Институт газа Национальной академии наук Украины
Система плазменной подсветки низкореакционных топлив для теплоагрегатов
Петров С.В.
Разработана и исследована система плазменной подсветки низкореакционных топлив для теплоагрегатов, когда в качестве растопочного и сопровождающего горение топлива может использоваться применяемый в котлоагрегате уголь. В данном исследовании принят бурый уголь БР-1. Показано, что надежное и стабильное воспламенение и горение водоугольной суспензии из такого угля осуществляется с расходом более 100 кг/час при мощности плазмотрона 17,5 кВт. Время жизни электродов такого плазмотрона - более 1 000 часов. В плазменно-угольной горелке обеспечивается полное выгорание углерода с выделением тепловой мощности более 290 кВт. Плазменная система является маломощным компактным модулем, вписывается в конструкцию пылеугольного котлоагрегата и позволяет исключить дополнительное высокореакционное топливо - мазут или газ.
Ключевые слова: плазменная подсветка, маломощный плазмотрон, низкореакционный уголь, водоугольная суспензия.
Постановка проблемы. Существует много мировых энергетических прогнозов, которые в основных показателях близки между собой. Баланс между энергогенерирующими секторами определяют конкретные аспекты политических мер, в частности, по сокращению выбросов парниковых газов, основывающихся на ценах на углерод, мандатах и низкоуглеродных технологиях и т. д. Из прогноза Британской нефтегазовой компании ВР следует, что до 2050 г. уголь будет основным источником тепловой и электрической энергии в мире, независимо от развития возобновляемых источников энергии [1]. Во многих документах, например, «Долгосрочной программе развития угольной промышленности России на период до 2030 г.» говорится, что уже в скором времени доля угля должна значительно увеличиться в топливном секторе, достигнув 32 35% и т. д. Но пока это только теория. Следует учесть, что в оптимистичных прогнозах закладываются новые технологии топливоиспользования, в т. ч. и так называемые технологии «чистого угля».
Начиная с середины 1960-х гг., пылеугольные ТЭС, которые до настоящего времени являются базовыми, достигли предела своего совершенства, определяемого законами термодинамики и свойствами материалов, из которых изготавливаются котлы и турбины. При этом за прошедшие годы одновременно существенно повысились капитальные затраты на строительство ТЭС в связи с ужесточением требований к защите окружающей среды от вредных выбросов, и стоимость производства электроэнергии на угольных ТЭС значительно возросла, а их привлекательность снизилась. Главной причиной значительного повышения стоимости производства электроэнергии на угольных ТЭС, построенных в основном в 1960-1970-х гг., специалисты-теплоэнергетики обоснованно признают использование в котлах этих станций крайне неэффективной технологии факельного (пылеугольного) сжигания угля [2]. Причина в том, что для розжига пылеугольных котлов и стабилизации процессов горения (подсветки пылеугольного факела) обычно применяют природный газ или мазут, стоимость которых постоянно растет. Проблема обостряется в теплоэнергетике, где используются малой и средней мощности котлы с турбулентными вихревыми пылеугольными горелками. Для таких котлов характерны режимы с переменной тепловой нагрузкой. В этом случае практически все время требуется мазутная подсветка пылеугольных горелок, и мазут становится не дополнительным, а вторым основным топливом. При таком сжигании угля содержание углерода в золе достигает 20-30%. Сдерживающими факторами при использовании угля в энергетике всегда были чрезвычайно грязная технология и низкая эффективность его сжигания.
Следует отметить, что для Украины тепловые электростанции, работающие на низкосортных углях, являются базовыми [3]. Поэтому следует ожидать, что обостряющийся дефицит мазута и газа, повышение их стоимости актуализируют разработки и внедрение технологий эффективного безмазутного сжигания высокозольной низкореакционной угольной пыли. В настоящее время принято считать, что масштабные проекты с долгосрочной окупаемостью труднореализуемы, поэтому приоритет, исходя из такой логики, должен отдаваться комплексным проектам, направленным на совместную оптимизацию экономических и экологических показателей работы энергогенерирующих предприятий [4].
Анализ последних исследований и публикаций. Для решения проблемы высокоэффективного использования низкосортных твердых топлив при минимальном отрицательном воздействии на окружающую среду в 1983 г., по предложению ведущих специалистов в области плазменной техники и технологии М.Ф. Жукова, Л.С. Полака и др., поддержанному Госкомитетом по науке и технике, были начаты работы по созданию принципиально новой, плазменной технологии сжигания пылевидного топлива с помощью электродуговых нагревателей газа - плазмотронов [5]. Были проведены детальные экспериментальные и теоретические исследования процессов розжига и подсветки пылеугольного факела, разработана теория термохимической подготовки топлива к сжиганию (ТХПТ) [6; 7; 8; 9]. Впервые плазменная технология розжига была применена на Гусиноозерской ГРЭС на котлах типа ТПЕ-215, БКЗ-640, БКЗ-420. Эти разработки долго не получали промышленного распространения и только начали использоваться в течение последних лет на угольных электростанциях развитых стран мира. Сегодня в Китае данной технологией оснащены более 470 угольных котлов суммарной мощностью блоков более 200 млн кВт, что составляет примерно 30% от общей установленной мощности страны. Плазменный розжиг используется также в Индонезии (6 блок Индонезийской ТЭС «Суналая», Монголии (Улан-Баторская ТЭЦ), Тайвани (1, 2 блоки Хопингской электростанции, Словакии (ТЭС «Вояны») [4]. Плазменнотопливные системы (далее - ПТС) уже испытаны на большом количестве энергетических котлов паропроизводительностью от 75 до 670 т/ч и оборудованных различными типами пылеугольных горелок (прямоточных, муфельных и вихревых). При испытании плазменно-топливных систем сжигались угли всех сортов (бурый, каменный, антрацит и их смеси). Содержание «летучих» в них составляло от 4 до 50%, содержание золы - от 15 до 48%, и теплота сгорания была в диапазоне от 1 600 до 6 000 ккал/кг. Однако, хотя эти станции с ПТС подключены к сети, дают электроэнергию, они должны проработать до принятия решения о тиражировании проекта после полного цикла испытаний.
Технология ПТС заключается в ударном нагреве части аэросмеси (угольная пыль + воздух) пылеугольной горелки электродуговой плазмой до температуры выхода летучих угля и частичной газификации коксового остатка. Это является достаточным при сжигании низкосортных углей (при постоянной работе плазмотрона) и позволяет осуществить растопку котла при кратковременной, необходимой для достижения растопочных параметров котла, работе плазмотрона. По разным оценкам, электрическая мощность, потребляемая плазмотроном, не превышает 2,5% от тепловой мощности пылеугольной горелки, и составляет 0,3-0,5% от тепловой мощности котла. Принципиальная проблема, которая сдерживает промышленную реализацию плазменно-угольной технологии, заключается в необходимости использования достаточно мощных плазмотронов (свыше 200 кВт). Мощность плазмотрона определяется минимальными относительными затратами энергии, равными отношению тепловых мощностей плазмотрона и пылеугольной горелки, для АШ составляет 1,5-2,0 %. Реальный ресурс непрерывной работы таких плазмотронов в лучшем случае составляет 200-300 часов (декларируется больший, но в реальных условиях никто его не может продемонстрировать). Такого ресурса вполне достаточно для поджига, но не для подсветки [10; 11].
Следует отметить, что, с целью повышения ресурса топливно-плазменной системы, проводятся исследования по использованию СВЧ- плазмотронов [3; 12], поскольку они не требуют применения специальных угольных или медных электродов, а также потому, что в них возможно создание критической концентрации электронов, т. е. к ударному термическому воздействию подключить плазмохимические эффекты. Это способствует раннему воспламенению холодной углевоздушной смеси и, при относительно малых временах взаимодействия угольных частиц с плазменным факелом (~0,05 с), интенсивному выгоранию углеродных частиц.
Постановка задачи. Целью данного исследования является преодоление основного недостатка плазменно-дуговых систем ТХПТ, связанного с ресурсом работы плазмотрона, и обоснование возможности их применения для розжига и подсветки низкореакционой угольной пыли с перспективой тиражирования. Основная идея развиваемого авторами подхода заключается в реализации трехступенчатой схемы умножения мощности плазмы с использованием базового низкосортного угля до уровня мощности мазутного факела, необходимого для достижения растопочных и сопровождающих горение параметров котла. При этом используется маломощный (15-20 кВт) специальный плазмотрон с ресурсом работы медных электродов более 1 000 часов.
Изложение основного материала исследования. На первом этапе разработки технологической схемы процесса была приготовлена активированная водоугольная суспензия (далее - ВУС) в двух исполнениях из бурого угля марки БР-1, техническая характеристика которого приведена в табл. 1.
Процесс получения ВУС (исполнение 1) по традиционной схеме включал следующие операции: дробление исходного угля до размера частиц 3 мм; тонкий помол угля в мельнице совместно с водной фазой и перемешивание. Для приготовления и исследования ВУС из бурого угля БР-1 использовалась лабораторная шаровая барабанная двухкамерная мельница МБЛ-100. Масса разовой порции угля, загружаемого в мельницу, - 10 кг. Соотношение угля и воды определяли по сухой массе угля таким образом, чтобы концентрация суспензии соответствовала заданному значению. В мельнице уголь измельчали преимущественно до класса 0-0,4 мм. Содержание фракции менее 50 мкм составляло ~ 60%. Время измельчения в мельнице - 60 мин. Концентрацию твердой фазы, полученной ВУС, определяли высушиванием при температуре 105°С, гранулометрический состав - методом влажного фракционирования на ситах по стандартной методике. Реологические характеристики определяли на универсальном ротационном вискозиметре Rheotest Я№Л. Суспензии готовились с использованием питьевой воды и добавлением пластификатора (№ОН). Добавка вводилась на первой стадии помола совместно с водной фазой. Таким образом, было получено достаточное для проведения испытаний количество ВУС со следующими характеристиками:
содержание твердой фазы в ВУС - 52,3%;
концентрация добавки - 0,1% в расчете на сухую массу угля;
структурная вязкость - 0,7 Па-с;
начальное напряжение сдвига - 12,5 Па;
стабильность - до 30 сут.;
предел текучести - 1,2-1,4 Па;
низшая теплота сгорания суспензии - 10 500 кДж/кг.
Стабильность готового топлива определяли при хранении в аккумулирующем бункере с использованием пробоотборных устройств на нескольких уровнях. При низком качестве суспензию возвращали на переработку в мельницы. После завершения этапа приготовления водоугольную суспензию из резервуара для хранения насосом подавали на сжигание в топливно-плазменную горелку.
Приготовление ВУС (исполнение 2) выполняли кавитационным измельчением угля в водной среде без применения химических присадок в дезинтеграторе мокрого помола - «ГОРИЗОНТ-3000 МК-ВА», в который подавался уголь с размером частиц не более 10 мм. Перед подачей в дезинтегратор вода проходит подготовку в роторно-импульсном аппарате РИА-150-ВУТ. Выход суспензии с заданными параметрами происходил через 1 мин после включения аппарата. Получена ВУС с размером частиц до 50 мкм. Данная суспензия сохраняла стабильность на протяжении 5 суток. Считается, что в результате ударнокавитационного разрушения угля, в отличие от традиционных механических процессов помола в мельницах раздавливающе-истирающего действия, ВУС приобретает ряд полезных свойств: 1) происходит выделение гуминовых кислот с образованием гуматов, приобретающих желеобразное состояние, что повышает устойчивость против расслоения; 2) высокая эффективность процесса сжигания при активной роли воды, нечувствительность к качеству исходного угля [13; 14].
На основе анализа существующих способов сжигания низкореакционной угольной пыли и собственных исследований были сформулированы основные принципы оптимальной системы ее воспламенения и сопровождения горения:
предлагаемая система не должна изменять конструкцию котлоагрегата;
наиболее сложная часть процесса - воспламенение топлива и его ТХП - должна быть вынесена из топочного пространства в специальный модуль, в котором можно контролировать процесс и управлять им;
специальный модуль должен быть компактным, высоко теплонапряженным, чтобы обеспечить надежное воспламенение топлива на начальной стадии горения, когда оно еще малореакционно;
наличие различных видов топлива (основное и растопочное) является нежелательным, следует стремиться к использованию одного вида топлива;
на сегодняшний день наилучшей системой зажигания и сопровождения горения топлива являлась бы плазменная система;
- управление системой зажигания и сопровождение горения должны осуществляться автоматически при использовании процессора или компьютера.
Для реализации такого подхода в качестве растопочного и сопровождающего горение топлива может быть использован применяемый в котлоагрегате уголь, в данном исследовании принят бурый уголь БР-1. Основной проблемой при использовании ВУС, до сих пор окончательно и качественно не решенной, является его низкая реакционная способность на начальном участке горения. Поскольку активное воспламенение топлива определяет его дальнейшее горение, эта проблема сдерживает развитие технологии водо-угольного топлива вообще. Усилия по решению проблемы стабильного и надежного сжигания водоугольного топлива должны быть направлены на интенсификацию воспламенения топлива на начальном участке горения. Задача заключается в том, чтобы за малое время пролета частиц пыли в горелке выгорел твердый углерод и был запущен автотермический механизм горения. Воспламенение и стабилизация горения при использовании ВУС имеет свои особенности [15], которые следует учесть с применением плазменной системы. Это время обезвоживания угольной частицы, которое для размеров менее 50 мкм составит около 0,1 сек с соответствующим временем задержки зажигания в условиях термического удара плазмы. Время задержки зажигания связано с диаметром частиц и обусловлено, скорее всего, необходимостью достижения условия полного испарения воды из её пористой структуры. Для каждого характерного размера частицы ВУС есть предельные по температуре внешней среды условия зажигания. Это обусловлено ростом затрат на нагрев и испарение воды в пористой структуре частицы угля. Можно условно выделить два режима воспламенения: низкотемпературный (<950 К) и высокотемпературный (>950 К). Это обусловлено тем, что при более высоких температурах внешней среды прогрев частицы происходит более интенсивно. Для мелких частиц ВУС (<0,4- 10-3лт) различие времен задержки зажигания несущественно. В общем случае в диапазоне температур внешней среды (Тс = 900^1300 К) различие между временами задержки воспламенения не превышает 30%. Воспламенение происходит после полного испарения всей влаги, содержащейся в пористой структуре частиц угля, но при достаточно низких температурах поверхности. В зависимости от температуры поверхности угольной частицы, от времени до момента её воспламенения можно выделить три характерных участка. Первый соответствует интервалу времени прогрева частицы до температуры кипения (или близкой к ней) и означает ее полное «обезвоживание». Второй участок соответствует периоду прогрева и термического разложения сухого угля. После этого выполняется условие воспламенения ВУС и в дальнейшем температура растет до значений, соответствующих горению. Варьирование массовой доли компонент (воды и непосредственно угля) в достаточно широком диапазоне не оказывает существенного изменения условий и характеристик зажигания малых по размерам частиц водоугольной смеси.