2. Плазменная технология

Вытеснение мазута и природного газа из топливного баланса пылеугольных ТЭС путем их замещения низкосортными углями является наиболее актуальной проблемой теплоэнергетики.

В отраслевой программе Минэнерго СССР предусматривалась разработка плазменных растопочных горелок для поджигания низкосортных топлив и антрацита (исполнитель – КазНИИэнергетики). Плазменные горелки состояли из продольной камеры, через которую в котел подается пылевоздушная смесь. Вдоль камеры были размещены два стержневых электрода, между которыми с помощью подвижного плазмотрона-запальника возбуждается мощная электрическая дуга. Последняя нагревает пылевоздушную смесь. Выделяющиеся летучие воспламеняются. Температура газовой струи на выходе из плазмотрона составляет 3500–5400 °С. При такой температуре очень быстро происходит не только термическое разложение топлива и воспламенение летучих, но и воспламенение коксовой основы.

После выхода струи в топочную камеру происходит устойчивое горение факела. Однако высокая температура вызывает быстрый износ стержневых электродов, требуется частая их замена. Для работы плазменной горелки необходима система водогазоснабжения, а также достаточно сложная система преобразования энергии. Это усложняет и значительно удорожает установку.

Сотрудниками института проблем горения (Алматы) и Отраслевого центра плазменно-энергетических технологий РАО «ЕЭС России» была разработана новая плазменно-топливная система (ПТС) для безмазутной растопки котлов, стабилизации пылеугольного факела с одновременным снижением механического недожога топлива и образования оксидов азота.

Технология ПТС основана на плазменной термохимической подготовке угля к сжиганию [3–4]. Она заключается в нагреве аэросмеси (угольной пыли и воздуха) электродуговой плазмой с температурой свыше 3000 ^oС. За счет газификации топлива образуется двухкомпонентная смесь горючих газов и кокса, которая легко воспламеняется при ее смешении с вторичным воздухом и устойчиво горит без дополнительной подсветки мазутом (рис. 2.1.).

Рис. 2.1. Розжиговая горелка: 1 – плазмотрон; 2, 5 – завихритель; 3 – канал подачи угольной аэросмеси; 4 – канал подачи вторичного воздуха для розжига горелки; 6 – основная горелка; 7 – термопара зонда; 8 – камера воспламенения; 9 – водоохлаждаемый канал термозонда; 10 – камера смешения

Для повышения эффективности топливоиспользования в 1995 г. был создан Отраслевой центр плазменно-энергетических технологий (ОЦ ПЭТ) РАО «ЕЭС России» при ОАО «Гусиноозерская ГРЭС», в состав которого вошли три научно-технические лаборатории, теплотехническая и электротехническая службы [7].

Преимущества плазменных технологий безмазутной растопки котлов и подсветки факела, в основе которых лежит термохимическая подготовка топлив к сжиганию, перед традиционными заключаются в следующем:

– сокращении потребления мазута и газа на ТЭС;

– повышении энергетической эффективности ПЭТ в 3–4 раза, так как относительная электрическая мощность плазмотронов составляет (в зависимости от типа углей и горелки) всего 0,5–2,0 % тепловой мощности пылеугольной горелки;

– замещении углем подсветочного топлива (мазута или природного газа), что снижает выбросы оксидов азота на 40 – 50 % благодаря превращению азота топлива в молекулярный азот в обедненных кислородом зонах воспламенения и горения, уменьшает выбросы оксидов серы на 30–40 % (в случае замещения высокосернистого мазута) и почти полностью устраняет выбросы пятиокиси ванадия;

– снижении общего количества выбросов двуокиси углерода вследствие увеличения эффективности процесса горения, уменьшении механического недожога топлива и содержания углерода в уносах (в 1,5–2,0 раза);

– обеспечении растопки энергоблоков пылеугольных ТЭС при потере собственных паровых нужд станции;

– появлении возможности комплексного решения вопросов техперевооружения пылеугольных энергоблоков с сохранением технических и эколого-экономических показателей ТЭС;

– сохранении технико-экономических и экологических показателей энергоблоков при использовании широкой гаммы непроектных энергетических углей.

Плазменно-энергетические технологии топливоиспользования занимают особое место в энергетике, поскольку традиционное сжигание топлив происходит на атомно-молекулярном уровне, а с использованием этих технологий – на ионно-электронном (физико-химическом) уровне, что обеспечивает более глубокое управление процессом и, как следствие, его максимальную энергетическую эффективность.

Для практической реализации ПЭТ разработан принципиально новый способ организации плазмохимических процессов, при котором только часть реагентов проходит через область плазмы и они являются инициаторами химических превращений, существенно улучшающими характеристики процесса. При этом собственно плазмохимическая часть потребляет малую долю общих энергозатрат. Этот способ широко используется при плазменной электротермохимической подготовке топлив (ТХПТ) к сжиганию. В его основе лежит алло-автотермический метод газификации и плазменного воспламенения топлив [12–15]. С помощью этого метода можно осуществлять крупнотоннажные плазмохимические процессы; безмазутную растопку котлов и подсветку пылеугольного факела в том случае, если расход реагентов (уголь + окислитель) достигает 5–10 т/ч [7, 8].

Основные принципы разработки плазменно-энергетических технологий и технические характеристики плазменно-энергетического оборудования

В основе плазменно-энергетических технологий лежат следующие основные принципы [10]:

– термохимическая подготовка топлив к сжиганию с учетом необходимой глубины конверсии угля (вплоть до полной газификации) в зависимости от решаемой задачи;

– алло-автотермический характер превращения топлив (возможность реализации крупнотоннажного производства);

– плазменная активация пылеугольного потока;

– минимальная диссипация энергии плазмы.

При плазменной растопке котлов топочный мазут заменяют угольной пылью, воспламеняемой электродуговым плазмотроном, технические характеристики которого приведены ниже [12]:

– мощность плазмотрона, кВт 70–320

– напряжение, В – 250–400

– сила тока дуги, А – 200–800

– масса, кг:

– плазмотрона – 20–35

– источника электропитания – 450–500

– ресурс непрерывной работы электродов, ч . 300–500

– температура факела, К   – 3000–5000

На рисунке 2.2 показан наиболее эффективный – муфельный вариант системы плазменного воспламенения углей (СПВ), а на рис. 2.3. и 2.4. даны примеры компоновок плазмотронов постоянного тока, являющихся основными элементами СПВ, с пылеугольной прямоточной горелкой и станционным оборудованием.

Предвключенный муфель с плазмотроном обеспечивает самовоспламенение и интенсивное выгорание аэросмеси (угольная пыль + воздух) после смешения со вторичным воздухом в объеме топки.

Рис. 2.2. Электродуговой плазмотрон постоянного тока с медными водоохлаждаемыми электродами, установленный в пылеугольной горелке котла без реконструкции самого котла

Рис. 2.3. Схема компоновки плазмотрона с муфелизированным участком пылепровода горелки: 1 – плазмотрон; 2 – муфель; 3 – пылепровод к горелке; 4 – сопло пылеугольной горелки; 5 – источник электропитания; б – трансформатор;

7 – системы водо-воздухо-снабжения

Рис. 2.4. Схема компоновки электро- и теплотехнического оборудования с муфелем и котлом на ТЭС.

Плазменно-топливные системы испытаны на 26 котлах паропроизводительностью от 75 до 670 т/ч (табл.2.1–2.2), но не везде внедрены.

Таблица 2.1

Промышленные испытания плазменно-топливных систем (ПТС) на ТЭС[3].

Таблица 2.2

Основные показатели плазменно-угольных горелок для воспламенения

низкосортных углей [2]

Полные испытания технологии плазменной подсветки и стабилизации горения факела проводились на Гусиноозерской ГРЭС (котел БКЗ-640) и Улан-Баторской ТЭЦ-4 (котел БКЗ-420-140).

На рисунке 2.5 представлена схема размещения четырех ПТС на котле БКЗ-640 Гусиноозерской ГРЭС, оснащенном прямоточными пылеугольными горелками.

При плазменной подсветке факела образуются восстановительные газы (СО, Н), что снижает образование оксидов азота в 1,2 – 1,3 раза.

Рис. 2.5. Схема размещения ПТС на котле БКЗ-640 Гусиноозерской ГРЭС

В продолжение разработки и внедрения плазменных способов термохимической переработки углей на Улан-Удэнской ТЭЦ-2 проведены испытания на котле ТПЕ-185 паропроизводительностью 160 т пара в час с шестью плоскофакельными горелками. Цель испытаний:

– выявить влияние предвключенных модернизированных плазменных горелок на снижение содержания выбросов оксидов азота, оксида углерода в уходящих газах, на увеличение КПД котла из-за уменьшения механического недожога;

– определить надежность работы двух новых вариантов плазменных горелок упрощенной конструкции без применения жаропрочных огнеупорных материалов;

– определить возможность поддержания автотермического режима на одном из вариантов новой плазменной горелки.

Конструктивно модернизированная плазменная горелка представляет собой трубу в трубе, соединенную с патрубком для крепления плазмотрона, расположенным на боковой поверхности горелки (рис. 2.6 а). Материал внутренней трубы – жаростойкая сталь. Горелки установлены по диагонали котла вместо чехлов мазутных форсунок горелок (рис. 2.5). Принцип работы горелки заключается в следующем. Поток аэросмеси делится на две части. Часть аэросмеси, поступающая во внутреннюю трубу, подвергается воздействию плазменной струи, направленной перпендикулярно оси горелки. При этом аэросмесь нагревается до температуры выделения летучих веществ и частичной газификации коксового остатка. Получившееся высокореакционное двухкомпонентное топливо направляется в топочное пространство, где, смешиваясь с остальной аэросмесью и вторичным воздухом, стабилизирует процесс горения. Другая часть аэросмеси, поступая в промежуток между трубами, охлаждает их, являясь своего рода тепловой изоляцией.

Рис. 2.6. Модернизированные плазменные горелки: а) первый вариант; б) второй вариант: 1 – труба пылепровода; 2 – внутренняя жаростойкая труба для разделения потока аэросмеси; 3 – патрубок для установки плазмотрона; 4 – плазмотрон; 5 – плазменный факел; 6 – поток аэросмеси, проходящий термохимическую подготовку; 7 – поток аэросмеси, охлаждающий камеру термохимической подготовки топлива; 8 – камера автотермического режима

Первоначально испытывали горелки, в которых пространство между трубами было заполнено шамотобетоном. Назначение тепловой изоляции заключается в обеспечении безопасной температуры наружной поверхности трубы, а также в создании «муфельного» эффекта, состоящего в накоплении тепла и продолжении нагрева аэросмеси в течение некоторого времени после отключения плазмотрона. Отказ от использования шамотобетона позволил упростить процесс изготовления горелки, сделать ее более легкой, что немаловажно в процессе монтажа. Но главным является то, что проходное сечение этой горелки незначительно отличается от проходного сечения штатной прямоточной горелки по сравнению с горелкой с шамотобетоном. Кроме того, спроектирован второй вариант модернизированной плазменной горелки (рис. 2.6, б), в котором должен поддерживаться автотермический режим горения аэросмеси. Идея, лежащая в основе этой конструкции, следующая.

Первоначально происходит процесс термохимической подготовки аэросмеси под воздействием плазменной струи. Горящее двухкомпонентное топливо и еще не прореагировавшая аэросмесь поступают в расширенный участок. Скорость течения потока при этом должна снизиться примерно вдвое, так как площадь сечения в этом месте вдвое больше площади сечения предшествующего участка. При этом поток, турбулентный по своему характеру, еще более турбулизируется, процесс теплопередачи между аэросмесью и двухкомпонентным топливом интенсифицируется. Создаются условия, при которых в месте расширения существует самоподдерживающаяся зона горения. Предполагалось, что после отключения плазмотрона зона горения будет продолжать существовать, тем самым поддерживая процесс ТХПУ.

При проведении испытаний нагрузка котла составляла 120 т пара в час. Пылевоздушная смесь поступала в 8 из 12 сопл. На горелках № 3, 6 подача угольной пыли в штатные сопла была перекрыта, пыль поступала в плазменные горелки. Состав уходящих газов определяли газоанализатором TESTO-33 в газоходе перед дымососом при выключенных плазмотронах, затем через такой же промежуток времени с включенными плазмотронами. Пробы золы и шлака отбирались из холодной воронки. Были проведены три серии измерений. Мощность плазмотронов в среднем составляла 90 кВт. Снижение содержания NO_x составило в среднем 10,2 %. Такой результат представляется весьма значительным, если принять во внимание то, что только 25 % пылеугольного потока проходило через предвключенные плазменные горелки (два сопла из восьми работающих). При этом содержание кислорода в уходящих газах увеличилось в среднем на 2,2 %, что связано с уменьшением образования топливных окислов азота. Температура уходящих газов оставалась на уровне 128–13 ^оС. Содержание горючих остатков при включении плазменных горелок снижалось в золе с 6,5 до 3,4 % и в шлаке – с 20,9 до 14,8 %:

Через 15 минут после отключения плазмотронов еще раз были взяты пробы на содержание горючих остатков в золе и шлаке, значения которых, по результатам лабораторного анализа, составили 4,8 и 7,8 % соответственно. Расчеты по типовой методике показывают, что подобное снижение механического недожога топлива увеличивает КПД котла на 1,7 %.

Таким образом, проведенные промышленные испытания подтверждают тот факт, что использование плазмы для активации пылеугольного факела более эффективно, чем применение термических огневых методов благодаря наличию в плазме химически активных атомов, радикалов, ионов и электронов, которые ускоряют термические реакции горения и способствуют более полному выгоранию топлива.

Рис. 2.7. Схема размещения горелок на котле

Известно, что даже малые примеси атомарного кислорода снижают температуру воспламенения угольных частиц. Применение электродуговой плазмы существенно меняет кинетику горения пылеугольного факела: проходя электротермохимическую подготовку в малом объеме камеры предварительной подготовки перед устьем горелки при малой концентрации первичного воздуха в аэросмеси, подготовленная горючая смесь, состоящая из летучих газов (СН₄), продуктов частичной газификации угля (СО + Н₂) и раскаленных частиц коксового остатка, при выходе в топку интенсивно возгорается в потоке вторичного воздуха, поступающего в избытке.

В ходе испытаний нарушений в работе модернизированных плазменных горелок не наблюдалось. Температура наружной поверхности трубы была равна температуре стенки пылепровода, что свидетельствует о правильности подобного конструктивного решения. Забивания зазора между наружной и внутренней трубой не происходило.

Вывод о наличии автотермического режима в горелке можно сделать на основании анализов дымовых газов. Так, после отключения плазмотронов происходило повышение концентрации NO_x и СО, но не до первоначальных значений, которые имели место до включения плазмотронов, а приблизительно вполовину меньше. Это свидетельствует о продолжении горения пылевоздушной смеси в горелке (второй вариант горелки), и только спустя 30–40 мин после отключения плазмотронов значения NO_x и СО увеличились вдвое. Возможность осуществления автотермического режима горения пылеугольного факела на выходе из устья сопла имеет важное значение в растопочном режиме котла, при котором сохраняется процесс самовоспламенения и горения пылеугольной смеси в горелке после отключения плазмотрона.

Применение плазменных горелок позволяет улучшить технико-экономические показатели как отдельных котлов, так и ТЭС в целом за счет отказа от жидкого топлива для розжига и подсветки пылеугольного факела в котлах, снижения вредных выбросов в атмосферу и соответствующего снижения платы за выбросы, сокращения механического и химического недожога пылеугольного топлива в топках котлов и, следовательно, наряду с другими технико-экономическими и организационными мероприятиями расширяет возможности снижения себестоимости выпускаемой продукции.

Низкий ресурс плазмотронов и недостаточная надежность электроснабжения технологии плазменного сжигания требуют структурного резервирования для сохранения уровня надежности работы котла. С этой целью предусматрены две независимые технологические нитки на одну горелку. Структурное резервирование обусловливает увеличение капиталовложений в технологию в два раза. С учетом затрат на плазменную технологию капиталовложения в электрическую часть увеличиваются на 10 %.

Вторым этапом развития ПТС является их использование для газификации углей и получения из низкосортных топлив высококалорийного и экологически чистого синтез-газа (СО+Н) для сжигания на ТЭС.

С этой целью проведены экспериментальные исследования комбинированной плазменной газификации на опытных установках.

В результате этих исследований был разработан комбинированный газификатор производительностью по углю 32 т/час, предназначенный для плазменной газификации и термохимической подготовки к сжиганию энергетических углей с последующей подачей полученных высокореакционных продуктов, горючего газа и коксового остатка непосредственно в топочную камеру котельного агрегата.

Это позволяет обеспечить безмазутную растопку котла, подсветку пылеугольного факела, стабилизацию выхода жидкого шлака, снизить выбросы оксидов азота, а также расширить гамму сортов сжигаемых в одном и том же котле углей с увеличением его технико-экономических и экологических показателей.

ООО НПП «ТЕХПЛАЗ» совместно с ИНПП «Колорит» (Украина) разработали аналогичную плазменную технологию стабилизации горения угля и безмазутной растопки котлов. По данным авторов этой разработки, стоимость плазменной установки, включая монтажные и пуско-наладочные работы для одного энергетического котла составляет в среднем 2,3 млн дол. что в 30 с лишним раз превышает затраты на внедрение системы муфельной растопки, разработанной в КГТУ[7–9].

В этой связи важной задачей является дальнейшая разработка простых и надежных плазмотронов, обеспечивающих их длительную эксплуатацию на ТЭС. Необходимо продолжить разработку и внедрение новых конструкций плазменно-дуговых устройств для розжига и стабилизации горения пылеугольной смеси.

По нашему мнению, применение плазменных технологий будет экономически оправдано при их использовании на тепловых электростанциях, сжигающих низкореакционные угли с очень малым выходом летучих веществ.