Энергетика Казахстана - Тепловые электрические станции

Главными факторами при выборе места, мощности, технологии сжигания топлива в условиях казахстанской энергетической специфики являются:

1.  Наличие в достаточно большом объеме дешевого, но низкосортного энергетического угля, экономически не подвергаемого усреднению и обогащению.
2. Экологические аспекты.
3. Концентрированный, энергоемкий характер основных промышленных потребителей (60 % от общегосударственного потребления).
4. Остроконтинентальный температурный режим работы электростанций (от - 40°С до + 30°С).

Если последние два фактора являются исходными и не подвергаются изменениям, то первые два в основном диктуют тип основной технологии электростанции. В настоящее время в связи с расширением интеграции в области энергомашиностроения появляются альтернативы при выборе технологии и состава оборудования. Ниже приведена обзорная работа, выполненная специалистами института КазНИПИэнергопром с целью:

1. выбора технологии сжигания для казахстанских углей;
2. обоснования применения оборудования;
3. обеспечения требований по предельно-допустимым выбросам вредных веществ в атмосферу.

Выбор технологии сжигания угля

Перспективы использования угольных технологий определяются крупными запасами угля в мире и, в том числе, в Казахстане (глава II).
Все бассейны и месторождения, кроме части Карагандинского, содержат угли весьма низкого качества (низкокалорийные, многозольные), что приводит:

1. к большим транспортным затратам;
2. значительному снижению надежности и экономичности ТЭГ и котельных;
3. недопустимо высокому выбросу с дымовыми газами летучей золы, оксидов серы и азота. При пересчете на единицу выработанной энергии большинство казахстанских углей по выбросу сернистых соединений равноценны сернистому мазуту.

Экологическая вредность сжигания многозольных и сернистых углей весьма высока, учитывая это и большие экономические потери, в мировой энергетике угли с зольностью свыше 12 % подлежат обязательному обогащению.
Труднообогатимость казахстанских углей, капиталоемкость обогащения, продолжительность строительства обогатительных фабрик с инфраструктурой, а также неотложность решения экологических проблем и надежного экономичного энергоснабжения, дефицит электро- и теплоэнергии определяют тенденцию развития энергоснабжения на ближайшую перспективу за счет использования новых технологий сжигания угля.
Основные направления развития угольных технологий:

1. дальнейшая разработка самой распространенной в настоящее время пылеугольной топки, с полной очисткой уходящих газов;
2. топки с кипящим слоем, атмосферные и с наддувом;
3. полная газификация угля с последующим сжиганием генераторного газа в комбинированных установках.

Сравнительные показатели современных ТЭС с различными технологиями сжигания топлива, полученные корпорацией Бритиш Коул и ERPI приведены в таблице 6.2.1.
Таблица 6.2.1

Сделать однозначное заключение о том, какая технология будет иметь приоритет в развитии, сложно, вероятно, что несколько технологий будут существовать параллельно.
При выборе технологии сжигания угля и золоулавливания приняты во внимание основные характеристики экибастузского угля II группы, как наиболее представительного по запасам:

1. многозольность (45,6% Ар - 53%Амах);
2. высокая абразивность золы;

неблагоприятные электрофизические свойства золы (высокое удельное электрическое сопротивление при температуре 120-150°С (выше 1011 ом /см), определяющие плохое улавливание в электрофильтрах.
Использование высокозольных углей с неблагоприятной минеральной частью вызывает значительные трудности в связи с повышенным износом энергетического оборудования, загрязнением поверхностей нагрева котлов и вредным воздействием на окружающую среду.
Устранение этих недостатков при традиционных способах сжигания угля приводит к большим капитальным и эксплуатационным затратам.
Наиболее приемлемой, коммерчески доступной, чистой угольной технологией является сжигание в циркулирующем кипящем слое при атмосферном давлении (CFB).
Это хорошо проверенная на Западе технология, которая способна обеспечить улавливание до 90% диоксидов серы при сжигании среднесернистых углей и которая производит малое количество окислов азота.
Исключаются недостатки традиционной технологии при сжигании высокозольных углей: износ тракта пылеприготовления, хвостовых поверхностей нагрева и газоходов, расход мазута на подсветку.
Технология CFB хорошо приспособлена для сжигания высокозольных углей.
Имеются две основные фирмы, разработчики технологии, - Альстром и Лурги, а также ряд других компаний, которые могут предложить свои варианты CFB на общепринятых коммерческих условиях.
Имеются и другие технологии, которые используются для ТЭС:
сжигание в кипящем слое под давлением (PFBC);
внутрицикловая газификация угля (IGCC).
Как и CFB, PFBC способна обеспечить до 90 % улавливания диоксида серы при сжигании углей со средним содержанием серы, при этом имеет место весьма низкий уровень выбросов NOх и твердой фазы. PFBC представляет собой технологию с комбинированным циклом (ГТУ, ПСУ ), поэтому ее КПД выше, чем у CFB, а общие затраты на производство энергии могут оказаться ниже.
На Западе уже начинается промышленное внедрение технологии PFBC для
энергетических установок.
Однако, внедрение технологии PFBC в Казахстане, по мнению британской фирмы CRE, сопряжено в настоящее время со значительным технологическим риском и будет очень трудно найти источник финансирования.
IGCC является наименее испытанной технологией и потенциально наиболее эффективной в экологическом смысле.
В этом случае, при сжигании углей со средним содержанием серы, возможно улавливание до 99% SO2, образуется мало окислов азота, уровень выбросов твердой фазы исключительно мал. Однако технология IGCC не очень приспособлена для сжигания высокозольных углей, которые преобладают в Казахстане, внедрение ее сопряжено со значительным техническим риском, что затруднит поиск источника финансирования.
В работе технических служб CRE (Англия) "Содействие электростанциям Казахстана, работающим на угле", 1994 г., наиболее приемлемой чистой угольной технологией, доступной для внедрения в ближайшем будущем в энергетику Казахстана, рекомендована технология сжигания в циркулирующем кипящем слое (CFB), как наиболее технически подготовленная, с низкой степенью риска, возможностью улучшения состояния окружающей среды.
В Британском центре по исследованию угля были получены положительные результаты анализов борлинского угля, аналогичного по характеристикам экибастузского на предмет пригодности применения в технологии CFB.
Решение CRE о выборе технологии CFB было принято после тщательного рассмотрения уровня технической готовности и степени риска, связанного с различными предлагаемыми технологиями, в дополнение к экологическим преимуществам различных вариантов и их пригодности к местным углям.

В Советском Союзе работа над котлами CFB была начата в середине 80-х годов, когда по решению ГКНТ в СССР было начато проектирование опытно-промышленных котлов 160 т/ч на параметры 1,4 и 2,4 МПа и 500 т/ч на параметры 14 МПа, 560°С.
Планировалось построить несколько ТЭС с различной технологией CFB.

"Чистая угольная технология с кипящим слоем

Топки с кипящим слоем можно классифицировать по следующим признакам:

1. скорости движения частиц в кипящем слое (стационарный и циркулярный);
2. температурному уровню (высокотемпературный и низкотемпературный кипящий слой);
3. давлению, при котором происходит процесс сжигания (атмосферное или повышенное);
4. степени завершенности окислительных реакций в объеме кипящего слоя (одноступенчатые и двухступенчатые);
5. способам отвода избыточного тепла из слоя (с размещением поверхностей нагрева непосредственно в объеме слоя и вне слоя).

Метод сжигания в низкотемпературном кипящем слое условно применим при:

1. сжигание в кипящем слое при атмосферном давлении;
2. сжигание в кипящем слое при повышенном давлении;
3. сжигание в циркулирующем кипящем слое при атмосферном и повышенном давлении.

6.2.2.1 Стационарный кипящий слой

Технология сжигания в стационарном кипящем слое при атмосферном давлении получила широкое развитие в котлоагрегатах малой и средней мощности, причем большая часть этих котлов реконструирована из топок со слоевым сжиганием.
Первый котел со стационарным кипящим слоем был разработан на базе слоевой топки фирмой "Бабкок" совместно с "Комбасшен Системе", Англия, (18 т/ч, 2,8 МПа, 294°С ).
Дальнейшим развитием технологии кипящего слоя стало создание в 1977 году фирмой PER совместно с фирмой Foster Wheeler в Ривесвиле (США) котла с топкой кипящего слоя (136т/ч, 9,5 МПа, 495°С) для сжигания высокосернистого угля (SP=4,3%).
Наибольшее распространение топки со стационарным кипящим слоем(более 2500 шт.) получили в Китае для сжигания низкосортного местного угля. При этом большую долю составляют котлы паропроизводительностью от 4 до 10 т/ч, небольшое число - 50 т/ч и несколько котлов - 136 т/ч.
В КНДР эксплуатируются несколько сотен котлов 2 - 35 т/ч. В качестве топлива используются антрацитовые штабы с большим содержанием мелких фракций, угли с содержанием золы 55 - 65 %, отходы углеобогащения с влажностью до 30%.
Топки с кипящим слоем получили широкое распространение в Финляндии, Норвегии, Германии, Польше, Австрии, Японии.
В России первый котел с топкой кипящего слоя был пущен на ТЭЦ ЦКТИ (Санкт- Петербург) на основе серийного ДКВР-2,5-14 БИКС. Наибольшее распространение среди стран СНГ (более 100 шт.) получили реконструированные котлы с кипящим слоем (10 т/ч) на Украине.
Самый мощный в России котел (БКЗ-75-39 ФСЛ) с реконструированной топкой кипящего слоя был веден на ТЭЦ Ахтме.
Ухудшение качества добываемого угля затрудняет сжигание его в котлах со слоевыми топками. Создание мощных энергетических котлов сдерживается из-за сложности равномерного распределения топлива по слою, низкой, по сравнению с факельными топками, эффективностью сжигания, сложностью регулирования нагрузки и проблемами, связанными с эрозией погруженных в слой поверхностей нагрева.

Циркуляционный кипящий слой, CFB

Проблемы создания мощных энергетических котлов преодолеваются с использованием технологии циркулирующего кипящего слоя (CFB), который наряду с положительными свойствами стационарного кипящего слоя, позволяет устранить проблемы подачи топлива, обеспечить равномерное распределение топлива, повысить эффективность сжигания любого топлива за счет многократной циркуляции угольных частиц в реакционной зоне топки.
Циркулирующий кипящий слой SFB образуется за счет больших скоростей газового потока (4- 12 м/с) в топке котла. При этом видимая поверхность кипящего слоя исчезает и унос твердых частиц увеличивается. Чтобы поддержать и сохранить объем слоя в топочной камере на выходе двухфазного потока из топки, устанавливаются циклоны для отделения от дымовых газов частиц золы и несгоревшего угля и возвращения их в нижнюю часть топки. Хорошее перемешивание позволяет уменьшить количество точек ввода топлива в топку.
Высокие скорости газов в топочной камере позволяют обеспечить лучшие, по сравнению со стационарным кипящим слоем и факельной топкой, регулировочные характеристики котельного агрегата. Первичный воздух (40-60%) подается через газораспределительную решетку, а остальной - на более высоком уровне над решеткой в топку. Такая схема сжигания позволяет значительно снизить эмиссию окислов азота. Хороший массообмен в CFB позволяет эффективно сжигать различные виды топлива при избытке воздуха 1,1.
Основными преимуществами этой технологии сжигания твердого топлива являются:

1. универсальность топочного устройства по топливу, позволяющая сжигать даже сильно забалластированные топлива с зольностью до 60%;
2. низкотемпературное сжигание (850-900°С) в слое и ступенчатая подача воздуха позволяют получить более низкий уровень выбросов окислов азота (200 мг/нм^);
3. низкое содержание SO2 за счет подачи сорбента - обычно известняка, при умеренном его расходе (Ca/S = 2). Связывание окислов серы - 90-95%;
4. возможность, благодаря многократной циркуляции золы и недогоревших частиц топлива, достичь практически полного выгорания даже трудносжигаемых топлив (АШ, кокс и др.);
5. возможность устойчивой работы при низких нагрузках до 30 - 50%;
6. возможность понижения температуры уходящих газов без опасения сернокислотной коррозии хвостовых поверхностей нагрева и газоходов, при этом КПД котла повышается до 95% и относительно улучшается степень очистки газов в электрофильтрах;
7. отказ от установок пылеприготовления, что повышает взрывобезопасность ТЭС и существенно сокращает затраты на ремонт, поскольку котел работает на дробленке.

КПД ТЭС с технологией CFB составляет около 38%. КПД может измениться в зависимости от детализации проекта и качества топлива. Технология CFB применима как для комбинированной, так и для раздельной выработки тепла и электроэнергии на установках от 30 до 700 МВт (тепл.).
Основная цена этой технологии будет зависеть от многих факторов, включая мощность станции. В Западном размещении ТЭС основная цена для станции мощностью 150 МВт порядка $ 1500 /кВт. Это ниже, чем цена для станции подобной мощности с оборудованием сероочистки.
История использования технологии CFB насчитывает 15 лет.
Состояние технологии СКВ. Коммерческая эксплуатация электростанций с такой технологией начала развиваться во второй половине 70-х годов. Текущий рейтинг лидеров таков:

1. Альстром;
2. Лурги.

Наибольшее число установок CFB функционирует на базе технологий Альстром и Лурги, включая станции широкого диапазона мощности.
Многие другие поставщики, такие как:

1. АВВ;
2. Combustion Engineering;
3. Deutshe Babcock - Foster Wheeler;
4. Battelle (MSFB).

предлагают другие варианты CFB, и построили меньшее количество станций.
Положение главных разработчиков технологии CFB представлено ниже.
Ahlstrom Pyropower. Это разработка финских компаний. Первая станция по технологии Альстром CFB была введена в эксплуатацию в 1979 году. Альстром имеет обширное и впечатляющее распространение на электростанциях, из которых 80 в действии ( включая 27 действующих и 13 строящихся в США). Наиболее мощной станцией построенной по технологии Альстром, является станция Пойнт Экони в Канаде - 165 МВт.
Lurgi. Технология Лурги включает в себя способ циркуляции золы из циклона в камеру сгорания. По технологии Лурги продано 50 установок, имеющих мощность до 250 MW. В США Лурги работала совместно с фирмой Combustion Engineering до 1989 г., которая в настоящее время является собственностью компании Asea Brown Boveri (ABB).
Deutche Babcock. Эта фирма создает проекты CFB, которые называются "Циркофлюид". К концу 1992 г. функционировали 7 станций с технологией "Циркофлюид" и 17 планировалось ввести к 1995 году.
Foster Wheeler имеет свой вариант CFB. Основное различие с главным проектом CFB то, что циклон содержит внешний теплообменник. Первый раз в коммерческой эксплуатации фирма была представлена в 1992 году.
Battelle одна из ведущих научно-исследовательских и проектных организаций в мире, она является одной из первых компаний, которая получила лицензию на один из первых проектов CFBC.
Небольшое число станций, построенных с технологией MSFBC Battelle включает Slough Estales - станцию около Лондона, которая имеет 2 котла
паропроизводительностью 94 т/ч.

6.2.2.2.1 Система CFB "Лурги"

Впервые технология циркулирующего кипящего слоя для использования в энергетике была предложена фирмой "Лурги" (Германия). По технологии ЦКС "Лурги" котел оборудуется двумя параллельными вынесенными теплообменниками: в одном расположены испарительные поверхности, в другом - поверхности промперегрева.
Первый котел 90 МВт с топкой ЦКС системы "Лурги" был пущен в 1982 г. на ТЭС алюминиевого завода г. Люнене (Германия) для сжигания угля с зольностью до 65% и содержанием серы 2%. Достигнуты следующие показатели: термический КПД - 88%, выгорание углерода - 99%, коэффициент готовности - 90%. Выбросы S02 не превышают 400, NOx - 200, твердых частиц - 50 мг/нм3.
Дальнейшее развитие эта схема сжигания получила на котле 109 МВт с естественной циркуляцией фирмы "Лентьес", установленном в Дуйсбурге, и прямоточном котле Бенсона, 270 т/ч, изготовленном фирмой "Дойче Бабкок". Котел "Дойче Бабкок" предназначен для сжигания дробленного угля размером 0-3 мм, зольностью 20%, содержанием серы -1,4%. Зола в теплообменники подается после двухступенчатых "горячих" циклонов, расположенных справа и слева от топки. Более низкая температура золы в теплообменнике и отсутствие восстановительной среды снижает коррозию поверхностей нагрева.

1.  Система CFB "Пирофлоу".

Отличительная особенность системы "Пирофлоу" заключается в отсутствии выносного золового теплообменника. Топочная камера экранирована испарительными поверхностями нагрева, конвективные поверхности размещены за циклонами. Циркулирующая масса золы вводится в зону практически той же температурой, с которой она выделилась из дымовых газов в "горячем" циклоне.
Котлы, которые могут работать на следующих видах топлива: высокозольном угле, кусковом и пылевидном торфе, коре, древесных и бумажных отходах, нефтяном коксе, мазуте, допускают сжигание одновременно различных видов топлива. Система "Пирофлоу" разработана финской фирмой Альстром. Испытания системы начаты в 1976 г., а до 1985 г. фирмой изготовлены и выпущены котлы паропроизводительностью до 120 т/ч и водогрейные котлы на 70/120 °С, 120/180°С тепло производительностью 7,25.50,80 МВт.

1. Система CFB "Цирклофлюид".

В системе "Циркофлюид" верхняя часть топочной камеры, в отличие от "Пирофлоу", оснащена конвективными поверхностями нагрева, благодаря чему циклоны работают в зоне умеренных температур не выше 500 °С. Отделенная в циклонах зола без дополнительного охлаждения рециркулирует в топку. Необходимая для поддержания теплового баланса топочного процесса концентрация твердых частиц в верхней части топки (1,5 - 2,5 кг/нм3) ниже, чем для системы Пирофлоу" (15 кг/нм·) и "Лурги" (5 - 7 кг/нм3), что снижает общее сопротивление слоя при одинаковой высоте топки и соответственно расходы на собственные нужды за счет дутья. Другим преимуществом этой системы является наличие "холодного" циклона, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию котла.
Система "Циркофлюид" разработана фирмой ' Ферейнинге Кессель верке АГ", входящей в группу "Дойче Бабкок", с использованием проверенных основных концепции системы "Лурги".
Первый котел паропроизводительностью 150 т/ч введен в эксплуатацию в марте 1988 г. для сжигания саарского угля с зольностью 10-34%, содержанием серы 0,44 - 1,49%. азота - 1,2%. Скорость псевдоожижения в топке составляет 4,5 м/с, температура кипящею слоя - 850°С. площадь, решетки 21,4 м2. Вторичный и третичный воздух вдувается в топку на высоте 3,7 и 6,7 м над газораспределительной решеткой.
Общая наработка котлов по схеме "Циркофлюид" к концу 1992 г. превысила 80000 часов, функционировало 7 станций с этой технологией и 17 планируется ввести к 1995 г. Подтверждено отсутствие эрозии поверхностей нагрева в котлах "Циркофлюид .