Повышение эффективности сжигания пылеугольного топлива в

«Повышение эффективности сжигания пылеугольного
топлива в котлах ТЭС»
Краткое описание проблемы и возможности ее решения
В топливно-энергетическом комплексе уголь является основным технологическим
сырьем и энергетическим топливом. Около двух третей добываемых углей используются в
энергетике (на ТЭС).
Традиционно применяемая технология сжигания пылевидного угля на ТЭС требует
использования высокореакционного топлива (мазута или природного газа) для розжига
котла и набора определенной минимальной нагрузки, а также небольшого постоянного
расхода газа/мазута (т.н. “подсветки”) при пониженных нагрузках, при изменениях
режима работы в энергосистеме или при ухудшении качественных показателей угольного
топлива количество мазута или газа на пуски и подсветку составляет 10-30% тепловой
мощности котла.
Сжигание газа/мазута позволяет поддерживать необходимую температуру факела в
топке, но химические условия сжигания угля при этом резко ухудшаются. Совместное
сжигание двух различных видов топлива в одном топочном объеме приводит к
негативным последствиям:
 неполному сгоранию твердого топлива,
 снижению надежности работы котла,
 быстрому износу оборудования,
 экологическим проблемам и пр.
Указанные технологические проблемы, а также высокие цены газа и мазута приводят
к необходимости сокращения их потребления ТЭС, и обеспечение максимально
возможного использование твердого топлива.
Эта задача решается путем модернизации технологии и выявления скрытых резервов
в топливе. И такими существенными дополнительными резервами являются:
 повышение степени измельчения угля,
 повышение реакционной способности угля,
 уменьшение зольности угля.
Повышение степени измельчения угля
Повышение степени измельчения улучшает работу котла, по следующим причинам:
 увеличение доли мелких фракций увеличивает скорость прогрева и воспламенения
угольной пыли на начальном участке факела, что приводит к повышению
температуры факела, повышению стабильности горения без подсветки
высокореакционным топливом (в том числе и при малых нагрузках, расширяя
регулировочный диапазон) и улучшает выведение жидкого шлака;
 существенной причиной неполного сгорания угля является, содержание грубых
фракций в угольной пыли, так как они догорают в хвостовой части факела с
ухудшенными условиями горения – низкими температурами и низкими скоростями
“омывания” газами при пониженной концентрации кислорода, уменьшение
количества крупных частиц угольной пыли приведет к уменьшению длины факела
и как следствие к более полному сгоранию угля;
 введение дополнительного узла размола пыли позволит поддерживать ее
оптимальный фракционный состав и этим параметром стабилизировать работу
котла.
Повышение реакционной способности угольной пыли
Технология сжигания углей на ТЭС построена с учетом того, что угли обладают
низкой реакционной способностью, и для их розжига и стабильного горения необходимо
обеспечить определенные высокотемпературные условия в топке котла.
Исследованиями установлено, что средствами размола уголь можно ввести в состояние, в
котором его реакционная способность резко повышается.
Физическая основа этого явления такова: органическая масса углей имеет в своей
структуре парамагнитные центры или, как их еще называют, свободные радикалы.
Как известно, свободные радикалы существенно ускоряют скорость любых
химических реакций, протекающих с их участием в том числе и реакции окисления при
сжигании углей.
При измельчении углей (любым способом) образуется большое количество новых
парамагнитных центров различной структуры, и это количество тем выше, чем тоньше
измельчение угля и чем больше (более развитая) площадь поверхности частичек угольной
пыли. Следовательно, тонкое измельчение угля приводит к резкому повышению его
реакционной способности.
Однако высокая реакционная активность измельченных углей, находящихся в
контакте с кислородом воздуха, в течение короткого времени существенно уменьшается
за счет контакта с воздухом поверхности частичек угольной пыли. А через определенное
время практически все парамагнитные центры блокируются парамагнитными молекулами
кислорода воздуха, и угольная пыль теряет приобретенную в результате измельчения
повышенную реакционную способность. Поэтому, для практического использования
повышения реакционной способности угольной пыли при переизмельчении, которое
приводит к интенсификации ее воспламенения и горения, необходимо проводить
тонкодисперсное доизмельчение углей непосредственно перед их участием в
термохимических процессах горения, а применительно к ТЭС – перед горелками.
Наиболее эффективным методом является введение в технологическую схему
пылеприготовления на ТЭС резонансно-вихревых измельчителей, которые не только
обеспечивают практически мгновенное мелкодисперсное доизмельчение и, как следствие,
реакционную активацию пылеугольного топлива.
Резонансно-вихревой измельчитель
Резонансно-вихревой измельчитель является высокотехнологичным устройством,
реализующим технологию бесконтактного измельчения материалов. По этой технологии
процессы измельчения осуществляются искусственно создаваемыми в камереизмельчителе смерчевыми завихрениями, на границе которых возникает сверхвысокий
градиент давлений (до сотен тысяч атмосфер). При попадании из зоны сжатия в зону с
пониженным давлением происходит практически мгновенный разрыв частиц
измельчаемого материала до микронного уровня.
По энергетической эффективности данная технология измельчения существенно
превосходит другие технологии тонкого измельчения, например струйные мельницы.
Частицы угольной пыли, полученные при измельчении в РВД, имеют игольчатую
форму с максимально развитой площадью поверхности и множеством микротрещин в
структуре. С учетом всех факторов реакционная способность измельченной и химически
активированной в РВД угольной пыли повышается настолько, что скорость и
интенсивность ее горения увеличивается более чем в 500 раз по сравнению со скоростью и
интенсивностью горения «обычной» пыли!
Уголь состоит из органической и зольной (негорючей) частей с различными
прочностными характеристиками. Резонансно-вихревой измельчитель можно настроить
таким образом, что органическая часть (уголь) будет интенсивно измельчаться, а зольная
(не горючая) часть будет измельчаться незначительно. После измельчения существенно
более крупная зольная часть удаляется при помощи вихревого сепаратора, таким
образом одновременно с измельчением и активацией осуществляется обогащение угля.
Важно отметить, что описанным способом до сжигания, могут быть удалены различные
минеральные примеси в том числе сернистые металлы.
Проведенные научно-исследовательские работы (НИР)
Авторами РВД проведены эксперименты, в том числе на работающем котле научнотехнического центра «Эсхар». Экспериментально была установлена высокая
эффективность резонансно-вихревого измельчителя по доизмельчению угля (измельчение
осуществлялось за 5 мксек от 90 мкм до 5-15мкм), высокая степень ее реакционной
активации (измельченный уголь легко воспламенялся в горелке при контакте с
первичным воздухом).
Длина факела в зоне активного горения уменьшалась с 8 до 3м (зона максимальных
температур факела приближалась к устью горелки на 5-6м)
Экспериментально установлена также возможность в резонансно-вихревом
измельчителе одновременного обогащения измельчаемого угля.
Авторами РВД изготовлены и эксплуатируются установки различных конфигураций.
В качестве примера можно рассмотреть результаты анализа образцов измельченного
угля с большой концентрацией минеральных примесей, из графиков распределения видно,
что размеры частиц угля находятся в пределах 0,5-10мкм а размеры частиц минеральных
составляющих находятся в пределах 100-1000мкм.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности применения
данной технологии на ТЭЦ для обогащения и сжигания исходного угля.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Оценка экономической эффективности
Прогнозируемые статьи экономического эффекта
Сокращение или полное исключение применения мазута или газа на розжиг.
Исключение применения жидкого или газообразного топлива для "подсветки"
факела горелки
Обеспечение более полного сгорания угля.
Уменьшение количества сжигаемого угольного топлива из-за повышения
экономичности сжигания.
Возможность использования более высокозольного топлива.
Уменьшение экологических платежей.
Экономический эффект от применения технологии в расчете на 1 МВт мощности
котла, может составить до $500 000 в год.
Экологический эффект
В ряде режимов сжигания тяжелых углеводородов, являющихся основной
составляющей частью мазута, в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу,
обнаруживаются органические высокотоксичные соединения (бензапирен, диоксины,
формальдегиды), особенно при наличии в мазуте хлора или засоленных вод.
Содержащиеся в мазуте тяжелые металлы (ванадий, молибден, марганец и др.) сильно
загрязняют атмосферу и почву и оказывают разрушающее влияние на поверхности нагрева
котлов.
В мазутах содержание серы превышает содержание серы в сжигаемых углях.
Применение данной технологии на котлах ТЭС позволит значительно сократить
расход мазута на розжиг котлов и полностью исключить “подсветку” мазутом, что
позволит устранить вышеперечисленные экологические проблемы.
Данная технология позволяет уменьшить образование и выброс в атмосферу окислов
азота.
Вывод
Применение технологии доизмельчения и активации на ТЭС дает возможность
проявлять и эффективно использовать три вида скрытых резервов пылеугольного топлива:
 повышение реакционной способности угля,
 повышение степени его измельчения и улучшение выжига,
 уменьшение зольности,
Это позволит повысить эффективность сжигания пылеугольного топлива и решить многие
технические, экономические и экологические проблемы угольных ТЭС использующих
технологию сжигания пылевидного топлива в спутном потоке.