Диссертация (Исследование сжигания эстонских сланцев с непроектными топливами), страница 3

В зависимости от месторождения теплота сгоранияможет изменяться в широких пределах от 4-5 МДж/кг до 25 МДж/кг. Наиболеевысокой теплотой сгорания – более 15 МДж/кг – характеризуются горючиесланцы отдельных слоев и пластов Эстонского, Ленинградского, Рубежинского,Болтышского месторождений, некоторые сланцы Австралии, Новой Зеландии.Большинство горючих сланцев мира имеют среднюю 8-12 МДж/кг или низкую –5-8 МДж/кг теплоту сгорания [9].Горючие сланцы по сравнению с другими видами традиционных горючихископаемых более равномерно распространены по всему земному шару.

В миреимеется более 560 крупных месторождений. Тем не менее, вовлеченность ГС вэнергетику и промышленность низка, т.к. на протяжении всей истории развития истановления сланцевой промышленности она вынуждена была конкурировать сболее дешевыми видами сырья – нефтью и природным газом.Данные по запасам горючих сланцев неоднократно пересматривались, и наданный момент нет единой оценки.

Вместе с тем доказано, что мировые запасыГС в несколько раз превышают запасы нефти. В [10] для оценки обеспеченностимировыми энергетическими ресурсами приводится соотношение имеющихсязапасов к ежегодной добыче, выраженные в нефтяном эквиваленте (1 TOE =41,868 ГДж). Обеспеченность нефтью самая низкая из добываемых углеводородови составляет 41 год (табл. 1.1).Таблица 1.1Данные по мировым энергетическим ресурсам (в нефтяном эквиваленте)УглеводородыУгольНефтьПриродный газГорючие сланцы [11]Мировыересурсы,млрд. т486143132411Ежегоднаядобыча,млрд.

т2,23,52,0-Обеспеченность, лет (в расчетахиспользовались величины,переведенные в ед. усл. топлива)2184163-Отсутствие данных о ежегодной добыче горючих сланцев не позволяет сопределенной точностью рассчитать подобным образом обеспеченность этим14видом ресурсов. Однако, ориентируясь на равнозначный порядок запасов сланцеви угля и принимая уровень добычи, равным ежегодной добыче угля, можноприблизительно оценить этот срок в 200 лет [8].Данные по запасам сланцев на территории Российской Федерации такженеоднократно пересматривались. В таблице 1.2 представлены данные оценкиобщих геологических ресурсах ГС в 1999 года. По данным [12] суммарные запасысланцев России оцениваются в 700 млрд.

т, что составляет около 10% от мировыхзапасов сланца, ресурсы сланцевой смолы – около 8%.Таблица 1.2Геологические ресурсы горючих сланцев и сланцевой смолы России [12]БассейнРесурсы горючих сланцев,млн. тРесурсы сланцевой смолы,млн. т10246,71386,24888,058105,859,625822,447,55380000,0220000,0351,44590,05,42805,52,819000,05500,0111,760,5700288,8533701,8Прибалтийский(российская часть)Тимано-ПечорскийВычегодскийЦентральныйВолжскийЮжно-уральскийОленекскийСннско-ботомскийИркутская область иЗабайкальеВсего1.2. Развитие сланцевой отрасли в СССР и РоссииВ свое время СССР являлся ведущей страной по использованию горючихсланцев в промышленности и энергетике [13, 14, 15].

Развитие сланцевойпромышленности в СССР было обусловлено острой потребностью в топливе дляэлектростанцийихимическомсырьедляпромышленностивовремяиндустриализации страны. В плане ГОЭЛРО предусматривалось использованиеместных топлив, в том числе и сланцев, на строящихся электростанциях [16].

Сначала 20-х годов XX века в Самарской области активно велась добыча ипереработка горючих сланцев, что было продиктовано острой потребностью15страны в топливе. В 1932 г. открыты Сызранский сланцеперерабатывающий заводи Кашпирская электростанция мощностью в 50 МВт на рядовом сланце содновременным использованием газа от химических производств. После ВеликойОтечественной войны в 1947 г. была запущена первая очередь Сызранской ТЭЦ,основным топливом для которой стали горючие сланцы.В то же время началось развитие сланцевой промышленности в северозападной части СССР.

В 1934 году основано крупнейшее предприятие по добычесланцев «Ленинградсланец» для обеспечения топливом и сырьем местныхпредприятий. Одновременно с этим вводились в эксплуатацию котлы со слоевымсжиганием местных горючих сланцев. Наибольшее распространение получилитопки с наклонно-переталкивающей решеткой системы Ломшакова-Круль длясланцев. Подобные котлы эксплуатировались до 60-х годов. В это же время былипроведены первые эксперименты по пылевидному сжиганию сланцев. Однакоданные опыты были не удачными по причине сильных золовых отложений.Первыми электростанциями с пылевидным сжиганием сланцев сталистанции Кохтла-Ярве (введена в 1949 г., электрическая мощность составила48 МВт) и Ахтме (введена в 1951 г., электрическая мощность составила72,5 МВт).

Паровые котлы среднего давления, укомплектованые молотковымимельницами и гравитационными сепараторами, первоначально предназначенныедля пылевидного сжигания каменных и бурых углей на этих станциях былимодифицированны для сжигания сланцев.Опыт эксплуатации показал, что данные котлы могут удовлетворительноработать только на нагрузках значительно ниже номинальной. Это вызваношлакованием и загрязнением радиационных и конвективных поверхностейнагрева золовыми частицами и абразивным износом труб экономайзера. Такимобразом,впервыйразэксплуатацияпылеугольныхкотловпоказаласпецифические проблемы при сжигании горючих сланцев.

Стало очевидным, чтокотлы, предназначенные для сжигания бурых и каменных углей, не будутудовлетворительно работать при пылевидном сжигании сланцев из-за оченьспецифического и сложного состава минеральной и органической части сланцев.16Следующий этап в развитии сланцевой энергетики начался с введением вэксплуатацию Прибалтийской ГРЭС в 1959 году, основным топливом для которойстали горючие сланцы местных месторождений. На электростанции былоустановлено 18 котлов ТП-17 (Е-220-9,8-540СТ) первой очереди и 8 котлов ТП-67(Е-320-13,8-540СТ) второй очереди. С этого времени горючие сланцы становятсяважнейшим энергетическим топливом северо-запада СССР.В период 1969-1973 была введена в эксплуатацию Эстонская ГРЭС, накоторой были установлены 8 двухкорпусных котлов ТП-101 (Еп-640-13,8-540СТ).Она стала и до сих пор является самой мощной электростанцией в мире,работающей на горючих сланцах.Котлы для Прибалтийской и Эстонской ГРЭС созданы на Таганрогскомкотельном заводе «Красный котельщик» специально для факельного сжиганияприбалтийских горючих сланцев [17].

Основной особенностью данных котловявляется то, что все пароперегреватели выполнены в виде ширмовыхповерхностей нагрева. Это сделано для уменьшения шлакования и загрязненияповерхностей нагрева.Ввод в эксплуатацию крупных энергоблоков, работающих на сланцах врайоне их добычи, позволил обеспечить довольно низкую себестоимостьэлектроэнергии в северо-западном регионе. Однако пылевидное сжигание сланцевсвязано с эксплуатационными и экологическими проблемами.

Основной из нихявляется шлакование и загрязнение поверхностей нагрева в топке и последующихгазоходах [18-22].Данной проблемой в разные годы занимались ВТИ, ЦКТИ, ЭНИН, ТПИ,ЛПИ и другие организации. В результате исследования [23-30] показали, чтоосновными процессами, вызывающими загрязнение поверхностей нагревасвязаннымиотложениями,являетсяобразованиесульфатовкальциянаповерхности нагрева, сублимация и конденсация сульфатов и хлоридов щелочныхметаллов.

Загрязнение поверхностей нагрева котлов является одним из основныхфакторов, ограничивающих их паропроизводительность.17Кромеэтогоэксплуатациясланцевыхкотловхарактеризуетсявысокотемпературной коррозией и сильным эрозионным износом поверхностейнагрева, значительными выбросами оксидов азота, оксидов серы, золы ватмосферу, высокими затратами на собственные нужды и др.Основные мероприятия по улучшению работы котлов [24, 31-34]направлены на интенсификацию очистки поверхностей нагрева, разработкуконструкций котлов с увеличенными поверхностями нагрева и защитнымимероприятиями от износа.Опыт работы Сызранской ТЭЦ показывает, что использование в энергетикевысокосернистых сланцев при прямом сжигании затрудняется из-за высокогоуровня загрязнения атмосферы, особенно оксидами серы.

На Сызранской ТЭЦ,при сжигании сланцев Кашпирского месторождения в котлах ЦКТИ-75-39Ф, вокружающую среду выбрасывалось более 50 г/(кВт∙ч) SOX, что значительнопревышает допустимые нормы [35]. В связи с этим в 1960 году данная ТЭЦ былапереведена на сжигание мазута, а в 80х годах – на сжигание природного газа.Наряду с прямым использованием горючих сланцев для выработкиэлектрической и тепловой энергии в СССР велись исследования по переработкесланцев с целью получения искусственного жидкого топлива, химическихсоединенийдляпромышленности.Комплексноеиспользованиетоплива,основанное на предварительной термической переработке, в результате которойорганическое вещество преобразуется в энергоносители и продукты сырьевогоназначения, позволяет повысить эффективность теплоэнергетических установок иобеспечить необходимую чистоту окружающей среды [36].В 1944 г.

в ЭНИН им. Г.М. Кржижановского под руководством ГалынкераИ.С. совместно с Институтом химии и Институтом термофизики и электрофизикиЭАН разработан способ технологической переработки сланцев, названный«Галотер» [37].По состоянию на 1980 год порядка 27% добываемых прибалтийскихсланцев использовались для переработки в смолу и газ [14, 34]. В 1970−90 гг.ЭНИН была создана и освоена в промышленном масштабе пиролитическая18технология переработки горючих сланцев, позволившая рассматривать сланцы степлотой сгорания не менее 3,8 МДж/кг как вполне приемлемый источниктоплива для тепловых электростанций. Причем КПД таких станций можетпревышать КПД ТЭС, работающих на качественных углях при тех же параметрахпара. В 1980-1984 введены две установки УТТ-3000, реализующие принцип«Галотер», производительностью 3000 т/сутки, эксплуатируемые в настоящеевремя (Enefit 140).В 1981 г. построенгазогенераторсивведенпоперечнымэксплуатацию крупнейшийпотокомтеплоносителяв мире(г.

Кохтла-Ярве)производительностью 1000 т сланца в сутки для пиролиза крупнокусковогосланца (25–150 мм) по процессу «Кивитер». В этом процессе полукоксованиеосуществляется внутренним газообразным теплоносителем (поперечный поток)при двухстороннем нагреве слоя сланца (толщиной не более 1,5 м) в двухпараллельно расположенных камерах, разделенных центральной камерой,предназначенной для приготовления и распределения теплоносителя.

В отделенииконденсации смолы предусматривается получение двух ее фракций (условноназываемой тяжелой и легко-средней смолой). Это упрощает технологиюпереработки смолы, повышает глубину извлечения с улучшением качествацелевых продуктов. Процесс зарекомендовал себя как надежный и простой вконструктивном исполнении. Наряду с целевым продуктом – смолой – получаетсянизкокалорийныйгенераторныйгаз(теплоноситель).Смоласодержитнезначительные количества низкокипящих фракций.С 1980-х гг.

для переработки эстонских горючих сланцев применяются дваметода [38]: процесс «Кивитер», обеспечивающий выход сланцевой смолы 1517%, и процесс «Галотер» с выходом сланцевой смолы – 11,5-13%. Эти двапроцессавзаимнодополняютдругдруга,обеспечиваявозможностьперерабатывать весь сланец – как крупный, так и мелкий (табл. 1.3).После распада СССР сланцевая промышленность России переживаеткризис, добыча и переработка сланцев практически прекратились. Этообусловлено отсутствием спроса на сланцы, что связано с разрывом связей с19крупнейшими потребителями – Прибалтийская и Эстонская ГРЭС, ТЭЦ Эстонии.Российскиепредприятия,использовавшиесланец,оказалисьвтяжелыхэкономических условиях, что вынудило остановить производство. В результатесланцедобывающие и сланцеперерабывающие предприятия были лишеныпотребителей и были также остановлены.