Автореферат (Исследование сжигания эстонских сланцев с непроектными топливами)

На правах рукописиЗАЙЧЕНКО МИХАИЛ НИКОЛАЕВИЧИССЛЕДОВАНИЕ СЖИГАНИЯ ЭСТОНСКИХ СЛАНЦЕВС НЕПРОЕКТНЫМИ ТОПЛИВАМИСпециальность 05.14.14 – Тепловые электрические станции,их энергетические системы и агрегатыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20162Работа выполнена в отделе парогенераторостроения кафедры паровых и газовыхтурбин ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»Научный руководитель:Росляков Павел Васильевичзаслуженный деятель науки РФ,доктор технических наук, профессор,профессор кафедры паровых и газовых турбинФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», г. МоскваОфициальные оппоненты:Григорьев Константин Анатольевичдоктор технических наук, доцент,главный научный сотрудник отдела №277ОАО «Научно-производственное объединение поисследованию и проектированию энергетическогооборудования им.

И.И. Ползунова»,г. Санкт-ПетербургЖуков Евгений Борисовичкандидат технических наук, доцент,заведующий кафедрой котло- и реакторостроенияФГБОУ ВО «Алтайский государственныйтехнический университет им. И.И. Ползунова»,г. БарнаулВедущая организация:Открытое акционерное общество «Энергетическийинститут им. Г.М. Кржижановского», г. МоскваЗащита диссертации состоится «25» мая 2016 г.

в 16 часов 00 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 212.157.07 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу:111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, зал Ученого Совета НИУ «МЭИ».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».Автореферат разослан 20 апреля 2016 г.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.157.07 к.т.н., доцентИльина И.П.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Среди различных видов энергетического топливаорганического происхождения горючие сланцы выделяются в отдельную группу. Онихарактеризуются высокими зольностью и содержанием карбонатов, ввиду чегоотносятся к низкокалорийным топливам.

Сжигание сланцев в котлах сопровождаетсязначительными выбросами оксидов азота и серы в атмосферу, шлакованием изаносом поверхностей нагрева, высокотемпературной коррозией пароперегревателя идругими негативными явлениями.Наиболее широкое энергетическое использование получили горючие сланцыПрибалтийского бассейна, который расположен на территории Ленинградской,Псковской и Новгородской областей России и в Эстонии. Специально для сжиганияданных сланцев на электростанциях в разные годы были установлены паровые котлытипа ТП-101, спроектированные с учетом шлакующих и загрязняющих свойствсланцев, проектная теплота сгорания которых составляла 8-11 МДж/кг.

В России внастоящее время ведутся научно-исследовательские работы по созданию комплексовпо добыче и энергохимическому использованию сланцев.В то же время на электростанциях Эстонии в данных котлах сжигаются сланцыс теплотой сгорания ниже проектной с перспективой дальнейшего снижения. Этовызвано как выработкой (истощением) ныне используемых месторождений, так иразработкой более глубоких слоев залегания сланца, что поощряется снижениемналогового бремени на использование недр. Однако из-за снижения теплоты сгораниясланцев возникает проблема их эффективного использования для полученияэлектрической и тепловой энергии.Альтернативным направлением использования сланцев в Эстонии является еготермическая переработка, основным продуктом которой является сланцевое масло, аодним из побочных – полукоксовый (ретортный) газ.

Последний обладает высокойкалорийностью и повышенным содержанием соединений серы. В связи с этимвозникает необходимость эффективно и экологически безопасно утилизироватьполукоксовый газ в достаточно больших объемах. Кроме того увеличение объемовпроизводства сланцевого масла диктует необходимость уменьшения доли сланцев ввыработке электрической и тепловой энергии на электростанциях Эстонии.Для решения указанных проблем было предложено сжигать полукоксовый газ вэнергетических котлах для частичного или полного замещения сланцев. В настоящеевремя его периодически используют в ограниченных объемах (до 7% по теплу) вкачестве дополнительного топлива при сжигании сланцев на Эстонскойэлектростанции.

Такое ограничение вызвано более высокой теплотой сгоранияполукоксового газа и соответственно более высокой температурой его горения. Этоприводит к повышению температуры дымовых газов на выходе из топки и опасностишлакования поверхностей нагрева. При этом также происходит перераспределениетепловосприятий между радиационными и конвективными поверхностями нагревакотла, что в свою очередь может вызвать проблемы с обеспечением номинальнойтемпературы перегрева пара по первичному и вторичному трактам.Альтернативой полукоксовому газу при частичном или полном замещениисланцев с пониженной теплотой сгорания могут стать другие высококалорийныевиды топлива.

В качестве таких топлив возможно использование угля или различныхвидов биотоплива.Основными условиями использования замещающих непроектных топливявляются обеспечение надежной, эффективной и экологически безопасной работы4котла с номинальными параметрами пара в рабочем диапазоне нагрузок приминимальной модернизации котла и/или минимальной замене его отдельныхэлементов и вспомогательного оборудования котельной установки. В настоящеевремя проблема перевода действующих котлов на непроектные виды топливаявляется актуальной для России и Эстонии.Оценке возможности перевода котла ТП-101 Эстонской электростанции насжигание непроектных топлив посвящена данная работа.Цель работы – теоретическое обоснование и расчетные исследованиявозможности использования различных непроектных видов топлива при частичномили полном замещении сланцев при условии обеспечения надежной, эффективной иэкологически безопасной работы котла и котельной установки в целом приминимальном объеме реконструкции.В этой связи в работе решались следующие задачи:- создание и верификация математической модели действующего котла ТП-101,отражающей фактическое состояние оборудования во всем рабочем диапазоненагрузок котла;- разработка и обоснование критериев оценки работы котла и котельнойустановки с позиций надежности и эффективности при соблюдении нормативов повыбросам вредных веществ в атмосферу;- определение возможности использования сланцев с пониженной теплотойсгорания в качестве основного и единственного топлива;- исследование возможности обеспечения работы котла и котельной установкив соответствии с разработанными критериями при частичном и полном замещениисланцев с пониженной теплотой сгорания непроектными топливами;- численные исследования малоэмиссионных горелочных устройств стадийногосжигания, предназначенных для реализации как частичного, так и полного переводакотла на сжигание полукоксового газа;- исследование возможности использования различных видов биотоплива вкачестве дополнительного топлива при сжигании сланцев с пониженной теплотойсгорания.Научная новизна работы состоит в следующем:1.

Определена минимальная величина теплоты сгорания сланца, ниже которойневозможна нормальная работа котла и котельной установки в целом в рабочемдиапазоне нагрузок при использовании сланца в качестве основного и единственноготоплива.2. Численными исследованиями обоснована и показана принципиальнаявозможность использования полукоксового газа в качестве основного иединственного топлива при минимальном объеме реконструкций сланцевого котла.3.

Предложены и исследованы варианты конструкции малоэмиссионныхгорелочных устройств стадийного сжигания полукоксового газа, обеспечивающиенадежное и эффективное сжигание данного топлива при эмиссии оксидов азота менее200 мг/м3.4. Исследована возможность использования различных видов биотоплива присовместном сжигании со сланцем с пониженной теплотой сгорания.Практическая ценность работы состоит в следующем:1.

Разработаны критерии оценки работы котла и котельной установки в целом спозиций надежности, эффективности и экологической безопасности при переводе начастичное и полное сжигание непроектных топлив.52. Показана принципиальная невозможность надежной и эффективной работыисследуемого котла ТП-101 во всем рабочем диапазоне нагрузок при сжиганиисланцев с теплотой сгорания ниже 6,64 МДж/кг.3. Определены доли по теплу непроектных топлив (полукоксового газа и угля),обеспечивающие при их совместном сжигании со сланцем с пониженной теплотойсгорания надежную, эффективную и экологически безопасную работу котла во всемрабочем диапазоне нагрузок.4.

Показана принципиальная возможность использования полукоксового газа вкачестве основного топлива в котле ТП-101 при минимальном объеме реконструкциикотла за счет существенного увеличения избытка воздуха на пониженных нагрузках.5. Показано, что совместное сжигание сланца с пониженной теплотой сгоранияс некоторыми видами биотоплива позволит расширить область нормальной работыкотла и котельной установки в целом с позиций надежности, эффективности иэкологической безопасности.Методология и методы исследования, достоверность результатов. Решениепоставленных в работе задач осуществлялось путем проведения расчетныхисследований, численных экспериментов и анализа полученных результатов.Достоверность результатов работы обеспечивается применением хорошоапробированных и широко используемых программных продуктов, верификацияразработанной математической модели проводилась сопоставлением результатовчисленного моделирования с опытными данными, полученными при испытанияхкотла.На защиту выносятся: предложенный подход к исследованию работы действующих котлов припереводе на непроектные виды топлива, включающий в себя созданиематематической модели котла, адекватно отражающей его текущее состояние иработу, и разработку критериев оценки работы оборудования на непроектном топливес позиций надежности, эффективности и экологической безопасности; результаты расчетных исследований работы котла при использованиинепроектных топлив в различных сочетаниях: сланцев с пониженной теплотойсгорания, полукоксового газа и угля; разработанные конструкции горелочных устройств стадийного сжигания,предназначенные для использования полукоксового газа в качестве основного илидополнительного топлива; результаты расчетных исследований работы котла при совместном сжиганиисланцев с пониженной теплотой сгорания и различных видов биотоплива.Апробация работы.

Основные положения работы, результаты теоретических ирасчетных исследований докладывались и обсуждались на:1. XXI международной научно-технической конференции «Информационныесредства и технологии», г. Москва, 2013 г.;2. XX международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника,электротехника и энергетика», г. Москва, 2014 г.;3. Национальном конгрессе по энергетике, г.