Повышение надежности пароперегревателей котлов ТЭС для сжигания твердых бытовых отходов

Основной тенденцией энергетики 21 века является энергосбережение и повышение энергетической безопасности с использованием различных видов нетрадиционных, возобновляемых топлив и различных видов отходов (биомассадревесные, твердые бытовые, промышленные и сельскохозяйственные отходы и т. д). В условиях постоянного роста цен на ископаемое топливо возрастает актуальность использования энергетического потенциала возобновляемых топлив и отходов в России. В связи с этим, одним из приоритетных направлений является создание высокоэффективных систем утилизации тепла для установок па нетрадиционных и возобновляемых топливах.

Анализ мировых тенденций и технико-экономических аспектов развития технологий энергетического использования отходов и возобновляемых топлив позволяет сделать вывод, что такие технологии должны быть ориентированы на выработку электрической энергии при высоких параметрах пара с целыо повышения КГЩ.

К возобновляемым топливам относятся все виды биомассдревесина, солома, топливные древесные гранулы. К отходам, в первую очередь, относятся наиболее распространенные твердые бытовые отходы (ТБО), различные виды сельскохозяйственных отходов, кородревесные отходы (КДО) и горючие промышленные отходы. Следует подчеркнуть, что ТБО — это практически неисчерпаемый вид топлива, равномерно распределенный пропорционально плотности населения и готовый к применению. В долгосрочной динамике морфологический и фракционный составы ТБО меняются, что, в свою очередь, приводит к росту низшей теплоты сгорания.

Оценивается, что 5% энергопотребления стран ЕС может быть покрыто за счет использования энергетического потенциала ТБО1. По.

1 Urban waste generated energy. Report 1995. World Energy Council, — 1995. — 84 p. данным Мирового энергетического совета, к 2020 г. объем использования возобновляемых топлив и отходов в мировом топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) возрастет до 6%. В России энергетический потенциал возобновляемых топлив и отходов составляет 35−50 млп.т.у.т./год, из них доля ТБО составляет порядка 10 млн.т.у.т./год. В настоящее время этот потенциал используется па 1,5%, причем в основном для выработки тепловой энергии.

В «Основных положениях (Концепции) технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г.», разработанных ОАО РАО «ЕЭС России» в 2007 г., особое место уделяется использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В Концепции отмечено, что по прогнозу Института энергетической стратегии общая установленная мощность ВИЭ к 2030 году должна составить более 18 ГВт. При этом наибольшая доля в этом объеме должна приходиться па ТЭС, сжигающие возобновляемые топлива и отходы — б ГВт (около 33%). Одним из основных направлений технической политики в области использования возобновляемых топлив и отходов является освоение экологически чистых технологий переработки ТБО и биомассы с производством тепловой и электрической энергии.

Следует также отмстить, что сжигание ТБО па ТЭС позволяет решить проблему санитарной очистки городов. Вследствие этого существует устойчивая мировая тенденция увеличения доли ТБО, используемых на ТЭС в качестве энергетического топлива.

Большинство ТЭС, сжигающих ТБО и биомассу, имеют невысокие параметры пара и КПД. Отечественные ТЭС на отходах отличаются от зарубежных наиболее низкими параметрами пара и значениями электрического КПД нетто. ГТизкая энергетическая эффективность таких ТЭС существенно снижает экологический эффект, связанный с вытеснением из ТЭБ традиционных топлив за счет вовлечения ТБО и биомассы. Экологический эффект в этом случае связан с тем, что около половины всех газовых выбросов в местах складирования органосодержащих промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов приходится па метан, который в 21 раз опаснее, с точки зрения парникового эффекта, чем С02. Соответственно при сжигании ТБО и биомассы снижаются выбросы парниковых газов, во-первых, за счет экономии традиционного топлива, во-вторых, за счет предотвращения выброса в атмосферу метана.

Трудности при сжигании ТБО связаны со сложным элементным, морфологическим и фракционным составом. Трудности при сжигании биомассы обусловлены значительными колебаниями составов рабочей массы и минеральной части. В результате котельные установки, сжигающие ТБО и биомассу, вследствие особенностей конструкции и специфических свойств топлив, имеют низкий КПД и ограничение по параметрам пара. Это является основной причиной низкого электрического КПД ТЭС, использующих ТБО и биомассу. Ограничение по параметрам пара па выходе из котла обусловлено чрезвычайной коррозионной агрессивностью продуктов сгорания ТБО и биомассы.

Экономичное и надежное сжигание в котлах ТБО и биомассы связано с решением проблемы интенсивной высокотемпературной газовой коррозии пароперегревателей. В пашей стране до настоящего времени данный вопрос в полной мере не изучен. В этой связи особую актуальность приобретает задача разработки высоконадежной конструкции котла для сжигания ТБО и биомассы.

В частности, вопрос о влиянии различных факторов па коррозионные процессы в среде продуктов сгорания ТБО и биомассы является недостаточно изученным на сегодняшний день. Также не удалось найти какие-либо данные по характеристикам коррозионной стойкости отечественных марок котельных сталей в среде продуктов сгорания рассматриваемых топлив. По видимому, таких исследований до настоящего времени пе проводилось.

Таким образом, цслыо настоящей работы является разработка решений по повышению надежности пароперегревателей котлов для сжигания ТБО па 'ГЭС с увеличенными параметрами пара па основании результатов стендовых и промышленных исследований процессов высокотемпературной коррозии и характеристик коррозионной стойкости котельных сталей.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

— Разработать методику стендовых исследований высокотемпературной газовой коррозии в условиях, идентичных условиям работы пароперегревателей котлов для сжигании ТБО.

— Провести стендовые исследования с целыо изучения влияния основных коррозиопно-агрессивных факторов па процесс высокотемпературной газовой коррозии в среде продуктов сгорания ТБО.

— Провести стендовые и промышленные испытания по определению коррозионной стойкости котельных сталей в сре/^ продуктов сгорания ТБО.

— Получить зависимости глубины коррозии от времени и температуры вида АБ^ДТ, г) для каждой исследованной марки сталей.

— Па основе полученных результатов разработать решения по снижению негативного влияния высокотемпературной газовой коррозии на надежность работы пароперегревателей и котлов в целом при сжигании ТБО.

Результаты настоящей работы при разработке и эксплуатации паровых котлов на ТБО и биомассе должны обеспечивать повышение надежности пароперегревателя в условиях длительной эксплуатации прежде всего за счет выбора оптимальной котельной стали, а также за счет оценки предельного эксплуатационного ресурса и межремонтного периода применительно к различным котельным сталям и параметрам пара. Эти данные, в свою очередь, позволят определять экономическую и техническую целесообразность повышения параметров пара при использовании па 'ГЭС.

ТБО, а также при применении для пароперегревателя различных марок котельных сталей. Также оценка предельного эксплуатационного ресурса в каждом случае позволит предотвращать внеплановые остановы котлов и простои энергоблоков, что в настоящее время является одной из актуальных проблем повышения эффективности работы ТЭС на ТБО.

При решении задач, поставленных в диссертации, использовались методы экспериментального изучения коррозионных процессов па стендовой установке и промышленном котле.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность научному руководителю: канд.техн.наук, зав. ОПТ ВТИ — Тугову А.Н.

Выполнение работы стало возможным благодаря участию в пей научных работников ОПТ ВТИ: канд.техн.паук, зав. сектором золы и шлака ОПТ ВТИ — Дика Э. П., канд. техн. наук — Москвичева В. Ф., канд. техн. наук — Соболевой А. Н., инж. — Спичкиной Н. И., инж. — Титова М. С. инж. — Овсянникова Д. В. сотрудников ОМ ВТИ: канд.техн.паук — Школьниковой Б. Э., канд. техн. наук — Урусовой Г. А.

Также хотелось выразить благодарность научным работникам ЦНИИТМАШ: канд.техн.наук — Хариной И. Л., инж. — Змиеико Д.С.

Отдельные этапы работы обсуждались па научно-технических советах ОПТ ВТИ. Основные результаты диссертации изложены в отчете ВТИ, опубликованы в 17 статьях и материалах научно-технических конференций.

Выводы, но главе 5.

— Для сталей Сталь 20, 09Г2С, 15ГС, 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ, ДИ 82, ДИ 59, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 16МоЗ, 2350Н на основе проведенных экспериментальных исследований получены зависимости глубины общей коррозии от температуры и времени эксплуатации в среде продуктов сгорания ТБО. Для сталей Сталь 20 и 12Х1МФ расчетные результаты, полученные с использованием приведенных зависимостей, подтверждены результатами эксплуатационного контроля вырезок из поверхностей нагрева парового котла (КУ СЗ № 4), сжигающего ТБО.

— Практическая ценность и экономическая значимость работы заключаются главным образом в том, что полученные результаты позволяют определять оптимальный рабочий температурный диапазон для каждой марки исследованной котельной стали, а также оценивать предельный ресурс и межремонтный период пароперегревателя паровых котлов на ТБО для любых эксплуатационных параметров пара. Это, в свою очередь, позволит предотвращать внеплановые остановы котлов по причине выхода из строя пароперегревателей.

— При температуре пара/стенки 435/490 °С полученные результаты позволяют повысить эксплуатационный ресурс выходной ступени пароперегревателя как минимум до 20 тыс.ч.

— Для энергоблока, сжигающего 48 т/ч ТБО среднего состава ((?>?'=7500 кДж/кг) повышение параметров пара с 1,3 МПа, 310 °C до 3,4 МПа, 435 °C приведет к увеличению располагаемой электрической мощности с 17,4 до 23,5 МВт. При Киу=70−75% дополнительная выработка электроэнергии составит около 40 млн. кВт-ч/год. За рабочую компанию длительностью 20 тыс. ч с учетом затрат на замену выходной ступени пароперегревателя (масса ступени 43,7 т, труба 60×7 ДИ 82) экономический эффект составит порядка 100 млн руб. (примерно 100 руб. на 1 т сожженного ТБО).