Органическое топливо

В качестве энергоносителей для тепловой энергетики могут использоваться: уголь и другие виды ископаемого твердого топлива; природный газ; тяжелые нефтепродукты (мазут); углеродсодержащие отходы углеобогащения; биоотходы.

В общих запасах топлива в Украине доля угля составляет 96%, нефти – 1,7%, газа – 2,3%. Разведанные запасы угля составляют около 52 млрд. т у.т., углеводородов – менее 1,5 млрд. т у.т. Балансовые запасы торфа составляют около 0,9 млрд т. Годовая добыча торфа в последние годы составляет менее 0,5 млн.т, до четверти этого объема используют как удобрение. Сравнительно небольшие ресурсы, низкая калорийность торфа, сильное влияние увеличения добычи на местные экосистемы позволяют рассматривать торф в качестве топлива лишь как вспомогательный местный источник энергоресурсов. Болтышские и карпатские сланцы рассматриваются как перспективный источник сырья для получения углеводородов, однако в настоящее время технологии их получения из сланцев недостаточно отработаны. Сельское и лесное хозяйство Украины ежегодно теряют в топливном эквиваленте 5–9 млн. т у.т. целлюлозосодержащих биоотходов – отходов древесины, соломы, сухих стеблей, лузги. Биоотходы следует рассматривать как дополнительный топливный ресурс на перспективу. Таким образом, уголь является основным ископаемым топливным ресурсом Украины.

Рис. 2.2. Динамика средних мировых цен на органическое ископаемое топливо в нефтяном эквиваленте (1 т нефтяного эквивалента (н.э.) = 1,43 т у.т.)

Вместе с тем в составе СССР для нужд теплоэнергетики Украина в значительной мере обеспечивалась природным газом и нефтепродуктами. В 1991 году в структуре топливообеспечения ТЭС Украины природный газ и мазут составляли до 70%, или около 50 млн. т у.т. в год, что значительно больше, чем все годовое топливопотребление ТЭС в 2000–2007 гг. Природный газ сжигался не только в газомазутных котлоагрегатах ТЭС, ТЭЦ и в газовых котельных: большая часть угольных котельных была газифицирована, а на пылеугольных котлах ТЭС широко распространилось сжигание высокозольного угля с газовой подсветкой. К 2005 году из-за удорожания нефтепродуктов и увеличения глубины переработки нефти годовое потребление мазута в энергетике снизилось до 0,2–0,3 млн. т у.т. Потребление природного газа на ТЭС снизилось до менее 10 млн. т у.т., однако из-за расширения сети газификации его потребление в коммунальной и промышленной энергетике увеличилось до 25–30 млн. т у.т. в год.

Такая структура топливоиспользования не соответствовала мировым ценовым тенденциям. В последние годы наблюдалась стойкая тенденция к более быстрому, чем на уголь, повышению цен на углеводородное топливо (рис. 2.2).

Для Украины неизбежным стал переход поставок природного газа от льготных к мировым ценам. В этих условиях отечественный уголь является залогом бесперебойной и эффективной работы ТЭС, а значит, и энергетической безопасности Украины.

Важными задачами являются вовлечение в тепловую энергетику забалансовых топливных ресурсов, таких как накопленные отходы углеобогащения, и постепенный перевод коммунальных и промышленных котельных на сжигание местного твердого топлива.

Классификация топок для сжигания топлива и требования к его качеству

Основой традиционных паровых котлов является топочное устройство, где происходит преобразование химической энергии топлива в физическую теплоту продуктов сгорания для последующей ее передачи через поверхности нагрева нагреваемой среде (воде, пару).

По виду топочных процессов тепловые топки подразделяются на следующие типы (рис. 2.3):а– с неподвижным слоем твердого топлива;б– с кипящим слоем твердого топлива;в– с циркулирующим кипящим слоем твердого топлива;г– камерные (факельные) для сжигания газообразного, жидкого и твердого пылевидного топлива.

В топках с неподвижным слоем (рис. 2.3, а) свободно лежащее на решетке топливо продувается снизу воздухом. Скорость газовоздушного потока в слое такова, что его подъемная сила меньше веса топливных частиц. Условием этого является их крупный размер (как правило, больше 6 мм). Калорийность топлива имеет меньшее значение для поддержания процесса горения, поэтому в топках с неподвижным слоем сжигают каменные угли и антрацит с зольностью до 25%, бурые угли с влажностью до 30%, буроугольные и торфяные брикеты, кусковой торф, древесные отходы. Наличие в топливе мелочи, напротив, критично: оно не только увеличивает потери недогоревшего углерода с уносом, но, что важнее, препятствует свободному прохождению окислителя через слой. Из-за этого в слое возникают зоны проскока окислителя и, как следствие, зоны неравномерного горения – захолаживания (из-за чего возникают локальный недожог топлива и выбросы СО с дымовыми газами), а также зоны перегрева (результат – ускоренное разрушение решетки). Поэтому содержание мелочи в топливе для сжигания в неподвижном слое строго нормируется: класс крупности 0–6 мм не должен превышать 10–20% по массе. Для сжигания в неподвижном слое предпочтительнее брикетированное топливо, в том числе из малозольного бурого угля и торфа; брикетирование же высокозольной топливной мелочи не приводит к эффективному выгоранию вследствие того, что слой шлака, образующийся на поверхности частично выжженных брикетов, препятствует проникновению окислителя в их глубину. Топками с неподвижным слоем оснащены преимущественно коммунальные и промышленные котельные, однако в 90-х годах прошлого века большинство их переведено на сжигание природного газа.

В топках с кипящим слоем (рис. 2.3,б) используется топливо класса крупности от 0–6 мм до 0–25 мм (биоотходы – до 50 мм). В слое подъемная сила газовоздушного потока уравновешивает вес частиц, из-за чего возникает псевдоожижение – интенсивный тепломассоперенос по высоте и сечению слоя. В надслоевом пространстве площадь живого сечения, а, следовательно, и скорость газа, меньше (до 1,0–2,5 м/с), и большинство вынесенных из слоя частиц падают обратно в слой. Из-за того, что горящие частицы, доля которых в слое невелика, окружены инертными газами, горящие частицы не перегреваются, а средняя температура слоя не превышает 950°С. В этих условиях генерация оксидов азота невысока и существует возможность связывания серы известняком, подаваемым в слой, до химически инертного гипса. Относительно низкие удельная скорость горения углерода и его концентрация в слое компенсируются относительно большой массой и высотой слоя (до 1,0–1,2 м), а глубокий выжиг большинства частиц достигается за счет их достаточно большого времени пребывания в топке. Кипящий слой нетребователен к качеству топлива: в нем успешно сжигают угли и углеродсодержащие отходы с зольностью до 70% и относительно малозольные с влажностью до 60%. Возможным условием топливоподготовки, прежде всего для низкореакционного топлива, является окусковывание (гранулирование) мелочи; за счет большого времени пребывания и ограниченных температур горения (ниже точки плавления золы) топливные гранулы с размером до 13–25 мм в кипящем слое полностью выгорают. За рубежом топки с кипящим слоем широко распространены на водогрейных и паровых котлах производительностью до 100 т/ч.

Рис. 2.3. Основные типы топок паровых котлов: а – с неподвижным слоем; б – с кипящим слоем; в – с циркулирующим кипящим слоем; г – камерная топка; д – топка с плавильными предтопками (арочная); 1 – подача топлива; 2 – подача воздуха; 3 – выход продуктов сгорания и золы уноса; 4 – вывод донной (подовой) золы; 5 – циклон

Хотя, в отличие от неподвижного слоя, наличие мелочи в топливе не критично для организации процесса горения в кипящем слое, оно существенно снижает его эффективность. Дело в том, что вынесенная из слоя мелочь размером менее 0,5 мм в слой не возвращается, а поскольку температура в надслоевом пространстве ниже, чем в слое, то и горение мелочи прекращается. Попытки же уловить мелочь и вернуть ее на дожигание в слой малоэффективны, потому что к.п.д. улавливания циклонов для пылевидных частиц не превышает 70%. Качественный скачок произошел, когда топливо начали дробить до размера 0–3 мм и ниже, а скорость газа на живое сечение топки повысили до 5–7 м/с. Оказалось, что в условиях, когда из слоя выносится мощный поток частиц размером 0,1–1 мм, общий к.п.д. циклона повышается до 99% и более в силу того, что хорошо улавливаемые частицы указанного размера увлекают за собой и более мелкие. Так возниклитопки с циркулирующим кипящим слоем(ЦКС) (рис. 2.3,в). Требования к качеству топлива у ЦКС не более жесткие, чем у кипящего слоя, а эффективность сжигания топлива, в том числе содержащего мелочь, значительно выше. Лучше и экологические показатели: по связыванию серы – за счет более длительного удержания известняка в топке, по выбросам оксидов азота – за счет организации восстановительной зоны между вводами первичного и вторичного воздуха. Кроме того, у топок с ЦКС гораздо меньшие масштабные ограничения, поэтому они могут использоваться не только в малых паровых и водогрейных котлах, как топки с неподвижным и кипящим слоем, но и в котлах крупных энергоблоков ТЭС электрической мощностью до 300 МВт и более. Диапазон регулирования нагрузки ЦКС-энергоблоков составляет 40–100%. Следует отметить, что по уровню зольности для сжигания в котлах с ЦКС пригодны шламовые отходы с зольностью до 60%, которых в настоящее время накоплено до 150 млн. т, или около 70 млн. т у.т. Их утилизация не только расширила бы топливную базу тепловой энергетики без значительных капиталовложений, но и решила бы ряд экологических проблем, связанных с рекультивацией площадей, занятых илонакопителями. Необходимым условием сжигания высокозольного шлама в ЦКС является его агломерация, которая обеспечивается при сушке за счет естественной глинистой компоненты.

В камерных топках (рис. 2.3, топливо вместе с воздухом подается в топку прямыми или закрученными потоками через горелочные устройства, воспламеняется за счет лучистого теплообмена с ядром факела и горячими стенками, эжектируется высокотемпературным потоком продуктов сгорания к корню факела и далее горит в факеле по ходу потока. Для сжигания в факеле пригодно газообразное, жидкое и твердое топливо, размолотое до пылевидного состояния, но в силу их различной удельной скорости горения (реакционной способности) последнее требует большего времени выгорания. При факельном сжигании время пребывания частиц в топке определяют делением объема топки на расход продуктов сгорания при среднетопочной температуре. Для котлов одинаковой паропроизводительности расход продуктов сгорания при номинальной нагрузке слабо зависит от вида топлива. Поэтому чем больше реакционная способность топлива, тем меньший минимальный объем топки Vт нужен для его сжигания. В энергетике реакционную способность топлива учитывают обратным показателем – допустимой тепловой напряженностью топочного объема qV, которая связана с минимальным объемом топки соотношением:

Vтмін = Вр·Qнр/qv,

где Вр– расчетный расход топлива, Qн - низшая теплота сгорания.

Значения qVи Vт для разных видов топлива (применительно к факельной топке котла паропроизводительностью 75 т/ч) приведены в табл. 2.1. При анализе данных надо учесть, что у котлов с жидким шлакоудалением среднетопочная температура выше, чем у котлов с твердым. Можно видеть, что за исключением фрезерного торфа, которому необходимо дополнительное время на испарение влаги, для всех видов топлива qVувеличивается, а Vтминснижается в полном соответствии с реакционной способностью. Величина Vт для природного газа вдвое меньше, чем для каменного угля. При проектировании объем топки принимают в 1,05–1,6 раза большим Vт , при этом значение qV ни в коем случае не должно превышать допустимое. Отсюда следует, что в топках, спроектированных для сжигания угля, можно сжигать газ, но не наоборот.

Перед сжиганием в камерных топках твердое топливо размалывают до пылевидного состояния в специальных мельницах, поэтому содержание мелочи в исходном топливе не только не критично, а даже желательно. Однако поскольку условия стабильного воспламенения, горения и шлакоудаления определяются тепловым балансом нижней части топки, где расположено ядро факела, требования к зольности и влажности топлива у камерных топок наиболее жесткие. В большинстве случаев проектным топливом является уголь с зольностью менее 20–22% и влажностью менее 10–14%. При более высокой зольности необходимы либо специальная конструкция топки, либо подсветка факела природным газом или мазутом. Влажность же критична потому, что выше определенного ее значения угольная пыль залегает в трубопроводах и промежуточных бункерах. Хотя мельницы продуваются нагретым воздухом или горячими продуктами сгорания, т.е. подсушивают топливо до допустимой влажности пыли, сушильная производительность мельниц в каждом конкретном случае ограничена.

Таблица 2.1 Характеристики допустимой тепловой напряженности топочного объема и минимального объема топки для котлоагрегатов БКЗ-75-39

Камерными топками оснащены котлоагрегаты ТЭС Украины паропроизводительностью до 960 т/ч, за исключением котла блока №4 Старобешевской ТЭС на 670 т/ч, реконструированного с переводом на сжигание антрацита и антрацитового шлама в ЦКС.

С точки зрения содержания серы, выбросы которой с дымовыми газами в окружающую среду сейчас существенно ограничиваются, в пересчете на горючую массу топлива можно выделить низко(торф, биоотходы – до 5 кг/т), средне(каменные угли и антрацит – 10–30 кг/т) и высокосернистое (все виды буроугольной продукции, шламы – больше 40 кг/т) топливо. При сжигании в неподвижном слое и в камерных топках выбросы SO2составляют более 4000 мг/нм3при норме выбросов 3500 мг/нм3для действующих котлов и 200 мг/нм3для новых. Очевидно, что для топок камерных и с неподвижным слоем необходима сероочистка дымовых газов. Для топок с кипящим и циркулирующим кипящим слоем 90% и более серы может связываться подаваемым в топку известняком.