Реферат: Московский государственный открытый университет Научно-образовательный материал

Московский государственный открытый университет


Научно-образовательный материал


«Экологически безопасная и безотходная технология переработки промышленных отходов тепловых электростанций»


Состав научно-образовательного коллектива:


1. Шевердяев О.Н., проф., д.т.н. – руководитель коллектива

Крынкина В.Н., доц., к.т.н.

Дроздова Т.Е., проф., к.б.н.




1.

Научно-образовательный материал «Экологически безопасная и безотходная технология переработки промышленных отходов тепловых электростанций»

Стр.







Введение


3




1.1

Экологически безопасная и безотходная технология переработки промышленных отходов тепловых электростанций

4




1.2

Современные тенденции развития систем газификации угля

8




1.3

Сжигание в кипящем слое – перспективная технология для низкосортных топлив

13




1.4

Экологическая безопасность промышленных отходов тепловых электростанций

22




1.5

Эколого-экономическая проблема переработки и утилизации промышленных отходов тепловых электростанций

30




1.6

Экономическая эффективность природоохранных мероприятий на тепловых электростанциях

39




1.7

Экономический анализ управления окружающей среды


48




Заключение


49




Список литературы


50



СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ


Важной проблемой является переработка, использование и сбыт промышленных и бытовых отходов. Большое народно- хозяйственное значение имеет переработка и утилизация промышленных отходов угольных ТЭС, которые благодаря их качеству востребованы в разных отраслях, в том числе на всех рынках бетона – магистрали, аэропорты, строительство зданий, мостов, туннелей и т.д. При этом экономятся природные ресурсы – гравий, песок, природный гипс и др. Промышленные отходы угольных ТЭС появляются в результате превращения угля в электричество. Минеральные компоненты угля после его сжигания являются сырьем, а состав и количество сырья зависит от географии угольных бассейнов, содержания серы, технологии сжигания и т.д.

Маркетинг промышленных отходов угольных ТЭС заключается в скоординированной деятельности по возвращению минеральных продуктов угольных ТЭС в экономический цикл. Утилизация минеральных компонентов угля в виде высококачественных продуктов соответствует современным требованиям защиты окружающей среды.

Однако до сих пор в России существует практика переноса в тарифы эксплуатационных расходов по содержанию золоотходов, плата за хранение золоотходов, инвестиции на строительство и реконструкции золоотвалов. Поэтому назрела необходимость в создании в РФ ассоциации по использованию промышленных золоотходов угольных ТЭС, которая помимо научно – технической и консалтинговой помощи могла бы способствовать предприятиям малого и среднего бизнеса и координировать их деятельность.

Неизбежное сокращение природных ресурсов ограничивает использование и увеличивает важность рециклинга продуктов. Минеральные продукты, производимые при сжигании угля, могут превращаться в ценные товары. Создается взаимосвязь между производством энергии и тепла и промышленными отходами, превращенными в новый продукт.

Задача промышленно – экологических исследований состоит в интеграции методов экологического мониторинга и химии окружающей среды, создании «более чистого производства», включающего, главным образом, технологические аспекты, предотвращении загрязнения и рационального использования ресурсов, чтобы в конечном итоге минимизировать отрицательное воздействие промышленного производства на окружающую среду, а так же в разработке технологического процесса превращения утилизируемых промышленных отходов угольных ТЭС в новый радиационнобезопасный и экономичный минеральный продукт для использования в композиционных материалах разного назначения.


^ 1.1. Экологически безопасная и безотходная технология переработки промышленных отходов тепловых электростанций


Технологии использования золоотходов. Известны следующие способы использования золоотходов. Предложена технология получения состава для бетона: активация воды малыми добавками с механической активацией цементно – зольного вяжущего компонента бетонной смеси в скоростном активаторе и последующем смешении активированного вяжущего компонента с заполнителями. Технология может быть использована при производстве сборных железобетонных изделий из легкого и тяжелого бетона и возведения монолитных конструкций.

Разработана технология изготовления из золошлаковых отходов ТЭС конструкционных жаростойких бетонов с температурой эксплуатации 900 – 11000С, керамических легковесных и огнеупорных материалов, работающих при 11000С.

Известен способ получения легкого заполнителя из летучей золы и осадка сточных вод сообщается в работе. Золу и осадок смешивают и таблетируют – формируются таблетки диаметром до 20 мм с применением связующего или без него. После этого таблетки подвергаются сушке; подаются далее во вращающуюся печь, где таблетки затвердевают, происходят кальцинирование, различные стадии пиролиза и спекание. Из печи выходит гранулированный материал с низкой плотностью, твердый и пористый, который направляется в охладитель.

Отработана технология получения пеносиликатов из золошлаковых отходов.

Предложено устройство для переработки золошлаков. Способ включает дожигание шлака в плавильной печи, в которую жидкий шлак стекает через шлакоудалитель.

Опробована технология изготовления известково – зольного вяжущего, безобжигового зольного гравия и бетона на его основе. Безобжиговый зольный гравий был применен для изготовления золобетона на известково – зольном вяжущем. Золопотребление производства мощностью 100 тыс м3/год бетона составляет 60 – 80 тыс.т.

Получены минеральные волокна из расплава золоотходов (при плавлении брикета золоотходов низкотемпературной плазмой).

Разработана технология по производству редких и редкоземельных металлов из золошлаковых отходов ТЭС. Процесс является безотходным и экологически чистым с получением цветных редкоземельных металлов и полной утилизацией золошлаковых отходов.

Полупромышленные испытания показали возможность извлечения мелкого золота от золошлаковых отвалов ТЭС методом флотации. Содержание золота составило до 50 г/т .

Предложена технология, связывающая свободный оксид Са (в золах бурых углей) и позволяющая выделять оксиды Fe в виде металлического сплава. Разработана методика восстановления железа из твердых оксидов в золошлаковых отходах путем насыщения углеродом.

Анализ результатов исследований по изготовлению стеклокристаллических изделий на основе золошлаковых отходов ТЭС подтверждает техническую возможность и экономическую целесообразность создания таких производств при ТЭС.

Приведены результаты технико-экономического сравнения системы гидрозолоудаления сухого (с грануляцией) и двух вариантов полумокрого способа удаления основных золошлаков для ГРЭС мощностью 6400 МВт на березовском угле Канско-Ачинского бассейна с выходом золошлаков 1200 тыс.т в год, с отпуском потребителям 500 тыс. т сухой золы в год, а также результаты сопоставления экономических показателей для гидравлического и полусухого удаления кислых золошлаков.

С начала 90-х годов идет процесс перехода угольных тепловых электростанций с факельным сжиганием топлива на угли с лучшими топливными и экологическими характеристиками. Угли Экибастузского и Подмосковного бассейнов вытесняются углями преимущественно Канско-Ачинского и Кузнецкого бассейнов. Если зольность подмосковных и экибастузских углей достигает 50%, то зольность канско-ачинского угля, как правило не превышает 10%. Для новых ТЭС и для вновь проектируемых впервую очередь предусматривается использование кузнецских углей. Столь значительное снижение зольности сжигаемых углей влечет за собой соответствующее уменьшение необходимой емкости золошлакоотвалов, а, следовательно, и количество золошлаков для их строительства.

Основное направление применения летучей золы ТЭС а строительном комплексе за рубежом:

строительство платин гидротехнических сооружений и сооружение морских дамб;

строительство автомобильных дорог;

строительство взлетно-посадочных полос аэродромов;

производство цемента, кирпича, битонов, облицовочных материалов.


Разработка технологического процесса переработки золоотходов.

Разработан технологический процесс превращения утилизируемых исходных золоотходов от сжигания твердого топлива на ТЭС в новый радиационнобезопасный и экономичный минеральный продукт для композиционных материалов и изделий, использующихся в разных отраслях промышленности. Технологический процесс превращения утилизируемых золоотходов в новый минеральный наполнитель включает неэнергоемкие и технологически простые стадии: золосъем, просеивание, модифицирование, контроль продукции, упаковку. Для использования нового минерального наполнителя в цветных материалах и изделиях добавляется стадия термообработки (до просеивания). Данный технологический процесс является безотходным, поскольку образующиеся при просеивании отходы, составляющие  3% масс., можно использовать в качестве минерального наполнителя при производстве различных неответственных изделий.

Полученный новый минеральный наполнитель является экологически безопасным, радиационнобезопасным, экономичным. Экологическая безопасность подтверждается разрешением центра госсанэпиднадзора в г. Москве использовать золу, образующуюся от сжигания Кузнецких углей, при изготовлении строительных материалов. Радиационная безопасность нового минерального наполнителя подтверждается заключением по радиационной безопасности золоотходов от сжигания Кузнецких углей Мос НПО «Радон». Исходя из химического состава, значений ПДК и класса опасности промышленных минеральных наполнителей можно предположить: ПДК нового минерального наполнителя – 4 мг/м3, класс опасности – 4.

Учитывая химический состав, новый минеральный наполнитель пожаро- и взрывобезопасен.

Экономичность нового минерального наполнителя обусловлена низкой себестоимостью сырья и значительными объемами использования в композиционных материалах.

Необходимо отметить, что наиболее перспективными являются те технологические процессы, которые могут войти в единый технологический процесс, завершая технологический цикл на ТЭС – сжигания органической части твердого топлива и производство электрической и тепловой энергии.

^ 1.2 Современные тенденции развития систем газификации угля


Фундаментальным изменения, происходящие в энергетической политике, непрекращающийся на мировом рынке рост цен на нефть и природный газ диктуют необходимость применения новых технологий использования твердых топлив. Одним из перспективных направлений является газификация твердого топлива с получением в качестве конечного продукта синтез-газа. Мировые запасы твердого топлива существенны, а его цена, хотя и растет, но в обозримом будущем останется предпочтительнее цен на нефть и природный газ. При газификации твердого топлива могут быть получены газы разнообразного заданного состава с различной теплотой сгорания, пригодные для широкого использования в качестве топлива в промышленности и быту, а также как сырье для химической промышленности.

Целесообразность развития газификации твердого топлива определяется также и тем, что применение газа вместо твердого топлива интенсифицирует производственные процессы, повышает производительность и культуру труда, улучшает санитарно-гигиенические условия на предприятиях, обеспечивает резкое сокращение загрязнения окружающей среды.

Таким образом, есть несколько основных причин, обусловливающих развитию технологий газификации твердого топлива:

дефицит традиционных углеводородов (природного газа и нефти) и высокая цена на них;

высокая плата за эмиссию диоксида углерода;

возможность производства высококачественного синтетического жидкого топлива;

возможность производства «чистого» топлива (водорода), пригодного к использованию в энергетике и на транспорте;

возможность использования топлив, ранее считавшихся непригодными для энергетики («тяжелые» нефтяные остатки, битуминозные и нефтенасыщенные пески, сланцы, биомасса);

повышение энергетической безопасности в случае перебоев с поставками энергоносителей (в том числе из-за террористических актов на магистральных газопроводах природного газа и нефтепроводах.)

В связи с этим инженерные разработки высокоэффективных путей производства «чистых» топлив сосредоточивают на новых технологических процессах, в частности, на новейших процессах газификации угля. Различают процессы газификации крупнокускового (размер частиц – более10мм), мелкозернистого (от 1 до 10мм) и пылевидного (<1мм) топлива. В соответствие с этой градацией получили развитие три типа газогенераторов: со стационарным слоем, с кипящим слоем и в потоке пылевидного топлива. В качестве окислителя используется как воздух, так и кислород.

Развитые страны (США, Германия, Нидерланды, Австралия, Италия, Исландия, Великобритания, КНР) технологию газификации твердых топлив освоили в промышленном масштабе.

Наибольшее промышленное применение получил процесс Лурги с газификацией угля в стационарном слое. Так, в ЮАР эксплуатировалось 13 газогенераторов производительностью по углю до 20т/ч, сооружен завод на 36 газогенераторов производительностью до 30т/ч. В Чехии работало 56 газогенераторов производительностью до 10т/ч для бурного угля. Аналогичный процесс был реализован в газогенераторах народного предприятия «Шварце Пумпе» (Германия). В газогенераторах Рур – 1000 этот процесс модернизирован. Повышение давления в данной установке позволило в несколько раз повысить интенсивность процесса газификации. При этом наблюдаются уменьшение выхода побочных продуктов (в том числе смол) и увеличение доли метана в газе.

При газификации древесной щепы влажностью 43% получили генераторный газ с теплотой сгорания 1290 ккал/м3 следующего состава: CO – 29%, H2 – 15.4, CH4 – 1.6, CO2 – 6.8, N2 - 47.2%.Содержание смол не превышало 40г/м3, водяного пара – 480г/м3.

Одним из перспективных направлений получения искусственных газов является газификация в кипящем слое в газогенераторах Винклера. Выполнялись многочисленные работы как при атмосферном, так при повышенном давлении.

Топливо в него подается шнеками. Газификация может проводиться на смеси воздуха и пара или кислорода и пара. Температура процесса – 950 0С, высота слоя -1,5м. Запыленный низкокалорийный газ после реактора проходит через систему грубой очистки (выносной футерованный изнутри циклон) и подается в котел-утилизатор, где охлаждается до 200-2500С. Затем газ направляется через гидравлический затвор и «мокрые» скрубберы.

В настоящее время в мире широко ведутся работы по газификации угольной пыли. По методы Копперса-Тотцека угольная пыль и парокислородное дутье подаются через горелки в газогенератор с огнеупорной футеровкой внутри. Зола виде жидкого шлака непрерывно стекает в водяную ванну. Температура в ядре факела - 20000С,средняя температура процесса – 15000. Полученный газ используется в основном для производства аммиака. Процесс хорошо регулируется, отсутствуют побочные продукты (смолы). Модернизацией метода Копперса-Тотцека является схема Шелл, где газификация осуществляется при давлении 2 МПа.

В США и Германии проводятся работы по созданию газогенераторов, работающих по методу Тексако – еще одной модификации процесса Копперса-Тотцека. В реакционной футерованной камере газифицируется водоугольная суспензии при давлении 2-4МПа. Продукты газификации охлаждаются в радиационном охладителе и конвективном котле-утилизаторе.

Заслуживает внимание история создания комбинированных установок с внутрицикловой газификацией (КУВГ) угля. Первая в мире энергетическая ПГУ с внутрицикловой газификацией угля с мощностью 170МВт была реализована в Германии с применением газогенератор Лурги. Однако малая интенсивность процесса газификации в стационарном слое - 2000÷2500кг/(м2·ч) при давлении 2,5МПа, наличие смолистых веществ в газе, сложность конструкции, обусловленная применением вращающихся устройств в объеме слоя, не позволяют эффективно использовать этот тип газогенератора в энергетике.

Более эффективным для энергетики представляются газогенераторы пылевидного топлива. После очистки синтез-газ имел следующий состав, %: CO – 65, H2 – 30, H2O – 1, (N2+Ar) – 3.

Анализ сложившейся ситуации в области работ по газификации и существующих схем газификации топлив, пригодных для использования в энергетическом и технологическом циклах, позволяет сделать следующие выводы:

Газогенераторные установки применяются в большинстве промышленно развитых стран: США, Англии, Германии, Италии, Китае, Испании и др. Газификация твердого топлива совместно с системами очистки от CO2, конверсия CO с получением товарного водорода H2, пригодного для энергетики и транспорта, а также возможность производства метанола (жидкого топлива) свидетельствуют о громадных перспективах этой технологии, причем все остальные составляющие ее процессы промышленно отработаны. Бурное развитие этой технологии можно ожидать при ценах на нефть более 150 долл за 1 баррель и плате за превышение квот на CO2 выше 20долл./т. При этом решающих фактором для эффективного применения в энергетике внутрицикловой газификации являются капитальные затраты на 1кВт мощности.

Для производства синтез-газа, пригодного к сжиганию в энергетических установках, применяется технология газификации в циркулирующем кипящем слое под давлением – высокотемпературный процесс Винклера. По такой технологии установки работают в Германии и Чехии. Конечный продукт установок этого типа, работающих в Германии, - метанол. НПО ЦКТИ совместно с ПО «Красный котельщик», Институтом горючих (Москва) и Институтом тепломассообмена (Минск) для парогазового блока 250 МВт с внутрицикловой газификацией угля разработан газогенератор производительностью по углю 50т/ч (диаметр – 3,8м, высота -30м), использующий технологию кипящего слоя при давлении 20кгс/см 2. На построенной в НПО ЦКТИ демонстрационный установке производительностью 1,5т/ч отработаны. Регламенты газификации кузнецского и экибастузского каменных углей, ирша-бородинского и подмосковного бурых углей, усовершенствована конструкция ряда элементов.

Газогенераторы Лурги с вращающейся колосниковой решеткой, работающие под давлением до 20кгс/см2, с обогащенным кислородом паровоздушным дутьем широко применяются в Германии и Чехии. Следует, однако, отметить, что газогенераторы этого типа морально устарели.

Газогенераторы горнового типа, работающие с «жидким» шлакоудалением, на обогащенном кислородом воздухе, создаются фирмой «Мицубиши». Аналогичный реактор был сконструирован Всероссийским теплотехническим институтом. Он работает в составе газификационной установки на Зуевской экспериментальной ТЭЦ, где ведутся работы по совершенствованию процесса.

В настоящее время в мировом сообществе обработано несколько успешных в промышленном масштабе технологий газификации твердого топлива, включая уголь, нефтяной кокс, насыщенные нефтью пески, биомассу и др. При этом используются также отработанные установки для получения кислорода, системы очистки генераторного газа от твердых и смолистых веществ, от двуокиси углерода CO2 и сероводорода H2S. Наиболее распространены промышленные установки, использующие технологии Лурги, Винклера (HNW), газогенераторы с жидким шлакоудалением (горнового типа), газогенераторы Тексако и Шелл мелкодисперсного пылевидного топлива.

Среди распространенных и удачных следует отметить систему газификации по методу Техасо. Уголь подается в виде водоугольной суспензии. Процесс протекает при высоком давлении на обогащенном кислородном дутье. Теплота сгорания полученного генераторного газа – 2300-2500 ккал/м3 при температуре в реакционной зоне 1500-16000С. Технология освоена в промышленном объеме.

Наиболее предпочтительна отвечающая высоким экономическим и экологическим требованиям технология Шелл, применяемая с 1956 г., с традиционной для пылеугольных котлов системой размола, позволяющей использовать смеси угля и биомассы. Всего в мире действуют 85 газогенераторных установок Шелл.

Для замещения в топливном балансе металлургических комбинатов жидкого топлива или природного газа местными энергоресурсами (торф, бурый уголь, сланцы, биомасса) возможно использование относительно простых газогенераторов, работающих при давлениях, близких к атмосферному, мощностью 1-15 МВт.

Сегодня назрела необходимость возобновления на новом техническом уровне работ по созданию парогазовой энергетической установки с внутрицикловой газификацией угля мощностью 250-300 МВт модуля 1100МВт с минимальными выбросами вредных веществ, включая «парниковые» газы (CO2), с возможной выработкой товарных водорода, азота, серы, метанола.


^ 1.3 Сжигание в кипящем слое – перспективная технология для низкосортных технологий

Снижение затрат на выработку тепловой и электрической энергии возможно при использовании таких топлив, как: 1) низкосортные и переувлажненные бурые и каменные угли, высокозольные бурые и каменные угли; 2) отходы углеобогащения – шлам, промпродукт (на обогатительных фабриках ежегодно образуется большое количество отходов флотации); 3)древесные отходы; 4) отходы сельхозпереработки; 5) биотопливо. Использование отходов исключит затраты на их вывоз и содержание их отвалов.

Однако переход на сжигание таких низкосортных топлив и промышленных горючих отходов довольно сложен, из-за трудности организации устойчивого топочного процесса, поскольку эти топлива не горят на традиционных топочных устройствах (колосниковые решетки и др.). Сжигание низкосортных углей в традиционных пылеугольных топках возможно лишь при реализации дорогостоящих мероприятий (подсветка мазутом и др.), но в этом случае процесс сжигания неэффективен.

Непригодность обычных топок к эффективной работе при сжигании низкосортных углей потребовало создание новых технологий сжигания угля.

Появляется технология сжигания угля в кипящем слое и создаются топочные устройства, обеспечивающие интенсивное горение практически любых видов твердого топлива над решеткой в кипящем слое (псевдоожиженное состояние).

Технология сжигания в кипящем слое различных видов твердого топлива и отходов производства начала достаточно широко использоваться с середины 70-х годов.

Псевдоожиженный слой характеризуется определенной высотой и дисперсностью. Он достигается при достаточном напоре продуваемого воздуха, чтобы полидисперсный материал практически весь приподнялся над решеткой. При этом наблюдается, благодаря значительной турбулентности, интенсивность перемешивания материала, который приобретает свойства текучести. При этом происходит выравнивание температуры по всему топочному объему .

Котлы с кипящим слоем устанавливаются во всем мире, так как отличаются широким диапазоном применяемых видов топлива. Однако для работы таких котлов необходимо много вспомогательных установок, в том числе пневматические транспортные системы для снабжения котлов материалами или утилизации отходов. Пневматическая транспортная система выполняет следующие задачи:

первоначальное заполнение угольного котла песком, образующим основу для создания кипящего слоя. Песок вдувается в котел из бункера с песком инжектором;

в котел подается известковая мука из бункера с помощью шнекового насоса и инжектора; она выполняет задачу обессеривания;

затем высота псевдожиженного слоя песка поддерживается размолотой и рециркулированной золой или летучей золой (пылевидное топливо), которая также вдувается пневматически;

зола, образующаяся в котле, а также летучая зола из электрофильтра транспортируется в бункеры, которые разгружаются пневматически. Зола в сухом или увлажненном виде загружается в железнодорожные составы или в грузовые автомобили;

зола слоя или зола летучая. Зола слоя механически извлекается из котла снизу (из кипящего слоя) и с помощью механических транспортных систем направляется в дробилку (при этом размер частиц достигает до 30 мм, а форма частиц остроконечная и частицы абразивные). Летучая зола с электрофильтра транспортируется с помощью транспортных средств в бункеры;

зола удаляется сухой или увлажненной. Если первую можно применять в качестве добавки на цементных заводах или бетонозаводах, то увлажненная зола направляется на свалку.

Технология сжигания твердого топлива :

в циркулирующем кипящем слое (ЦКС);

в низкотемпературном кипящем слое (в форсированном низкотемпера-турном кипящем слое) (НТКС);

в высокотемпературном кипящем слое (ВТКС);

в высокотемпературном циркулирующем кипящем слое (ВЦКС).

Эти технологии внедряются в течение более 15 лет вместо устаревшего слоевого сжигания топлива.

Особенность технологии сжигания твердого топлива в указанных технологиях сжигания: организация процесса сжигания, как в слое, так и в надслоевом пространстве с возвратом частиц в реакционную зону и многократной циркуляции частиц в ней.

Преимущества указанных технологий: экологическая чистота; возможность использования топлива с высокой зольностью и низкой теплотой сгорания. Технология кипящего слоя (КС) в топках и газификаторах высокоэффективна и минимально воздействует на окружающую среду.

^ К основным характеристикам топок ЦКС и других указанных технологий относятся:

практически одинаковая масса внутреннего и внешнего циркуляционного потока, высокая внутренняя и внешняя циркуляция частиц;

высокая степень тепло- и массопереноса благодаря активному переме-шиванию частиц топлива

Характерной чертой котлов с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) является наличие устройств для улавливания золы и систем возврата материала в топку. Важно отметить стабилизацию температуры в слое и надслоевом пространстве, наличие определенного количества циркулирующих частиц, уносимых из топки, улавливаемых и возвращаемых в слой. Эффективность золоуловителя обусловливает кратность циркуляции и размер частиц. В топках с ЦКС размер частиц, поступающих в золоуловитель, составляет 170 – 300 мкм

Наиболее важные технические преимущества котлов с ЦКС:

- обеспечение жестких норм на выбросы NOx и SO2 без использования дорогостоящих и крупногабаритных установок серо- и азотоочистки;

- возможность сжигания топлива разных видов в одном и том же топочном устройстве;

- отсутствие шлакования;

- возможность размещения новых котлов с ЦКС в существующих котельных ячейках действующих электростанций и др.

Ниже приведено сравнение газовых выбросов котлов с ЦКС и пылеугольных при сжигании каменных и бурых углей:


Показатель

тип котла и сжигаемого угля

с ЦКС

факельное сжигание

каменный

бурый

каменный

бурый

Содержание О2, %

7

7

6

6

Выброс SO2, мг/м3: без очистки

200 – 400

200 – 400

800 – 1300

12000

Выброс СО, мг/м3

100 – 200

20 – 30

20 – 50

130 – 180


В котлах с ЦКС удается обеспечить выбросы NOx ≤ 300 мг/м3, происходит связывание серы – не менее 90 %.

За рубежом используются различные модификации технологии ЦКС:

- котлы с ЦКС с «горячими» циклонами и зольными теплообменниками обеспечивают самый низкий уровень вредных выбросов, лучшие условия регулирования температуры пара;

- котлы с ЦКС с охлаждаемыми или нефутерованными сепараторами можно быстрее пускать из холодного состояния.

Самые крупные котлы с ЦКС изготовлены в компаниях «Фостер-Уиллер» и «Альстом».

Основные расчетные показатели котлов энергокомпании Jacksonville Electric Authority, работающие на ТЭС Northside с 2002 г., мощностью по 300 МВт, следующие: тепловая мощность – 689 МВт, паропроизводительность (свежий пар / пар промперегрева) – 906/806 т/ч, давление пара – 17,2/3,77 МПа, температура пара – 540/540оС). В качестве топлива применяется уголь и нефтяной кокс: уголь/кокс: влажность, % – 5,2/9,0; зольность, % – 12,8/0,4; содержание серы, % – 2,8/6,7; высшая теплота сгорания – 29,5/32,6 МДж/кг.

Основные особенности котла: водоохлаждаемая топка; циклоны; теплообменники; пусковые горелки в воздуховодах; охладители донной золы с кипящим слоем; пневматическая подача топлива.

Смесь топлива с частицами 6,4 мм (для получения частиц этого размера топливо дробится) с известняком (он связывает до 90 % серы), вдувается в слой снизу подогретым воздухом. Осуществляется ступенчатый подвод воздуха: снизу в слой вводится воздух; в зону над слоем вводится вторичный воздух для поддержания средней температуры около 816оС. Все это значительно снижает образование NOx в продуктах сгорания. Далее в газовой поток инжектируется аммиак, что приводит к дальнейшему уменьшению выбросов NOx.

Значения выбросов в мг/МДж: NOx – 37; SO2 – 64,5; твердых частиц – 5.

За котлом устанавливаются скруббер с суспензией из летучей золы с высоким содержанием оксида кальция, что обеспечивает общую степень улавливания серы свыше 98 %.

Сообщается, что в Польше в составе энергоблока мощностью 400 МВт будет работать крупнейший в мире паровой котел с топкой циркулирующего кипящего слоя (ЦКС), впервые сконструированный по прямоточной технологии с использованием сверхкритических параметров газа.

Основным топливом для этого котла будет антрацит польских местонахождений. Однако технология ЦКС допускает добавку других топлив к основному топливу в количестве до 30 % по теплу, а биомассы – до 10 % к основному топливу.

Концентрации NOx и SO2 в продуктах сгорания будут намного ниже норм (составляющих 200 мг/м3). Такое снижение вредных выбросов связано с преимуществом технологии ЦКС:

низкий уровень NOx связан с невысокой температурой горения топлива и организацией ступенчатого сжигания в топке;

связывание SO2 обеспечивается добавлением известняка в кипящий слой;

высокая степень очистки домовых газов от твердых частиц достигается эффективной работой электрофильтра.

Технология сжигания в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) подходит для угля с высокой зольностью . Учитывая резкое повышение цены на Украине на топливо – природный газ и мазут (что делает их непривлекательными для энергетики), основным топливом определен уголь. Однако уголь Донбасса содержит золы до 40 %, серы до 3,9 % (после обогащения угля содержание серы снижается до ≤ 2,5 % за счет уменьшения пиритной серы) /94-95/. Основной особенностью сжигания в ЦКС являются низкие концентрации оксидов серы (для связывания оксидов серы использовали известняк) и азота в дымовых газах (низкий выход NOx связан с низкотемпературным сжиганием топлива, при котором снижается выход топливных оксидов азота, а термические оксиды азота практически не образуются). При сжигании различного типа угля – АШ (антрацитовый), ДТ (донецкий тощий) ГСШ (газовый) при температурах 850 – 950оС выход NOx составил 176 – 354 мг/м3, диоксида серы – 618 – 100 мг/м3, что показывает, что при сжигании высокосернистого твердого топлива в ЦКС не обеспечивается очень значительное уменьшение NOx и SO2 (значение NOx и SO2 определялись химическими и масс-спектрометрическими методами).

^ Технология сжигания в низкотемпературном кипящем слое (НТКС) – на широких решетках колпачкового типа с погруженными в слой поверхностями.

Технология сжигания в высокотемпературном кипящем слое (ВТКС) – на узкой решетке – на них кипящий слой имеет температуру 1100 – 1200°С (А) = 23.

Технология НТКС является промежуточной между классическим КС и циркулирующим (ЦКС) кипящими слоями и характеризуется их преимуществами:

а) отсутствие шлакования и загрязнения поверхностей нагрева;

б) предпочтительность по стоимости и долговечности топок НТКС перед
типовыми слоевыми топками;

в) отсутствие мельничного оборудования;

г) возможность сжигания различного типа топлив и горючих отходов;

д) использование свободного кипящего слоя без погруженных в слой поверхностей нагрева, что упрощает конструкцию, исключает абразивный износ.

По сравнению с ЦКС внедрение технологии НТКС требует существенно меньше капитальных затрат. Технология НТКС наиболее адаптирована к топливам ухудшенного качества, позволяет устанавливать воздухораспределитель­ную решетку небольших размеров, под которую подается 40 – 50 % воздуха, участвующего в горении; остальной воздух поступает через сопла вторичного дутья. Это гарантирует:

хорошее выжигание топлива без применения дорогостоящих сепарационных устройств с возвратом уноса (это используется в котлах ЦКС);

снижение выбросов оксидов азота в 2 раза за счет двухстадийного горения и низких температур слоя.

Рассмотрены преимущества котлов с топками форсированного кипящего слоя (ФКС):

высокая эффективность сжигания низкосортных топлив;

возможность эксплуатации топок в режиме газификации.

Основное отличие ФКС от классического пузырькового КС – это форсировка слоя, т.е. высокая скорость ожижения (5 – 10 м/с). Расширение сечения топочного надслоевого объема снизу вверх приводит к малому недожогу, способствует возврату крупных частиц в слой (рециркуляции) и уменьшению выноса мелких частиц. ФКС не имеет погруженных в слой поверхности нагрева и связанных с этим проблем.

Форсировка слоя позволяет сжигать топливо более грубого дробления по сравнению с классическим КС. Например, максимальный размер частиц бурых углей достигает 30 – 50 мм.

Форсированный кипящий слой может функционировать в режиме газификации топлива при избытках воздуха  < 1,0 (например, при  = 0,3 – 0,7).

^ Технология ФКС близка по форсировке воздухораспределительной решетки к технологии циркулирующего КС, но имеет преимущества:

топки ФКС по сравнению с механизированными слоевыми топками более экономичны (меньше стоят), имеют большой срок службы и более надежны;

отсутствие мельничного оборудования;

меньше выбросов оксидов азота и серы и др.

Оптимальный вариант – это применение технологии кипящего слоя и одного из перспективных направлений – технологии форсированного кипящего слоя (ФКС), что: 1) обеспечивает стабильное горение в объеме слоя и в надслоечном пространстве; 2) позволяет сжигать практически любые топлива и горючие отходы при относительно небольших температурах (800 – 1000оС).

^ Процесс сжигания топлива в ВЦКС: применяется двухступенчатое сжигание: 1) подача под решетку (т.е. в зону выхода летучих компонентов) необходимого количества воздуха, обеспечивающее псевдоожижение слоя по составу и высоте; 2) подача воздуха, необходимого для горения, в надслоевое пространство для обеспечения выгорания частиц топлива, выносимых из слоя и возвращаемых в топку частиц уноса (т.е. дожигание продуктов неполного горения над слоем с помощью вторичного воздуха). Коэффициенты подачи первичного воздуха и воздуха, подаваемого в надслоевое пространство, равны 0,5 – 0,6 и 0,4 – 0,5, соответственно.

Двухступенчатое сжигание топлива позволяет снизить содержание NOx в газах до санитарных норм 250 – 350 мг/м3. Возможно большее снижение содержания NOx, если организовать 10 – 15%-ую рециркуляцию и подмешивание дымовых газов в первичный воздух с соответственным снижением его расхода.

Использование котлов в ЦКС не требует дополнительных капитальных затрат на строительство. Модернизация д