению реакционной способности топочного мазута и требует обеспечения мероприятий по воспламенению, а также устойчивому горению. Это связано с дополнительными эксплуатационными затратами. К тому же совместное сжигание его с углем при различных коэффициентах избытка воздуха для топлив с различной реакционной способностью ухудшает экологические показатели, создает условия для увеличения скорости высокотемпературной и низкотемпературной серной коррозии поверхностей нагрева, что снижает эксплуатационную надежность и увеличивает вероятность возгорания отложений в хвостовых частях котлоагрегата. Поддержание эксплуатационного состояния низкосортного мазута значительно увеличивает эксплуатационные затраты. Но даже и эти негативные моменты отходят на второй план в сравнении с ситуацией, когда из-за его отсутствия невозможно осуществить растопку пылеугольных блоков, осуществить их перепуск и нормальный плановый останов. Возникающий при этом экономический ущерб трудно оценить. Использование мазута для стабилизации топочного процесса и выхода жидкого шлака не решает проблему повышения эффективности топливоиспользования, понижая эксплуатационную надежность котлов с жидким шлакоудалением.

Существующие методы стабилизации эвакуации жидкого шлака с использованием высококалорийного природного газа также не перспективны ввиду значительной удаленности большинства ТЭС от магистральных трубопроводов природного газа, а также ввиду потенциальных ограничений поставок газа на пылеугольные ТЭС. Газ, как наиболее чистый вид топлива, будет использоваться в первую очередь для обеспечения растущей потребности в тепле с использованием наиболее прогрессивных типов оборудования (парогазового и газотурбинного). Сложившиеся экономические условия, тенденция повышения стоимости газа на рынке и существующие условия его потребления на ТЭС в значительной степени затрудняют решение вопроса стабилизации выхода жидкого шлака с использованием природного газа в электроэнергетике.

Совершенствование существующего станционного оборудования на ряде тепловых электростанций с реконструкцией горелочных устройств и разработкой различных рекомендаций, направленных на повышение эффективности сжигания твердого топлива, позволило повысить надежность выхода шлака. Однако при снижении низшей теплоты сгорания до 16мДж/кг (3900ккал/кг), увеличении влажности до 11% и зольности до 40 % проведенные реконструкции не позволили полностью избежать «пиковых» выходов жидкого шлака. Теплосиловое оборудование после реконструкции становится более чувствительным к тепловой нагрузке горелок. Традиционные методы интенсификации процесса горения (утонение помола топлива, повышение температуры вторичного воздуха и аэросмеси, интенсификация смешения горючего и окислителя и т.д.) уже не дают существенных результатов и в основном исчерпали свои возможности, как в технических, так и в эколого-экономических аспектах.

Из проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1. Общей проблемой для котлов с жидким шлакоудалением в настоящее время является неудовлетворительная эвакуация жидкого шлака в эксплутационном диапазоне нагрузок.

2. Использование высокореакционных видов топлив требует решения связанных с этим ремонтно-эксплуатационных, экологических и технико-экономических проблем.

3. Необходимость совместного сжигания высокореакционных топлив и угля с переменными характеристиками вызывает множество проблем режимного характера. Стоимость этих видов топлива выше угля и будет продолжать расти вследствие объективных причин.

4. Качество проведения ремонтных работ и износ основного оборудования диктуют необходимость технического перевооружения.

5. Надподовые мазутные и газовые горелки и их модификации, используемые для стабилизации эвакуации шлака в котлоагрегатах с жидким шлакоудалением, становятся реальной необходимостью в сложившихся условиях.

6. Совершенствование существующих традиционных технологий топливоиспользования для решения вопросов стабилизации выхода жидкого шлака и технологий, способствующих снижению расхода мазута или природного газа, в основном исчерпали свои возможности, как в технических, так и в эколого-экономических аспектах.

7. Тенденция повышения доли твердого топлива на тепловых электростанциях приводит к необходимости поиска новых менее затратных технологий.

8. Ужесточение экологических нормативов по выбросам вредных веществ в атмосферу, обеспечение стабильности горения пылеугольного факела и эвакуации жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением усиливают актуальность повышения эффективности использования твердого топлива в электроэнергетике.

Решение этих задач связано с внедрением принципиально нового подхода к сжиганию низкосортных и непроектных твердых топлив для обеспечения надежности работы котлов с жидким шлакоудалением в различных эксплуатационных режимах. Наиболее перспективным на настоящий момент является направление, связанное с повышением реакционной способности твердого топлива. Наиболее полно этим требованиям отвечает метод термохимической подготовки топлива, позволяющий воздействовать на реакционную способность топлива, и тем самым, стабилизировать и интенсифицировать процесс горения.

На рисунке 1 представлены расчетные данные по изменению температуры в зоне горения при различных методах организации сжигания топлива с различной зольностью.

Рис. 1. Изменение температуры горения в зависимости от температуры топлива: 1 - подогрев угля; 2 - термохимическая обработка угля

При обычном подогреве топлива, независимо от его зольности, рост температуры горения незначителен (кривая 1 на рис.1). Использование метода термохимической подготовки позволяет значительно повысить температуру горения (кривые 2 рис. 1 относятся к углям с различной зольностью, в частности, АШ). Высокозольные угли можно сжигать при более высоких (на 200-300°С) температурах, повышая их реакционную способность, снижая время реакции и увеличивая полноту сгорания топлива. С ростом начального нагрева двухфазного топлива повышается его реакционная способность и, соответственно, эффективность процесса горения.

Способ термохимической подготовки топлива является наиболее перспективным методом стабилизации горения пылеугольного факела и эвакуации жидкого шлака, представляющим использование плазменной технологии безмазутного (безгазового) воспламенения твердых топлив. Плазменная технология безмазутной стабилизации выхода жидкого шлака основана на электротермохимической подготовке топлива к сжиганию с использованием плазмы электродугового разряда, взаимодействующего с пылеугольным потоком в ограниченном объеме специальной камеры. Для реализации этой технологии разработана надподовая плазменно-топливная система (ПТС), взамен мазутных надподовых форсунок.

Использование низкотемпературной плазмы для активации горения пылеугольного факела во многих случаях энергетически более эффективно, чем применение традиционных огневых методов: плазма обладает высокой концентрацией химически активных атомов, радикалов, ионов и электронного газа, что способствует ускорению термохимических превращений твердого топлива и окислителя. Термическая подготовка с использованием электродуговой плазмы способствует повышению стабильности процесса горения, его интенсивности, более полному выгоранию твердого топлива и существенному повышению температуры в топочном пространстве.

Суть предложенного метода электротермохимической подготовки топлива (ЭТХПТ) к сжиганию заключается в воспламенении пылеугольной аэросмеси за счет воздействия плазмой на небольшую часть потока с последующим переводом в автотермическую стадию процесса термохимической подготовки топлива в ограниченном объеме камеры ЭТХПТ. Тем самым из твердого топлива получают высокореакционное двухкомпонентное топливо, состоящее из горючих газов (СО, Н₂, СН₄) и коксового остатка, образующегося за счет частичной газификации угля. Полученное искусственное двухкомпонентное топливо поступает в топочное пространство, где происходит его самовоспламенение при смешении с вторичным воздухом. Летучие вещества в значительной степени активизируют воспламенение топливных частиц и способствуют интенсификации процесса горения. Такое повышение температур в топочном пространстве создает условия для стабильной эвакуации жидкого шлака. Для углей с выходом летучих 30% и выше такой подготовке подвергают весь пылеугольный поток, поступающий в горелку. При сжигании низкореакционного угля его поток разделяется на две части: первая часть (не менее 20%) проходит ЭТХПТ и частично воспламеняется, при взаимодействии с плазмой в камере ЭТХТП. Нагрев остальной части аэросмеси вниз по потоку происходит в результате смешивания с первой частью в объеме той же камеры ЭТХПТ.

Для достижения необходимого уровня температур в надподовой области и обеспечения жидкоплавкого состояния шлака, особенно при разгрузке котлоагрегата, целесообразно использовать автономные надподовые ПТС. Использование их позволяет повысить полноту выгорания пылеугольного факела, уровень температур в надподовом пространстве и добиться стабильной эвакуации жидкого шлака. При этом исключается применение для этих целей высокореакционных видов топлив (природного газа и мазута).

Для достижения поставленных задач исследования по использованию плазменных методов безмазутной (безгазовой) стабилизации выхода жидкого шлака учитывались следующие обстоятельства:

Традиционные методы по снижению потребления мазута и газа на ТЭС, такие как использование мазутных, газовых надподовых горелок, предварительная ТХПТ, с использованием природного газа или топочного мазута, становятся по объективным вышеизложенным причинам неактуальными, не соответствующими современным экологическим, экономическим и эксплуатационным требованиям. Они не позволяют полностью исключить потребление этих видов топлив. Ухудшение качества поставляемого твердого топлива на ТЭС, существенное изменение состава минеральной части и ее неоднородность ставят ряд вопросов об эффективности использования флюсовых добавок для улучшения плавкостных характеристик шлака в топках с жидким шлакоудалением. Дальнейшее повышение эффективности топливо-использования связано с освоением принципиально новых плазменно-энергетических технологий, позволяющих решить задачи, стоящие перед современными пылеугольными тепловыми электростанциями

Во второй главе «Расчетно-теоретическое обоснование эффективности плазменных методов стабилизации выхода жидкого шлака» представлено расчетно - теоретическое обоснование эффективности применения плазменно-энергетических методов для стабилизации выхода жидкого шлака.

Эффективность процесса расплавления шлака с использованием плазменно-угольной горелки зависит не только от дополнительного количества тепла, вносимого в нижнюю часть топки, но и дожигания несгоревшей пыли, сепарирующейся из факела основных горелок. Условием надежной эвакуации жидкого шлака из топки котлоагрегата является температура _фmin на выходе из зоны активного горения, которую можно определить по формуле (1):

(1)

где ?Т=Т_нж - Т_гр - перепад температур в стекающей пленке жидкого шлака, К; Т_нж - температура нормального жидкого шлакоудаления, К; Т_гр - температура на границе неподвижного и стекающего шлака, К; л_шл - теплопроводность расплавленного угольного шлака, кВт/(м•К); ц_шл - характеристика вязкости шлака, 1/град; б_аг - приведенная степень черноты зоны активного горения; м_гр - вязкость при температуре Т_гр, Па•с; G_о - количество вводимой в топку золы, кг/с; б_шл - коэффициент шлакоулавливания б_шл= 1 - б_ун; g - ускорение свободного падения, g=9,81

/с²; с_шл - плотность шлака, кг/м³; U - периметр сечения зоны активного горения, м.

Из формулы (1) следует, что при снижении качества поставляемого на ТЭС угля с возрастанием величин Т_нж, _шл, ?Т возрастает минимальная температура факела, необходимая для надежного шлакоудаления. Расчеты минимальной температуры факела _фmin с использованием формулы (1) при зольности угля 24% и измененной минеральной частью золы показывают увеличение значения минимальной температуры факела _фmin на 50 градусов (рис. 2), что впоследствии подтвердилось проведенными испытаниями по стабилизации выхода жидкого шлака на котле БКЗ-640 Гусиноозерской ГРЭС.

Рис. 2. Зависимость изменения Т_нж и _фmin при изменении зольности

Мощность плазменно-угольной горелки для обеспечения плавки и стабилизации выхода жидкого шлака должна быть аналогична мощности заменяемых надподовых мазутных горелок. Зная тепловую мощность горелки, можно определить расход твердого топлива, количество плазменно-угольных горелок, необходимых для обеспечения стабильной эвакуации жидкого шлака.

Минимальную мощность плазмотрона для плазменно-угольной горелки определяют из оптимизированной зависимости относительной электрической мощности плазмотрона от выхода летучих воспламеняемого твердого топлива:

= f (V^г)

Особенностью плазменно-угольных горелок для расплавления шлака является введение не просто дополнительного тепла в нижнюю часть зоны активного горения, а высокореакционного двухкомпонентного топлива, подогретого до высоких температур в результате ЭТХПТ. Дополнительное тепло, полученное при использовании таких горелок, позволяет сжигать пыль, сепарирующуюся на под топки из основных горелок. При этом существенно повышается локальная температура вблизи подовой части котлоагрегата, необходимая для достижения стабильного выхода жидкого шлака.

На практике при использовании плазменно-энергетических технологий применяются электродуговые плазмотроны с плазмообразующим газом - воздухом. Низкотемпературная плазма получается в результате электрического разряда между электродами (Катодом и Анодом). Электротермохимическая подготовка твердых топлив к сжиганию посредством низкотемпературной плазмы обладает рядом важных свойств. Использование электродуговой плазмы с высокими значениями удельной теплонапряженности (200-300МВт/м³) и концентраций химически активных атомов (С, О, Н), радикалов (ОН, СН, СN), ионов (О^-2, Н⁺, ОН^-, С⁺⁴, Н⁺²) и электронного газа способствует многократному ускорению термохимических превращений топлива. Поскольку эти реакции в объеме горелки происходят с избытком воздуха =0.4-0.5, то не происходит полного окисления углерода до СО₂, а только до СО.

Термодинамический анализ ЭТХПТ выполняется с использованием математической модели движения, теплопереноса и термохимических превращений пылеугольного топлива в горелочном устройстве с плазменным источником с помощью компьютерной программы «Plasma-coal».

Математическая модель описывает двухфазный (угольные частицы и газ - окислитель) химически реагирующий поток с внутренним источником тепла (электрическая дуга, плазменный факел или экзотермические реакции). Аэросмесь поступает в камеру ЭТХПТ, в которой происходит тепломассообмен между газом и электрической дугой, газом и частицами, частицами различных фракций. Учитываются также гидродинамическое сопротивление и теплообмен со стенкой двухфазного реагирующего потока. Рассматриваются следующие химические превращения топлива и окислителя: выделение летучих из угля, их изменения в газовой фазе, а также реакции газификации углерода топлива.

Система обыкновенных дифференциальных уравнений включает в себя уравнения концентраций компонентов (уравнения химической кинетики) вместе с уравнениями для скоростей и температур газа и частиц.

При формировании начальных условий к системе уравнений задаются значения начальных скоростей и температур газа и частиц соответственно, давления на входе в реактор, температуры стенки при х=0, массовые расходы газа и твердой фазы, диаметр камеры ЭТХПТ.

На рисунке 3 представлена расчетная схема муфеля с плазмотроном -- основным элементом системы плазменного воспламенения углей. Муфель разделен условно на три расчетные ступени, первая из них включает электродуговую зону, где плазма нагревает аэросмесь до температуры воспламенения, при которой начинается процесс газификации угольных частиц. Количество аэросмеси подбирается таким образом, чтобы мощность электрической дуги была достаточной для инициирования процесса.

Рис. 3. Схема цилиндрической камеры ЭТХПТ

После выполнения расчета 1-й ступени переходим к составлению начальных условий для расчета 2-й ступени, для чего учитывается нагрев всей аэросмеси на данной ступени, мощность теплового источника и определяется исходный состав угля и газовой фазы. С этой целью вначале рассчитывается величина тепловой энергии, выделяющаяся в результате химических реакций при смешении газообразных продуктов термохимической подготовки угля, полученных на 1-й ступени, с кислородом первичного воздуха аэросмеси 2-й ступени. Затем определяется расстояние вдоль канала, на котором учитывается действие этого теплового источника. Расстояние определяется исходя из времени, необходимого для протекания реакций окисления.

На первой ступени небольшая часть топлива (5-10%) подвергается плазменной электротермохимической подготовке. Это - аллотермический процесс, так как необходимое тепло вносится от плазменного источника - плазмотрона.

На второй ступени в процесс термохимической подготовки топлива к сжиганию вовлекается уже значительно большая часть топлива, которая служит источником тепла для оставшейся аэросмеси на третьей ступени камеры ЭТХПТ - автотермический процесс, так как необходимое тепло вносится от продуктов, полученных на предыдущих ступенях .

Программа «Plasma-Сoal» позволяет выполнить одномерный расчет плазменно-угольной горелки. По результатам расчетов определяется необходимая длина горелки. Результаты расчетов также являются исходными данными для трехмерных расчетов процессов сжигания топлива в топке котла после плазменно-угольных горелок.

Кинетический анализ процессов ЭТХПТ в плазменно-угольных горелках рассмотрен на примере трехмерного расчета топки котлоагрегата «Ермаковской ГРЭС», полученного с использованием компьютерной программы «FLOREAN» в режиме номинальной нагрузки котла без плазменной активации и с плазменной активацией пылеугольного факела в шести основных горелках. Расчеты показали, что при разбиении топочного пространства на множество контрольных объемов наблюдается вполне определенная картина. В первом варианте расчета принято, что шесть горелок переоборудованы с оснащением плазменно-угольными горелками, расположенными в нижнем ярусе. Для численного моделирования использовалась сетка размером 25х47х58, что соответствует 68 150 контрольным объемам. Расчеты показали, что воспламенение и горение с применением плазменной активации пылеугольного факела начинается уже на выходе из горелки. При этом изменяется поле температур в зажигательном поясе в сторону их увеличения уже на выходе из камер ЭТХПТ, равномерно заполняя зону активного горения. Также можно заметить, что температуры по высоте топки, рассчитанные для активированного плазмой горения, ниже температур, рассчитанных для традиционного режима сжигания угля.

Плазменная активации пылеугольного факела позволяет снизить концентрацию оксидов азота в зоне активного горения (в ярусе плазменно-угольных горелок) и по высоте котлоагрегата. Расчеты показали, что в основном температуры по высоте топки, рассчитанные для активированного плазмой горения, ниже температур, рассчитанных для традиционного режима горения угля. При этом в нижней части топки до уровня верхнего яруса горелок температура горения угля с плазменной активацией значительно выше температуры горения угля в традиционном режиме. Такое повышение температуры можно объяснить влиянием плазменной активации, вызывающей более ранний прогрев и воспламенение аэросмеси со смещением фронта пламени к выходу из плазменно-угольных горелок.

Применение плазменной активации пылеугольного факела увеличивает концентрацию СО₂ в зоне активного горения, что говорит о более полном протекании реакций С + О₂ = СО₂, 2СО + О₂ = 2СО₂ и повышении степени выгорания топлива. Расчеты качественно характеризуют процессы активации твердого топлива. Когда ПТС поддерживают процесс горения твердого топлива, наблюдается более полное его сгорание и снижение мехнедожога.

Необходимыми условиями для эффективного использования плазменных методов стабилизации выхода жидкого шлака в энергетических котлах являются:

1. Наличие качественных исходных данных для проведения проектных работ, изготовления и внедрения плазменных систем.

2. Наличие выделенного источника с резервным питанием плазменных систем.

3. При непрерывной работе необходимо организовать замену электродов плазмотрона на работающем котле.

4. Для обеспечения непрерывности и надежности подачи пыли к подовой горелке наличие поперечных связей по трубопроводам пыли высокой концентрации (ПВК).

5. Для обеспечения безопасной эксплуатации необходимы следующие мероприятия:

ѕ автоматическое отключение плазмотрона при аварийном режиме его работы;

ѕ система контроля и сигнализации о неисправности за работой всех узлов плазменно-угольной горелки;

ѕ сигнализация об отключении плазмотрона с последующим автоматическим отключением подачи пыли на горелку с неработающим плазмотроном;

ѕ оснащение камер ЭТХПТ индивидуальным датчиком контроля факела.

6. Все работы должны выполняться с соблюдением нормативных документов Российской Федерации и Общих требований к системам безмазутной растопки котлов и стабилизации пылеугольного факела с использованием электродуговых плазмотронов.

Перечисленные условия являются необходимыми и вполне реализуемыми в условиях ТЭС.

В третьей главе «Исследование плазменной стабилизации выхода жидкого шлака на котлах Гусиноозерской ГРЭС» описаны исследования плазменно-энергетической стабилизации выхода жидкого шлака на котлах Гусиноозерской ГРЭС, промышленные испытания безмазутной стабилизации выхода жидкого шлака на котле БКЗ-640-140-ПТ1 (станционный № 4). Показана эколого-экономическая эффективность плазменно-энергетических технологий стабилизации выхода жидкого шлака.

Топка котлоагрегата полуоткрытая с двумя восьмигранными предтопками с тангенциальным расположением 16 инжекторных основных горелок в два яруса. Система пылеприготовления полуразомкнутая с промбункером. Система подачи пыли к основным горелкам выполнена по пылепроводам высокой концентрации (ПВК).

При промышленных испытаниях безмазутной стабилизации выхода жидкого шлака на котле БКЗ-640-140-ПТ1 с использованием плазменно-угольной горелки ставилась задача исключения подсветки мазутом для обеспечения выхода жидкого шлака и повышения температуры в подовой части топки.

Термодинамические расчеты, необходимые для постановки экспериментов, были выполнены по компьютерной программе TERRA. Расчеты подтвердили возможность получения высокореакционного двухкомпонентного топлива (горючий газ + коксовый остаток) из низкосортного бурого Холбольджинского угля (табл. 1).

Таблица 1 - Химический состав Холбольджинского угля (V^г=45%, Q_н^р=16,5МДж/кг), масс. %

Ad	C	O	H	N	S	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO
21.3	55.9	17.7	3,9	0.9	0.3	11.74	4.7	2.20	2.1	0.6

Расчеты показывают, что оптимальный диапазон температур процесса ЭТХПТ для обеспечения жидкого шлакоудаления составляет 1100-1300 К.

В филиале «Гусиноозерская ГРЭС» ОАО «ОГК-3» (ГО ГРЭС) в связи со снижением качества поставляемого на станцию проектного Холбольджинского угля, повышением зольности и ухудшением плавкостных характеристик золы выход жидкого шлака на котлоагрегатах БКЗ-640-140-ПТ1 заметно ухудшился. Как следует из рисунка 4, с увеличением зольности снижается величина низшей теплоты сгорания топлива на рабочую массу, что приводит к снижению адиабатической температуры горения Та.

Рис. 4. Зависимость теплоты сгорания и температуры жидкоплавкого состояния t₃ от зольности угля Холбольджинского месторождения

С увеличением зольности Холбольджинского угля А^d в 1997-1999г.г., от проектного значения 13,8% до 28%, возросла t₃ - температура жидкоплавкого состояния золы на 50-70?С, вследствие преобладания кислотных оксидов Al₂O₃, SiO₂, что говорит об увеличении доли породы в поставляемом топливе. Преобладание их над основными окислами приводит к увеличению значения коэффициента плавкости золы К_пл, повышению температур начала размягчения t₂ и жидкоплавкого состояния золы t₃. С увеличением коэффициента жидкоплавкого состояния золы К_в наблюдается увеличение температуры нормального жидкого шлакоудаления.

Для стабилизации горения пылеугольного факела и обеспечения устойчивого выхода шлака с пода котлоагрегата ранее на ГО ГРЭС использовались надподовые мазутные форсунки. Особенностью надподовых плазменно-угольных горелок является внесение необходимого количества тепла не на весь объем зоны активного горения, а в зону, расположенную ниже основных горелок, где необходимо обеспечить нагрев шлака для стабильной его эвакуации. Большой расход мазута (более 100 000 т в 1993 г.) на ГО ГРЭС поставил вопрос о возможности реализации на станции плазменной стабилизации горения факела и эвакуации жидкого шлака.

На основе анализа режимов работы котлов, снижения качества угля и расходов мазута на ГО ГРЭС было принято решение об использовании ПТС, разработанных в ОЦ ПЭТ, и создании на их базе надподовой плазменно-угольной горелки для безмазутной стабилизации эвакуации жидкого шлака. При разработке такой горелки ставилась задача полного исключения подсветки мазутом для обеспечения выхода жидкого шлака. Надподовые плазменно-угольные горелки устанавливались на месте демонтированных мазутных форсунок.

Конструкция надподовых плазменно-угольных горелок и схема их установки на котле показаны на рисунках 5 и 6. Плазменно-угольная горелка (рис. 5) представляет собой предвключенную камеру ЭТХПТ цилиндрической формы диаметром 325мм и длиной 1.6м, внутренняя сторона которой покрыта огнеупорным теплоизоляционным материалом.

Рис. 5. Предвключенная плазменно-угольная надподовая горелка 1 - плазмотрон; 2 - подвод аэросмеси; 3 - подвод вторичного воздуха; 4 - стенка топки

Во входной части корпуса горелки встроен патрубок, в котором установлен плазмотрон 1. Пылеугольная аэросмесь подается по каналу 2, вторичный воздух подается через подвод 3. В качестве источника электропитания плазмотрона использовался серийно выпускаемый источник электропитания постоянного тока ТПЧ-500. Во время испытаний плазменной стабилизации выхода жидкого шлака электрическая мощность плазмотрона регулировалась в пределах 60-120 кВт. В процессе проведения опытов были произведены замеры температуры факела в пяти точках, показанных на рисунке 6. на уровне оси основных горелок при подаче угольной пыли с включенным плазмотроном и отборы проб шлака для анализа его химического состава.

Плазменно-угольная горелка была установлена с боковой стороны на 0.3м выше оси пода котлоагрегата и на 1м ниже основных горелок. Угольная пыль к горелке подавалась от пылепитателя первичным воздухом через смеситель. Первичный воздух поступал из коллектора воздуходувок. В воздуховод первичного воздуха встроен смеситель, в который подается пыль высокой концентрации. Вторичный воздух с температурой 355?С отбирается из общего короба и подается по кольцевому каналу вдоль камеры ЭТХПТ. Расходы первичного и вторичного воздуха регулируются шиберами.

Целью работы являлось определение оптимального режима работы горелки для стабилизации выхода жидкого шлака на котлоагрегате БКЗ-640-140-ПТ1 с жидким шлакоудалением и определение возможности исключения применения для этой цели топочного мазута.

Рис. 6. Схема замера точек 1-5 температуры факела. I - надподовая горелка; II - основная горелка; III - линия пода котла

Полный процесс сгорания топлива разделен на два этапа. На первом этапе поток аэросмеси в предвключенной камере ЭТХПТ подвергается термическому воздействию плазменной струи. Под воздействием плазменной струи происходит разогрев аэросмеси до температуры выделения летучих и частичной газификации коксового остатка. Первичный воздух в камеру подается с коэффициентом избытка воздуха =1.17. Вследствие недостатка окислителя на этом этапе углерод окисляется только до оксида углерода СО. Температура на выходе из горелки достигает 1200-1300?С за счет протекания экзотермической реакции С+0.5О₂=СО. На втором этапе происходит сгорание полученной горючей смеси (горючий газ и коксовый остаток) над подом топки при ее смешении с вторичным воздухом.

При испытаниях использовали Холбольджинский бурый уголь со следующими характеристиками:

влажность угольной пыли - W^р = 19,3%, зольность - А^d = 13,8%, выход летучих - V^г = 43,5%, высшая теплотворная способность - Q_в^р = 5175 ккал/кг; химический состав золы: SiO₂ = 48,5%, CaO = 17,3%, Fe₂O₃ = 12%, MgO = 2,9%, Al₂O₃ = 8,3%; фракционный состав угольной пыли по данным ситового анализа: R₉₀ = 40%, R₂₀₀ = 50%, R₅₀₀ = 4,8%.

Порядок включения надподовой плазменно-угольной горелки осуществлялся следующим образом: вначале подавался первичный и вторичный воздух, затем включался плазмотрон и затем пылепитатель. Во время испытаний паровая нагрузка котла составляла 450 т/ч, что соответствует 70% от его номинальной паропроизводительности. В этом режиме для обеспечения устойчивого выхода жидкого шлака в работе используются 4 мазутные форсунки - по две на каждый предтопок с производительностью 2,1 т/ч по мазуту. Затем в левом предтопке, где установлена надподовая горелка, мазутные форсунки были погашены. Через 5-7 минут после отключения мазутных форсунок выход жидкого шлака в левом предтопке заметно ухудшился, а через 25 - 30 минут шлак стал застывать и выход его практически прекратился. В правом предтопке, где в работе остались две мазутные форсунки, режим выхода шлак не изменялся. Через час после прекращения подачи в левый предтопок мазута был включен плазмотрон и подана пылеугольная аэросмесь в надподовую горелку. Электрическая мощность плазмотрона составляла 70 кВт, расход топлива на горелку - 3,7 т/ч (е = 0,2%). Через 5 -7 минут наблюдалось постепенное размягчение и плавление шлака, а через 15 минут восстановился нормальный выход шлака. Затем через 40 минут плазмотрон был отключен, а пылевоздушная смесь продолжала поступать в надподовую горелку. Вязкость шлака заметно возросла. Кроме того, в летке визуально просматривалась сепарация угольной пыли, что свидетельствовало о заметном мехнедожоге топлива. Через 20 минут после отключения плазмотрон снова был включен. Через 10 минут сепарация прекратилась, выход жидкого шлака стабилизировался. Продолжительность эксперимента составила 3 часа.

При работе надподовой горелки был взят анализ химического состава шлака: SiO₂ = 53,3%, Fe₂O₃ = 12,8%, CaO = 14,2%, MgO = 5,8%.

Унос горючих со шлаком в левом предтопке при различных режимах составил:

при работающих мазутных форсунках и отключенной надподовой горелке С_гшл = 0;

при отключенных мазутных форсунках, работающей надподовой горелке и включенном плазмотроне С_гшл = 0;

при отключенных мазутных форсунках, подаче угольной пыли в подовую горелку с отключенным плазмотроном С_гшл = 3,8%.

В процессе проведения опытов были произведены замеры температуры факела в левом предтопке в пяти точках через смотровые лючки основных горелок (рис.6) оптическим прибором ОППИР - 017.

В таблице 2 приведены усредненные по 11 измерениям температуры в надподовом пространстве топки (по оси смотровых лючков) для трех различных режимов работы.

Таблица 2 - Температура факела в надподовом пространстве при мазутной и плазменной стабилизации выхода жидкого шлака, ?С

№ точки замера	1	2	3	4	5
Отключенная надподовая горелка (работа на мазуте)	1510	1510	1515	1510	1510
Включенная надподовая горелка (с плазмотроном)	1555	1555	1550	1545	1560
Включенная надподовая горелка (без плазмотрона)	1527	1523	1525	1527	1537

Как видно из таблицы, температура факела, замеренная на уровне оси основных горелок, при подаче угольной пыли с включенным плазмотроном повысилась на 35-45?С, а в области летки на 50?С. По оценке, исходя из наблюдавшегося улучшения выхода жидкого шлака, температура шлаковой пленки в данном опыте повышалась на 70-80?С. При подаче в горелку пылевоздушной смеси без термообработки (без плазмотрона) наблюдалось незначительное повышение температуры факела максимально на 15-20?С. По данным анализа шлака, в этом режиме имел место заметный мехнедожог, что подтвердил химический анализ уноса горючих в шлаке. Полученные результаты свидетельствуют о невозможности улучшения плавки шлака путем лишь дополнительного подвода пылевоздушной смеси в надподовое пространство.

Результаты испытаний показывают, что плавление шлака обеспечивается повышением температуры над подом топки за счет увеличения реакционной способности топлива, прошедшего электротермохимическую подготовку в плазменно-угольной горелке. Наблюдается более быстрое и полное его выгорание (С_{г шл} = 0). Мехнедожог топлива в целом снизился до проектной величины 0,5%. При постоянной работе надподовых плазменно-угольных горелок наблюдалось снижение выбросов оксидов азота. При адиабатической температуре горения Холбольджинского угля 1722?С и температуре вблизи летки 1560?С запас регулирования по температуре составляет 100-150?С. Таким образом, испытания показали, что плазменно-угольные горелки позволяют обеспечить безмазутную и безгазовую стабилизацию выхода жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением.

Расчеты эколого-экономической эффективности плазменных технологий только для решения вопросов безмазутной стабилизации выхода жидкого шлака показывают значительную экономию средств при внедрении системы на 4 котлах с жидким шлакоудалением. Срок окупаемости при внедрении плазменной системы на четырех котлах с жидким шлакоудалением составляет менее одного года. Необходимо отметить, что наибольшее влияние на срок окупаемости оказывает не стоимость плазменной системы, а стоимость мазута и твердого топлива.

Таким образом, использование плазменной технологии для решения вопросов стабилизации выхода жидкого шлака при замене мазутной горелки на плазменно-угольную дает значительный экономический эффект при сжигании угля низкого качества и режимах с минимальной нагрузкой.

В заключении диссертационной работы обобщены результаты проведенного исследования, сформулированы основные выводы и даны рекомендации по практическому применению предлагаемой плазменно-энергетической технологии, сделаны рекомендации по ее внедрению для стабилизации выхода жидкого шлака на котлоагрегатах современных пылеугольных ТЭС.

ВЫВОДЫ

Повышение реакционной способности исходного твердого топлива возможно только за счет его термохимической подготовки к сжиганию.

• Плазменные технологии позволяют полностью исключить использование для стабилизации выхода жидкого шлака высокореакционных видов топлив (природного газа и топочного мазута).

• Дополнительное тепло, полученное при использовании надподовых плазменно-угольных горелок, позволяет повысить степень выгорания топлива и локальную температуру вблизи подовой части котла, необходимую для достижения стабильного выхода жидкого шлака в широком диапазоне эксплуатационных нагрузок.

• Испытания, проведенные на ГО ГРЭС, показали, что плазменно-угольные горелки обеспечивают безмазутную стабилизацию выхода жидкого шлака в топке с жидким шлакоудалением.

• Применение плазменно-угольных горелок на различных котлах с широким спектром сжигаемых углей позволяет осуществить не только безмазутную стабилизацию выхода жидкого шлака, но и безмазутную растопку котлов, стабилизацию горения пылеугольного факела.

• Внедрение плазменно-угольных горелок дает существенный экономический эффект, их срок окупаемости составляет менее одного года.

...