ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ ДЛЯ СЖИГАНИЯ АНГРЕНСКОГО БУРОГО УГЛЯ
На современном этапе мирового развития угольной энергетики разрабатываются и внедряются эффективные технологий для сжигания твердых топлив. Одной из таких является технология циркулирующего кипящего слоя (ЦКС). Впервые в 1987 году в штате Колорадо (США) был запущен в эксплуатацию котлоагрегат с ЦКС мощностью 110 МВт. В 1990 г. на станции «Вертон» (Швеция) были запущены в эксплуатацию энергоблоки с ЦКС мощностью 130 и 220 МВт. Связывались 90% серы, умеренные выбросы оксидов азота составили в пределах 200...300 мг/м3. Расход электроэнергии на поддержание кипящего слоя КС составил 1,5 % (14 кВт/МВт), расход на собственные нужды 2,6% (26 кВт/МВт). Скорость газового потока составила 6.8 м/с. Среднее время пребывания частиц в топке ЦКС составило 100 сек., механический недожог находился в пределах 1.1,5% (в КС 3.6%). Объемное теплонапряжение топки составило 290 кВт/м3 (в КС 250 кВт/м3).
В Джексонвилле (штат Флорида, США) работает энергоблок ЦКС мощностью 300 МВт. Фирма “Foster Wheller” работает над четвертым поколением технологии ЦКС, построив энергоблок мощностью 400 МВт.
В настоящее время ЦКС внедряются во многих странах мира. Несмотря на это, в некоторых работах помимо преимуществ технологии ЦКС, приводятся и её недостатки, например, в работе [1] говорится о постоянно проводимых технических совершенствованиях фирмой “Foster Wheeler“ конструкций топок с ЦКС. В работе [2] отмечается, что котлы ЦКС являются неэкономичными и с экологической точки зрения грязными, а также следует учесть проблему улавливания крупной золы с более высоким недожогом, содержащей сверхтоксичные канцерогены.
Анализ опубликованных, научно-практических трудов и информационных материалов, посвященных технологии ЦКС, показал, что она пригодна не для всех марок углей. Например, при анализе технологии ЦКС с целью применения ее для сжигания ангренского высокозольного бурого угля у авторов данной работы возникли следующие вопросы.
1. По сути очень сложно организовать кипящий слой (КС), состоящий из материалов с различными механо-физическими свойствами типа уголь, глинозем, кремнезем, твердая порода и др.
2. В целом, показатели механического недожога в ЦКС зависят от эффективности работы циклонных аппаратов, которые при улавливании мелких частиц (измеряемых в микронах), как известно, очень низкие.
3. Наличие громоздких циклонных аппаратов с тяжелой футеровкой и обратными трубопроводами приводит к повышению материалоемкости и удорожанию агрегата, а также некоторому повышению тепловых потерь через его ограждение.
4. Не кардинально решен вопрос равномерного распределения ввода угля и возвратной массы из циклонов, что оказывает влияние на гидродинамику, а также сложность поддерживания требуемого четкого аэродинамического режима и его регулирования. Следует отметить, что практически маневренность находится на низком уровне.
5. Элементарную частицу твердой фазы несколько десятков раз можно циркулировать через систему «топка - циклон», что приводит к значительному повышению темпа абразивного износа отдельных и важных узлов, например, теплообменивающих поверхностей, особенно в конвективной части котлоагрегата, так как пароперегреватели расположены в виде ширм в поворотной его части. Из опыта эксплуатации можно привести пример, что на Ангренской ТЭС, где осуществляется традиционное пылеугольное сжигание при помощи щелевых горелок, в 2002 году из числа аварийных остановов котлоагрегатов в 22 случаях они произошли по вине абразивного износа теплообменных труб пароперегревателей.
6. Поскольку осуществляется многократная циркуляция горящих и расплавленных частиц угля, вряд ли можно будет избежать шлакование теплообменивающих поверхностей.
7. Может произойти скопление не уносимых относительно тяжелых частиц измельченной твердой породы над газораспределительной решеткой и их обвал, что приведет к разрушению КС. Каждый останов по причине завала требует зачистки поверхности газораспределительной решетки и процессы «охлаждение-очистка-пуск» займут значительное время.
8. Для ЦКС обязательным является присутствие инертных частиц, что, с термодинамической точки зрения, ведет к дополнительным затратам энергии на поддержание их во взвешенном состоянии.
9. В ЦКС используется монодисперсный уголь, что требует установки ситового оборудования. На станции появятся остатки угля в виде отсева.
10. В настоящее время внедрение технологии ЦКС требует валютных ресурсов на приобретение нового котлоагрегата с вспомогательным оборудованием, а также эксплуатационных затрат на покупку запасных частей.
Кроме того, специалисты Всероссийского Теплотехнического Института (Россия) отмечают, что в технологии ЦКС четвертого поколения для компенсации ограниченных возможностей размещения поверхностей нагрева в топке приходится устанавливать дополнительные двусветные мембранные испарительные экраны и ширмовые панели. Зольные теплообменники типа INTREX располагаются на выходных ступенях пароперегревателей свежего и промежуточного пара. Теплообменники INTREX занимают значительную часть периметра нижней части топки, где должны быть размещены пусковые горелки, организация подвода топлива и сорбента, отвода золы.
Также необходимо подчеркнуть, в ЦКС не выявлена достоверная физическая картина выгорания частиц угля высокой зольности, не решена адекватная ей задача расчета скорости горения топлива и т.п. О сложностях в работе зарубежных топок с ЦКС можно судить по ключевым словам, употребляемым в зарубежных публикациях: очистители решетки, донная зола, шлакосборники, трубопроводы подачи песка и т.п., значения которых свидетельствуют о накапливании материала на решетке, о шлаковании слоя, о необходимости доставки к топкам инертного материала.
Как видно, без нахождения ответов на эти вопросы трудно согласиться с выбором ЦКС для высокозольного ангренского бурого угля. Представляется, что для конкретной марки твердого топлива необходима своя технология сжигания, учитывающая его особые характеристики.
Учитывая вышеизложенное, с целью использования низкосортного ангренского бурого угля была разработана усовершенствованная технология сжигания топлива во взвешенном слое с применением принципов фонтанирующего КС [3;4;5].
В настоящее время для продолжения исследования разработана горячая модель установки и совершенствуется экспериментальный стенд.