Основные технические проблемы российской энергетики состоят в следующем:
— крайне изношенные основные фонды ТЭС. В среднем износ составляет 45 %, на отдельных ТЭС — до 90 %;
— острая экологическая обстановка в районе размещения из-за отсутствия эффективного газоочистного и котельного оборудования, а также современных технологий сжигания твердого топлива.
Одной из актуальнейших задач реконструкции является обеспечение устойчивого сжигания на них низкосортного топлива без подсветки мазутом или газом, с одновременным уменьшением выбросов вредных веществ.
При решении этой проблемы использует не только отечественный опыт и опыт стран СНГ, а также разработанные технологии и опыт ведущих энергетических фирм развитых в экономическом отношении западных с гран.
Так, при реконструкции тепловых электростанций американская фирма TRW предлагает использовать сконструированные фирмой выносные камеры сжигания — угольные шлакообразующие комбасторы, способные эффективно сжигать низкосортный уголь без подсветки мазутом или газом.
Проработки по установке комбасторов при реконструкции блоков 200 МВт выполнены Харьковским институтом «Энергопроект».
Комбастор мощностью 75 МВт представляет собой атмосферную многоступенчатую камеру сгорания с жидким шлакоудалением, состоящую из прекомбастора 1 (предварительная камера сжигания), ступени шлакообразования 2 и секции вывода шлака 3.
Схема выносной камеры сжигания (комбастора)
Прекомбастор 1 состоит из вихревой горелки с форсункой 4, воздушной камеры, камеры сгорания и кольцевой камеры смещения.
Размельченный уголь (35 % общего расхода) горячим воздухом (350 °С) подается через вихревую горелку 5 в камеру сгорания. Для горения этого угля (при α = 0,8-1,0) через воздушную камеру нагнетается горячий воздух 6. Горение угля происходит в полете, а не на стенках камеры. Камера сгорания охлаждается водой.
Для обогащения продуктов сгорания кислородом и получения высокотемпературного газа (около 1400 °С) на вводе в ступень шлакообразования через кольцевую смешивающую камеру подается горячий дополнительный (вторичный) воздух 7.
Этот газ входит в ступень шлакообразования тангенциально, вызывая высокую турбулентность и поддерживая вихревое течение.
Остальная часть угля поступает через угольный инжектор в ступень шлакообразования 2. Применение угольного инжектора с множеством отверстий обеспечивает хорошее распределение угля и, следовательно, хорошее смешение угля и воздуха и сжигание (выгорание углерода до 99 %).
Высокая температура газов, поступающих после прекомбастора, способствует образованию горячей шлаковой пленки на стенках ступени шлакообразования, которая обеспечивает стабильное воспламенение и сжигание угля с низким содержанием летучих.
Ступень шлакообразования работает при коэффициенте избытка воздуха 0,7-0,9.
Стенки и перегородка шлакообразующей ступени выполнены из мембранно-трубных элементов с шипами длиной 2 см из нержавеющей стали для удержания шлака.
Эксплуатационная температура в комбасторе достаточно высока, так что преобладающая часть оставшейся угольной золы расплавляется на лету. Образовавшиеся капли расплавленной золы центрифугируются на стенки комбастора, формируя самостекающий слой жидкого шлака. Это шлаковое покрытие защищает металлоконструкцию как от эрозии, гак и коррозии и уменьшает мощность теплопередачи и нагрузку охлаждения.
Шлак перемещается вдоль стенок комбастора иод действием сил сдвига (потоком газов вдоль комбастора) и тяжести (ввиду наклонности оси комбастора на 15 град, и горизонту).
Ступень шлакообразования отделена коцентрической перегородкой от секции вывода шлака 3. Шлак течет через клинообразную щель в перегородке. Большая часть зольного материала (80-90 %) выводится в виде шлака. Оставшиеся маленькие частицы золы 2-4 мк вместе с продуктами сгорания, имеющими температуру 1700 °С, попадают в топку котла. Добавочный воздух подается на вход тонки для завершения сжигания и поднятия избытка воздуха до номинальной величины 1,15-1,2.
Для охлаждения комбастора используется вода из барабана , циркулирующая но замкнутому контуру при помощи насосов.
Многоступенчатое сжигание угля позволяет сократить образование окислов азота в 4-5 раз, а ввод известняка (11 т/ч) на котел обеспечивает поглощение окислов серы на 50 %. Выбросы золы сокращаются в несколько раз.
Разработка конструкций комбасгоров ведется американской фирмой TRW с начала 80-х годов. Технология TRW защищена несколькими патентами. Получены положительные результаты работы демонстрационной установки мощностью 12 МВт в Кливленде в части сжигания низкосортного топлива (теплотворная способность 3580-4200 ккал/кг, влажность 1-30%, зольность 4-30, выход летучих 8-4 5%, было испытано 8 различных сортов угля, включая угольную суспензию), удаления шлака, снижения образования окислов азота.
В 1991 году разработаны проект и начато строительство станции в Хели (Аляска) с двумя комбасторами 90 МВт на аляскинском угле. Промышленно-работающих котлов с комбасторами ТР еще нет. Предполагается выполнить испытания по сжиганию украинского угля (в первую очередь низкосортного АШ) на установке в Калифорнии (США).
В качестве исходного для Змиевской ТЭС (Украина) американской стороне было задано топливо следующего состава:
теплотворная способность — 4120-4510 ккал/кг; содержание золы — 36-31,5 %; влажность — 10 %; выход летучих — 4-5 %.
Харьковский институт «Энергопроект» выполнил технические проработки по установке комбасгоров на блоке № 1 мощностью 200 МВт Змиевской ТЭС (восемь комбасторов по 75 МВт или шесть по 100 МВт).
В течение ряда лет станция сжигает непроектный низкосортный уголь калорийностью 4500-4900 ккал/кг с высоким содержанием золы и влаги. Располагаемая мощность блока 200 МВт при подсветке 15-20 % газом (мазутом) составляет 170-175 МВт.
Проработки показали возможность установки комбасторов на блоке № 1. Котел подлежит реконструкции. Вход в топку комбастора 75 МВт — горизонтальный, 100 МВт — подовый. Размеры комбастора в плане 8,8×10,2 м, высота — 9 м. Комбасторы располагаются на отдельно стоящих фундаментах.
Для обеспечения работы комбасторов и реконструируемого котла с номинальной производительностью при использовании низкосортного АШ предусматривается:
- установка вентиляторов повышенного давления (новой разработки); установка насосов охлаждения;
- демонтаж регенеративных воздухоподогревателей (для размещения комбасторов);
- установка выносных трубчатых воздухоподогревателей первой ступени (на месте мокрых золоуловителей);
- сооружение рукавных фильтров для улавливания золы, располагаемых за дымовой трубой;
- реконструкция системы пылеприготовления, гидрозолоудаления, золоулавливания, строительной части;
- сооружение хозяйства хранения, приготовления и подачи известняка;
- установка сухого отбора шлака и выдача его потребителю;
- установка дополнительных трансформаторов с двумя дополнительными секциями КРУ 6 кВ каждая.
- Вновь устанавливаемые вентиляторы размещаются на отметке 0,00 бункерно-деаэраторного отделения на месте демонтируемых вентиляторов горячего дутья.
Насосы охлаждения комбасторов — между тылом котла и стеной котельной на отметке 0,00.
Вентилятор очистки комбастора устанавливается на отметке 0,00 в котельной.
Расходные бункеры известняковой пыли и другое оборудование системы подачи известняка в комбасторы размещаются в котельной.
Рассмотрено два варианта сухого удаления шлака:
Вариант 1 — после дробилок шлаковых ванн элеваторами шлак подается в бункер-накопитель емкостью 200 м3, из которого трактом конвейеров направляется потребителю (на заводы стройиндустрии).
Вариант 2 — шлак после дробилок трактом конвейеров подается в бункер-накопитель, расположенный в районе золоотвала. Из бункера шлак выдается потребителю либо при отсутствии потребителя транспортируется на золоотвал.