к.т.н. Синельников Д.С.

ООО «Сибирские энергетические решения»

Новосибирский государственный технический университе

 

Угольная генерация долгое время была и по сей день остается лидером в мировом производстве электроэнергии. По данным Международного энергетического агентства (IEA, МЭА), в течение 2000-2017 гг. доля угольной генерации в мировой структуре производства электроэнергии находилась в диапазоне 38-41%.

 

Роль основного источника электроэнергии в мире угольной генерации досталась благодаря хорошо известным её преимуществам, среди которых:

 

• высокая обеспеченность запасами (по данным BP Statistical Review of World Energy, на конец 2017 года отношение доказанных запасов угля к годовому объему его добычи составило 134);
• относительно низкая стоимость угля как энергетического топлива (особенно в регионах его добычи);
• возможность создания запасов на электростанциях, гарантирующих долгосрочную надежную работу даже в случае перебоев с поставками топлива;

 

благодаря этим преимуществам угольная генерация исторически была и остается важным инструментом поддержки индустриализации и экономического роста в развивающихся странах и, с другой стороны, источником экономического развития и рабочих мест в угледобывающих регионах.

 

По оценке от Центра энергетики «Сколково» и ИНЭИ РАН. Количество угольного топлива в мировом энергетическом балансе составляет около 40% [УГОЛЬНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ: новые вызовы и возможности. Алексей Хохлов, Юрий Мельников. 2019. Центр энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО]. При этом для растопки угольных котлов используют газ или мазут.

 

Ежегодно в РФ на поддержание горения пылеугольных котлов тратится более 5 млн. тонн мазута, при этом повсеместное снижение качества энергетических углей требует увеличения расхода мазута. Для растопки энергетического котла требуется в среднем 80-120 т мазута (при совокупной средней стоимости ~ 10 тыс. руб/тонну). Одним из важных трендов развития генерирующих компаний в Российской Федерации является повышение экономической эффективности и экологичности производственного цикла. В настоящее время масштабные проекты с долгосрочной окупаемостью труднореализуемы, поэтому зачастую приоритет отдается комплексным локальным проектам, направленным на совместную оптимизацию экономических и экологических показателей работы энегогенерирующих предприятий.

 

Потребление высокосернистых вязких мазутов в качестве растопочного, резервного или основного топлива приводит к выбросам помимо токсичных оксидов серы, азота и углерода, но и таких вредных веществ как бенз(а)пирен и пентаоксид ванадия. При образовании оксидов серы растет температура точки росы уходящих газов, что приводит к образованию серной кислоты и, как следствие, к частым ремонтам хвостовых частей котельных агрегатов из-за их коррозии. Состав уходящих газов при сжигании мазута также зависит от его качества: содержания в нем серы, азота, металлов, полициклоаренов и др.

 

Кроме того, в РФ прорабатываются вопросы введения акцизов на мазут, что делает применения мазута для растопки пылеугольных котлов еще дороже [Письмо Департамента налоговой политики Минфина России от 20 ноября 2020 г. N 03-13-08/101161 Об исчислении акциза на мазут].

 

Еще одним фактором, влияющим на использование мазута как топлива, является модернизация нефтеперерабатывающих предприятий. Например, глубина переработки нефти на заводе ПАО «Лукоил» вырастет до 97%, выход светлых нефтепродуктов – до 74%. Реализация проекта позволит в целом по Группе «ЛУКОЙЛ» сократить выпуск мазута до уровня ниже 4% и довести выход светлых нефтепродуктов до 75% [ЛУКОЙЛ И МИНЭНЕРГО ЗАКЛЮЧИЛИ СОГЛАШЕНИЕ О ПРЕДОСТАВЛЕНИИ МЕР ПОДДЕРЖКИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МОЩНОСТЕЙ ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ. 24 марта 2021 г. https://lukoil.ru/PressCenter/Pressreleases/Pressrelease?rid=535902].

 

 

Таким образом, потенциальным рынком сбыта технологии безмазутного розжига являются – все угольные станции, расположенные, как на территории Российской Федерации, так и за рубежом.

 

 

Статистика:

 

• в России насчитывается 79 угольных ТЭС [https://minenergo.gov.ru];
• в Республике Казахстан более 50 процентов первичных энергоресурсов Казахстана приходится на отечественный уголь, две трети их которых используется электроэнергетическим сектором. Более 40 процентов общего снабжения первичных энергоресурсов используется для производства электроэнергии и тепла [Алдаяров Мирлан, Иштван Добози, Томас Николакакис. 2017. Затянувшийся переход: Опыт проведения реформ и новые вызовы в секторе электроэнергетики Казахстана. Направления развития. Вашингтон, Округ Колумбия: Всемирный банк. doi:10.1596/978-1-4648-0971-2. Лицензия: Creative Commons Attribution CC BY 3.0 IGO];
• в Монголии 8 угольных электростанций, составляющих 89% от общей генерации [National Statistical Office of Mongolia. www.nso.mn];
• В структуре первичных энергоресурсов Узбекистана, используемых для производства энергии, газовое топливо в 2016 году составило 66,4%, ГЭС – 13,3%, уголь – 19,2% [http://www.uzbekenergo.uz];
• При годовой выработке в 183 ТВт*ч, в Украине на угольную генерацию приходится 39 % [Инфографический справочник «Энергетика Украины» 2017. Top Lead при поддержке экспертов из Американской торговой палаты и партнеров: юридической фирмы AEQUO Law Firm, компаний ДТЭK, Bosch Ukraine, Henry-Bleyzer].

 

Основная часть

 

Развитие методов сжигания и поиск способов отказа и сокращения использования высокореакционных топлив ведется с 50-х годов 20-го века. Известны работы ВТИ, ЦКТИ, ГЛАВНИИПРОЕКТ, ОРГРЭС, отделений ТЭП, МЭИ, ИГЭУ, ТПУ, УлГТУ, НГТУ, котельных заводов, таких как ЗиО, БКЗ, ТКЗ в этой области.

 

Из этих работ можно выделить несколько направлений:

 

• Применение водоугольного топлива (ВУТ);
• Применение муфельного воспламенения;
• Применение катализаторов (изменение теплотехнических свойств топлива при помощи различных добавок, микропомол топлива);
• Применение плазменного воспламенения;

 

Отметим недостатки каждого из этих направлений. Водоугольное топливо. Перспективное направление, в  конце 80-х годов было произведено внедрение данной технологии на Новосибирской ТЭЦ-5, был проложен углепровод из г. Белово (там было организовано производство ВУТ) протяжённостью 262 км для его транспортировки до станции. В общей сложности было сожжено свыше 300 тыс.т. ВУТ. Проект существовал с 1989 по 1993 годы. В связи с экономической ситуацией в стране, аварией на углепроводе, проект дальнейшее развитие не получил. Недостатком данного направления является высокая влажность топлива (до 50%), на испарение которой нужно затратить энергию. Также затрат энергии требует процесс получения самого топлива. Чтобы размолоть тонну сухого угля, пригодного для использования на ТЭЦ, необходимо затратить 15-20 киловатт-часов, аналогичные энергозатраты при приготовлении ВУТ, предназначенной для транспортирования по трубам, могут превосходить 100 киловатт-часов на тонну. Наконец, при измельчении жидких смесей износ оборудования и, следовательно, затраты на его амортизацию в разы более высокие, чем при сухом помоле.

 

Муфельные горелки. Основной принцип муфельной технологии – это термическая подготовка пылеугольного топлива в специальных предтопках (муфельных горелках) перед подачей в топочную камеру котла. Муфельная горелка, как правило, представляет собой цилиндрическую камеру, футерованную изнутри огнеупорным кирпичом. Воспламенение топлива в муфельной горелке производится за счет температурного излучения от стенок. Следовательно, основным вопросом является способ нагрева муфеля. Можно выделить следующие способы:

 

• разогрев высокореакционным топливом (мазутом, газом, иногда дровами);
• разогрев электричеством (с помощью специализированных ТЭНов или индукционных устройств)

 

Недостатками данной технологии является необходимость первичного подвода энергии для разогрева муфеля. Высокая степень недожога угольной пыли при подаче угольной пыли в разогретый муфель. Требования к материалам изготовления, в некоторых случаях к системе охлаждения. При высокой скорости изменения температуры муфеля, футеровка может не выдержать тепловых расширений. При использовании на станции высокозольнистых углей возникают вопросы шлакования муфельных горелок.

 

Применение катализаторов. Впервые понятие «механической активации» ввел советский ученый Йоханнес Александрович Хинт в середине прошлого столетия. Йоханнес Хинт в течение многих лет экспериментировал с ударными роторными мельницами, в ходе чего доказал, что за счет тонкого измельчения и механической активации компонентов силикатных строительных смесей в дезинтеграторе изделия после автоклавной обработки приобретают повышенную прочность, достижимую в традиционных шаровых и вибро- мельницах только при значительно больших затратах средств, энергии, металла и времени. Использование мельниц-дезинтеграторов для «механоактивации» углей было предложено в институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН. Автором, и идейным вдохновителем данной технологии является главный научный сотрудник института, д.т.н. Бурдуков А.П. [Бутаков Евгений Борисович. Исследование горения и газификации органических топлив с Механо– и плазмохимической активацией применительно к энергетике и получению топливного газа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск, 2017. 135 с.].

 

 Основными недостатками применения технологии микропомола является необходимость размещения сложной системы пылеприготовления (устанавливаются дополнительные мельницы-дезинтеграторы), промышленных образцов высокопроизводительных мельниц-дезинтеграторов пока нет, наличие в системе изнашивающихся частей (била мельниц или пальцев в дезинтеграторе), требующих частой замены (срок службы пальцев дезинтегратора 300 часов), требуется инициатор воспламенения, что еще более усложняет компоновку оборудования.

 

Плазменное воспламенение. В отраслевой программе Минэнерго СССР предусматривалась разработка плазменных растопочных горелок для поджигания низкосортных топлив и антрацита (исполнитель КазНИИэнергетики). Плазменные горелки состояли из продольной камеры, через которую в котел подается пылевоздушная смесь. Вдоль камеры размещены два стержневых электрода, между которыми с помощью подвижного плазмотрона-запальника возбуждается мощная электрическая дуга, последняя нагревает пылевоздушную смесь. Выделяющиеся летучие воспламеняются. Температура газовой струи на выходе из плазмотрона составляет 3500–5400 °С. [Дубровский, В.А. Энергосберегающие системы растопки и подсветки факела топочных камер котлов: монография / В.А. Дубровский, М.В. Зубова. –Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012. – 187 с.] Для повышения эффективности топливоиспользования в 1995 г. Был создан Отраслевой центр плазменно-энергетических технологий (ОЦ ПЭТ) РАО «ЕЭС России» при ОАО «Гусиноозерская ГРЭС», в состав которого вошли три научно-технические лаборатории, теплотехническая и электротехническая службы [Карпенко, Е. И. Плазменно-энергетические технологии топливо использования / Е. И. Карпенко, В. Е. Мессерле. – Новосибирск: Наука; Сиб. предприятие РАН, 1998. – 385 с].

 

Недостатками данной технологии является: ресурс непрерывной работы электродов (~250 ч); Высокое потребление электрической мощности – как правило, более 200 кВт на одно горелочное устройство; наличие сложной системы охлаждения (обычно обессоленной водой); в течении первых 5-10 минут работы растопочного горелочного устройства может наблюдаться повышенный механический недожог (унос) топлива, что в свою очередь влияет на безопасность работы котельного агрегата. Применительно к Гусиноозерской ГРЭС, плазменные растопочные горелки по настоящее время не переданы в промышленную эксплуатацию [Д. В. Сосин. Повышение эффективности и увеличение ресурса системы плазменного розжига путем ее модернизации на Гусиноозерской ГРЭС/ Д.В. Сосин, А.В. Штегман, И.А. Рыжий, Е.А. Фоменко, С.Д. Бор, Ч.О. Цыренов, А.В. Яковенко. – Теплоэнергетика, 2021, № 4, стр. 55-63].

 

Большинство указанных недостатков нивелируется Электро-Воспламенительной Системой (ЭлВС). Оригинальная технология была разработана сотрудниками ООО «Сибирские энергетические решения» (ООО «СЭР») при поддержке ФГБУ ВО «Новосибирский Государственный технический университет» и Института Теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Интеллектуальная собственность на данную технологию защищена.

 

Данная технология является логическим продолжением работ, проводимых в 70-80-х годах 20-го века специалистами из СССР. Было известно, что от состояния предпламенной зоны зависит процесс формирования факела [Лаутон Д., Вайнберг Ф. Электрические аспекты горения. / Пер. с англ. под ред. В.А. Попова. М.: Энергия, 1976. - 296 с]. Тогда начались работы по поиску источника влияния на данную зону. Одним из способов является воздействие электромагнитных сил на корневую зону факела. Например, работа АН КиргССР Г.А. Десяткова, Н.У. Мусина, А.Н. Сайченко, В.С. Энгельшта, запальник в основе которого лежит искровой разряд, содержащий основные стержневые электроды [патент SU №1636647, А1, МКИ F23Q 5/00, 1989]. Воспламенение топлива предлагалось производить электроискровым разрядом. В трудах М.Ф. Жукова, Е.И. Карпенко, В.С. Перегудова [Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела / М.Ф. Жуков, Е.И. Карпенко, В.С. Перегудов и др. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. - 304 с. - Низкотемпературная плазма. Т.16], описывается технология, имеющая следующую совокупность существенных признаков: создание электродугового разряда в зоне воспламенения, подача пылевоздушной смеси в зону воспламенения, осуществление воспламенения пылеугольного топлива в зоне воспламенения и факельное сжигание топлива.

 

 Целью работы ООО «СЭР», являлось сокращение использования на промышленных предприятиях мазута. В рамках работ, были проанализированы характеристики используемого топлива на промышленных предприятиях и основные конструктивные особенности основного оборудования. Проведен анализ режимов пуска котельного оборудования и режимов стабилизации пылеугольного факела. Результатом работы стала технология ЭлВС со следующими расчетными характеристиками:

 

• Потребляемая электрическая мощность источника питания в зависимости от теплотехнических характеристик топлива (на одно горелочное устройство) 5-15 кВт;
• Тепловая мощность растопочного горелочного устройства в зависимости от теплотехнических характеристик топлива 3-20 МВт;
• Частота подаваемого электрического разряда 5-50 кГц;
• Сроки окупаемости составляют от 3 лет до 10 лет, в зависимости комплектности поставляемой системы и соотношения стоимостей мазута и угля на станции.

 

В результате работ  получена положительная оценка экспертов топливно-энергетического комплекса. Ведутся переговоры с несколькими предприятиями о внедрении данной технологии.