Исследование и совершенствование схемы ТЭС с котлом ЦКС для повышения эффективности и улучшения экологических показателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат наук Долгушин, Илья Александрович

• Долгушин, Илья Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Долгушин, Илья Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ ДЛЯ СЖИГАНИЯ

ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

1.1 .Технология сжигания твердых топлив в котлах с ЦКС. Преимущества, недостатки, принципиальная схема

1.2.Применение технологии ЦКС для сжигания биомассы

1.3. Утилизация тепла уходящих газов котлов с ЦКС

1.4.Технико-экономическое сравнение технологий ЦКС и пылевого сжигания

1.5. Постановка задачи диссертационной работы

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ СОВМЕСТНОГО СЖИГАНИЯ УГЛЯ И БИОМАССЫ В КОТЛЕ С ЦКС

2.1. Методика расчета котельной установки с ЦКС

2.2. Расчетные характеристики смесей твердых топлив

2.3. Результаты расчетов режимов совместного сжигания в котле с ЦКС

2.4. Выбросы вредных веществ при совместном сжигании угля и биомассы

2.5.0ценка изменения затрат энергии на собственные нужды котельной установки при совместном сжигании

2.6. Выводы по главе

ГЛАВА 3. УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ КОТЛА С ЦКС В ЦИКЛЕ ТЭС

3.1.Температура точки росы уходящих газов котла с ЦКС

3.2. Структура тепловой схемы паротурбинной установки

энергоблока 330 МВт

3.3. Выбор места включения утилизатора тепла уходящих газов котла в тепловую схему паротурбинной установки

3.4. Схема включения ГПОК в газовый тракт и систему регенерации низкого давления

3.5. Разработка конструкции ГПОК

3.6.Исследование тепловой схемы энергоблока с утилизацией тепла уходящих газов котла с ЦКС

3.7.Исследование тепловой схемы энергоблока с утилизацией тепла уходящих газов котла с ЦКС при совместном сжигании угля и биомассы

3.8. Утилизация тепла уходящих газов котла с ЦКС в условиях ТЭЦ

3.9. Выводы по главе

¡A 4. ТОПЛИВНЫЕ ЗАТРАТЫ ЭНЕРГОБЛОКА ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ ЛЕСТНОГО СЖИГАНИЯ УГЛЯ И БИОМАССЫ И ОЦЕНКА ЮМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА

^ЯЩИХ ГАЗОВ

4.1. Основные допущения, формирование вариантов исследования

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ

131

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и совершенствование схемы ТЭС с котлом ЦКС для повышения эффективности и улучшения экологических показателей»

ВВЕДЕНИЕ

Россия находится на втором месте в мире по запасам угля - 19% мировых запасов, что составляет более 4000 млрд. тонн. Доля энергических углей равна 89%, остальные 11% - коксующиеся угли. В государственной программе «Энергоэффективность и развитие энергетики» отмечается необходимость перевода российской электроэнергетики на новый технологический уровень с внедрением новых энергетических технологий [1]. К таким технологиям относятся:

• высокоэффективные парогазовые установки (ИГУ) большой мощности;

• экологически чистые угольные технологии на сверхкритических параметрах пара, а так же ПГУ с газификацией твердого топлива.

Переход к новым технологиям позволит вывести из эксплуатации значительное количество устаревшего оборудования, объемы которого постоянно увеличиваются.

В соответствии с положениями Энергетической стратегии России на период до 2030 г. ([2], далее - Стратегия) экологически чистая угольная генерация должна развиваться путем внедрения следующих установок:

• Энергоблоки на суперкритические параметры пара с коэффициентом полезного действия (КПД) 46 - 55% при сжигании качественного высококалорийного угля факельным способом;

• Энергоблоки на сверхкритические параметры пара, оборудованные котлами с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС).

Согласно Стратегии общий средний КПД производства электроэнергии на установках, работающих с использованием угля, должен составить около 41%. При этом установки на угле должны быть экологически безопасными по отношению к окружающей среде.

Стратегия также предписывает необходимость снижения доли потребления газа на ТЭС для обеспечения диверсификации топливно-энергетического баланса

страны за счет опережающего развития угольных ТЭС. Цель - увеличить долю угля с 26 до 34 - 36%, а долю газа снизить с 70 до 60 - 62%.

Технология ЦКС начала активно применяться в теплоэнергетике с 70-х годов прошлого века, прежде всего, для обеспечения требуемых экологических показателей ТЭС. В конце 1990-х годов котлы ЦКС использовались на 605-ти ТЭС общей мощностью 58 025 МВт. Особых успехов по внедрению данной технологий добились страны Европы и Китай. В Китае работает более 1000 котлов с ЦКС [3, 4, 5, 6]. В Европе стоит отметить такие страны как, Польша (более 15 котлов на блоках мощность более 100 МВт, [7, 8, 9]), Финляндия (более 104 котлов), Германия (более 46 котлов), Швеция (более 80 котлов).

Наибольшего прогресса в развитие угольной генерации с использованием технологии ЦКС среди стран Европы достигла Польша. С 1995 года на ТЭС страны было поставлено котлов с ЦКС суммарной мощность 2500 МВт. На ТЭС «Туров» (2100 МВт), на месте старых пылеугольных котлов в существующих ячейках были установлены новые котлы с ЦКС [7, 8, 9]. С 1995 по 2004 год на станции было установлено 6 новых энергоблоков с котлами ЦКС - 3 по 235 МВт и 3 по 260 МВт. Основным критерием выбора варианта модернизации была компактность котельной установки, так как пылеугольный котел с установками серо-и-азотоочистки занимает в плане больше места, чем котел с ЦКС.

Важным этапом развития технологии ЦКС в мире стало сооружение первого энергоблока с котлом на сверхкритические параметры пара мощностью 460 МВт в Польше на ТЭС «Лагижа». В 2006 году началось сооружение этого энергоблока, а в 2009 году ввод в эксплуатацию. В [11] сообщается о высокой энергетической эффективности энергоблока - КПД выработки электроэнергии нетто - 43,3%, а так же о высоких экологических показателях. В работе [12] подробно описана схема пароводяного тракта котла, условия пуска и изменения нагрузки энергоблока.

В настоящий момент в России ни на одной ТЭС не используется технология ЦКС. В 2007 году 6-й Генерирующей компанией оптового рынка электроэнергии (сейчас входит в состав 2-й Генерирующей компании) на Новочеркасской ГРЭС

(Ростовская область) был заложен первый камень в фундамент первого в России и второго в мире энергоблока с котлом ЦКС на сверхкритические параметры электрической мощностью 330 МВт. Первоначально, пуск энергоблока в коммерческую эксплуатацию был назначен на конец 2012 года, однако затем не однократно откладывался. По данным на окончание 2013 года сооружение энергоблока в настоящий момент продолжается, а пуск намечен на 2015 г.

В пресс-релизе компании «ЭМАльянс» [13] сообщается, что за счет более эффективного сжигания топлива в котле с ЦКС, его КПД брутто составит >91%, а электрический КПД энергоблока нетто приблизится к 40%. При том, что средний КПД современных пылеугольных энергоблоков - 36 - 37% [14]. В этом же пресс-релизе сообщается, что в котле будет возможно сжигание широкого спектра различных топлив с сильно изменяющимся содержанием золы и влаги, в том числе и биомассы. Так же котел будет показывать высокие экологические показатели. Так как температура в топке 850-900°С - выход Ж)х значительно меньше, связывание БО* (эффективность связывания достигает 95%) осуществляется путем добавки известняка в топку, золовые частицы сначала улавливаются в сепараторах на выходе из топки, затем газы проходят дополнительную очистку в электрофильтре (эффективность улавливания золы 99,5%).

По технико-экономическим соображениям наиболее перспективными для сжигания в отечественных котлах с ЦКС топливами являются - АШ, угли печорского бассейна, тощие кузнецкие угли, бурые угли Урала и Дальнего востока, а также отходы углеобогащения, торф, сланцы и биомасса [15]. Хорошим сочетанием топлив являются кузнецкие каменные угли и угли печорского бассейна, а также экибастузкие угли. Бурые угли лучше сочетаются с биомассой, низкореакционные топлива (АШ, тощие угли) вполне допустимо совместно сжигать с отходами углеобогащения.

В работе ВТИ [16] предложен базовый подход к расчету топок котлов с ЦКС, основанный на собственных исследованиях гидродинамики и теплообмена на моделях ЦКС, с учетом зарубежного опыта.

В 2010 - 2012 гг. при финансировании Минпромторга РФ выполнен комплекс работ по разработке эскизных проектов отечественных котлов с ЦКС для энергоблоков 225 и 330 МВт. Они включали в себя разработку оригинальных систем улавливания и возврата золы с зольными теплообменниками, разработку эскизных проектов отдельных систем котла, выбор основных компоновочных решений и расчет тепловых схем энергоблоков. Кроме того, выполнено ЗБ математическое моделирование элементов топочного контура и проведены исследования на аэродинамических установках. Некоторые проблемы, создания отечественных котлов с ЦКС рассмотрены в [17].

Летом 2012 года стало известно, что в рамках государственной программы создания отечественных котлов с топками ЦКС для энергоблоков 225 МВт и 330 МВт ЭМАльянс приступил к изготовлению пилотной установки. Пилотная установка позволит проверить технические характеристики основных узлов (топка, циклон, зольный теплообменник), отработать процессы сжигания различных видов твёрдого топлива, вывода шлака и золы, а так же получить данные по выбросам вредных веществ. Полученные в результате освоения пилотной установки данные будут использованы при проектировании котлов производительностью 670 т/ч и 1000 т/ч.

Ввод нового энергоблока с котлом ЦКС на Новочеркасской ГРЭС приведет к улучшению не только условий энергоснабжения в регионе, а также простимулирует донскую угледобывающую промышленность. По оценкам директора Новочеркасской ГРЭС, потребление угля станцией с вводом нового энергоблока увеличится на 1 млн. тонн/год. Для обеспечения таких объемов потребления угледобычу в Восточном Донбассе необходимо увеличить вдвое, это значит, законсервированные шахты снова начнут давать уголь, будут развиваться горняцкие поселки, что приведет к улучшению социально-экономических условий в регионе.

Ввод котла с ЦКС является эффективным средством решения задач, поставленных в Стратегии, касающихся развития угольной генерации. Технология ЦКС имеет большой потенциал для эффективного использования

угля различного качества, а также местных топлив с целью диверсификации региональных топливно-энергетических балансов. Так же эта технология отвечает требованиям Стратегии, касающихся экологической безопасности угольных ТЭС. В мире эта технология уже хорошо отработана, в том числе и на сверхкритические параметры пара, а особенности реализации протекающих процессов создают условия для высокоэффективного и экологичного сжигания широкой гаммы топлив и их смесей с возможной последующей глубокой утилизацией тепла уходящих газов котла.

В рамках Государственной политики в сфере использования местных видов топлив на период до 2030 года предусмотрено уменьшение доли привозных ресурсов в региональных топливно-энергетических балансах в 1,3 - 1,5 раза. Одновременно с этим Стратегия предписывает увеличение относительного объема производства и потребления электроэнергии с использованием возобновляемых источников энергии с 0,5% до 4,5% (включая ТЭС с использованием биомассы).

В связи с изложенным можно сделать вывод, что проведение исследования касающегося работы энергоблока, оснащенного котлом с ЦКС, при сжигании отечественных углей различного качества на ряду с местными топливами, такими как биомасса (отходы сельского хозяйства, лесопромышленного комплекса), а так же исследование возможности внедрения таких энергосберегающих мероприятий как утилизация тепла уходящих газов котла, на данном энергоблоке, являются безусловно актуальными для российской теплоэнергетики.

Степень разработанности. В той или иной мере проблемами использования биомассы для совместного сжигания с углем занимались и занимаются авторские коллективы Всероссийского теплотехнического института (г. Москва) и Института угольных энерготехнологий Национальной академии наук Украины (г. Киев). Стоит отметить так же работу Любова В.К. (Архангельск, 2004 г.), посвященную вовлечению в энергетический баланс отходов переработки биомассы. Работа Тугова А.Н. (Москва, 2012 г.) посвящена созданию

отечественной ТЭС на твердых бытовых отходах. Исследованиям гидродинамики, процессов сжигания, а так же газификации различных видов биомассы в кипящем (псевдоожиженном) слое посвящены работы Вирясова Д.М. (Тамбов, 2013 г.), Михалева A.B. (Тамбов, 2007 г.), Зорина А.Т. (Тамбов, 2010 г). За рубежом активные исследования процессов, протекающих при совместном сжигании угля и биомассы, ведутся такими учеными как Prabir Basu, Во Leckner, Robert С. Brown и другими, а так же такими компаниями как Foster-Wheeler, Metso и др.

Проблемами утилизации тепла уходящих газов котлов активно занимались сотрудники ЗиО (г. Подольск), в частности Липец А.У. Так же стоит отметить работы Коваленко П.Ю. (Новосибирск, 2004 г.), Черепанова Е.В. (Екатеринбург, 2005 г.), Зиганшина С.К. (Казань, 2006 г.), Калмыкова М.В. (Казань, 2004 г.). В этих работах, проводятся исследования различных способов полезного использования тепла уходящих газов котельных установок для повышения их эффективности. Однако, эти исследования выполнены применительно к сжиганию природного газа, в котором не содержится серы.

Научная новизна.

В диссертации разработана методика расчета тепловой схемы энергоблока ТЭС с котлом ЦКС. Методика позволяет выполнять поверочный расчет котла и турбины и предназначена для исследований влияния изменений состава топлива и тепловой схемы на показатели энергоблока.

Впервые определено влияние совместного сжигания широкой гаммы отечественных углей с различными видами биомассы на эффективность котла с ЦКС и энергоблока в целом, а так же на выбросы вредных веществ.

Разработана простая и малозатратная схема утилизации тепла уходящих газов котла с ЦКС позволяющая эффективно работать в условиях сжигания сернистого твердого топлива.

Показано влияние совместного сжигания угля и биомассы на топливные затраты энергоблока с котлом ЦКС в зависимости от типа, доли, дальности доставки биомассы, условий взаимодействия поставщика биомассы и ТЭС.

Теоретическая и практическая значимость работы. Методика расчета тепловой схемы энергоблока может быть использована для проведения различных расчетных исследований. Разработанные методические подходы позволяют оценить изменение показателей ТЭС при организации совместного сжигания биомассы и угля, а также при использовании систем утилизации тепла уходящих газов. Результаты проведенных исследований, направленные на повышение эффективности и улучшение экологических показателей могут быть использованы при реконструкции и создании новых энергоблоков ТЭС с котлами ЦКС, в том числе и на первом в России энергоблоке с котлом ЦКС на Новочеркасской ГРЭС. Результаты работы были использованы при разработке проекта и предварительного обоснования инвестиций в сооружение угольной ТЭЦ нового поколения, выполненных в рамках работы по договору № 0147012/1,2 между ОАО «ВТИ» и Фондом «Энергия без границ». Так же результаты работы вошли в электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Экологическая безопасность ТЭС», разработанный на кафедре ТЭС МЭИ. Автор защищает:

1) результаты исследования схемы энергоблока ТЭС с котлом ЦКС в условиях совместного сжигания угля и биомассы.

2) схему утилизации тепла уходящих газов котла с ЦКС для подогрева основного конденсата турбины и результаты исследования при работе энергоблока с указанной схемой.

3) данные по влиянию условий совместного сжигания угля и биомассы на изменение топливных затрат энергоблока.

4) результаты оценки эффективности внедрения системы утилизации тепла уходящих газов при сжигании угля, а так же при совместном сжигании. Апробация работы. Основные положения и результаты работы были

доложены: на 18-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» (2012 г. Москва,

МЭИ); второй всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем «Энерго-2012» (2012 г., Москва); 8-й международной научно-практической конференции «Угольная теплоэнергетика: проблемы реабилитации и развития» (2012 г., Украина, г. Алушта); конференции с международным участием «8-й Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике» (2013 г., г. Екатеринбург, УрФУ), конференции молодых специалистов ВТИ (2012 г., Москва, ВТИ), научном семинаре и заседании кафедры ТЭС МЭИ (2013, 2014 гг.).

Публикации. Результаты работы отражены в восьми публикациях, три из которых рецензируются ВАК, остальные пять - тезисы докладов и материалы конференций.

Личный вклад автора заключается в:

• разработке методики расчета тепловой схемы энергоблока ТЭС, оснащенного котлом с ЦКС. Проведение расчетного исследования при работе энергоблока в условиях сжигания широкой гаммы углей совместно с различными видами биомассы с использованием разработанной методики.

• разработке и обосновании схемы утилизации тепла уходящих газов и ее исследование при различных значениях температуры уходящих газов

• определении оптимальной степени утилизации тепла уходящих газов в условиях сжигания угля и совместного сжигания.

• анализе влияния условий совместного сжигания на топливные затраты энергоблока и анализе показателей эффективности внедрения системы утилизации тепла уходящих газов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 77 наименований и приложения. Объем работы - 166 страниц, основная часть - 128 страниц, а так же 13 таблиц и 62 рисунка.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю - д.т.н., профессору кафедры ТЭС НИУ «МЭИ» Седлову Анатолию Степановичу. А так же сотрудникам лаборатории специальных котлов ОАО «ВТИ», а именно - к.т.н., заведующему лабораторией Рябову Георгию Александровичу и научным сотрудникам - Мельникову Д.А., Ханееву К.В. и Фоломееву О.М. за помощь в проведении исследований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

В обзоре показаны принципиальная схема котла с ЦКС и состояние вопроса, касающегося использования на ТЭС таких котлов для совместного сжигания угля биомассы и угля с целью повышения экологических показателей. Рассматриваются технологические и тепловые схемы ТЭС, которые позволяют снизить температуру уходящих газов за котлом и повысить эффективность выработки электроэнергии и тепла. Обзор также затрагивает технико-экономические аспекты применения технологии ЦКС. В конце обзора сформулированы цели и основные задачи диссертации.

1.1.Технология сжигания твердых топлив в котлах с ЦКС. Преимущества, недостатки, принципиальная схема

Самый распространенный способ сжигания твердого топлива на ТЭС в современной теплоэнергетике - факельный. Измельченный уголь в виде пыли смешивается с нагретым воздухом, образуя пылевоздушную смесь, подается в топку через горелки, где происходит сгорание угля в факеле, температура которого может достигать 2000°С.

Сжигание угля в циркулирующем кипящем слое вытекает из идеи слоевого сжигания в топке. В отличие от слоевого сжигания, когда на решетке в топке сжигается кусковой уголь, в топке с ЦКС под слой через распределительную решетку подается воздух под давлением. Выбор определенного размера кусков угля и скорости воздуха позволяет организовать горение не в слое, а над ним. Не полностью сгоревшие частицы угля, унесенные потоком воздуха, улавливаются в сепараторах и возвращаются обратно в слой.

Технология ЦКС имеет следующие преимущества по сравнению с факельным сжиганием топлива [10, 12, 17]:

упрощенная система топливоприготовления - дробление вместо тонкого помола. Размер частиц до 25 мм, обычно 6-8 мм.

эффективное сжигание непроектных, низкокалорийных, высокозольных и низкореакционных топлив, а так же совместное сжигание различных топлив, благодаря стабильно низкой температуре в топке, малому содержанию углерода в слое и длительному времени пребывания коксозольного остатка в топочном контуре.

низкий выход оксидов азота NOx без применения специальных мер азотоочистки (менее 200-300 мг/нм3) благодаря низкой температуре слоя и ступенчатому подводу воздуха.

возможность эффективного связывания оксидов серы при минимальном расходе сорбента за счет оптимальных условий протекания процесса (>95% при температуре в топке 850 - 870°С).

возможность отказаться от специальных установок серо-и-азотоочистки.

возможность глубокой разгрузки котла без подсветки газом или мазутом.

котлы с ЦКС имеют хорошие маневренные характеристики (при

охлаждении сепараторов твердых частиц рабочей средой).

эффективное регулирование и поддержание температуры перегрева пара

при размещении пароперегревателей в зольных камерах.

К основным недостаткам данных котлов относятся:

для ожижения слоя требуется высоконапорный дутьевой вентилятор.

повышенная эрозия поверхностей нагрева топки и

воздухораспределительной решетки из-за работы в условиях сильно

запыленного потока.

длительный пуск из холодного состояния при отсутствии охлаждения сепараторов твердых частиц (повышенные затраты пускового топлива), усложнение конструкции котла и вспомогательные системы - дренаж слоя, контур возврата материала слоя, известняковое хозяйство, зола менее пригодна для дальнейшей переработки в полезный продукт.

На рис. 1.1 показана технологическая схема котельной установки с котлом

ЦКС.

tu

■К

WW

Рис. 1.1. Принципиальная схема котельной установки с котлом ЦКС. / - воздух; II - отвод дошюй золы слоя; Ш-пылегазовый поток; IV - газы; У—несгоревшие частицы топлива и зола; У1-очищенные уходящие газы; VII-летучая зола; 1 - бункер известняка; 2 - бункер угля; 3 — топка; 4 -циклонный сепаратор; 5 - конвективная шахта; б - конвективные поверхности нагрева; 7 - электрофильтр; 8 - дымовая труба; 9 — дымосос; 10 - воздухораспределительная решетка

В топку котла 3 подается дробленый уголь из бункера угля 2 и известняк из бункера 1. Первичный воздух I подается под слой топлива, известняка и инертного материала через воздухораспределительную решетку 10 при помощи высоконапорного дутьевого вентилятора (на схеме не показан). При этом плотный слой взрыхляется, а твердые частицы (зола и материал слоя) уносятся в верхнюю часть топки. Скорость воздуха в топке обычно не превышает 5 - 6 м/с.

Концентрация твердых частиц пылегазовом потоке III в верхней части топки

-1

значительна и составляет около 7-10 кг/м . Поэтому далее, по ходу газов установлен сепаратор циклонного типа 4, для улавливания уноса. Циклон имеет КПД улавливания порядка 99%, и далее газы поступают в конвективную шахту 5,

аналогичную традиционным пылеугольным котлам. Материал слоя и зола V скапливаются под циклоном в специальной камере (пневмозатворе). Пневмозатвор предотвращает проскок газов в топку через линию возврата. В конвективной шахте расположены конвективные поверхности нагрева пароперегревателя и экономайзера 6. После конвективной шахты дымовые газы поступают в электрофильтр 7, где происходит очистка газового потока от летучей золы. Летучая зола VIII полей электрофильтра и конвективной шахты отводится на золоотвал, а очищенные дымовые газы VI, при помощи дымососа 9, через дымовую трубу 8 выбрасываются в атмосферу.

1.2.Применение технологии ЦКС для сжигания биомассы

Интерес к энергетическому использованию биомассы в последние несколько лет возрос, в том числе и в России, об этом свидетельствует ряд работ. Например, в работе Любова В.К. проведен комплекс исследований, выполненный на стендовых и промышленных установках, которые позволили разработать ряд новых технологических схем организации топочного процесса, обеспечивающих высокие технико-экономические и экологические показатели при сжигании различных видов биомассы [18]. Работа Тугова А.Н. посвящена созданию и широкому внедрению в России тепловых электростанций на основе широкодоступного возобновляемого источника энергии - твердых бытовых отходов [19]. Так же проведен ряд важных работ по исследованию процессов сжигания биомассы в псевдоожиженных слоях, например в работе Михалева A.B. [20] изучены особенности гидродинамики псевдоожиженного слоя антрацитового штыба и биогранул и влияние этих особенностей на процесс совместного сжигания этих топлив в топочных устройствах печей химических производств и котельных установок малой мощности. Вирясовым Д.М. исследованы процессы ожижения и агломерации (слипания) слоя при сжигании биотоплива в многокомпонентных слоях [21]. В работе Зорина А.Т. предложено сжигать отходы сельского хозяйства (пеллеты из лузги подсолнечника) в кипящем слое, сформированном самими гранулами и твердыми продуктами их горения [22].

За рубежом активные исследования энергетического использования биомассы ведут такие ученые как Prabir Basu, Во Leckner, Larry L. Baxter, Pobert C. Brown, Jaan Koppejan и другие [23, 24, 25]. При этом за рубежом часто рассматриваются все возможные технологии совместного сжигания угля и биомассы, в том числе и сжигание в факеле.

Для биомассы обычно характерны следующие особенности: широкий диапазон изменения теплотворной способности (8-17 МДж/кг), значительный выход летучих (60 - 80%), высокая влажность (40 - 60%), низкая зольность на рабочую массу (<2 - 3%) и малое содержание серы (<0,1 - 0,12%). Интерес к энергетическому использованию биомассы вызван, прежде всего, следующими факторами [14, 26, 27, 28]:

• ужесточением экологических стандартов.

• ростом цен на первичные энергоносители.

Технология ЦКС позволяет сжигать до 100% нетрадиционного топлива, такого как биомасса, тогда как при пылеугольном сжигании максимальная доля составляет около 5%, это связанно с требованиями по фракционному составу топлива.

Преимущества совместного сжигания, заключаются, прежде всего в снижении доли привозного топлива более высокого качества в балансе ТЭС и улучшении экологических показателей работы [14, 27, 28, 29].

Большого успеха в освоении технологии совместного сжигания добились страны Северной Европы, и в частности Швеция и Финляндия.

В настоящий моментсовременные котлы с ЦКС проектируютсяна сжигание как минимум двух проектных топлив. Ниже в таблице 1.1 и на рис. 1.2 приведены данные по нескольким ТЭС с совместным сжиганием угля и биомассы и общие виды котельных установок, установленных на них [30].

Таблица 1.1. Станции с совместным сжиганием угля и биомассы [30].

Станция Владелец Ввод в эксплуатацию Параметры Топлива

1. «Оребро», Швеция Е.Оп 1990 71 кг/с, 540°С 14.9 МПа, 65 МВт Древесина, торф, уголь

2. «Норркёпинг», Швеция Е.Оп 1993 42 кг/с, 540°С 11.0 МПа, 35 МВт Древесные отходы, торф, уголь

3. «Альхольмен», Финляндия AlholmensKraft 2001 194 кг/с, 545°С 16.5 МПа, 250 МВт Древесные отходы, кора, торф, уголь

4. «Пори», Финляндия PorinProsessivoima 2008 67 кг/с, 522°С, 8.4 МПа, 60 МВт Древесина, торф, уголь

1 2 3

Рис. 1.2. Котельные установки ТЭС из таблицы 1.2.

На всех этих ТЭС в качестве биомассы используется древесина и древесные отходы. Котлы на ТЭС «Аяьхольмен» и «Норркёпинг» спроектированы для сжигания древесины, торфа и угля в любых пропорциях, с целью максимизации потребления биомассы. Системы топливоподачи ТЭС спроектированы на работу, как при 100% сжигании угля, так и при 100% сжигании биомассы. Системы топливоподачи позволяют переходить с одного топлива на другой - в экстренных случаях за 10 минут (при некоторых колебаниях параметров пара на выходе из котла), в штатном режиме переход со 100% биомассы на 100% угля осуществляется примерно за 1,5 часа (см. рис. 1.3).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Долгушин, Илья Александрович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 .Государственная программа Российской Федерации «Энергоэффективность и развитие энергетики». Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 3 апреля 2013 г. №512-р;

2. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена распоряжением правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. №1715-р;

3. Z. Luoand, К. Cen, «Research and development on Circulating fluidized bed combustion technology in China», Proc. of the 8-th Int. Conf. on CFB, Hangzhou, China, May 10-13, 2005, pp 56 - 67;

4. S. Li, T. Yong, Z. Yanjun, G, Zhiyu «CFB Design Evaluation of Chinese CFBs», Proc of Int. Conf. CFB9, 13-16 May 2008, Hamburg, Germany, pp 503508;

5. G.-N. Stamatelopoulos, J.-C.Semedar, S. Darling «Operational Experience from the First 300 MWt CFB Plant in the P. R. of China», Proc of Int. Conf. CFB9, 1316 May 2008, Hamburg, Germany, pp 535-540;

6. G. X. Yue, H. R. Yang, J. F. Lu, H. Zhang «Latest development of CFB boilers in China», Proc of Int. Conf. FBC20, 18-21 May 2009, Xi'an, China, pp3-12;

7. W. Nowak, Z. Bis, J. Laskawiecet. al. «Design and operation experience of 230 MWe CFB boiler at Turow Power Plant in Poland». Proc.Of the 6-th Int. Conf. on CFB, Wurzburg. Germany, August 22+27, 1999, pp. 1003+1008;

8. W. Nowak, Z. Bis, J. Jablonski, R. Walkowiak, «Operating experience with the 235 MWe lignite-fired CFB boilers at the Turow Power Plant», VGB Power Tech., 6/2003, pp.77-81;

9. W. Nowak, R Walkowiak, T. Ozimowski, J. Jablonski, J. Wyszynski «Ten Years of Experience of ВОТ Turow Power Plant S. A. In the Operation of HighPower Fluidized Bed Boilers», Proc of Int. Conf. CFB9, 13-16 May 2008, Hamburg, Germany;

10. R. G. Lundqvist, «Designing large-scale circulating fluidized bed boilers», VGB Power Tech, 10/2003, pp 41-46;

11. W. Nowak, Z. Bis, R. Kobylecki, «Circulating fluidizing bed boiler for 460 MWe Power block with supercritical parameters», Proc. of China-Japan Symp. On Fluidization, Dec. 3-5, 2003;

12. «Supercritical CFB boiler technology enters utility-scale territory» Supercritical CFB Technology, Heater Johnstone, Senior Editor, June 2008;

13. Пресс-релиз компании ОАО «ЭМАльянс», www.em-alliance.ru

14. Рябов Г.А., Долгушин И.А. «Использование на ТЭЦ технологии циркулирующего кипящего слоя при совместном сжигании биомассы и ископаемых топлив», Электрические станции, №10, 2012, с. 4-9;

15. Рябов Г.А., Фоломеев О.М., Санкин Д.А., Мельников Д. А. «Современное состояние и развитие технологии циркулирующего кипящего слоя в энергетике и ее применение для снижения выбросов парниковых газов», VIII Всероссийская конференция с международным участием «Горение твердого топлива» Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 13-16 ноября 2012 г.;

16. Г. А. Рябов, О. М. Фоломеев, «Работы ОАО «ВТИ» по научному обоснованию расчета топочного контура котлов с циркулирующим кипящим слоем», Теплоэнергетика, № 6, 2011г.;

17. Г.А. Рябов, О.М. Фоломеев, Д.А. Мельников, Д.А. Санкин, И.Г. Дмитрюкова, Б.Н. Фирсов, Г.И. Жуков, В.В. Иваненко, В.В. Балакин, А.В. Кузнецов, «Разработка типовых котлов с ЦКС для технического перевооружения ТЭС», Электрические станции, № 6, 2011 г., стр. 18 - 26;

18. Любов В.К. «Совершенствование топливно-энергетического комплекса путем повышения эффективности сжигания топлив и вовлечения в энергетический баланс отходов переработки биомассы и местного топлива». Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Архангельск, 2004 г.;

19. Тутов А.Н. «Исследование процессов и технологий энергетической утилизации бытовых отходов для разработки отечественной ТЭС на ТБО». Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Москва, 2012 г.;

20. Михалев А.В. «Гидродинамика псевдоожиженного слоя и ее влияние на эффективность и экологичность процесса совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Тамбов, 2007 г.;

21. Вирясов Д.М. «Псевдоожижение и сжигание биотоплива в многокомпонентных слоях» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Тамбов, 2013 г.;

22. Зорин А.Т. «Экспериментальное исследование сжигания отходов сельскохозяйственного производства в псевдоожиженномслое».Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Тамбов, 2010г.;

23. Basu P. Combustion and gasification in fluidized beds / 2006 by Taylor & Francis Group, LLC;

24. Bo Leckner «The role of CFB in co-combustion», Proc. of CFB 9, May 13-16 2008, Hamburg, Germany, pp. 827-832;

25. Thermochemical processing of biomass: conversion into fuels, chemicals, and power. Edited by Robert C. Brown. Published 2011 by John Wiley & Sons, Ltd;

26. Ari Kokko «Benefits of replacing coal with biomass in CFB boiler»s, Metso Power Oy 2011;

27. Г.А. Рябов, И.А. Долгушин «Использование местных топлив и биомассы применительно к сжиганию в котлах ЦКС на ТЭЦ» Труды второй всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем Энерго - 2012», Москва, МЭИ, 4-6 июня 2012 г.;

28. И.А. Долгушин, А.С. Седлов, Г.А. Рябов «Использование биомассы на ТЭЦ: технология совместного сжигания угля и биомасс в котлах ЦКС»

Тезисы докладов 18-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика», Москва, МЭИ, 1 - 2 марта 2012 г.;

29. И.А. Долгушин, A.C. Седлов, Г.А. Рябов «Анализ эффективности и экологических показателей котлов с циркулирующим кипящим слоем для ТЭЦ», Тезисы докладов национальной конференции «Повышение эффективности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС», Москва, МЭИ, 4-6 апреля 2012 г.;

30. Mats Stromberg, «Advanced steam parameters in large scale CFB application operating on REF and biofiiels - background and experiences», Soderenergi AB, Sweden, 2011;

31. Европейская база данных законодательных актов по использованию возобновляемых источников энергии: www.res-legal.eu.

32. Липец А.У., Кузнецова С.М., Дирина Л.В. «Некоторые пути совершенствования котла и энергоблока на суперсверхкритические параметры пара», Теплоэнергетика №6 1998 с. 31-37;

33. Гордеев В.В., Ершов Ю.А., Сотников И.А., Липец А.У. «Отбор высокопотенциального тепла от энергетических котлов - путь повышения эффективности электростанций», Теплоэнергетика №9 1999 с. 10-12;

34. А.У. Липец, И.Л. Шрадер, В.Г. Овчар, «Перевод котла БКЗ-420 на работу с пониженной температурой уходящих газов», Электрические станции, 1995. №7 с. 17-21;

35. Коваленко П.Ю. «Комплексная оценка повышения эффективности энергоблоков ТЭС путем утилизации теплоты уходящих газов в системах регенерации турбин». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 2004 г.;

36. Черепанова Е.В. «Охлаждение продуктов сгорания газообразного топлива в ребристых теплообменниках». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Екатеринбург, 2005 г.;

37. Калмыков М.В. «Совершенствование работы ТЭС путем снижения тепловых потерь котельных установок». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Казань, 2004 г.;

38. Зиганшина С.К. «Совершенствование работы котельных установок ТЭС путем использования вторичных энергоресурсов». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Казань, 2006 г.;

39. Pavel Rusheljuk «Pulverized combustion vs. Circulating Fluidized Bed combustion boiler efficiency comparison» Doctoral school of energy-and geo-technology January 15-20, 2007. Kuressaare, Estonia;

40.И. А. Долгушин, Г. А. Рябов, К. В. Ханеев «Утилизация тепла уходящих газов угольных ТЭЦ» Сборник докладов конференции с международным участием «VIII всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике» (Екатеринбург, 12-14 ноября 2013 г.);

41. И.А. Долгушин, А.С. Седлов, Г.А. Рябов «Утилизация тепла уходящих газов», Тезисы докладов 20-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика», Москва, МЭИ, 27 - 28 февраля 2014 г.;

42. Ilkka Venalainen, RafalPsik «460 MWe Supercritical CFB boiler design for Lagisza power plant» Power-Gen Europe, Barcelona, 05.25.2004;

43. Frank Adamczyk «Integration of a Flue Gas heat Recovery System in the Worldwide Largest Fluidized Bed Boiler Lagisza 460 MW Efficiency Increase and C02 Reduction», VGB PowerTech 12/2008;

44. Сайт http://www.bbs.bilfinger.com;

45. Г.А. Рябов. «Разработка предложений по концепции реконструкции ТЭС и технические решения по модернизации оборудования до 2010 г. Технология сжигания твердых топлив в кипящем и циркулирующем кипящем слое». Отчет ВТИ, арх. № 14672, 1998 г;

46. Г.А. Рябов, Е.Н. Толчинский, И.И. Надыров и др. «Применение котлов с циркулирующим кипящим слоем для замены устаревших пылеугольных котлов», Теплоэнергетика, №8, 2000 г., стр. 14-20;

47. Г. А. Рябов, О. М. Фоломеев, Д. С. Литун, Д. А. Санкин, И. Г. Дмитрюкова, «Перспективы использования технологии ЦКС при техническом перевооружении ТЭС России», Теплоэнергетика, № 1, 2009 г.;

48. К. Zolzez, Н. Hirschfelden, М. Holub, «Advantages and Disadvantages of Fluidized Bed Combustors in varios Areas of Application», VGB TW212e, Technical Scientific Reports, Essen, pp 1.2.1-1.2.12;

49. «The Future of Fluidized Bed Combustion», Summary, VGB TW212C, Technical Scientific Reports, Essen, 1997, pp 6-17;

50. Русских E.E. «Исследование эффективности применения на ТЭС энергоблоков с котлами циркулирующего кипящего слоя». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 2007 г;

51. Robert Giglio «The value proposition of circulating fluidized bed technology for the utility power sector», VGB PowerTech 12, 2013;

52. S.J. Goidich «Supercritical Boiler Options to Match Fuel Combustion Characteristics», Foster-Wheeler North America, 2007;

53. Chudi Egbuna «Techno-economic considerations when using low-grade coal for power generation», Powermag, March 2013, pp. 24-29;

54. Нормативный метод теплового расчета котельных агрегатов. Под ред. Н.В. Кузнецова и др., М., «Энергия», 1973 г;

55. Биоэнергетика России в XXI веке, ФГБУ РЭА МИНЭНЕРГО РФ, 2012 г.;

56. Zulfiquar М. Н. «А fundamental study on pilot-scale characteristics of coal and biomass blends for co-firing applications», PhD thesis, University of Newcastle, Australia, 2006;

57. Zulfiquar, M. H., Moghtaderi, В., and Wall, T. F. «Со-firing of coal and biomass in 150kW pilot-scale boiler simulation furnace», Technology Assessment Report, CRC for Coal in Sustainable Development, QCAT Technology Transfer Centre, Pullenvale, Queensland, Australia, 2006;

58. Acceptance testing of steam generators (VDI Code of practice), Deutsche norm, February 1994;

59. Battista, J., Tillman, D. A. and Hughes, E. E. «Co-firing wood waste with coal in a wall-fired boiler: Initiating a 3-year demonstration program», Proceedings of BioEnergyl998, pp. 243-251;

60. ГОСТ P 50831-95 «Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования», М.: Госстандарт России, 1995;

61. Современные природоохранные технологии в электроэнергетике: Информационный сборник / В.В. Абрамов и др.; под.общей ред. В.Я. Путилова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 388 е.;

62. «The handbook of biomass combustion and со-firing» edited by Sjaak van Loo and Jaap Koppejan. Earthscan, London, 2008;

63. Интернет-сайт: http://re.buildingefficiency.info;

64. Moskvits P.D. «Low-temperature boiler corrosion and deposits - literature review»Ind. Eng. Chem. 1959.Vol. 51, No.P. 1305 - 1312;

65. Липов Ю.М., Третьяков Ю.М. «Котельные установки и парогенераторы». - Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Институт компьютерных исследований, 2006. - 592 е.;

66. Т. Pihu, Н. Arro, A. Prikk, R. Rootamm, A. Konist «Corrosion of air preheater tubes of oil shale CFB boiler. Part 1. Dew point of flue gas and low-temperature corrosion», Oil Shale, 2009, Vol. 26, No. 1, pp. 5 - 12;

67. «Методические указания по предупреждению низкотемпературной коррозии поверхностей нагрева и газоходов котлов», РД 34.26.105 (МУ 3470-118-84), Москва, ВТИ, 1985 г.;

68. Интернет-сайт завода «УралКотлоМашЗавод» www.uralkmz.ru.

69. И. А. Долгушин, Г. А. Рябов, К. В. Ханеев «Утилизация тепла уходящих газов угольных ТЭЦ», Сборник докладов конференции с международным участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике» (Екатеринбург, 12-14 ноября 2013 г.);

70. И.А. Долгушин, А.С. Седлов, Г.А. Рябов «Утилизация тепла уходящих газов ТЭЦ» Тезисы докладов 20-й международной научно-технической

конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика», Москва, МЭИ, 27 - 28 февраля 2014 г.;

71. Долгушин И.А., Рябов Г.А., Авруцкий Г.Д. «Расчетный анализ тепловых схем угольных энергоблоков мощностью 100 - 120 МВт с повышенными показателями для ТЭЦ нового поколения», Энергетик №11 2013, стр. 25-30, ноябрь 2013 г.

72. Рябов Г. А., Авруцкий Г. Д., Зыков А. М., Шмиголь И. Н., Лазарев М. В., Долгушин И. А., Щелоков В. И., Кудрявцев А. В., Жученко Л. А. «Профиль энергоблока угольной ТЭЦ нового поколения». Известия Академии Наук. Энергетика №1, январь 2014г.;

73. Прайс-лист Гуковской угольной компании ОО «Идеал», сайт www.idealugol.ru;

74. Электронная угольная торговая площадка www.miner.ru;

75. Интернет-сайт Глубокинскогомаслоперерабатывающего завода, Ростовская обл., www.gmpz.ru;

76. Hamelinck С. and N., Suurs R. A. A., Faaij André Р. С. «International bioenergy transport costs and energy balance», Biomass and Bioenergy, vol. 29 2005, ppl14-134;

77. Интернет-сайт Администратора торговой системы: www.atsenergo.ru.