^ 1.3 Сжигание в кипящем слое – перспективная технология для низкосортных технологий

Снижение затрат на выработку тепловой и электрической энергии возможно при использовании таких топлив, как: 1) низкосортные и переувлажненные бурые и каменные угли, высокозольные бурые и каменные угли; 2) отходы углеобогащения – шлам, промпродукт (на обогатительных фабриках ежегодно образуется большое количество отходов флотации); 3)древесные отходы; 4) отходы сельхозпереработки; 5) биотопливо. Использование отходов исключит затраты на их вывоз и содержание их отвалов.

Однако переход на сжигание таких низкосортных топлив и промышленных горючих отходов довольно сложен, из-за трудности организации устойчивого топочного процесса, поскольку эти топлива не горят на традиционных топочных устройствах (колосниковые решетки и др.). Сжигание низкосортных углей в традиционных пылеугольных топках возможно лишь при реализации дорогостоящих мероприятий (подсветка мазутом и др.), но в этом случае процесс сжигания неэффективен.

Непригодность обычных топок к эффективной работе при сжигании низкосортных углей потребовало создание новых технологий сжигания угля.

Появляется технология сжигания угля в кипящем слое и создаются топочные устройства, обеспечивающие интенсивное горение практически любых видов твердого топлива над решеткой в кипящем слое (псевдоожиженное состояние).

Технология сжигания в кипящем слое различных видов твердого топлива и отходов производства начала достаточно широко использоваться с середины 70-х годов.

Псевдоожиженный слой характеризуется определенной высотой и дисперсностью. Он достигается при достаточном напоре продуваемого воздуха, чтобы полидисперсный материал практически весь приподнялся над решеткой. При этом наблюдается, благодаря значительной турбулентности, интенсивность перемешивания материала, который приобретает свойства текучести. При этом происходит выравнивание температуры по всему топочному объему .

Котлы с кипящим слоем устанавливаются во всем мире, так как отличаются широким диапазоном применяемых видов топлива. Однако для работы таких котлов необходимо много вспомогательных установок, в том числе пневматические транспортные системы для снабжения котлов материалами или утилизации отходов. Пневматическая транспортная система выполняет следующие задачи:

• 
  первоначальное заполнение угольного котла песком, образующим основу для создания кипящего слоя. Песок вдувается в котел из бункера с песком инжектором;
  
• 
  в котел подается известковая мука из бункера с помощью шнекового насоса и инжектора; она выполняет задачу обессеривания;
  
• 
  затем высота псевдожиженного слоя песка поддерживается размолотой и рециркулированной золой или летучей золой (пылевидное топливо), которая также вдувается пневматически;
  
• 
  зола, образующаяся в котле, а также летучая зола из электрофильтра транспортируется в бункеры, которые разгружаются пневматически. Зола в сухом или увлажненном виде загружается в железнодорожные составы или в грузовые автомобили;
  
• 
  зола слоя или зола летучая. Зола слоя механически извлекается из котла снизу (из кипящего слоя) и с помощью механических транспортных систем направляется в дробилку (при этом размер частиц достигает до 30 мм, а форма частиц остроконечная и частицы абразивные). Летучая зола с электрофильтра транспортируется с помощью транспортных средств в бункеры;
  
• 
  зола удаляется сухой или увлажненной. Если первую можно применять в качестве добавки на цементных заводах или бетонозаводах, то увлажненная зола направляется на свалку.
  

Технология сжигания твердого топлива :

• 
  в циркулирующем кипящем слое (ЦКС);
  
• 
  в низкотемпературном кипящем слое (в форсированном низкотемпера-турном кипящем слое) (НТКС);
  
• 
  в высокотемпературном кипящем слое (ВТКС);
  
• 
  в высокотемпературном циркулирующем кипящем слое (ВЦКС).
  

Эти технологии внедряются в течение более 15 лет вместо устаревшего слоевого сжигания топлива.

Особенность технологии сжигания твердого топлива в указанных технологиях сжигания: организация процесса сжигания, как в слое, так и в надслоевом пространстве с возвратом частиц в реакционную зону и многократной циркуляции частиц в ней.

Преимущества указанных технологий: экологическая чистота; возможность использования топлива с высокой зольностью и низкой теплотой сгорания. Технология кипящего слоя (КС) в топках и газификаторах высокоэффективна и минимально воздействует на окружающую среду.

^ К основным характеристикам топок ЦКС и других указанных технологий относятся:

• 
  практически одинаковая масса внутреннего и внешнего циркуляционного потока, высокая внутренняя и внешняя циркуляция частиц;
  
• 
  высокая степень тепло- и массопереноса благодаря активному переме-шиванию частиц топлива
  

Характерной чертой котлов с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) является наличие устройств для улавливания золы и систем возврата материала в топку. Важно отметить стабилизацию температуры в слое и надслоевом пространстве, наличие определенного количества циркулирующих частиц, уносимых из топки, улавливаемых и возвращаемых в слой. Эффективность золоуловителя обусловливает кратность циркуляции и размер частиц. В топках с ЦКС размер частиц, поступающих в золоуловитель, составляет 170 – 300 мкм

Наиболее важные технические преимущества котлов с ЦКС:

- обеспечение жестких норм на выбросы NOx и SO2 без использования дорогостоящих и крупногабаритных установок серо- и азотоочистки;

- возможность сжигания топлива разных видов в одном и том же топочном устройстве;

- отсутствие шлакования;

- возможность размещения новых котлов с ЦКС в существующих котельных ячейках действующих электростанций и др.

Ниже приведено сравнение газовых выбросов котлов с ЦКС и пылеугольных при сжигании каменных и бурых углей:


Показатель

тип котла и сжигаемого угля

с ЦКС

факельное сжигание

каменный

бурый

каменный

бурый

Содержание О2, %

7

7

6

6

Выброс SO2, мг/м3: без очистки

200 – 400

200 – 400

800 – 1300

12000

Выброс СО, мг/м3

100 – 200

20 – 30

20 – 50

130 – 180


В котлах с ЦКС удается обеспечить выбросы NOx 300 мг/м3, происходит связывание серы – не менее 90 %.

За рубежом используются различные модификации технологии ЦКС:

- котлы с ЦКС с «горячими» циклонами и зольными теплообменниками обеспечивают самый низкий уровень вредных выбросов, лучшие условия регулирования температуры пара;

- котлы с ЦКС с охлаждаемыми или нефутерованными сепараторами можно быстрее пускать из холодного состояния.

Самые крупные котлы с ЦКС изготовлены в компаниях «Фостер-Уиллер» и «Альстом».

Основные расчетные показатели котлов энергокомпании Jacksonville Electric Authority, работающие на ТЭС Northside с 2002 г., мощностью по 300 МВт, следующие: тепловая мощность – 689 МВт, паропроизводительность (свежий пар / пар промперегрева) – 906/806 т/ч, давление пара – 17,2/3,77 МПа, температура пара – 540/540оС). В качестве топлива применяется уголь и нефтяной кокс: уголь/кокс: влажность, % – 5,2/9,0; зольность, % – 12,8/0,4; содержание серы, % – 2,8/6,7; высшая теплота сгорания – 29,5/32,6 МДж/кг.

Основные особенности котла: водоохлаждаемая топка; циклоны; теплообменники; пусковые горелки в воздуховодах; охладители донной золы с кипящим слоем; пневматическая подача топлива.

Смесь топлива с частицами 6,4 мм (для получения частиц этого размера топливо дробится) с известняком (он связывает до 90 % серы), вдувается в слой снизу подогретым воздухом. Осуществляется ступенчатый подвод воздуха: снизу в слой вводится воздух; в зону над слоем вводится вторичный воздух для поддержания средней температуры около 816оС. Все это значительно снижает образование NOx в продуктах сгорания. Далее в газовой поток инжектируется аммиак, что приводит к дальнейшему уменьшению выбросов NOx.

Значения выбросов в мг/МДж: NOx – 37; SO2 – 64,5; твердых частиц – 5.

За котлом устанавливаются скруббер с суспензией из летучей золы с высоким содержанием оксида кальция, что обеспечивает общую степень улавливания серы свыше 98 %.

Сообщается, что в Польше в составе энергоблока мощностью 400 МВт будет работать крупнейший в мире паровой котел с топкой циркулирующего кипящего слоя (ЦКС), впервые сконструированный по прямоточной технологии с использованием сверхкритических параметров газа.

Основным топливом для этого котла будет антрацит польских местонахождений. Однако технология ЦКС допускает добавку других топлив к основному топливу в количестве до 30 % по теплу, а биомассы – до 10 % к основному топливу.

Концентрации NOx и SO2 в продуктах сгорания будут намного ниже норм (составляющих 200 мг/м3). Такое снижение вредных выбросов связано с преимуществом технологии ЦКС:

• 
  низкий уровень NOx связан с невысокой температурой горения топлива и организацией ступенчатого сжигания в топке;
  
• 
  связывание SO2 обеспечивается добавлением известняка в кипящий слой;
  
• 
  высокая степень очистки домовых газов от твердых частиц достигается эффективной работой электрофильтра.
  

Технология сжигания в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) подходит для угля с высокой зольностью . Учитывая резкое повышение цены на Украине на топливо – природный газ и мазут (что делает их непривлекательными для энергетики), основным топливом определен уголь. Однако уголь Донбасса содержит золы до 40 %, серы до 3,9 % (после обогащения угля содержание серы снижается до 2,5 % за счет уменьшения пиритной серы) /94-95/. Основной особенностью сжигания в ЦКС являются низкие концентрации оксидов серы (для связывания оксидов серы использовали известняк) и азота в дымовых газах (низкий выход NOx связан с низкотемпературным сжиганием топлива, при котором снижается выход топливных оксидов азота, а термические оксиды азота практически не образуются). При сжигании различного типа угля – АШ (антрацитовый), ДТ (донецкий тощий) ГСШ (газовый) при температурах 850 – 950оС выход NOx составил 176 – 354 мг/м3, диоксида серы – 618 – 100 мг/м3, что показывает, что при сжигании высокосернистого твердого топлива в ЦКС не обеспечивается очень значительное уменьшение NOx и SO2 (значение NOx и SO2 определялись химическими и масс-спектрометрическими методами).

^ Технология сжигания в низкотемпературном кипящем слое (НТКС) – на широких решетках колпачкового типа с погруженными в слой поверхностями.

Технология сжигания в высокотемпературном кипящем слое (ВТКС) – на узкой решетке – на них кипящий слой имеет температуру 1100 – 1200°С (А) = 23.

Технология НТКС является промежуточной между классическим КС и циркулирующим (ЦКС) кипящими слоями и характеризуется их преимуществами:

а) отсутствие шлакования и загрязнения поверхностей нагрева;

б) предпочтительность по стоимости и долговечности топок НТКС перед
типовыми слоевыми топками;

в) отсутствие мельничного оборудования;

г) возможность сжигания различного типа топлив и горючих отходов;

д) использование свободного кипящего слоя без погруженных в слой поверхностей нагрева, что упрощает конструкцию, исключает абразивный износ.

По сравнению с ЦКС внедрение технологии НТКС требует существенно меньше капитальных затрат. Технология НТКС наиболее адаптирована к топливам ухудшенного качества, позволяет устанавливать воздухораспределитель­ную решетку небольших размеров, под которую подается 40 – 50 % воздуха, участвующего в горении; остальной воздух поступает через сопла вторичного дутья. Это гарантирует:

• 
  хорошее выжигание топлива без применения дорогостоящих сепарационных устройств с возвратом уноса (это используется в котлах ЦКС);
  
• 
  снижение выбросов оксидов азота в 2 раза за счет двухстадийного горения и низких температур слоя.
  

Рассмотрены преимущества котлов с топками форсированного кипящего слоя (ФКС):

• 
  высокая эффективность сжигания низкосортных топлив;
  
• 
  возможность эксплуатации топок в режиме газификации.
  

Основное отличие ФКС от классического пузырькового КС – это форсировка слоя, т.е. высокая скорость ожижения (5 – 10 м/с). Расширение сечения топочного надслоевого объема снизу вверх приводит к малому недожогу, способствует возврату крупных частиц в слой (рециркуляции) и уменьшению выноса мелких частиц. ФКС не имеет погруженных в слой поверхности нагрева и связанных с этим проблем.

Форсировка слоя позволяет сжигать топливо более грубого дробления по сравнению с классическим КС. Например, максимальный размер частиц бурых углей достигает 30 – 50 мм.

Форсированный кипящий слой может функционировать в режиме газификации топлива при избытках воздуха
^ Технология ФКС близка по форсировке воздухораспределительной решетки к технологии циркулирующего КС, но имеет преимущества:

1. 
   топки ФКС по сравнению с механизированными слоевыми топками более экономичны (меньше стоят), имеют большой срок службы и более надежны;
   
2. 
   отсутствие мельничного оборудования;
   
3. 
   меньше выбросов оксидов азота и серы и др.
   

Оптимальный вариант – это применение технологии кипящего слоя и одного из перспективных направлений – технологии форсированного кипящего слоя (ФКС), что: 1) обеспечивает стабильное горение в объеме слоя и в надслоечном пространстве; 2) позволяет сжигать практически любые топлива и горючие отходы при относительно небольших температурах (800 – 1000оС).

^ Процесс сжигания топлива в ВЦКС: применяется двухступенчатое сжигание: 1) подача под решетку (т.е. в зону выхода летучих компонентов) необходимого количества воздуха, обеспечивающее псевдоожижение слоя по составу и высоте; 2) подача воздуха, необходимого для горения, в надслоевое пространство для обеспечения выгорания частиц топлива, выносимых из слоя и возвращаемых в топку частиц уноса (т.е. дожигание продуктов неполного горения над слоем с помощью вторичного воздуха). Коэффициенты подачи первичного воздуха и воздуха, подаваемого в надслоевое пространство, равны 0,5 – 0,6 и 0,4 – 0,5, соответственно.

Двухступенчатое сжигание топлива позволяет снизить содержание NOx в газах до санитарных норм 250 – 350 мг/м3. Возможно большее снижение содержания NOx, если организовать 10 – 15%-ую рециркуляцию и подмешивание дымовых газов в первичный воздух с соответственным снижением его расхода.

Использование котлов в ЦКС не требует дополнительных капитальных затрат на строительство. Модернизация действующих котлов путем перевода на сжигание топлива в ВЦКС увеличивает их производительность в 1,5 раза.

^ Процесс сжигания биотоплив в котлах с кипящим слоем.. Сжигание биотоплив в кипящем слое (КС) является наиболее эффективной технологией для сжигания высоковлажных отходов и сложных по составу топлив (например, илов, стоков). Наиболее перспективным является совместное сжигание биотоплив с углем, приводящее к еще большему снижению вредных выбросов. В случае крупных энергетических установок применяется технология циркулирующего кипящего слоя (ЦКС). Технологию КС наиболее выгодно использовать в мощных промышленных котлах паропроизводительностью 10 – 120 т/ч, а технологию ЦКС – в энергетических котлах паропроизводительностью более 100 т/ч.


^ 1.4 Экологическая безопасность промышленных отходов тепловых электростанций

Наиболее доступным и экономичным топливом для теплоэнергетики по-прежнему является уголь. В России доля угля в энергетическом балансе составляет 14%, а нефти и газа – 35 и 40%, соответственно. В первом десятилетии XXI века использование угля во всем мире превысит использование нефти, и это превышение будет прогрессировать.Полагают, что стоимость ТЭС, работающих на угле, будет существенно ниже работающих на газе и даже атомных станций. Балансовые запасы угля в России – 202 млрд. т, в том числе каменных углей – 98,6 млрд. т, бурых углей – 102,3 млрд.т. Географическое распределение – 46,5% в Кемеровской области, 23% - Красноярский край (почти все – бурые угли)

Однако увеличение угольных ТЭС сопровождается серьезными экологическими проблемами, связанными, в том числе, с зольностью угля и содержанием серы, выбросами NOx, SO2,CO,твердых частиц. Поэтому использование угля для дальнейшего роста потребления энергии должно сопровождаться разработкой и внедрением новых технологий защиты окружающей среды.

^ Элементы-примеси и экологические проблемы угольной энергетики. Развитие теплоэнергетики на базе угля сопровождается ростом серьезных экологических проблем, связанных с увеличением массы сжигаемого топлива, а также с увеличением зольности и содержания серы. Поэтому дальнейший рост потребления энергии в результате сжигания угля должен сопровождаться разработкой и внедрением новых технологий щащиты окружающей среды.

Исследования угольных ТЭС как мощных антропогенных источников загрязнения природной среды в большинстве случаев ориентированы на наиболее массовые загрязнители: SO2, NOx, CO, твердые частицы, полициклические ароматические углеводороды. Между тем необходимо учитывать экологическую роль более чем 50 элементов – примесей, обнаруженных в составе углей.

К элементам – примесям чаще всего относят химические элементы, средние концентрации которых в углях не превышают нескольких процентов, а нижний предел концентраций определяется лишь чувствительностью аналитических методов. При высоких температурах сжигания углей в котах современных ТЭС более и менее значительная часть этих элементов выбрасывается в атмосферу, существенно ухудшая экологическую обстановку на прилегающих ТЭС и на удаленных от нее территориях. При сжигании углей в атмосферу поступают: Al, Co, Fe, Mn, Na, Se, Cr, Cr, Cu, Ni, Ag, Cd, Pb, Zn, As, Br, Cl, Hg, Sb, Sc. Общая масса аэрозолей, поступающих в атмосферу при сжигании углей на ТЭС России, оценивается примерно в 1,5·106т/год. Элементы-примеси поступившие в воздух в результате сжигания топлива при соответствующих концентрациях способны вызвать многообразные патологические изменения в организме человека.

При сжигании углей на ТЭС происходит сложное термохимическое превращение элементов-примесей. Часть их массы остается в золошлаковом материале и в его составе складируется на золоотвале. Остальная часть массы элементов-примесей, минуя системы очистки (электрофильтры, скрубберы), выбрасывается в атмосферу в составе газовой и аэрозольных фаз продуктов сгорания и ставится серьезным фактором загрязнения природной среды.

При одновременном присутствии в воздухе нескольких вредных веществ, действующих на один и тот же орган, для каждой группы таких веществ суммарное превышение ПДК рассчитывается по следующей формуле:



гдерасчетные концентрации каждого элемента-примеси в атмосферном воздухе в данной точке местности, мг/м3; ПДК1, ПДК2, ПДКn – предельно допустимые концентрации каждого элемента-примеси в атмосферном воздухе в данной точке местности, мг/м3.

Новая технология для угольных электростанций должна развиваться с учетом существенного снижения или даже исключения образования загрязняющих веществ, либо путем более эффективной интеграции технологических процессов с производством электроэнергии. Основной результат этого нового подхода заключается в том, что угольные электростанции быстро эволюционируют от обычной схемы «котел – турбина – генератор» в сторону интегрированных систем, в которых в основе технологии используется распыленный уголь, сгорание в кипящем слое или комбинированные циклы с газификацией угля.

Необходимо разрешить исторический конфликт между использованием угля и состоянием окружающей среды. Поэтому обязательным элементом концепции длительного мирового экономического и природоохранного развития является достижение наиболее эффективного использования угля при минимально вредном воздействии на окружающую среду.

В промышленно развитых странах в работе находятся проекты технологии «чистого угля», основными направлениями которых являются: 1) физическое и химическое обогащение угля; 2) ограничение вредных выбросов путем инъекции сорбентов, обессеривание, понижение выбросов оксидов азота; 3) горение в кипящем слое при атмосферном и повышенном давлении; 4) совершенствование камеры сгорания; 5) газификация угля. Таким образом, электроэнергетика стоит на пороге улучшения чистоты окружающей среды при использовании угольного топлива.

Тепловые станции РФ выбрасывают ежегодно 1,9 млн. т золы;2,5 млн. т серы; 1,5 млн. т оксида азота. Образующиеся от сжигания каменных и бурых углей золошлаковые отходы ТЭС перерабатываются в незначительном количестве и, попадая на золоотвал увеличивают его вредное влияние на экосферу городов и регионов. Часть отходов в виде пыли выбрасываются в атмосферу.

Золы и шлаки ТЭС (золошлаковые отходы) относятся к техногенному сырью, которое может быть использовано при производстве материалов и изделий различного назначения:

• 
  строительных материалов (цемент, кирпич и др.);
  
• 
  полимерных и битумно-полимерных строительных материалов (кровельные и гидроизоляционные рулонные материалы, мастики, клеи, герметики и др.);
  
• 
  асбестовых технических изделий (вальцованные тормозные накладки, безасбестовые накладки с колодками в сборе дисковых тормозов и др.);
  
• 
  резино-технических изделий;
  
• 
  автомобильные шины;
  
• 
  уплотнительные материалы, используемые для устранения утечек нефти и газа на объектах нефтяной и газовой промышленности.
  

Объектом повышенного интереса в качестве фактора радиационного загрязнения природной среды в районе крупных угольных ТЭС становятся естественные радионуклиды (238U, 232Th), содержащиеся в угле и являющиеся природными источниками ионизирующего излучения, становятся. Для некоторых угольных ТЭС было установлено, что золошлаковые отходы имеют повышенную удельную активность, из-за содержания в них естественных радионуклидов, что повлекло к ограничению их применения при производстве строительных материалов. Было также выявлено, что при сжигании угля значительная часть радионуклидов поступает в атмосферу в составе дымовых уносов. По некоторым данным, опубликованным в зарубежной литературе, радиационное влияние некоторых угольных ТЭС на природную среду может не уступать влиянию АЭС равной мощности (работающих в безаварийных режимах).

Приводятся данные по экологической безопасности золоотходов от сжигания твердого топлива на ТЭЦ №22 – филиал ОАО «Мосэнерго» и нового минерального продукта на их основе. Экологическую безопасность оценивали сравнением:

• 
  их химического состава с химическим составом промышленных минеральных наполнителей – каолина, талька, бентонита, аэросила (белая сажа), волластонита, используемых для производства изделий из полимерных материалов;
  
• 
  ПДК в воздухе рабочей зоны и класса опасности оксидов, входящих в состав золоотходов и нового минерального продукта на их основе, а также промышленных минеральных наполнителей.
  

Химический состав золоотходов и нового минерального наполнителя на их основе и промышленных минеральных наполнителей приведен в таблице 1.1 ПДК в воздухе рабочей зоны и класс опасности оксидов кремния и металлов, входящих в состав золоотходов и нового минерального наполнителя на их основе, и промышленных минеральных наполнителей приведены в таблице 1.4.1 и 1.4.2.

Анализ данных, приведенных в таблицах 1.4.1 и 1.4.2, показывает, что данные химического состава приведенных промышленных наполнителей, а также значения ПДК в воздухе рабочей зоны и класса опасности промышленных наполнителей в сравнении с данными химического состава золоотходов и нового минерального наполнителя на их основе позволяет предположить, что ПДК в воздухе рабочей зоны и класс опасности золоотходов и нового минерального наполнителя на основе золоотходов от сжигания твердого топлива на ТЭС составляют 4 мг/м3 и 4, соответственно (по ГОСТ 12.1.007 – 76 ССБТ).


Таблица 1.4.1. Химический состав минеральных наполнителей


Минеральные наполнители

Химический состав масс.

ч. или %

Новый минеральный наполнитель на основе золоотходов от сжигания твердого топлива на ТЭС

SiO2 – 57,3 MnO2 – 0,017

Al2O3 – 25,9 TiO2 – 0,54

Fe2O3 – 6,8 Na2O – 0,5

FeO - 2,2 K2O – 1,5

MO – 0,8

CaO – 1,6

Каолин

Al2O3 · 2SiO2 · H2O

SiO2 – 33,4; Fe2O3 - 1

Al2O3 – 55,6

Тальк

3MgO · 4SiO2 · H2O

SiO2 – 63,1; MgO – 31,8

Бентонит

Al2O3 · 4SiO2 · 2H2O

Глинозем

Al2O3

Волластонит

CaSiO3

SiO2 – 50 FeO – 0,5

CaO – 4,6 Al2O3 – 0,5


Мел

CaCO3

Аэросил (Белая сажа)

SiO2