Теплоэнергетика, 2021, № 9, стр. 33-42

АНАЛИЗ ОПЫТА СЖИГАНИЯ УГЛЕЙ

При анализе опыта сжигания альтернативного угля на других ТЭС или углей, имеющих близкие к нему характеристики, выявляются основные проблемы использования таких углей, оцениваются технические возможности устранения проблем, возникающих при применении таких углей на рассматриваемом объекте. На этой стадии работ и без проведения дополнительных анализов могут быть определены угли, которые не пригодны для использования в качестве альтернативных без серьезной реконструкции или замены оборудования ТЭС, а также угли, возможность использования которых может быть окончательно установлена только после проведения опытного сжигания. Типичные примеры несоответствия углей установленному на ТЭС оборудованию и возникающие проблемы при их использовании даны в табл. 1.

Необходимость опытного сжигания, а также в большинстве случаев реконструкции котельного оборудования по условиям топочного процесса (устойчивости горения) будет возникать, если альтернативный и сжигаемый на ТЭС угли по маркам не совпадают или не будут соответствовать один другому по маркам, приведенным далее:

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕЙ

Для выполнения сравнительного анализа сжигаемого на ТЭС и альтернативного углей характеристики каждого из них должны содержать элементный состав, влагу общую, влагу гигроскопическую, зольность, теплоту сгорания, выход летучих веществ, коэффициент размолоспособности, химический состав минеральной части, гранулометрический состав. При оценке представительности и достоверности результатов анализов топлив по теплоте сгорания и составу следует руководствоваться требованиями норм [1].

При сравнительном анализе характеристик сжигаемого на ТЭС и альтернативного углей проводят сопоставительные расчетно-аналитические и экспертные оценки следующих показателей и свойств топлив:

теплотехнических показателей;

характеристик топлива и золы, влияющих на выбросы вредных веществ, золоулавливание и золошлакоудаление;

шлакующих и загрязняющих свойств;

абразивных свойств топлива и его золы;

взрывоопасных свойств;

показателей склонности к окислению и самовозгоранию;

сыпучих свойств;

смерзаемости.

Теплотехнические показатели топлив. По этим показателям, рассчитываемым по физико-химическим, техническим и коррозионно-активным характеристикам, при использовании альтернативного угля оценивается вероятность изменения теплотехнических и аэродинамических параметров котла и вспомогательного оборудования, в том числе требуемой производительности тягодутьевых машин, размольной и сушильной производительности системы пылеприготовления, других теплотехнических параметров котельной установки.

Теплотехнические показатели разделяются на следующие группы:

I – теоретическое количество (объем) сухого воздуха для полного сгорания топлива ${{V}^{{\text{0}}}},$ теоретический объем дымовых газов $V_{{\text{г}}}^{{\text{0}}},$ низшая теплота сгорания $Q_{i}^{r}$ и зольность ${{A}^{r}}$ в рабочем состоянии топлива;

II – коэффициент размолоспособности K_ло, поправочные коэффициенты П_вл, учитывающие влияние влажности топлива на производительность мельниц;

III – температура точки росы продуктов сгорания t_p.

Теоретические объемы ${{V}^{{\text{0}}}}$ и $V_{{\text{г}}}^{{\text{0}}}$ вычисляют в соответствии с элементным составом топлива по нормам [1]. Значение коэффициента размолоспособности K_ло принимают по шкале ВТИ [2, 3]. Поправочные коэффициенты П_вл рассчитывают в зависимости от гигроскопической и общей влаги топлива в рабочем состоянии по нормам [2].

При сравнительном анализе характеристик топлив температуру точки росы дымовых газов определяют по температуре водяной точки росы с учетом ее повышения вследствие присутствия свободного серного ангидрида в топливах с относительно большим содержанием серы и незначительной доли оксида серы, связываемого летучей золой, и наличия хлористого водорода в дымовых газах (в хлорсодержащих топливах).

Температуру водяной точки росы определяют по термодинамическим свойствам воды и водяного пара в состоянии насыщения по парциальному давлению водяного пара, численно равного его объемной доле в продуктах сгорания анализируемых топлив.

Предельные отклонения значений теплотехнических показателей сжигаемого на ТЭС угля δ от значений таких показателей альтернативных углей, которые могут считаться несущественными для изменения теплотехнических и аэродинамических параметров котельной установки и не требуют проведения дополнительных расчетно-аналитических анализов и оценок, даны в табл. 2.

Характеристики топлива, влияющие на выбросы вредных веществ и золоулавливание. В число характеристик альтернативного угля, влияющих на выбросы вредных веществ в атмосферу, включаются расчетные выбросы оксидов азота и серы и возможное снижение эффективности золоулавливающих установок. Сравнительную оценку влияния характеристик топлив на изменение выбросов оксидов азота NO_х выполняют по коэффициенту ${{\xi }_{{{\text{N}}{{{\text{O}}}_{x}}}}},$ учитывающему топливную составляющую эмиссии NO [4]:

где $W_{t}^{r},$ ${{V}^{r}}$ – влага общая и выход летучих веществ топлива в рабочем состоянии, %; ${{{\text{N}}}^{d}}$ – содержание азота в топливе в сухом состоянии, %.

При значении коэффициента ${{\xi }_{{{\text{N}}{{{\text{O}}}_{x}}}}}$ для альтернативного угля меньшем, чем для сжигаемого на ТЭС, вероятность увеличения выбросов NO_х вследствие изменения характеристик топлива не учитывают. В противном случае необходимо выполнить расчетную оценку выбросов оксидов азота по методике [4] с экспертной оценкой возможности их снижения технологическими (топочными) методами. Расчетное значение выбросов оксидов серы определяют по элементному составу топлива с учетом доли оксидов серы, связываемых летучей золой, оцениваемой по методике [5].

Предварительную оценку изменения эффективности золоулавливающих установок при переходе на сжигание альтернативного угля осуществляют по изменению:

теплотехнических показателей группы I (см. табл. 2);

комплекса ${{K}_{{{\text{эл}}}}}$ для электрофильтров [6]

где ${\text{Si}}{{{\text{O}}}_{{\text{2}}}},$ ${\text{A}}{{{\text{l}}}_{{\text{2}}}}{{{\text{O}}}_{{\text{3}}}}$ – содержание оксидов кремния и алюминия, % (элементы химического состава минеральной части топлива); ${{{\text{H}}}^{r}},$ ${{{\text{S}}}^{r}}$ – содержание водорода и серы общей, % (элементы состава топлива в рабочем состоянии).

Пределы допускаемых отклонений значений теплотехнических показателей группы I, при которых можно не учитывать их влияние на эффективность существующих золоулавливающих установок, такие же, как в табл. 2.

При ${{K}_{{{\text{эл}}}}}$ > 50 и значении этого комплекса для альтернативного угля большем, чем для сжигаемого на ТЭС угля, необходимо рассчитать эффективность золоулавливающих устройств и оценить необходимость проведения их испытаний при опытном сжигании альтернативного угля.

Шлакующие и загрязняющие свойства топлив. Для сравнительного анализа наиболее пригодны оценки по нормированным показателям, определяющим склонность к образованию на поверхностях нагрева котлов золовых отложений, в соответствии с относительной шкалой значений (от 0 до 1) [7]. По этой шкале топливо классифицируется по рангам склонности к образованию отложений, общему шлакованию и загрязнению поверхностей нагрева: низкий (Н), средний (С), высокий (В) и очень высокий (ОВ), которые дают общую качественную оценку шлакующих и загрязняющих свойств топлива. Ранги склонности определяют в зависимости от значений индексов загрязнения и шлакования R, расчет которых производится по физико-химическим характеристикам топлива.

При оценках рассматриваются склонность к образованию прочных (плотных) связанных золовых отложений (железистых Fe-отл по индексу R_Fe), на базе активных щелочей (Na-отл по индексу R_Na), сульфатно-кальциевых (Са-отл по индексу R_Ca) и склонность к общему шлакованию и загрязнению топочных экранов (ТЭ-шл по индексу R_т.э) и полурадиационных (ширмовых) поверхностей нагрева (ШП-шл по индексу R_ш.п). Пример оценки шлакующих и загрязняющих свойств бурых углей Канско-Ачинского бассейна показан на рис. 2, значения индексов загрязнения и шлакования для этого примера приведены в табл. 3.

При сжигании альтернативного угля предельные отклонения (в сторону увеличения) индексов загрязнения (R_Fe, R_Na, R_Ca) составляют 30% (отн.), индексов шлакования (R_т.э, R_ш.п) – 20% (отн.).

Повышение загрязнения и шлакования при переходе на сжигание альтернативного угля учитывается при следующих условиях:

относительное изменение индексов превосходит предельные отклонения;

значение анализируемого индекса находится в области высокого или очень высокого ранга склонности к образованию отложений или склонности к общему шлакованию и загрязнению.

При этих условиях требуется оценить возможность обеспечения бесшлаковочной кампании котла и необходимость при этом применения специально проработанных конструктивных и режимных мероприятий, направленных на предотвращение шлакования и интенсивного загрязнения, в том числе эффективных средств очистки поверхностей нагрева.

Абразивные свойства золы топлива. При переходе на сжигание альтернативного угля возможно усиление износа поверхностей нагрева при следующих условиях:

значение коэффициента абразивности золы ${{а}_{{\text{з}}}}$ при остатке на сите 90 мкм, равном 20%, превышает 10^–12 м²/Н;

относительное изменение комплекса K_з = ${{{{а}_{{\text{з}}}}{{А}^{r}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{а}_{{\text{з}}}}{{А}^{r}}} {V_{{\text{г}}}^{{\text{0}}}}}} \right. \kern-0em} {V_{{\text{г}}}^{{\text{0}}}}}$ превышает 30%.

При указанных условиях необходима оценка абразивного износа поверхностей нагрева после проведения теплового расчета котла. Коэффициент абразивности золы ${{а}_{{\text{з}}}}$ рекомендуется определять экспериментально в лабораторных испытаниях (по стандарту [8]) или рассчитать его значение в соответствии с химическим составом минеральной части топлива (по нормам [1]).

Абразивные свойства (истирающая способность) топлива зависят, в основном, от зольности и наличия в топливе примесей твердой породы. По ориентировочным оценкам существенное повышение износа мелющих элементов, пылепроводов и другого оборудования системы пылеприготовления при переходе на сжигание альтернативного угля может происходить при относительном увеличении зольности топлива (в сухом состоянии) или содержания SiO₂ не менее чем на 30%. Для уточненной оценки абразивных свойств топлива необходимо их экспериментальное определение по стандарту [9].

Взрывоопасные свойства топлива оцениваются по критерию взрываемости K_т, который характеризует потенциальную склонность к взрыву и степень взрывоопасности размолотого топлива (пыли топлива) и определяется экспериментально. При отсутствии экспериментальных данных можно рассчитать K_т, используя физико-химические характеристики топлива [10]. Оценку взрывоопасных свойств топлив выполняют по инструкции [11]. Взрывобезопасность топливоподач и систем пылеприготовления может не обеспечиваться, если переход на альтернативный уголь сопровождается повышением группы взрывоопасности, оцениваемой по значению K_т.

Если при переходе на сжигание альтернативного угля взрывобезопасность топливоподач и систем пылеприготовления не может обеспечиваться, необходимо выполнить анализ конструкции, технологических схем и параметров пылеприготовительных установок на соответствие требованиям инструкции [11].

Показатели склонности к окислению и самовозгоранию топлив определяют условия хранения и надежность складов топлив и могут быть оценены по классификационным группам для углей, указанных в инструкции [12]. При отсутствии в этих группах анализируемых углей показатели определяются экспериментально при лабораторных испытаниях, например по рекомендациям [7], или в период проведения опытного сжигания в соответствии со стандартом [13].

Анализ условий хранения топлива и надежности склада следует проводить в тех случаях, когда переход на сжигание альтернативного угля повышает группу склонности к окислению топлива с меньшей устойчивостью к окислению и самовозгоранию.

Сыпучие свойства топлив. Ухудшение сыпучих свойств топлива при переходе на сжигание альтернативного угля может происходить в основном из-за его большей влажности. Степень ухудшения сыпучести топлива определяется опытным путем в процессе эксплуатации либо экспериментально при лабораторных испытаниях.

По приближенным оценкам ухудшения сыпучих свойств альтернативного угля можно ожидать, если значение общей влаги топлива $W_{t}^{r}$ превышает предельное значение сыпучести ${{W}_{{\text{с}}}},$ %, рассчитываемое по формуле [14]

где ${{W}_{{{\text{ги}}}}}$ – влага гигроскопическая, %.

Смерзаемость топлива в большей степени зависит от разности между общей влагой и безопасной влагой ${{W}_{{\text{б}}}}.$ Для сравнительного анализа значение безопасной влаги, %, можно рассчитать по выражению [15]

Изменение степени смерзаемости топлива при переходе на сжигание альтернативного угля, при которой может повышаться прочность примерзания топлива к стенкам вагона, учитывается при $W_{t}^{r}$ > W_б и превышении $W_{t}^{r}$ – W_б в альтернативном угле разности значений этих же показателей в сжигаемом на ТЭС угле.

РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И АНАЛИЗ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС ПРИ СЖИГАНИИ АЛЬТЕРНАТИВНОГО УГЛЯ

Необходимость оценки определяется по результатам сравнительного анализа характеристик сжигаемого на ТЭС и альтернативного углей.

При бо́льших, чем указано в табл. 2, отличиях любого или всех теплотехнических показателей в состав оценок в общем случае включаются:

для показателей группы I – теплогидравлический расчет котла и аэродинамический расчет котельной установки, тепловой расчет системы пылеприготовления;

для показателей группы II – размольная производительность, дополнительно – возможность размола при изменении коэффициента размолоспособности за пределами допускаемого диапазона для установленного типа мельницы;

для показателей группы III – температурный режим низкотемпературных поверхностей нагрева по условиям коррозии и образования золовых отложений.

Кроме того, оцениваются:

выбросы оксидов азота по методике [4] и возможность их снижения технологическими (топочными) методами, а также выбросы оксидов серы и соответствие их нормативам;

эффективность золоулавливающих устройств и необходимость проведения их испытаний при опытном сжигании альтернативного угля;

параметры основного оборудования топливно-транспортного хозяйства: производительность вагоноопрокидывателей, эстакады, конвейеров и дробилок, вместимость склада и другие параметры механизмов.

Оценки при использовании смеси углей. При использовании альтернативного угля в смеси со сжигаемым на ТЭС углем большинство оценок свойств топлив и расчетов оборудования выполняются по средневзвешенному составу смеси, рассчитываемому, в зависимости от способа задания, в долях тепловыделения или массовых долях углей в смеси [1]. Исключением будут являться следующие оценки:

выбросы вредных веществ в атмосферу, производительность мельниц и оборудования топливно-транспортного хозяйства – отдельно для каждого из углей в смеси, результаты суммируются по заданным массовым долям углей в смеси;

взрывоопасные свойства, размолоспособность, сыпучие свойства и смерзаемость топлива – по тому углю в смеси, использование которого может приводить к наибольшим проблемам в эксплуатации, при условии, что содержание его в смеси составляет не менее 5%.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ И УСЛОВИЙ ПЕРЕВОДА НА АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ УГОЛЬ

При оценке возможности перевода оборудования ТЭС на сжигание альтернативных углей учитываются следующие параметры и показатели:

критерий взрываемости топлива, возможность обеспечения условий его безопасного сжигания, предупредительные меры для обеспечения пожаровзрывобезопасности при эксплуатации пылеприготовительного оборудования;

возможность обеспечения номинальных паропроизводительности и параметров пара, расчетный диапазон изменения нагрузки котла, КПД котла и расход топлива, температурный режим поверхностей нагрева, работающих в области ползучести, и низкотемпературных поверхностей нагрева по условиям коррозии и образования золовых отложений и работы золоулавливающих установок;

производительность и другие параметры тягодутьевых машин в условиях работы котла на альтернативном угле;

свойства золы и шлака альтернативного угля, влияющие на интенсивность шлакования и загрязнения поверхностей нагрева, степень цементации золы, вероятность заносов оборудования золоулавливания и золоудаления, газоходов и дымососов;

экологические показатели в части выбросов оксидов азота, оксидов серы (при необходимости их оценки), эффективность золоулавливающих устройств;

параметры сушки топлива, транспортировки пыли и сушильного агента по условиям взрывобезопасности, размольная производительность мельниц;

параметры оборудования топливно-транспортного хозяйства, включая возможность раздельной подачи сжигаемого на ТЭС и альтернативного углей в бункеры котлов;

техническая пригодность оборудования ТЭС для сжигания альтернативного угля.

По результатам оценки составляется предварительное технико-экономическое обоснование условий использования альтернативного угля, включая необходимость и предварительную оценку объема реконструкции оборудования и проведения опытного сжигания альтернативного топлива.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА БЕЗ НЕОБХОДИМОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТНОГО СЖИГАНИЯ

Использование альтернативного угля при изменении топливного режима ТЭС без необходимости проведения опытного сжигания и реконструкции (модернизации) оборудования технически возможно, если теплотехнические показатели не выходят за пределы, указанные в табл. 2. В противном случае, согласно расчетно-аналитическим оценкам, при применении альтернативного угля обеспечиваются:

номинальные паропроизводительность и параметры пара, расчетный диапазон изменения нагрузки котла;

допустимый температурный режим работы поверхностей нагрева, работающих в области ползучести;

допустимый по условиям коррозии и образования золовых отложений температурный режим низкотемпературных поверхностей нагрева;

требуемые производительность и другие параметры тягодутьевых машин, параметры сушки топлива и транспортировки пыли, размольная производительность мельниц, допустимые параметры сушильного агента по условиям взрывобезопасности.

При этом необходимо выполнение следующих условий:

по расчетным оценкам индексов загрязнения и шлакования переход на сжигание альтернативного угля не должен приводить к интенсификации шлакования и загрязнения поверхностей нагрева котла;

по предварительной оценке изменение эффективности золоулавливающих установок при переходе на сжигание альтернативного угля не приведет к ухудшению существующего экологического состояния ТЭС;

по расчетным и экспертным оценкам выбросы оксидов азота при сжигании альтернативного угля не будут превосходить нормативов удельных выбросов или не изменят существующее экологическое состояние ТЭС;

показатели склонности к окислению и самовозгоранию топлив не требуют проведения дополнительных экспериментальных исследований;

по экспертным оценкам степень ухудшения сыпучести топлива не будет приводить к затруднениям топливоподачи;

по условиям топочного процесса (устойчивости горения) марка альтернативного угля должна совпадать с маркой сжигаемого на ТЭС угля либо соответствовать ей по устойчивости горения и выход летучих веществ углей не должен различаться больше чем на ±10% (абс.).

При положительных расчетно-аналитической и экспертной оценках технической возможности и целесообразности использования альтернативного угля окончательные условия его применимости должны уточняться по результатам подконтрольной эксплуатации. Последняя проводится для подтверждения фактических показателей надежности и эффективности оборудования после ввода его в эксплуатацию в течение не менее 30 сут непрерывной работы. При этом подконтрольная эксплуатация, в отличие от опытного сжигания, может выполняться эксплуатационным персоналом при осуществлении контроля показателей оборудования по специальной программе, в том числе показателей, указанных в программе проведения опытного сжигания.

ПРОГРАММА ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОДГОТОВКЕ И ПРОВЕДЕНИЮ ОПЫТНОГО СЖИГАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОГО УГЛЯ

Для организации подготовки к опытному сжиганию должна быть разработана программа организационно-технических мероприятий, предусматривающая:

сроки проведения опытного сжигания;

длительность сжигания альтернативного угля и объем его поставки;

оценку возможности топливно-транспортного хозяйства по приему, выгрузке, складированию и подаче альтернативного угля к котлу, выделенному для проведения опытного сжигания;

оценку возможности топливно-транспортного хозяйства для одновременного сжигания альтернативного угля в котле, выделенном для проведения опытного сжигания, и углей, сжигаемых на ТЭС в остальных котлах;

определение места складирования альтернативного угля;

обследование состояния основного и вспомогательного оборудования котельной установки;

состав необходимых реконструктивных или иных технических мероприятий по обеспечению пожаро- и взрывобезопасности тракта топливоподачи, системы пылеприготовления и котла;

реконструкцию оборудования котельной установки и топливно-транспортного хозяйства (при необходимости);

наладку оборудования после реконструкции (при необходимости);

корректировку действующей или разработку временной эксплуатационной документации;

разработку технической и рабочей программ подготовки к опытному сжиганию.

Программа и методика проведения опытного сжигания должны предусматривать проведение работ, в результате которых определяются:

технико-экономические показатели котла, включая обеспечение номинальных параметров в диапазоне рабочих нагрузок и параметров среды по пароводяному тракту в допустимых пределах;

диапазон обеспечиваемых нагрузок котла и причины их ограничения;

выбросы вредных веществ и возможности обеспечения соответствия их действующим нормативам, оптимальные режимы работы котла по условиям минимальных выбросов оксидов азота;

эффективность и надежность работы систем золоулавливания;

возможность получения рекомендуемой тонины помола пыли для альтернативного угля;

условия обеспечения устойчивости горения без подсветки, возможность устойчивого выхода шлака при жидком шлакоудалении;

бесшлаковочная нагрузка котла, интенсивность шлакования и загрязнения, высоко- и низкотемпературной коррозии поверхностей нагрева котла в диапазоне рабочих нагрузок;

ограничения по производительности тягодутьевых машин;

условия работы тракта топливоподачи, систем пылеприготовления и золошлакоудаления;

ограничения по сушильной и размольной производительности мельниц, возможность обеспечения взрывобезопасности систем топливоподачи и пылеприготовления и поддержания температуры сушильного агента за мельницами в допустимых пределах;

возможность использования альтернативного угля по условиям топливно-транспортного хозяйства и угольного склада.

предельно допустимая доля альтернативного угля при его опытном сжигании в смеси со сжигаемым на ТЭС углем.

ВЫВОДЫ

1. Предложенная методика и система оценок технической возможности перевода котлов тепловых электростанций, работающих на твердом топливе, на сжигание альтернативного угля основана на сравнительном анализе характеристик (свойств) углей и расчетно-аналитических оценках и анализе работы оборудования ТЭС на альтернативном угле. Такие работы выполняются на предварительном этапе организации изменения топливного режима ТЭС.

2. По результатам работ на предварительном этапе (этапе предварительных оценок) определяются условия, необходимые для получения обоснованных оценок технической возможности и целесообразности использования альтернативного угля, в том числе обязательность проведения его опытного сжигания и требуемого объема реконструкции оборудования.