Инновационные технологии, внедряемые на топливосжигающих установках для снижения воздействия на окружающую среду и эффективного использования энергоресурсов

Отмечается, что к настоящему времени изменилась сырьевая база твердого топлива, поставляемого на теплогенерирующие объекты республики. Подчеркивается, что несоответствие марки и сорта угля принятому способу его сжигания значительно снижает эффективность работы котельных агрегатов. Доказывается, что с целью повышения эффективности объектов теплоэнергетического комплекса необходимо обеспечить сбалансированное применение топливных ресурсов, которыми располагают топливодобывающие регионы Казахстана на основе создания котельных агрегатов нового технического уровня. Делается вывод, что это не только повысит технико-экономические и эксплуатационные показатели объектов теплоэнергоснабжения, но и положительно повлияет на состояние окружающей среды.

Актуальность задачи использования высокозольных и низкосортных топлив с учетом защиты окружающей среды 

В последние годы наблюдается тенденция увеличения зольности углей, что вызвана ухудшением горно-геологических условий, необходимостью разработки забалансовых запасов, совместной выемкой угля и породы при проведении и ремонте подготовительных выработок и т. д. К тому же отдельные виды применяемой при выемке техники отрицательно влияют на сортность добываемых углей, поскольку только при их отбойке и погрузке образуется более 50% штыба.

Рост зольности углей приводит к снижению на обогатительных фабриках выхода товарного продукта, к увеличению энергопотребления и отходов. Кроме того, ухудшение качества добываемых углей не позволяет при традиционных способах сжигания обеспечить высокую эффективность их использования. Уменьшение теплоты сгорания добываемых углей из-за повышения их зольности и нарастающий дефицит в топливном балансе поставили весьма актуальную задачу использование в качестве энергетического топлива высокозольных углей, отходов углеобогатительных фабрик и коксохимических заводов, низкосортных топлив, транспортирование которых на дальние расстояния неэкономично.

При решении проблемы вовлечения в топливно-энергетический баланс высокозольных и низкосортных топлив с учетом защиты окружающей среды следует рассматривать мероприятия, не требующие больших капитальных затрат.

В настоящее время предприятиями Казахстана предоставляется статистическая информация по объемам и номенклатуре производства и потребления топливноэнергетических ресурсов, показателям эффективности их использования. Однако данная информация не конкретизирует, на каких участках, в каких технологических процессах, на каком оборудовании, какие энергетические носители экономятся за отчетный период времени.

Очевидно, чем меньше затрачивается энергоносителей, сырья и вспомогательных материалов на производство 1 кВт электроэнергии или на единицу выпускаемой продукции, тем меньше объемы образования парниковых газов и уровни загрязнения окружающей среды.

Поэтому в развитых странах эффективность производства, в том числе и энергоэффективность, определяется по содержанию вредных веществ в выбросах в окружающую среду.

В ЕС обобщили опыт последних достижений науки и техники, учли состояние дел в промышленности по энергоэффективности и эффективности использования сырья при производстве и на этой основе разработали наилучшие доступные технологии (НДТ) для 32 отраслей промышленности и народного хозяйства [1; 17].

В соответствии с Директивами 96/61/ / ЕС, 2008/1 /ЕС, 2010/75/ЕС в Европейском союзе на предприятиях применяются технологии и оборудование, соответствующие НДТ. Деятельность таких предприятий минимально влияет на окружающую среду. Внедрение НДТ на топливосжигающих установках способствует значительному снижению воздействия на окружающую среду и повышению уровня энергоэффективности последнего (табл. 1). 

Таблица 1.Уровни эффективности, связанные с использованием НДТ 

Как известно, для получения теплоты из органического топлива применяются топочные устройства, а из ядерного топлива – ядерные реакторы, которые соответственно входят в состав котельных установок и промышленных печей, а также ядерных энергетических установок ( ЯЭУ). Топки – это устройства для сжигания органического топлива с целью получения теплоты.

По своей конструкции топочные устройства делятся на слоевые топки и камерные топки [3; 30-32]:

1. Слоевые топки применяются для сжигания твердого топлива и по организации процесса горения разделяются на топки с плотным и «кипящим» (псевдоожиженным) слоями.

В топках с плотным слоем топливо располагается на решетке (колоснике).В топках с «кипящим» слоем топливо парит в воздухе за счет своей мелкозернистой структуры и повышенной скорости воздуха, что позволяет уравновешивать частицы в топочном пространстве.

2. Камерные топки делятся на факельные и циклонные. В факельных топках сжигается газообразное, жидкое и пылевидное твердое топливо. В циклонных топках используются частицы топлива с диаметром меньше 5 мм при скорости воздуха до 100 м/с, подаваемого в виде закрученного потока. При этом достигаются температуры, близкие к 2000 °С. Данные топки в основном используются как технологические, в том числе и для обезвреживания сточных вод. В некоторых случаях возникают проблемы при удалении шлака, который выходит в жидком состоянии.

Камерные топки позволяют сжигать предварительно измельченные отходы углей, древесную пыль. Твердое топливо вдувается через пылеугольные горелки с первичным воздухом. Вторичный воздух подается отдельно и смешивается с пылью в процессе горения.

Разновидностью «топок», где сжигается топливо, являются камеры сгорания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинных установок (ГТУ), реактивных двигателей. 

Типы когенерационных систем 

Многие промышленные предприятия потребляют на технологические нужды тепловую энергию, генерируемую в виде пара. Они также используют электроэнергию, необходимую для технологических потребителей, освещения, систем сжатого воздуха, вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях и других нужд.

Как правило, пар генерируется в производственных котельных, а электроэнергия поставляется централизованно. Однако современные технологии позволяют на предприятиях наряду с выработкой пара совместно производить и электроэнергию. Такое направление в промышленной энергетике называют когенерацией. Например, в США за последние 10 лет более чем половина введенных мощностей новых энергоустановок связана с когенерацией. Эти установки сейчас производят 9 % электроэнергии [3; 44].

Имеется три типа базовых когенерационных систем:

• с двигателем внутреннего сгорания (ДВС);
• с паротурбинной установкой (ПТУ);
• с газотурбинной установкой (ГТУ).

Каждая из этих систем характеризуется коэффициентом выработки электроэнергии Сэ, определяемым отношением электрической мощности к тепловому потоку технологического пара, диапазоном мощностей DN установок, типичной мощностью системы N и типом используемого топлива (табл. 2).

Таблица 2. Параметры базовых систем когенерации 

Первая система представляет собой ДВС, в котором механическая работа преобразуется в электроэнергию, а теплота выхлопных газов используется для генерации пара с давлением не выше 0,207 МПа. Данный тип когенерационной системы характеризуется высоким коэффициентом выработки электроэнергии.

Когенерационная система на базе ПТУ включает котел для генерирования пара высокого давления (303 МПа) с температурой 600 °С и противодавленческую турбину, которая выполняет функции редукционного устройства для снижения давления пара. После турбины пар поступает на технологические нужды. При необходимости часть пара из котла, минуя турбину, проходит через редуктор и также направляется на технологические нужды. В связи с отсутствием конденсатора, а следовательно, и дополнительных потерь КПД данной системы может составлять 95-96 % .

В когенерационной системе на базе ГТУ для производства пара в качестве источника теплоты используются отработанные газы. Данная система требует высококачественного топлива. Она может быть комбинированной и дополнительно включать паровую турбину. Тогда объем генерируемой электроэнергии возрастает и коэффициент ее выработки Сэ может достигать значения, равного 1,5.

Таким образом, если потребность в технологическом паре уменьшается, может больше вырабатываться электрической энергии, которая при избытке передается внешним потребителям. Такая технология способствует повышению эффективности использования первичной энергии.

Система когенерации уменьшает стоимость топливной составляющей на 30-40 % в зависимости от цены энергии. 

Преимущества и ограничения при использовании технологии «пылеугольного топлива» (технология РСІ)

В настоящее время одной из технологий, поддерживающих  переход к  снижению энергоемкости, может быть технология «пылеугольного топлива» РСІ (Pulеverized Goal Injection ) [4; 142 -143].

Пылеугольное топливо – это измельченный уголь. Его получают путём измельчения в пыль больших фракций угля в специальных аппаратах (мельницах). Крупные фракции угля поступают в мельницу, где происходит его измельчение до пылевидного состояния. Самой распространенной является шаробарабанная мельница, которая представляет собой цилиндрический барабан, в котором находятся металлические шары. Кусковой уголь поступает в крутящийся барабан, где за счёт ударной силы шаров происходит измельчение угля до фракции 0,05 0,07 мм. В настоящее время на многих ТЭЦ, ГРЭС и отопительных котельных в основных странах мира всё большее применение находит пылеугольное отопление. Работа котлов на пылеугольном топливе по характеру производства тепловой энергии можно приравнять к работе на мазуте.

Преимущества сжигания пылевидного топлива по сравнению с обычным слоевым сжиганием углей на колосниковой решетке с ручным обслуживанием заключаются в следующем:

• угольная пыль, как мазут или газ, сжигается в рабочем пространстве котла, поэтому высокая температура по всему пространству экранных поверхностей топки способствует более быстрому нагреву теплоносителя. При сжигании кускового угля температура от продуктов сжигания распределятся неравномерно;
• при сжигании пылеугольного топлива стенки поверхностей нагрева нагреваются непосредственно горящим факелом. Нагревание теплоносителя происходит лучше и быстрее, чем от горячих газов при слоевом сжигании;
• в котлах с колосниковой решеткой и слоевым сжиганием при ручном обслуживании очень большое количество (до 10% потерь) топлива теряется вместе со шлаком. При пылевидном сжигании со шлаком теряется меньше (1-2%). Это даёт ощутимую экономию топлива, потребляемое на нагрев теплоносителя;
• при пылеугольном использовании топлива исключается тяжелый, напряжённый и вредный труд кочегара и зольщика. Нет необходимости доставлять уголь в котельную и очищать котлы от золы. Отсутствует необходимость обеспечивать котельную большими площадями для организации склада угля.

Пыль в топку котла подается по специальным пылепроводам с помощью вентилятора;

• регулирование температуры теплоносителя и теплового режима в котлах с пылевидным сжиганием упрощается, как и при использовании в котлах мазута или газа, так как пыль сжигается при помощи горелок с широким диапазоном регулирования производительности;
• сжигание угля в виде пыли позволяет применять низкокалорийные и низкокачественные сорта углей, которые при обычном слоевом сжигании в виде кусков не обеспечивает требуемую температуру. Кроме того, для приготовления угольной пыли могут быть использованы отсевы, т.е. угольная мелочь, которую практически невозможно и неэффективно сжигать в обычных топках с ручным обслуживанием и колосниковой решёткой.

Однако имеются некоторые ограничения при использовании технологии РСІ. В частности, сжигаемый в котлах в пылевидном состоянии уголь должен иметь в своём составе золу не более 15-20%, выход летучих не менее 20%. Чем меньше уголь содержит золы, тем лучше горит пыль. Очень важным фактором, который необходимо обязательно учитывать при использовании пылеугольного топлива, является температура плавления золы. Желательно использовать уголь с тугоплавкой золой (температура плавления выше 1300°С). При сжигании пыли в топке котла, часть сухой золы в виде осадка ложится на поверхность нагреваемого металла, а часть уносится через дымовую трубу. Загрязнённая поверхность труб снижает теплоотдачу стенок экрана от факела горения к теплоносителю.

Ещё одним важным условием, определяющим качество угля, сжигаемого в пылевидном состоянии, является содержание летучих веществ в топливе. Чем больше летучих веществ содержит уголь, тем лучше воспламеняется угольная пыль; факел горения пыли получается короче. Для эффективного процесса горения содержание летучих веществ в угольной пыли должно быть не менее 17-20%. Очень эффективно сжигать пыль с содержанием летучих более 30%. Если содержание летучих веществ менее 17%, тогда пылеугольное топливо горит неустойчиво, происходит затухание факела, котёл начинает работать с перебоями.

Пыль, полученная из кокса и антрацита, непригодна для котельных агрегатов, так как содержит очень мало летучих веществ.

Технология сжигания твердых топлив в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) 

Главными особенностями и преимуществами технологии сжигания твердых топлив в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) являются столь востребованные сегодня высокие экологические показатели и качество сжигания «трудных» низкосортных энергетических топлив. ЦКС хорошо справляется с проблемой сжигания крайне низкосортных углей (например, с большим содержанием породы).

Нужно отметить, что котлы с ЦКС стали вызывать интерес энергетиков в последние 1520 лет. Именно в этот период стали актуальны: внедрение на электростанциях энергосберегающих технологий, переход на нетрадиционные виды топлива, что позволяет сэкономить на топливе и при этом обеспечить высокий КПД.

Суть технологии ЦКС в следующем [5; 55-56]:

Если в камере установить решётку, на которую поместить слой угля, и к решётке подать в небольшом количестве воздух, то после предварительного разогрева слоя начнётся горение топлива с поверхности с выделением газообразных продуктов сгорания. При восполнении сгорающего топлива на решётке будет поддерживаться горящий фиксированный слой. Это как называемое слоевое сжигание твердого топлива.

Если увеличивать подачу воздуха под решетку, то на частицы топлива будет действовать скоростной напор, который будет противодействовать силе тяжести, действующей на каждую частицу топлива. При определённой скорости воздуха частицы топлива окажутся во взвешенном состоянии в подъёмном потоке воздуха, а толщина горящего слоя возрастёт.

Если и дальше скорость воздуха будет расти, то в этом слое появятся отдельные пузыри воздуха, а толщина слоя ещё больше увеличится. Этот слой называется пузырьковым кипящим слоем. Он ведет себя как кипящая жидкость. Отсюда и название метода – сжигание в кипящем слое.

При ещё большем расходе воздуха подъёмная сила, действующая на частицы топлива, оказывается настолько большой, что они не успевают сгорать и вырываются из кипящего слоя. При дальнейшем увеличении расхода воздуха видимый слой исчезает и происходит горение скоплений частиц топлива во всём объёме камеры с интенсивным перемешиванием. Большее количество частиц не успевает сгореть и выносится из камеры. Здесь на их пути устанавливают циклон – цилиндрический сосуд, в котором продукты сгорания отделяются от несгоревших частиц. Продукты сгорания направляются во вторую часть котла – конвективную шахту для нагрева рабочего тела (воды и пара), а несгоревшие частицы движутся в закрученном потоке, отбрасываются к стенкам, падают вниз и снова направляются в камеру горения. Эти частицы и составляют циркулирующий кипящий слой.

Что же дает использование котлов с ЦКС ?

Во-первых, температура в топке равна приблизительно +8500 С, что обеспечивает благоприятные условия для снижения выбросов окислов серы и азота. Для сравнения: в факельных пылеугольных топках температура горения доходит до +1500°С. Понижение температуры достигается благодаря тому, что частицы угля имеют довольно большой размер от 2 до 6 мм и разобщены в кипящем слое, а также наличию большого количества инертных материалов. Для сравнения: при пылеугольном сжигании размер пылевых частиц менее 100 мкм. Котлы с ЦКС не требуют сильного размола угля, достаточно дробления – это второе их преимущество. При помощи добавления в топку котла известняка происходит эффективное связывание серы (до 95%).

В-третьих, в котлах с ЦКС можно использовать некачественные топлива: угли с большим содержанием породы, угли с высоким содержанием золы и влаги, а также труднозажигаемые топлива (с малым выходом летучих легковоспламеняющихся газов). Причём в одном и том же котле можно сжигать топливо разного и меняющегося качества. И наконец, котельные установки с котлами ЦКС более компактны. Сам котел получается более громоздким, но благодаря тому, что не нужно обеспечивать отдельно серои азотоочистку, котельная установка выигрывает в размерах. 

Технология сжигания топлива в "полукипящем" слое 

Прогрессивным методом, повышающим надежность и снижающим металлоемкость котлоагрегатов, является сжигание углей зольностью 70% в низкотемпературном кипящем слое, которое характеризуется высоким уровнем смешения топлива и окислителя, интенсивной теплоотдачей к погруженным поверхностям нагрева, отсутствием движущихся частей в топочном объеме, возможностью сжигания в одном агрегате топлива различного состава и качества. Применение топок с кипящим слоем повышает КПД горения низкосортного топлива и создает возможность комплексной механизации и автоматизации технологического процесса [6; 36].

Вместе с тем, экологически безопасную технологию сжигания угля в низкотемпературном "кипящем" слое в общем случае вряд ли можно считать пригодной для мелких коммунальных и производственных котельных из-за: высокой стоимости оборудования; сложности, громоздкости оборудования, низкой его надежности; невысокой надежности самого процесса сжигания (из-за шлакования топки при самопроизвольном изменении гидродинамической обстановки в "кипящем" слое, попадания в слой кусков топлива с низкоплавкой золой и т.п.) [7; 112]. Положение усугубляется тем, что для котлов мощностью до 3 МВт затраты на вспомогательное оборудование и автоматизацию процесса сжигания в 5 раз и более превосходят затраты на сам котел [8; 4350].

Практика показала, что значительно сократить затраты на реконструкцию существующих или производство новых котлов, повысить надежность процесса сжигания твердого топлива и сохранить высокую интенсивность процесса горения, в том числе и низкосортного топлива, и низкие выбросы загрязняющих веществ (окиси углерода, окислов серы, азота, а также золы и шлака) в атмосферу позволяет технология сжигания топлива в «полукипящем» слое [9; 57].

«Полукипящим» слоем названо псевдоожижение мелких частиц в промежутках между крупными, неподвижными частицами [10; 538-540]. При сжигании рядовых углей (содержащих как мелкие, с размером 0-6 мм, так и крупные, до 300 мм, куски топлива); торфобрикетов  (из-за непрочности торфобрикетов в этом топливе содержится значительное количество  мелочи); гранулированного торфа; негрохоченных сланцев и т. п., при определенных условиях мелочь «кипит» в промежутках между крупными, неподвижными кусками топлива. Крупные куски топлива, образуя своды, препятствуют уносу мелочи из слоя горящего топлива; с другой стороны, мелочь, интенсивно двигаясь в промежутках между крупными частицами, счищает с них шлаковую корку, интенсифицируя горение крупных частиц. Кроме того, в «полукипящем» слое коэффициент теплоотдачи от газовой среды к крупным, неподвижным частицам на порядок выше, чем в слое крупных неподвижных частиц в отсутствие псевдоожижения мелочи. Все это создает благоприятные условия для выжигания на 9598% полифракционного топлива.

Процесс сжигания в «полукипящем» слое протекает весьма устойчиво: как показал опыт, можно регулировать нагрузку котла в диапазоне 17-100% от номинала без снижения КПД. С другой стороны, котел быстро набирает нагрузку: скорость роста температуры на выходе из котла (при часовом расходе воды через котел около 30 м3) составляет 15-17 С в час (при температуре

наружного воздуха около -10°С), Все это позволяет быстро компенсировать температурные потери в теплосети, возникающие при ручной чистке топки котла от золы и шлака, а также при нарушениях температурного режима, возникающих по вине обслуживающего персонала. Экологические же преимущества сжигания угля в «полукипящем» слое при ручном обслуживании водогрейного котла сохраняются [9; 59].

В будущем более широкое внедрение проанализированных технологий сжигания углей, а также сбалансированное применение топливно-энергетических ресурсов, которыми располагают топливодобывающие регионы Казахстана, не только повысит общую эффективность экономики республики, но и позитивно повлияет на состав окружающей среды. Надо иметь ввиду, что на предприятиях стран Запада достигнут высокий уровень энергетической эффективности за счет применения НДТ, системы энергетического менеджмента (СЭМ) и развитой конкурентной среды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Директива 2010/75 / ЕС европейского парламента и совета. О промышленных выбросах (комплексное предотвращение и контрольное загрязнение) // Официальный вестник Евпопейского союза. – 2010, декабрь. – С.17.
2. Озерский Ю., Прокофьев А., Озерский Г. Повышение энергоэффектности на крупных топливосжигающих установках за счет внедрения энергоменеджмента и энергоаудита // Промышленность Казахстана. – 2011. №6 (69). – С.50-52.
3. Андрижиевский А.А., Володин В.И. Энергосбережение и энергетический менеджмент: Учебное пособие. – Минск: Вышэйшая школа, – С.294.
4. Плакиткина Л.С. Тенденции и прогноз конъюнктуры мирового и российского рынков энергетического угля, энергоэффективность их использования // Горная промышленность. – 2012. №4 (104). – С.136-143.
5. Рогожкина О. Котлы с ЦКС: экологично, экономично, компактно // Горная промышленность. – 2014. № 3 (115). – С. 5556.
6. Кац А. Г., Рассамакин Е. И., Закиров Д. Г., Зубарев А. И. Экологические проблемы сжигания высокозольных углей в топках низкотемпературного кипящего слоя // Уголь Украины. – 1992. №2. – С. 36-41.
7. Кубин М., Сжигание твердого топлива в кипящем слое. – М: Энергоатомиздат, – С.112.
8. Воинов А. П. Проблема надежности котельно-топочных систем с кипящем слоем // Проблемы тепло-массообмена в современной технологии сжигания и газификациии твердого топлива: Материалы Международного школы-семинара (Минск, 27 мая – 3 июня 1988 г.) – Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова АН БССР, – Ч. 3. – С. 43-50.
9. Исьемин Р.Л., Кузьмин С.Н., Коняхин В.В. Экологические и экономические преимущества применения жаротрубнодымогарных водогрейных котлов, оборудованных топками "полукипящего" слоя // Уголь. – 2012. № 10. – С. 57-60.
10. Псевдоожижение: Пер. с англ. / Под редакцией И. Дэвидсона и Д. Харрисона. – М.: Химия, 1974. – С 538-540.