ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2009, том 43, № 3, с. 271-275
-- ПЛАЗМОХИМИЯ
Пленарные доклады 5-го Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии (3-8 сентября 2008 г., Иваново, Россия)
УДК 662.61+537.533.9
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛАЗМЕННО-ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ РОССИИ, КАЗАХСТАНА, КИТАЯ И ТУРЦИИ
© 2009 г. Е. И. Карпенко*, Ю. Е. Карпенко*, В. Е. Мессерле**, А. Б. Устименко**
*Улан-Удэнский филиал института теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук
670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 **Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики Казахстан, 050012, Алма-Ата, ул. Богенбай батыра, 172 E-mail: ust@physics.kz Поступила в редакцию 20.10.2008 г.
Представлено описание плазменной технологии воспламенения твердых топлив, этапов ее создания и развития, технико-экономических характеристик плазменно-топливных систем, схем их установки на пышеугольных котлах и некоторых результатов их применения на пылеугольных тепловых электростанциях.
Для повышения эффективности использования твердых топлив, уменьшения доли мазута и природного газа в топливном балансе тепловых электростанций (ТЭС) и снижения вредных пылегазовых выбросов была разработана крупномасштабная плазмохимическая технология воспламенения, газификации и сжигания углей [1-5].
Разработанная технология и плазменно-топлив-ные системы (ПТС) для ее осуществления были успешно испытаны на Усть-Каменогорской ТЭЦ (Казахстан, 1989 г.), Мироновской ГРЭС (Украина, 1989 г.), Баодийской ТЭС (Китай, 1995 г.), Алматин-ской ТЭЦ-3 (Казахстан, 1996 г.) и Гусиноозерской ГРЭС (Россия, 1995 г.). Совершенствование плазменных технологий переработки твердых топлив продолжалось также в рамках ряда международных проектов.
С 1998 по 2006 гг. было разработано и испытано на ТЭС три поколения ПТС. В ПТС первого поколения использовался плазмотрон с подаваемым стержневым графитовым катодом и кольцевым медным водоохлаждаемым анодом. ПТС первого поколения были внедрены на котле 4-200 Баодийской ТЭС. Компания Yantai Longyuan Electric Power Technology Co., Ltd (Китай), модернизировав ПТС первого поколения, распространила их еще на 400 котлах Китая с установленной мощностью более 160 млн. кВт [6].
В ПТС второго поколения (1996-2001 гг.) использовали плазмотроны со сменными медными
водоохлаждаемыми катодом и анодом. Источники электропитания обеспечивали устойчивую параллельную работу одновременно нескольких плазмотронов от одного трансформатора. При испытаниях ПТС второго поколения на Шаогуанской ТЭС (Китай) в 2000-2001 гг. от одного трансформатора работало 8 ПТС. В 2007 г. на котле BG-75/39-M ТЭС "Золотая Гора" в г. Шеньян (Китай) испытаны ПТС третьего поколения. В отличие от предыдущих поколений был обеспечен безосцилляторный пуск и безбалластный режим работы плазмотронов, а их мощность могла варьироваться в интервале 80-300 кВт [7].
В мировой теплоэнергетике при растопке пылеугольных котлов (паровых или водогрейных) из холодного или горячего состояния и стабилизации горения (подсветке) пылеугольного факела используют топочный мазут стоимостью $ 600-700 за 1 тонну. В мире на эти цели расходуется более 50 млн. тонн мазута в год. На ТЭС растопка котлов (время растопки 3-12 ч) производится несколько раз в год (до 25 пусков ежегодно на один котел), а подсветка пылеутольного факела осуществляется периодически при потускнении факела или снижении нагрузки.
Для котлов различной паропроизводительности расходуется разное количество мазута (табл. 1). При использовании ПТС мазут заменяют самой угольной пылью, подвергаемой термохимической подготовке в объеме пылеугольной горелки с использованием электродуговых плазмотронов постоянного
272
КАРПЕНКО и др.
Таблица 1. Расход мазута на котлах различной паропро-изводительности
Паропроизводительность котла, т/ч Расход мазута на 1 растопку, т
50-75 3-6
160-200 10-25
220-420 30-80
640-670 80-100
950 100-140
1650 150-250
2650 250-350
тока, являющихся основным элементом ПТС. Технология ПТС основана на плазменной термохимической подготовке угля к сжиганию, заключающейся в нагреве аэросмеси (угольная пыль + воздух) электродуговой плазмой до температуры выхода летучих компонентов угля и частичной газификации коксового остатка. Тем самым из исходного угля получают высокореакционное двухкомпонент-ное топливо (горючий газ + коксовый остаток). При его смешении с вторичным воздухом в топке котла такое топливо воспламеняется и устойчиво горит без дополнительного мазута или газа, традиционно используемых для растопки котлов и подсветки пылеугольного факела.
На рис. 1 и 2 представлены схемы основных типов разработанных прямоточных и вихревых ПТС, которые иллюстрируют процесс плазменной термохимической подготовки угля к сжиганию. Видно, что холодная аэросмесь (Т < 350 К) поступает в ПТС, где она нагревается в зоне плазменного факела до температуры образования высокореакционного двухкомпонентного топлива. Последнее интенсивно воспламеняется только в топке котла, так как весь кислород аэросмеси расходуется на частичную газификацию углерода угля.
В последнее время значительный интерес к использованию ПТ С на ТЭС помимо Китая, где 87% электроэнергии вырабатывается на пылеугольных ТЭС, проявляют Казахстан, Россия и Турция, у которых доля пылеугольных ТЭС в энергетике составляет 80, 30 и 47% соответственно. В настоящее время выполняются проекты оснащения ПТС с плазмотронами постоянного тока номинальной мощностью 200 кВт пылеугольных котлов с паропроизводи-тельностью 75-1650 т/ч для Шахтинской ТЭЦ (Казахстан), Рефтинской ГРЭС (Россия), ТЭС Ятаган (Турция), ТЭС Шан-си и ТЭС Южное море - Цзин-нэн (Китай). На рис. 3-6 представлены технические решения по оснащению пылеугольных котлов ПТС на указанных ТЭС.
На рис. 3 представлен поперечный разрез топки котла КРК-210 мощностью 210 МВт с расходом лигнита (табл. 2) 250 т/ч. Котел оснащен 48 прямоточными пылеугольными горелками, распределенными по 6 блокам и расположенными в четыре яруса. 12 плазмотронов устанавливается в муфелизирован-ные каналы горелок нижнего яруса, обеспечивая воспламенение лигнита с расходом до 7.25 т/ч через каждый канал.
На рис. 4 показана схема установки ПТС на одном корпусе двухкорпусного котла ПК-39-11 мощностью 300 МВт и расходом каменного угля 83 т/ч на один корпус котла. Топка корпуса оснащена 12 вихревыми пылеугольными горелками, расположенными по 6 горелок с фронта и с тыла в два яруса. Расход угольной пыли через каждую горелку составляет 7 т/ч. Вместо 6 основных пылеугольных горелок нижнего яруса устанавливается 6 вихревых ПТС, обеспечивающих безмазутную растопку котла и стабилизацию горения пылеугольного факела.
Схема установки прямоточных ПТС на котле Бв-75/39-М приведена на рис. 5. Котел оснащен 8 пылеугольными горелками, расположенными по углам котла в два яруса. Котел работает на низкосортном каменном угле (см. табл. 2), номинальный расход которого составляет 18.75 т/ч, а через одну горелку 2.35 т/ч. Две ПТС установлены в нижнем ярусе горелок с фронта котла, изнутри горелки футерованы керамическими вставками толщиной 50 мм. В процессе испытаний через 5-10 с после
3
Рис. 1. Вихревая ПТС: 1 - топка, 2 - плазмотрон, 3 - ши- Рис. 2. Прямоточная ПТС: 1 - топка, 2 - плазмотрон,
бер, 4 - аэросмесь. 3 - аэросмесь, 4 - пылеугольный факел.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛАЗМЕННО-ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ НА ТЕПЛОВЫХ
273
1
Ч
1 У
2
2
1
2
Рис. 3. Компоновка ПТС с топкой котла RFK-210 ТЭС Ятаган (Турция): 1 - аэросмесь, 2 - вторичный воздух, 3 - плазмотрон на прямоточной ПТС.
включения плазмотронов и подачи угольной пыли на выходе обоих ПТС были получены факелы красного цвета с температурой 850-900°С. Мощность каждого плазмотрона составляла 160 кВт (I = 400 A, и = 400 В). При расходе угольной пыли 2 т/ч через каждую ПТС ее концентрация в аэросмеси была равна 0.5-0.6 кг/кг. Через 20 мин работы ПТС температура факелов в топке достигла 1300°С и наблюдалось устойчивое горение топлива в топке при работающих плазмотронах. После достижения устойчивого горения и подачи угольной пыли через основные пылеугольные горелки, не оборудованные плазмотронами, и дальнейшего роста параметров котла (давление и температуры пара, температуры вторичного и первичного воздуха) испытания плазменной безмазутной растопки были завершены.
На рис. 6 представлена компоновка двух ПТС с топкой котла БКЗ-75, оборудованного четырьмя аксиально-лопаточными вихревыми трехканаль-ными пылеугольными горелками, установленными по две с фронта и с тыла в один ярус. Расход пыли карагандинского каменного угля с зольностью 35.1% через каждую горелку составляет 3.2 т/ч. Две ПТС устанавливаются с фронта котла и обеспе-
Рис. 4. Компоновка ПТС с топкой двухкорпусного котла ПК-39-П Рефтинской ГРЭС (Россия): 1 - вихревая ПТС, 2 - основная пылеугольная горелка, 3 - аэросмесь, 4 - вторичный воздух.
чивают безмазутный режим его работы при растопке и стабилизации горения пылеугольного факела.
Для демонстрации преимуществ ПТС в табл. 3 приведено сравнение основных показателей мазутной и плазменной технологий растопки котлов и подсветки пылеугольного факела. Видно, что при-
Таблица 2. Теплотехнические характеристики углей
Тип угля И7 А* 27, ккал/кг
%
Сланец 40-50 75-80 48-50 1600-2000
Лигнит 32-40 28-35 23-27 1900-2100
Бурый 25-35 15-20 35-50 3000-3800
Каменный 5-12 20-56 15-20 4000-5000
Антрацит 5-8 25-35 4-10 4300-6200
Угольная смесь 10.4 48.5 38.2 3150
Примечание. И7 - содержание влаги на рабочую массу; ^ - содержание золы на сухую массу; У^ - выход летучих на горючую массу; 2 7 - низшая теплота сгорания угля на рабочую массу.
2
274
КАРПЕНКО и др
Рис. 5. Компоновка ПТС с топкой котла БО-75/39-М ТЭС "Золотая Гора" (Китай): 1 - прямоточная ПТС, 2 - основная пылеугольная горелка, 3 - пылепровод.
Рис. 6. Компоновка ПТС с топкой котла БКЗ-75 Шах-тинской ТЭЦ (Казахстан): 1 - вихревые ПТС, 2 - основные пылеугольные горелки.
менение ПТС только на ТЭС России и Казахстана обеспечит экономию топочного мазута стоимостью
Таблица 3. Сравнительные показатели традиционной и нов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.