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

В основе плазменно-энергетических технологий лежат следующие основные принципы /1/:

– 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:

Мощность плазмотрона, кВт 70–320

Напряжение, В 250–400

Сила тока дуги, А 200–800

Масса, кг:

– плазмотрона 20–35

– источника электропитания кВт 450–500

Ресурс непрерывной работы электродов, ч . 300–500

Температура факела, К 3 000–5 000

На рис. 3.2. показан наиболее эффективный — муфельный вариант системы плазменного воспламенения углей (СПВ), а на рис. 3.3. и 3.4. даны примеры компоновок плазмотронов постоянного тока, являющихся основными элементами СПВ, с пылеугольной прямоточной горелкой и станционным оборудованием.

Рис. 3.2. Электродуговой плазмотрон постоянного тока с медными водоохлаждаемыми электродами, установленный в пылеугольной горелке котла без реконструкции самого котла

Рис. 3.3. 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 и воздухоснабжения

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

Рис. 3.4. 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.3.1–3.2), но не везде внедрены.

Таблица 3.1

Типы и количество котлов с ПТС

Таблица 3.2

Основные показатели плазменно-угольных горелок для воспламенения

низкосортных углей /5/

Рис. 3.5. Схема размещения ПТС на котле БКЗ-640 Гусиноозерской ГРЭС

Подробные и 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 3.5 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.

В продолжение разработки и внедрения плазменных способов ТХПУ на Улан-Удэнской ТЭЦ-2 проведены испытания на котле ТПЕ-185 паропроизводительностью 160 т пара в час, с шестью плоскофакельными горелками. Целью испытаний было:

– 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.

Рис. 3.6.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

Конструктивно модернизированная плазменная горелка представляет собой трубу в трубе, соединенную с патрубком для крепления плазмотрона, расположенным на боковой поверхности горелки (рис. 3.3 а). Материал внутренней трубы — жаростойкая сталь. Горелки установлены по диагонали котла вместо чехлов мазутных форсунок горелок № 3 и №6 (рис. 3.4). 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 вьделения летучих 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. Первоначально испытывались 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. 3.6, б), в которой 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 и №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 128–130 ^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 мин 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.

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 в половину 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, когда сохраняется процесс самовоспламенения и горения пылеугольной смеси в горелке после отключения плазмотрона.

Рис. 3.7. Схема размещения горелок на котле

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 предусматриваются 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 подготовке 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. долларов, что в 30 с лишним раз превышает затраты на внедрение системы муфельной растопки, разработанной в Политехническом институте Сибирского федерального университета.

В связи с этим 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