солнечно-топливной котельной




энергии

Учебное пособие

 

Красноярск

СФУ

Оглавление

Предисловие

 

1. Сжигание топлив в кипящем слое

1.1. Сжигание твердых топлив в топках котлов с классическим кипящим слоем

1.2. Топки с циркулирующим кипящим слоем

1.2.1. Отечественные котлы с циркулирующим кипящим слоем

1.2.2. Котлы с циркулирующим кипящим слоем под давлением

1.2.3. Котлы с циркулирующим кипящим слоем за рубежом

1.3. Сжигание твердых топлив с использованием аэрофонтанных предтопков

2. Плазменная технология

3. Новые конструкции топочных камер для сжигания углей

3.1. Вихревые топки с жидким шлакоудалением

3.2. Принцип технологии вихревого низкотемпературного сжигания

3.3. Пылеугольный котел с кольцевой топкой для крупных энергоблоков

4. Термическая подготовка углей в условиях ТЭС

4.1.Термическая подготовка углей в термоциклонных предтопках

4.2. Разработки ЭНИНа

4.3. Работы ПИ СФУ по термической подготовке углей в условиях тепловой электростанции

4.3.1. Разработка технологии сжигания с внутритопочной термической подготовкой

4.3.2. Принципиальные схемы термической подготовки углей для организации безмазутной растопки и подсветки факела топочных камер котлов

4.3.3. Опытно-промышленный образец муфельного предтопка на котле БКЗ-420 140 Красноярской ТЭЦ-2.

4.3.4. Система термоподготовки для организации муфельной растопки котлов Томь-Усинской ГРЭС.

4.3.5. Универсальная горелка для котлов ПК-40-1 Беловской ГРЭС

4.3.6. Универсальная всережимная горелка для котлов БКЗ-420-140 Красноярской ГРЭС-2

5. Сжигание водотопливных суспензий

5.1. Современное состояние технологии сжигания водотопливных суспензий

5.2. Основные технологические характеристики водотопливных суспензий

5.4. Суспензионное топливо для мазутных ТЭС и котельных

5.5. Опыт применения водомазутных эмульсий на энергетических котлах ОАО «Мосэнерго».

5.6. Разработки научно-исследовательского и проектно-изыскательского института «Новосибирсктеплоэлектропроект» Сибирского ЭНТЦ

5.7. Исследования МЭИ (Технический университет) по применению водомазутных эмультсий для улучшения технико-экономических и экологических характеристик котельных агрегатов

5.8. Технико-экономическая перспектива использования суспензионного угольного топлива

6. Гидравлические электрические станции

7. Геотермальные электростанции

8. Ветроэнергетические установки

9. Альтернативные способы получения энергии

9.1. Магнитогидродинамическое преобразование энергии

9.2. Термоэлектрические генераторы

9.3. Изотопная энергетика

9.4. Термоэмиссионные генераторы

9.5. Электрохимические генераторы

9.6. Использование морских возобновляемых ресурсов

9.7. Солнечная энергетика

9.8. Использование энергии термоядерных реакций

9.9. Комбинированные энергоустановки

9.10. Биоэнергетика

9.11. Подземная газификация углей

9.12. Тепловые насосы

Заключение

Список литературы

 

Предисловие

В настоящее время происходит непрерывное совершенствование подходов к системе обучения студентов в вузах. Одновременно с этим возрастают требования к повышению качества подготовки инженеров. В первую очередь это касается специалистов в области энергетики, поэтому возникла необходимость издания данной книги.

Данное учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» и предназначено для студентов энергетических специальностей как дневной, так и заочной форм обучения.

Цель – познакомить студентов с современными нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии.

В учебном пособии рассмотрены различные энергетические технологии, позволяющие значительно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. Особое внимание уделено изложению возобновляемых источников энергии, приведено большое количество иллюстраций, отражающих физическую сущность протекающих процессов и дающих возможность студентам глубже ознакомиться с энергетическими схемами и устройствами.

Автор выражает глубокую признательность всем сотрудникам кафедры «Тепловые электрические станции» ПИ СФУ за ценные замечания при подготовке рукописи.

1. Сжигание топлив в кипящем слое

 

Современное развитие энергетики и обострение экологической ситуации в мире потребовали поисков и разработки более прогрессивных и экологически чистых технологий сжигания твердых топлив.

Одним из перспективных направлений, обеспечивающих экологическую чистоту использования твердых низкосортных топлив в энергоустановках будущего, следует считать их сжигание в котлах с топками кипящего слоя различных модификаций: классической, циркулирующей, аэрофонтанирующей с применением аэрофонтанных аппаратов, поскольку при этом в значительной степени снижаются выбросы SO2 и NOx уже на стадии сжигания [1].

 

1 .1. Сжигание твердых топлив в топках котлов с классическим кипящим слоем

 

а) б) в)

Рис. 1.1. Схемы установок с кипящим слоем: а – классический кипящий слой: б – циркулирующий кипящий слой; в – кипящий слой под давлением; 1 – основной воздух; 2 – подача топлива; 3 – вторичный воздух; 4 – вывод золы; 5 – возврат уноса; 6 – продукты сгорания; 7 – циклон; 8 – поверхность нагрева; 9 – турбина и компрессор

 

На рис.1.1. приведена схема топки с классическим пузырьковым кипящим слоем. В пузырьковом кипящем слое при атмосферном давлении уголь (или другое твердое топливо) сжигается в слое твердых частиц (обычно известняк), который псевдоожижается воздухом, подающимся для горения под слой. Разогрев слоя осуществляется горячим воздухом или газами с помощью специальной газовой горелки. Котлы с кипящим слоем спроектированы так, чтобы температура слоя находилась в интервале 815–870 oС. Возможность работы при низких температурах приводит к нескольким преимуществам. Благодаря низкой температуре для связывания SO2 можно использовать в качестве сорбента недорогие материалы, такие как известняк и доломит. Когда в слой добавляется известняк или доломит, в результате реакции между CaO и SO2 образуется CaSO4. В зависимости от содержания серы в топливе и количества сорбента выбросы SO2 могут быть сокращены на 90 % и более. Термические оксиды азота образуются при температурах свыше 1300 oС. При снижении температуры скорость реакции образования NOx сильно уменьшается. При температурах 815–870 oС количество NOx, образовавшегося в кипящем слое, значительно меньше, чем в традиционных котельных установках, работающих при более высоких температурах.

Технология сжигания в кипящем слое (КС) имеет целый ряд преимуществ по сравнению с пылеугольным сжиганием твердых топлив.

К ним следует отнести:

– простота конструкции;

– возможность сжигания низкокачественных углей;

– безопасность в экспуатации;

– отсутствие мельниц тонкого помола;

– связывание SO2 и SO3;

– подавление NOx (до 200 мг/м3).

Вследствие интенсивного перемешивания происходит выравнивание температуры во всем кипящем слое, поэтому слой можно считать изотермическим. Поверхности нагрева, опущенные в кипящий слой, имеют очень высокий коэффициент теплоотдачи. Этому способствует разрушение граничного слоя на теплообменной поверхности, а также прямое соприкосновение частиц с теплоотводящей поверхностью.

К недостаткам этой технологии сжигания следует отнести абразивный износ поверхностей нагрева, расположенных в слое; высокие значения механического недожога, ограничение мощности котельных агрегатов, оборудованных топками с кипящим слоем до 250 т/ч. Для более мощных котлов требуются решетки больших габаритов, что создает трудности по обеспечению равномерной скорости дутья.

Идеальным топливом для котлов с кипящим слоем служат сланцы, имеющие высокую реакционную способность, высокую зольность, которая определяет большую массу материала, в связи с чем стабилизируется температура сжигания, происходит быстрая сушка топлива и хорошее выгорание.

При использовании низкозольных канско-ачинских углей требуется большая добавка инертного материала. Сжигание углей с высоким содержанием солей щелочных металлов очень выгодно использовать в топках с кипящим слоем, когда практически не происходит испарения солей. Отсюда появляется возможность вовлечения так называемых «соленых» углей в энергетику.

Примером тому служит промышленный опыт внедрения кипящего слоя для сжигания шлакующих «соленых» углей в США.

В 1986 г. фирма «Бабкок-Вилькокс» переоборудовала котел с механической топкой на ТЭС Монтана-Дакота в установку с пузырьковым кипящим слоем. Этот котел был первоначально спроектирован на производительность 81,9 кг/с (295 т/ч) пара при давлении 9 МПа и температуре 510 oС для сжигания бурого угля месторождения Белах.

Однако высокое содержание соединений натрия в летучей золе приводило к сильному шлакованию топки и загрязнению пароперегревателя. До реконструкции с устройством кипящего слоя мощность была ограничена 50 МВт при расчетной 72 МВт. Для того чтобы избежать шлакования и загрязнения и поверхностей нагрева и обеспечить работу на полную мощность, был использован кипящий слой. Новая установка с кипящим слоем сечением 12,2 х 7,9 м была вмонтирована в старый котел с минимальными изменениями работающих под давлением поверхностей экранов. Воздухораспределительная решетка и окружающие ее стенки охлаждались водой. Пароперегреватель и испаритель размещались в слое для обеспечения необходимой паропроизводительности и перегрева пара и ограничения температуры слоя на уровне 815 oС. Скорость газов в слое составляла 3,7 м/с, а глубина слоя в рабочем состоянии – 1,37 м. Для включения и запуска установки подвод воздуха осуществлялся через восемь секций. Поскольку бурый уголь месторождения Белах – высокореакционное топливо, возврат летучей золы не предусматривался. С учетом низкого содержания серы и высокого содержания щелочных компонентов в топливе в качестве материала слоя был использован песок. Котел был пущен в эксплуатацию в мае 1987 г. Сейчас этот блок несет нагрузку 80 МВт при отсутствии шлакования и загрязнения поверхностей. Измеренные концентрации NOx составляли 0,14 г/МДж.

1.2. Топки с циркулирующим кипящим слоем

Наиболее активно в последние годы развивается технология циркулирующего кипящего слоя (ЦКС), благодаря которой можно создавать крупные энергетические котлы. Котлы с ЦКС намечено построить для экстремально тяжелых топлив: экибастузского, подмосковного бурого (Sр = 2,5 %), антрацита ухудшенного качества. Эти котлы должны обеспечить эффективное сжигание низкосортных топлив в широком диапазоне изменения нагрузок без использования газообразного и жидкого топлива на подсветку, а также максимальное снижение выбросов оксидов серы и азота [2].

Установки с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) работают аналогично пузырьковому кипящему слою. Однако скорость газов в ЦКС обычно намного выше, чем в пузырьковом кипящем слое: 5,2 – 7,2 и 1,83 – 3,65 м/с.

Вследствие интенсивной внутренней циркуляции ЦКС пригоден для трудносжигаемых топлив с малым выходом летучих веществ. Кроме того, поскольку в первичной зоне отсутствует расслоение твердого материала, в системе могут быть использованы более мелкие частицы известняка, что приводит к лучшему связыванию серы. Двумя важными преимуществами ЦКС являются легкость управления нагрузкой и возможность проектирования установок для широкого спектра топлив, хотя каждая конструкция приспособлена для конкретного топлива.

1.2.1. Отечественные котлы с циркулирующим кипящим слоем

Работы по созданию мощных отечественных котлов с ЦКС начаты с 1987 г. и выполнены большим коллективом организаций: ВТИ, НПО ЦКТИ, СКБ ВТИ, ПО «Сибэнергомаш», КазНИИэнергетики, УПИ, МЭИ. Сжигание топлива в ЦКС благодаря низкой температуре (850 – 900 oС) обеспечивает снижение выхода оксидов азота, а при добавлении известняка происходит подавление оксидов серы.

Расход известняка составляет 3 – 6 кг на 1 т натурального топлива или на котел паропроизводительностью 500 т/час – 0,2 – 0,4 т/час.

Количество известняка может быть уменьшено для топлив с повышенным содержанием щелочноземельных соединений, например для углей Канско-Ачинского бассейна, минеральная часть которых содержит до 40 % и более соединений кальция и магния.

Воздух подается двумя вентиляторами. Вентилятор первичного дутья подает воздух через решетку в топку и в псевдогидрозатворы. Вентилятор вторичного воздуха подает воздух в топку на трех уровнях.

Котлы с ЦКС выполнены по одной схеме: топочная камера с размещением в ее верхней части поверхностей нагрева пароперегревателя, циклонов и вынесенного конвективного газохода, в котором размещены экономайзер и воздухоподогреватель.

После циклонов зола через золовой затвор возвращается в нижнюю часть топочной камеры. Твердые частицы несгоревшего топлива выносятся из топки и возвращаются через циклоны снова в слой. Горячая зола после циклона направляется во внешние охладители золы.

Первичный золоуловитель представляет собой сепаратор ударного типа, состоящий из расположенных в шахматном порядке U-образных элементов (швеллерковый сепаратор), подвешенных к крыше котла, которые образуют лабиринт на пути газа и твердых частиц (рис. 1.2). Два первых ряда золоуловителя расположены в топке перед входом в горизонтальный газоход. Уловленная в них зола возвращается в топку вдоль задней стенки. Твердые частицы, собранные другими рядами сепаратора (в горизонтальном газоходе), отправляются в бункер и возвращаются в нижнюю часть топки через четыре L-клапана

 

Рис.1.2. Швеллерковый сепаратор: 1 – газ и твердые частицы; 2 – твердые частицы, возвращаемые в топку; 3 – твердые частицы, возвращаемые в бункер хранения

 

Последние служат для управления содержанием материала в топке путем регулирования перепуска из бункера в топку. Организация двухступенчатой первичной сепарации с внутритопочным швеллерковым сепаратором уменьшает значение необходимой внешней циркуляции частиц.

Этот вид топок используется для котлов тепловой мощностью от 20 до 500 МВт. В рамках федеральной программы «Экологически чистая энергетика» разработан и реализуется проект сооружения опытно-промышленного котла с ЦКС типа Е-220-9,8-540 АФН ОАО «Белэнергомаш» для сжигания АШ на Несветай ГРЭС. Котел рассчитан на эффективное сжигание низкореакционного АШ с Qнр =4100 – 500 ккал/кг с зольностью 40 % и содержанием серы до 2 %, без подсветки мазутом во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок, при минимальных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу (снижение выбросов серы на 90 %, a NOx – не более 300 мг/м3).

Принципиальное преимущество котла заключается в возможности его размещения в габаритах существующей котельной ячейки без использования дорогостоящих систем азото - сероочистки.

 

 

Рис. 1.3. ГРЭС с котлами с ЦКС на АШ ухудшенного качества:

1 – комплекс по переработке золы; 2 – угольное и известняковое хозяйство; 3 – котел с ЦКС; 4 – паровая турбина; 5 – золоуловитель; 6 – генератор; 7 – дымосос; 8 – дымовая труба

 

Котел является прототипом для технического перевооружения многочисленных электростанций России, сжигающих низкосортные твердые топлива с малой реакционной способностью, высоким содержанием золы, влаги, серы. Очень важно, что в таком котле возможно сжигание различных топлив по виду и качеству, без существенных изменений эксплуатационных и со значительным улучшением экологических показателей.

В котле применена технология ЦКС с компактными сепараторами ударно-инерционного типа (рис. 1.2) которая успешно использована на ряде котлов фирмы «Бабкок-Вилькокс» (США).

Аналогичные котлы разработаны и для других ТЭС: ЕП-250-16,8-545 БКФН для подмосковного угля и кузнецкого угля марки «Т»; Е-170-9,8-540-ДФН для торфа (рис.1.3).

1.2.2. Котлы с циркулирующим кипящим слоем под давлением

 

В настоящее время были развернуты работы по созданию технологии сжигания углей в кипящем слое под давлением для сооружения новых ТЭС и технического перевооружения существующих.

Работа котла под давлением характеризуется рядом положительных особенностей. Во-первых, полностью исключаются присосы воздуха в топку и газоходы, что приводит к уменьшению потери теплоты с уходящими газами; снижаются расходы электроэнергии на собственные нужды в связи с установкой дымососа меньшей производительности. Появляется возможность исключения дымососной установки за счет использования только дутьевых вентиляторов. Существенно повышается теплообмен в конвективных газоходах из за более высоких скоростей дымовых газов, что снижает металлоемкость поверхностей нагрева. Однако работа котла под давлением требует плотной обмуровки для обеспечения его герметичности и предотвращения выбивания продуктов сгорания в помещение котельного цеха.

Все котлы с кипящим слоем под давлением, сооружаемые в настоящее время в мире, базируются на технологии пузырькового кипящего слоя. В таких котлах в кипящем слое расположены пучки труб для съема тепла. По соображениям защиты пучков от абразивного износа скорость газов в слое не должна превышать 1 м/с.

На рис.1.4 представлена схема котла с циркулирующим кипящим слоем под давлением, разработанная ВТИ.

Топочная камера заключена в силовой сосуд и выполнена из газоплотных экранов. Внутри топки расположен двухсветный экран, разделяющий ее на две диагонально симметричные части, в каждой из которых находятся сама топка и теплообменный отсек.

Топка и теплообменный отсек разделены двухсветным экраном, который в верхней части образует циклонный сепаратор.

Первичный воздух подается в топку с t=285 oC, P=10 кгс/см2. Вторичный воздух вводится в топку выше плотного кипящего слоя. Третичный воздух подается под воздухораспределительную решетку.

Уголь подается через патрубки топлива в нижнюю часть топки. Поток продуктов сгорания выносится в верхнюю часть топки и попадает в сепаратор, выполненный в виде горизонтального циклона 8. Продукты сгорания выводятся из топки через газовое окно 10, а зольные частицы через золоспускной канал 11, образованный двухсветным экраном и внешним экраном, поступают в теплообменный отсек 5.

 

 

Рис. 1.4. Котел с ЦКС под давлением: 1 – перегреватель; 2 – вторичный воздух;3 – уголь+доломит; 4 – первичный воздух; 5 – экономайзер; 6 – испаритель; 7 – третичный воздух

 

В теплообменном отсеке 5 через воздухораспределительную решетку 3 подается третичный воздух с расходом, обеспечивающим пузырьковый режим псевдоожижения. Разные скорости газов создают разную плотность кипящего слоя в топке и теплообменном отсеке и, как следствие, разные статические давления в обеих камерах. В результате перепада давлений зола через перепускные отверстия возвращается из теплообменного отсека в кипящий слой топки.

При движении частиц золы по контуру топка – циклон – теплообменный отсек – топка они используются как промежуточный теплоноситель, отдающий свое тепло настенным экранам и конвективным поверхностям нагрева (ширмам в топке и пучком в теплообменном отсеке).

При к.п.д. горизонтального циклона 90 % кратность циркуляции золы равна десяти и тепла золы недостаточно для необходимого теплосъема в конвективных пучках теплообменного отсека мощных котлов при 100%-ной нагрузке.

 

1.2.3.Зарубежные котлы с кипящим слоем (промышленный опыт)

 

Фирма «Бабкок-Вилькокс» спроектировала и построила котел с ЦКС для блока мощностью 55 МВт для сжигания каменного угля с низким содержанием летучих.

 

 

 

 

Рис. 1.5. Схема котла станции Эбенсберг: 1 – топка; 2 – дренаж слоя; 3 – охлаждение шнека; 4 – решетка (грохот); 5 – транспортировка плотной фазы; 6 – инжекторный бункер;

7 – вращающийся клапан; 8 – инжекторный шнек; 9, 10 – внутритопочный и внешний швеллерковые сепараторы; 11 – L-клапан; 12 – проход воздуха; 13 – сборник пыли из мультициклона; 14 – воздуходувка; 15 – возврат из мультициклона; 16 – продувочный клапан; 17 – воздухоподогреватель; 18 – пакгауз

Производительность котла 58,6 кг/с (210 т/ч) пара при давлении 10,7 МПа и температуре 513 oС. Ширина топки 9,1 м, глубина 4,6 м, высота 25,9 м. По всей высоте установлен двусветный экран, а в верхней части имеются пароперегревательные ширмовые поверхности нагрева (рис.1.5).Установка пущена в эксплуатацию в 1991 г.

Топливо и сорбент подаются в слой через фронтальную стенку в нижней части топки. Зола и отработанный сорбент удаляются через дренажные трубы пода. Частицы улавливаются швеллерковым сепаратором и возвращаются в нижнюю часть топки через заднюю стенку. Первичный воздух подается через распределительную решетку, а вторичный вводится на уровнях приблизительно 1,8 и 3,7 м над решеткой.

Внутренняя часть топки до 6,7 м над решеткой покрыта тонким слоем высокопроводящего огнеупорного покрытия, удерживаемого на трубах с помощью ошиповки. Огнеупорный материал используется для защиты труб нижней части топки от коррозии и эрозии. Остальная часть стен топки состоит из гладких труб.

Для сбора и возврата частиц в топку в котле с ЦКС фирма использует сепаратор ударного типа. Первая ступень сепарации частиц состоит из нескольких рядов U-образных профилей, подвешенных в шахматном порядке к потолку котла. Твердые частицы, ударяясь в U-образный профиль, сепарируются из газов, стекают по профилю и выходят в нижней его части. Последние конструкции используют две ступени таких сепараторов с большей суммарной эффективностью по сравнению с первым поколением котлов. Первая секция расположена в верхней части топки и возвращает частицы в нижнюю часть топки. Вторая секция расположена за топкой и над бункером уловленных частиц. Материал слоя, собранный во второй секции сепаратора, возвращается в нижнюю часть топки при помощи L-клапана, контролирующего расход.

Клапан представляет собой немеханическое устройство для возврата частиц в топку. Частицы, собранные в бункер, стекают в вертикальную трубу (стояк) и создают необходимое давление для подачи их в топку. Движение частиц облегчается вводом в L-клапан небольшого количества воздуха для аэрации. При такой конструкции могут циркулировать сотни тысяч килограммов твердых частиц в час при расходе воздуха примерно 4,7х103 м3/с. Концентрация NOx в этой установке была меньше 0,026 г/МДж.

Известно три типа установок с ЦКС: «Лурги», «Альстрем», «Циркофлюид (Бабкок)». При использовании ЦКС решаются проблемы, присущие котлам с пузырьковым кипящим слоем:

– не требуется большой площади колосниковой решетки;

– не ограничен диапазон регулирования;

– резко снижается величина механического недожога.

Первая фирма по выпуску котлов с ЦКС стала финская «Альстрем». С 1968 года эта фирма выпускает котлы с КС, а с 1979 года котлы с ЦКС марки Pyroflour. В 1982 г. фирма Лурги сдала в эксплуатацию котел с ЦКС мощностью 84 МВт по собственному проекту. «Лурги» использовала опыт обжига руд в кипящем слое. В Чехословакии разработкой котлов с ЦКС занимается предприятие «Дукла». Шведский центр Studsvik разработал конструкцию котла с ЦКС, где вместо горячего циклона использованы желобчатые профили, выполняющие роль лабиринтового сепаратора. Фирма Babcock (США) приобрела лицензию и производит эти котлы N=100 МВт.

 

Котлы с кипящим слоем, эксплуатируемые в США

 

В начале 90-х гг. в компании FosterWheelerбыл создан котел Compactупрощенной конструкции. Сепаратор улавливает большую часть твердых частиц (включая несгоревшее топливо), которые затем возвращаются в топку. В настоящее время мощности традиционных котлов с ЦКС и котлов ЦКС Compactпрактически одинаковы.

За последние годы в США введено в эксплуатацию несколько котлов с ЦКС. На реконструированных энергоблоках № 1 и 2 ТЭС Northsideс 2002 г. работают два котла энергокомпании JacksonvilleElectricAuthorityмощностью по 300 МВт. Они демонстрируют возможность сжигания в крупных котлах с ЦКС угля и нефтяного кокса.

Основные расчетные показатели котлов ТЭС Northsideследующие:

Тепловая мощность, МВт689

Паропроизводительность, т/ч 906/806

Давление пара, МПа 17,2/3,77

Температура пара, °С 540/540

Характеристика применяемого топлива: нефтяной коксили уголь

Влажность, % 9,0 – 5,2

Зольность, % 0,4 – 12,8

Содержание серы, % 6,7 – 2,8

Высшая теплота сгорания, МДж/кг 32,6 – 29,5

Топливо дробится до частиц размером 6,4 мм и смешивается с измельченным известняком, который связывает до 90 % серы. Смесь

топлива с сорбентом вдувается в слой снизу подогретым воздухом. Снизу же в слой добавляется воздух, а в зону над слоем вводится вторичный воздух для поддержания средней температуры около 816 °С, что значительно ниже температуры размягчения золы для топлива практически всех видов. Поддержание такой температуры и правильный ступенчатый подвод воздуха значительно снижают образование оксидов азота в продуктах сгорания. Дальнейшему уменьшению этих выбросов благоприятствует инжекция аммиака в газовый поток. Дымовая труба, общая для обоих котлов ТЭС, имеет высоту 153 м.На ТЭС сооружены два крупнейших в Западном полушарии крытых склада топлива вместимостью по 54,5 тыс. т, материал – алюминиевый сплав, поставщик – фирма Geometries. Топливо доставляется морскими судами и непосредственно с причала по закрытым конвейерам длиной 3,66 км транспортируется на склады.

Выбросы трех основных загрязнителей воздуха после завершения реконструкции снижены на 10 %, а мощность ТЭС увеличилась на 250 %. Значения выбросов следующие, мг/МДж: NOx – 37, SO2 – 64,5 твердых частиц – 5. Установка за котлом скруббера с суспензией из летучей золы с высоким содержанием оксида кальция обеспечивает общую степень улавливания серы свыше 98 %. Отношение Ca/S меньше, чем при вводе реагента только в кипящий слой при содержании серы в нефтяном коксе 8 %. Установлена система селективного некаталитического восстановления оксидов азота.

В апреле 2002 г. на ТЭС RedHills(штат Миссисипи) введены в промышленную эксплуатацию два энергоблока общей мощностью нетто 440 МВт, работающие на лигните. Котлы с ЦКС изготовлены компанией Alstom. Давление перегретого пара на выходе из котла 18,2 МПа, температура 568/540 °С. Каждый котел оснащен четырьмя циклонами. Предельно допустимые выбросы при 6 % О2 составляют, мг/м3: SO2–325, NО2–260, СО – 260, летучих органических соединений – 7(при нормальных условиях). Высокое содержание Са в золе лигнита позволяет снизить расход известняка, вводимого в топку для связывания серы. Имеются четыре внешних теплообменника с кипящим слоем для регулирования температуры перегретого пара. В течение приемочных испытаний были достигнуты все проектные показатели. В середине 2004 г. в штате Пенсильвания на площадке ТЭС Seward, построенной в 1921 г., введен дубль-блок мощностью 521 МВт с двумя котлами с ЦКС компании AlstomPower, дымовые газы которых выбрасываются через прежнюю трубу высотой 183 м. На ТЭС сжигаются отходы добычи битуминозного угля. В радиусе 80 км. от ТЭС количество золы и отходов угледобычи оценивается в 100 млн т, а на территории штата – еще в 250 млн т. Горы такого топлива имеют высоту около 90 м и длину в сотни метров. Ливневые стоки этих отвалов убивают все живое в местных водоисточниках. За срок службы ТЭС сможет использовать примерно 100 млн т таких отходов. Со строительной площадки было вывезено 2 млн.т. кислотосодержащих отходов угледобычи, которые были смешаны для нейтрализации с 2,2 млн т щелочной золы, вывезенной с площадок трех других ТЭС. Отходы угледобычи, используемые на ТЭС, имеют следующие характеристики: теплота сгорания 11,6–13,9 МДж/кг, среднее содержание золы 51, серы 2,7–4,20 %, выход летучих 11–13 %. При полной нагрузке ТЭС будет потреблять 437 т/ч топлива и 83,5 т/ч известняка. Для контроля выбросов SO2с электростанции будет вывозиться около 270 т/ч золы для засыпки заброшенных шахт или на расположенную поблизости облицованную глиной свалку. Привезенное на ТЭС топливо разгружается, просеивается до получения частиц размером 50 мм и по подземной галерее транспортируется на крытый склад площадью 11,2 тыс. кв. м и высотой 30,5 м. Вместимость склада – 40 тыс. т – достаточна для работы ТЭС в течение четырёх суток.

Известняк складируется в круглом павильоне вместимостью до 12,7 тыс. т и после измельчения подается в один из четырех бункеров котельной.

Для летучей золы, которая может храниться на площадке до 4 суток, предусмотрено три силоса высотой по 61м. Кроме системы селективного некаталитического восстановления оксидов азота используется сухой абсорбер Alstom, снижающий выбросы SO2 при одновременном уменьшении расхода известняка.

Полная нагрузка ТЭС достигнута 9 июня 2003 г. Завершающая фаза испытаний предусматривала работу на полной мощности при гарантийных КПД и расходе известняка в течение 8 ч и эксплуатацию с достижением минимальной эквивалентной готовности 95 % – в течение трех недель.

В штате Кентукки сооружается аналогичная ТЭС Gilbert мощностью 268 МВт с котлами ЦКС. Они будут оснащены селективными некаталитическими системами восстановления оксидов азота, выбросы которых не превысят 42,7 мг/МДж. Для снижения расхода известняка в кипящий слой дымовые газы проходят через распылительную сушилку. Выбросы SO2 не превысят 258, а твердых частиц – 4,3 мг/МДж. Выбросы СО при нагрузке 70–100 % будут ниже 6,4, а при 40–70 % – менее 8,5 мг/МДж. Выбросы летучих органических соединений ограничены 2,2 мг/МДж, а аммиака – 0,001 %. На площадке пылеугольной ТЭС Spurlock в штате Кентукки в 2005 г. введен энергоблок мощностью 278 МВт с котлом ЦКС. Намечается построить еще один такой же энергоблок в 2008 г. Каждый из них рассчитан на сжигание нескольких миллионов старых автомобильных покрышек и 150 тыс. т биомассы в год.

В штате Западная Виргиния предусматривается сооружение ТЭС с ЦКС мощностью 85 МВт, которая будет работать на отходах углеобогащения.

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).



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: