Котлер В. Р., канд. техн. наук, Серков Д. Е.
Уже в течение 15 лет в США успешно реализуется демонстрационная программа технологий “Чистый уголь” (ССТ), призванная обеспечить более широкое использование твердого топлива без опасного загрязнения окружающей среды. Эта программа является примером взаимовыгодного сотрудничества правительства США (которое во всех работах представлено Министерством энергетики - DOE) и частного бизнеса, а также властей штатов, заинтересованных в результатах конкретных работ.
К апрелю 2000 г. в программу ССТ входило 40 работ, причем 24 из них уже были завершены [1]. Конгресс США выделил на проведение этих работ 1,8 млрд. дол. с условием, что в любой работе доля правительства не должна превышать 50%. Заинтересованность частного бизнеса оказалась настолько высокой, что ими было собрано в 2 раза больше средств и, таким образом, общие расходы на реализацию всех 40 демонстрационных проектов составили (по разным источникам) от 5,4 до 5,6 млрд. дол.
Одним из наиболее успешных проектов по программе ССТ оказалась работа “Демонстрация усовершенствованной технологии тангенциального сжигания на пылеугольном блоке мощностью 180 МВт”. Решение о финансировании этой работы было принято Министерством энергетики в сентябре 1988 г., когда утверждался план работ по ССТ-II. Окончательное соглашение между всеми участниками работы было подписано только в сентябре 1990 г. По этому соглашению Министерство энергетики выделило на проведение работы 4440 тыс. дол. и еще 4713 тыс. дол. (т.е. 51% общих затрат) собрали в общий фонд следующие участники работы:
инжиниринговая компания Southern Company Services, Inc. (SCS);
энергосистема Gulf Power Company, владеющая блоком 180 МВт на ТЭС Lansing Smith;
электроэнергетический исследовательский институт (EPRI);
ABB Combustion Engineering, Inc. - одна из крупнейших в США компаний по производству котельного оборудования, поставившая технологию для реконструкции котла на блоке № 2 ТЭС Lansing Smith.
Эта ТЭС расположена в округе Bay County, в штате Флорида. Котел блока № 2 - с естественной циркуляцией и тангенциальной топкой - был сдан в эксплуатацию в 1967 г. Производительность котла - 593 т/ч, параметры пара - 12,4 МПа, 538/538°С. Топливом для котла является высококачественный каменный уголь с характеристиками: Wr = 9,9%; Ar = 8,5%; Q\ = 27,6 МДж/кг (6590 ккал/кг). Содержание серы в угле - 2,8%, азота - 1,4% (на горючую массу), выход летучих - 35,6%.
Топочная камера с твердым шлакоудалением слегка вытянута в плане: a/b =3/2. Горелки расположены вблизи углов в пять ярусов по высоте. С 1976 г. котел работает на уравновешенной тяге.
С ноября 1990 по май 1991 г. были выполнены проектные и строительные работы на котле. С мая 1991 по декабрь 1992 г. на котле были проведены испытания, во время которых проверялись разные варианты организации топочного процесса. Полное завершение работы с выпуском заключительного отчета состоялось только в июне 1994 г.
До реконструкции каждый горелочный блок представлял собой набор чередующихся по высоте сопл аэросмеси и вторичного воздуха (рис. 1, а ). Оси тех и других были направлены (в плане) по касательной к воображаемой окружности в центре топки. При работе котла на номинальной нагрузке наблюдалось умеренное шлакование топочных экранов, потери тепла с механическим недожогом q4 составили 4,8%, а КПД котла достигал 90% (при О2 = 3,7% и СО = 10 ppm).
При этом удельные выбросы оксидов азота составили 0,267 г/МДж, что соответствует, примерно, концентрации NOx, равной 720 мг/м3 (в пересчете на NO2, в сухой пробе газов при нормальных условиях: 0°С, 101,3 кПа, 6% О2).
При снижении нагрузки до 0,8 номинальной удельные выбросы NOx оставались на том же уровне, а при D = 0,56 DH0„ - снижались до 0,254 г/МДж (примерно 680 мг/м3).
Экономичность блока при номинальной нагрузке составляла 10 546 кДж/(кВт-ч) [~ 360 г/(кВт-ч) условного топлива].
Рис. 1. Котел блока № 2 мощностью 180 МВт на ТЭС Lansing Smith:
а - исходная конфигурация горелочного блока; б, в, г - варианты реконструкции, обеспечивающие концентрическое сжигание: 1 - аэросмесь; 2 - вторичный воздух, совпадающий по направлению со струями аэросмеси; 3 - вторичный воздух, отклоняющийся от направления аэросмеси; 4 - третичный воздух
В ноябре 1990 г. Конгресс США утвердил дополнение к Закону о чистом воздухе (СААА), в соответствии с которым на первом этапе (до 1 января 1995 г.) на всех пылеугольных энергетических котлах с тангенциальной топкой и твердым шлакоуда- лением требовалось снизить удельные выбросы NOx до 0,1935 г/МДж (примерно 540 мг/м3 при О2 = 6%). На втором этапе (к январю 2000 г.) на этих же котлах удельные выбросы NOx не должны были превышать 0,172 г/МДж (т.е. 470 мг/м3 при О2 = 6%). Эти цифры послужили ориентиром для разработчиков технологии (ABB C-E) и внедряющей организации (SCS).
Первый вариант концентрического сжигания (рис. 2) предполагал сохранение существующих амбразур, но часть сопл вторичного воздуха (см. рис. 1, б ) была направлена по касательной к окружности большего диаметра, а в верхней части горелочного блока было выделено воздушное сопло, примыкающее к соплу аэросмеси. Испытания котла при такой схеме сжигания (LNCFS I) показали, что температура перегретого пара снизилась на - 5°С при полной нагрузке и на 5-16°С при сниженной нагрузке, потери с механическим недожогом уменьшились до q4 = 4,6%, а КПД котла несколько увеличился (до 90,2% при О2 = 3,2% и СО = 12 ppm в контрольной точке).
Рис. 2. Сущность метода концентрического сжигания:
1 - горелка; 2 - обогащенная топливом центральная зона; 3 - аэросмесь; 4 - отклоняющаяся часть вторичного воздуха; 5 - периферийная зона, обогащенная кислородом; 6 - топочный экран
Экономичность блока также возросла: расход тепла на выработку 1 кВт-ч составил 10 536кДж, или 359 г условного топлива.
Выбросы оксидов азота были снижены более чем в 1,5 раза и составили 0,176 г/МДж (490 мг/м3) при нагрузке, близкой к номинальной, и 0,193 г/МДж (520 мг/м3) - при сниженной нагрузке.
Достигнутые результаты не обеспечивали выполнения норм по допустимым выбросам NOx на втором этапе СААА, поэтому работы были продолжены. Основываясь на результатах испытаний полупромышленной установки в своем исследовательском центре [2], специалисты АВВ С-Е предложили вариант LNCFS II (рис. 1, в ), который требовал увеличения объема реконструктивных работ. В этом варианте ступенчатость по горизонтали (т.е. наличие обогащенной топливом смеси в центре топки и обогащенной кислородом периферийной зоны) дополнялась четко выраженной ступенчатостью по вертикали, когда часть воздуха, необходимая для полного сгорания, подается через сопла третичного дутья, расположенные на определенном расстоянии от основных горелок.
Испытания котла, реконструированного по схеме LNCFS II, дали следующие результаты:
при нагрузке, близкой к номинальной, приходилось работать с О2 = 4,5% и СО = 22 ppm, но потери с механическим недожогом снизились до 4,2%;
перегрев пара оставался таким же, как и в базовом варианте;
шлакование топочных экранов уменьшилось, но загрязнение конвективных поверхностей несколько возросло;
КПД котла брутто снизился до 89,7%, а удельный расход топлива на блоке составил 10 583 кДж/(кВт-ч), т.е. 361 г/(кВт-ч) условного топлива.
Что касается оксидов азота, то они остались практически на том же уровне, что и при испытаниях схемы LNCFS I: 0,176 г/МДж при номинальной нагрузке и 0,202 г/МДж при сниженной (102 МВт). В связи с этим поиск оптимального варианта, обеспечивающего требования по допустимым выбросам NOx, был продолжен.
Вариант LNCFS III (рис. 1, г) отличался от предшествующего тем, что пятое сопло аэросмеси (считая снизу) было опущено почти до четвертого, а его место в верхней части горелочного блока было занято соплом вторичного воздуха. Как и в предыдущих вариантах, большая часть струй вторичного воздуха в плане отклонялась от струй аэросмеси в сторону экранов. Окончательные результаты испытаний котла показали, что основная цель проекта достигнута: при нагрузке, близкой к номинальной, удельные выбросы NOx снизились до 0,155 г/МДж, что соответствует концентрации оксидов азота около 410 мг/м3 (6% О2). Это ниже исходного значения на 42% и вполне удовлетворяет требованиям СААА, которые вступили в действие с 1 /I 2000 г.
Однако при сниженной нагрузке (0,56 Дном) удельные выбросы оказались несколько выше: 0,185 г/МДж, или 500 мг/м3 (6% О2). К тому же несколько увеличились потери с механическим недожогом (q4 = 5,9%), а КПД котла составил 89,85%, что на 0,15% ниже, чем в базовом варианте. Удельный расход тепла на блоке составил 10 564 кДж/(кВт-ч), или 360,5 г/(кВт-ч) условного топлива, что выше базового варианта всего лишь на 0,18%.
В диапазоне нагрузок от 160 до 200 МВт перегрев пара оставался в норме, но при снижении нагрузки блока до 80 МВт tm снижалась на 8 - 19°С. Шлакование экранов, по сравнению с исходным вариантом, снизилось, но загрязнение конвективных поверхностей нагрева увеличилось. Концентрация СО при полной нагрузке и О2 = 4,3% оказалась равной 33 ppm, что несколько превысило исходную концентрацию СО.
В целом результаты проделанной работы были признаны удовлетворительными. Главная цель работы была достигнута, а изменения технико-экономических характеристик котла оказались незначительными. Экономический аспект внедрения новой технологии сжигания был сформулирован в заключительном отчете следующим образом:
капитальные затраты на реконструкцию котла по схеме LNCFS I (т.е. без монтажа дополнительных разводок в экранах для сопл третичного воздуха и без подвода воздушных коробов к ним) могут составить от 5 до 15 дол. на 1 кВт мощности энергоблока;
капитальные затраты по вариантам II и III потребуют от 15 до 25 дол. за 1 кВт (в ценах 1993 г.);
эффективность схемы LNCFS I оценивается в 103 дол. за снижение выбросов оксидов азота на 1 т, схема LNCFS II - 444 дол/т NO2 и LNCFS III - 400 дол/т NO2 (в ценах 1993 г.).
По оценкам американских специалистов в США всего работает около 600 пылеугольных котлов с тангенциальными топками. Электрическая мощность блоков, на которых установлены эти котлы, колеблется от 25 до 950 МВт, а топливом для них служат угли с широким диапазоном характеристик: от лигнитов до каменных углей с низким выходом летучих.
По сведениям [1] к апрелю 2000 г. компания АВВ С-Е внедрила метод концентрического сжигания (различные варианты LNCFS™ и первоначальную схему TFS 2000™) на 116 котлах, суммарная эквивалентная мощность которых составляет 25 000 МВт.
Список литературы
- Clean Coal Technology. Program Update. U. S. Department of Energy. Washington: 2000, April.
- Котлер В. P., Серков Д. E. Влияние концентрического сжигания на экологические характеристики мощных энергоблоков на твердом топливе. - Электрические станции, 2000, № 9.
