Плазменная стабилизация горения
Сущность проекта:
Цель настоящего проекта – замена существующего способа подсветки низкосортных, забалластированных углей в котлах тепловых электростанций на безмазутную, экологически чистую плазменную подсветку и розжиг. Создание в России крупномасштабного производства плазменных установок для энергетического комплекса страны и зарубежья. В рамках настоящего проекта необходимо проведение комплекса работ, связанного с созданием производств: строительно-монтажные работы, закупка стандартного и изготовление нестандартного оборудования, приспособлений и оснастки.
Степень подготовленности проекта:
Имеется технико-экономическое обоснование по проекту. Имеется разработанная документация на нестандартное оборудование и оснастку плазменной установки. Имеется опытный образец плазменной установки. Имеются акты промышленных испытаний плазменной установки. Имеются заключения экспертов по плазменной технологии подсветки низкосортных углей. Технология защищена патентами России и Украины. Име-ется штат высококвалифицированных специалистов. Имеется действующее производство плазменных установок.
Описание планируемой к выпуску продукции:
В рамках настоящего проекта будут изготовлены плазменные установки для подсветки и стабилизации горения низкосортных, забаластированных углей в котлах ТЭС, состоящие из комплекса электротехнического оборудования.
Условия возможного участия инвестора:
Использование лизинговых схем, доля от объёма продаж, участие в прибыли.
Инициатор проекта:
Инициатор проекта: ООО НПП «Техплаз», совместно с ИНПП «Колорит» (Украина)
Генеральный директор: Блинов Владимир Вениаминович.
Научно-технический директор, научный руководитель кандидат технических наук Неклеса Анатолий Тимофеевич
Основные виды деятельности: производство и реализация плазменных установок, разработка конструкторской документации на нестандартное оборудование, комплектация стандартным электрооборудованием и оснасткой плазменных установок, поиск объектов применения, разработка новых технологий приложения низкотемпературной плазмы.
Описание технологии
Использование в топливно-энергетическом комплексе в основном низкосортного угля с низким выходом летучих и высокой зольностью (до 50 %) ставит перед энергетиками проблему их сжигания. Сложившиеся способы розжига и стабилизации горения такого угля основаны на применении мазута или природного газа. Известно, что при использовании мазута для розжига и стабилизации горения пылеугольного факела возникает много специфических проблем технического, экономического, экологического и социального характера. При этом, вклад в суммарное тепловыделение природного газа составляет 20 %, а вклад в суммарные денежные затраты на сжигаемое топливо составляет 26 %, вклад мазута в суммарное тепловыделение составляет 16 %, а в денежных затратах 21 %. Приведенные цифры показывают, что процесс мазутно-газовой стабилизации с экономической точки зрения очень не выгоден.
Для частичного или полного их решения необходимы поиски и применение новых технологий использования топлива, основанных на современных достижениях науки и техники. Одним из наиболее прогрессивных направлений сегодняшней энергетики является разработка и промышленное освоение плазменных технологий переработки и сжигания топлива на основе качественно новых плазменно-энергетических аппаратов и процессов. К несомненным преимуществам плазменной технологии следует отнести её высокую селективность, возможность переработки различных видов сырья, малых габаритов основного оборудования, низкой инерционности, высокой концентрации энергии и экологической чистоты.
Сравнение способов сжигания угля в газовой горелке, в термоэлектрическом нагревателе и в плазменной струе показывает, что при пропускании пылеугольной аэросмеси через электродуговую плазму термохимическое превращение угля происходит более интенсивно, т.е. плазма способствует более быстрому и полному разложению угля. При этом плазма действует не только как генератор тепла, но и как катализатор термохи-мических превращений угля за счёт увеличения внутренней энергии частиц вследствие возбуждения вращательных, колебательных и электронных уровней. При одинаковых затратах тепловой энергии на сжигание угля установлено, что при плазменной стабилизации горения выход летучих и горючих возрастает примерно в два раза. Соответственно недожог уменьшается также в два раза по сравнению со стабилизацией горения газовым факелом или электротермическим нагревом угля. В результате обработки экспериментальных данных при одинаковой среднемассовой температуре с обычным термическим нагревом и обработкой угля в плазме установлено, что вероятность реагирования по выходу летучих компонентов в плазме возрастает более чем в 2 раза, а вероятность реагирования по выгоранию углерода возрастает более чем в 2,7 раза.
При плазменной стабилизации горения за счет интенсификации процессов сжигания топлива, образуется добавка тепловой мощности факела равная 2000,0 кВт. Этой мощности достаточно для «подсветки» пятитонной горелки.
В разработанной и апробированной экспериментально математической модели плазменной технологии стабилизации горения угля марки Г, Д и антрацитового штыба марки АШ показано, что для «подсветки» угля марки Г и Д в шести тонной горелке достаточно мощности плазмотрона до 300 кВт, а для «подсветки» антрацитового штыба - до 700 кВт. Уменьшение размеров частиц угля приводит к интенсификации горения и сни-жению потребной мощности плазмотрона, при этом за счёт термического удара при введении частиц в высокотемпературную зону плазменной струи частицы дробятся на более мелкие осколки. Поэтому при плазменной подсветке возможно использование угольной пыли более крупного фракционного состава, что значительно снижает затраты на подготовку пыли.
Проведенные промышленные испытания плазменно-энергетической технологии сжигания угля с теплотворной способностью около 4 000 ккал/кг и выходом летучих около 35 % показали, что мощность плазмотрона не превышает 0,3 % мощности воспламеняемой пылеугольной аэросмеси. Установлено, что для стабильной работы одной полутопки в диапазоне изменения нагрузки блока 120 - 200 МВт достаточно одного-двух плазмотронов мощностью до 400 кВт, а для всего блока двух-четырёх мощностью до 800 КВт.
В процессе отработки плазменной технологии установлено, что наиболее эффективно используется энергия плазменной струи при вводе её непосредственно в пылеугольный поток в стволе горелки. При этом в зависимости от способа расположения плазмотрона в стволе горелки и режима работы плазмотрона, возможно либо образование гарнисажа на стенке ствола горелки, либо прогорание стенки горелки. Исследование тепловых полей в стволе горелки с плазменным сопровождением горения показало, что температура в потоке вблизи стенки может достигать 1200 0С. Поэтому выполнение ствола горелки даже из жаропрочной стали не исключает возможность преждевременного прогорания стенки горелки. Результаты исследования влияния режима работы плазмотрона и способа ввода плазменной струи в пылеугольный поток позволили рационально разместить плазмотрон в пылеугольной горелке. При этом фронт горения в пристенном пограничном слое сме-щается к устью горелки и таким образом исключается процесс образования гарнисажа на стенке, а высокотемпературная зона потока смещается за срез горелки.
Следует отметить, что во всем диапазоне промышленных исследований операторы блочного щита отмечают повышение стабильности хода котла при плазменной стабилизации.
Результаты определения тепловых полей в топочном пространстве котла и определения концентрации вредных выбросов при работе котла в номинальном режиме и при плазменной стабилизации показали, что при плазменной стабилизации при фиксированных расходах воздуха и пыли температура факела в котле возрастает на 100-200 °С, а выбросы NOх уменьшаются на 18-20 % (приложение 3).
На основании результатов выполненных промышленных испытаний и математического моделирования процесса плазменной стабилизации горения угля определены основные параметры и характеристики плазменной технологии и плазменного оборудования. Установлено, что при воспламенении угля в горелке качественно меняется процесс горения угля в топке котла. Помимо интенсификации самого процесса горения в стволе горелки за счёт взаимодействия плазмы с угольной пылью, интенсифицируется теплообмен в самой топке, поскольку на выходе из горелки образуется уже сформированный в горелке высокотемпературный факел, скорость которого намного выше холодного пылеугольного потока. Поэтому теплообмен в топке повышается и увеличивается температура в объёме топки котла.
При сжигании угля марки Г и Д, если его теплотворная способность более 4000 ккал/кг, в режиме полной нагрузки подсветка не целесообразна. В режиме разгрузки блока в ночное время, т.е. при снижении мощности до 130 - 150 МВт, для стабилизации включаются мазутные форсунки, и сжигается до 12 т/час мазута. Так как в ночное время блок разгружается, то в этом режиме с использованием плазменной технологии возможно снижение мощности не за счёт уменьшения расхода угля, а за счет уменьшения расхода мазута. Таким образом, при разгрузке блока в ночное время за 8 часов работы обеспечивается экономия мазута в количестве 96 т/сутки при стабильной работе блока. В ночное время блок разгружается в основном на 20-40 %, поэтому уменьшается расход не только мазута, но и расход угля, и в этом режиме в расчёте экономической эффективности дополнительный расход угольной пыли для замещения мазута не учитывается. При ухудшении качества угля необходима плазменная подсветка и в дневное время. В этом случае для замещения мазута при поддержке мощности блока на максимальной нагрузке необходим дополнительный расход угольной пыли из пы-лепитателя. Поэтому для поддержания максимальной нагрузки блока на некоторых электростанциях, возможно, придётся осуществлять реконструкцию пылепитателей для увеличения расхода пыли.
В основу мазутной стабилизации горения (и розжига из холодного состояния) положено низкое значение температуры воспламенения мазута (Тв ~ 700…900 К), вследствие чего мазутный факел, особенно для подогретого до 400…450 К мазута, горит самостоятельно, а его поджиг может быть осуществлен маломощным независимым источником (электрозапальник, газовый запальник, факельный запальник, вводимым в топку котла через поджигную амбразуру). При горении мазута выделяется тепловая энергия (~ 8000 ккал/кг), разогревающая пылеугольный поток. В последнем разогреваются пылеугольные частицы, происходит выделение и сгорание летучих компонентов из низкосортного угля. Полнота сгорания и, соответственно, КПД теплового процесса определяется структурой факела горения пылеугольного топлива, взаимодействием последнего с факелом горения мазутного топлива и не превышает 70…80 %. Часть окислителя из общего расхода воздуха идет на горение мазута и его нехватка в общей структуре факела приводит к возрастанию недожога до 20-35 %. Таким образом, в золе остается 20…30 % горючих компонентов, которые не успевают диффундировать к поверхности горения пылеугольной частицы в зоне сжигания.
Генератор низкотемпературной плазмы, в дальнейшем плазмотрон, является высокоэффективным преобразователем электрической энергии в тепловую энергию газо- или воздушного потока. Тепловой КПД плазмотрона достигает 88…95 %. Таким образом, вместо сгораемых энергоносителей (мазут) в пылеугольный поток вносится преобразованная в тепловую электрическая энергия, которая на электростанциях используется из резервов собственных нужд (до 1 %), и становится эффективным заменителем мазута и природного газа.
Полученные промышленные результаты показывают, что плазменная интенсификация горения пылеугольных потоков превышает по тепловой эффективности мазутную стабилизацию.
При попадании пылеугольной частицы в зону воздействия плазменной струи она подвергается действию мощного теплового удара вследствие конвективного и лучистого теплопереноса в окислительной среде. С поверхности частицы уносятся летучие горючие компоненты, которые здесь же сгорают, повышая местную локальную температуру. Под действием теплового удара пылеугольная частичка растрескивается, поверхность испарения летучих компонентов резко увеличивается, что приводит к дальнейшему увеличению тепловыделения. В результате в зоне взаимодействия плазменной струи с пылевоздушной струей образуется зона интенсивного горения пылеугольного топлива (поджиг), которая сносится пылевоздушным потоком в топочное пространство котла. В результате последующего перемешивания в процесс горения включаются другие порции и зоны пылеугольного потока. Чем интенсивнее взаимодействие плазменной струи с пылеугольным потоком, тем интенсивнее идет горение. При этом плазменная струя служит инициатором процесса горения, более локальным и более эффективным, чем струя мазутного факела. Чем выше мощность плазменной струи (т.е. плазмотрона), тем большее количество частиц пыли будет участвовать в реакции, тем меньше будет недожог. Кроме того, в плазменной воздушной струе образуются химически активные радикалы, которые на несколько порядков увеличивают результирующую скорость сгорания угля, при этом плазменная технология позволяет снизить на 20…25 % вредные выбросы и повысить температуру в топочном пространстве котла на 100…2000 С.
Удельный вес в стоимости топлива при сжигании газо-мазутной составляющей для стабилизации горения угля составляет 21-26 %, а в общем тепловыделении удельная составляющая газо-мазутного топлива не превышает 16-21 %. Поэтому сжигание газо-мазутного топлива для стабилизации горения угля помимо экологического вреда приносит колоссальные убытки.
ООО НПП «ТЕХПЛАЗ» разработало плазменную технологию и плазменное оборудование, использование которых на тепловых электростанциях позволит сэкономить до 3-х млрд. м3 природного газа или до 2-х миллионов тонн мазута в год. Количество вредных выбросов при плазменной стабилизации горения угля сокращается на 18- 20 %, а средняя температура в объёме топки котла повышается на 100-200° С.
Экономический эффект.
Плазменная технология стабилизации горения угля позволит предприятию исключить использование мазутно-газовой составляющей в топливе и получать экономический эффект на одном блоке при сжигании газового угля в размере 4,2 млн. $ в год, а при использовании плазмотронов для стабилизации горения углей марки АШ на котле ТП-90 мощностью 150 МВт в 1,7 млн. $ (без учета экономического эффекта, возникающего при запуске котла из холодного состояния). Учитывая, что стоимость плазменной установки, включая монтаж и пуско-наладку, для одного котла составляет 2 300 000 $, срок окупаемости установки не превышает 1 года
