Застосування каталітичної паливної добавки для підвищення енергоефективності котлів

Abstract

Світ визнав пріоритетне значення для людства завдання збереження клімату та зниження викидів в навколишнє середовище. Теплова енергетика, яка для виробництва електричної та теплової енергії споживає мільйони тонн вугілля і мазуту та мільярди кубічних метрів природнього газу, відноситься до основних емітентів викидів вуглекислого газу та забруднюючих речовин. Активний розвиток відновлювальних джерел енергії в світі і Україні незаперечує важливості потужностей вугільної теплоенергетики як маневрених в Об’єднаній енергосистемі України, які ще довгі роки будуть затребувані тапотребують підвищення енергоефективності. Енергоефективні технології для теплоенергетичних установок є універсальним заходом, результатом виконання якого є не тільки економія палива, але й скорочення викидів на одиницю виробленої енергії. Серед цих технологій певне місце займають паливні добавки як захід оптимізації процесу спалювання палива при високих температурах, коли основним продуктом окиснення вуглецю палива є оксид вуглецю. Наукові публікації останніх років засвідчують значний інтерес до застосування в котлах каталітичних паливних добавок на органічній та неорганічній основі. Цей процес поки знаходиться на початковій стадії вивчення, тому дослідження впливу подачі каталітичної паливної добавки REDUXCO, яка є джерелом вільних радикалів, на зростання ефективності роботи котлів та інших теплоенергетичних установок є актуальними. Промислові дослідження ефективності подавання каталітичної добавки REDUXCO в режимах без та з подачею добавки були проведені на 3 потужностях енергоблоку ст. № 3 Трипільської ТЕС (255, 225 і 210 МВт) надвох-корпусному котлоагрегаті ТПП-210А, що спалює антрацит. Каталітична добавка, яка подавалася у вигляді дрібних крапель водного розчину в канал нагрітого первинного повітря та повітряний канал скидних пальників, надходила лише в корпус 3Б, корпус 3А котлоагрегату працював штатно. Після подачі каталітичної добавки в корпус 3Б було припинено подавання природного газу. Після тривалого подавання каталітичної добавки було виявлено, що відбулось суттєве покращення виходу рідкого шлаку на корпусі 3Б (у порівнянні з корпусом 3А) у всьому діапазоні навантаження енергоблоку; температура рідкого шлаку у корпусі 3Б була вище на 55-125 °С ніж у корпусі 3А; отримано зменшення вмісту горючих у леткій золі на 2-5 % у корпусі 3Б (порівняно з корпусом 3А). Досліди з відпущеної потужністю, коли на корпусі 3Б було відключено систему автоматичного регулювання, показали, що подача добавки призвела до росту потужності блоку на 7-8 МВт. Досліди по застосуванню каталітичної добавки на котлі ТП100 енергоблоку ст. № 1 Зміївської ТЕС на антрациті та пісному вугіллі показали позитивний ефект подачі каталітичної добавки REDUXCO на зниження вмісту вуглецю в леткій золі у діапазоні потужності 130-170 МВт. Добавка REDUXCO дозволила знизити потужність блоку до 110 МВт без подавання природного газу та забезпечити стале витікання шлаку в діапазоні 110-170 МВт. По завершенню дослідів з подачею паливної добавки ширми котла були чистими, а льотки були вільними на 80-90 %. Позитивний ефект від застосування каталітичної добавки REDUXCO спостерігався в дослідах на котлі БКЗ-160-100 ПТ № 9 Краматорської ТЕЦ, що спалював антрацит. Застосування каталітичної добавки дозволило підняти паропродуктивність котла з 130 т/год до 142 т/год. На паропродуктивності 142 т/год було припинено подавання природного газу витратою 1070 м3/год. Вміст горючих в леткій золі зменшився на 18%. В результаті ККД брутто котла підвищився із 81,37 до 86,16 %. Дослідження впливу подачі присадки REDUXCO на ефективність роботи пиловугільного парового котла OP-100 PAUKER 100 т/год, якийвикористовує кам’яне вугілля, показало, що в режимі подачі паливної добавки вміст горючих золі зменшився на 10 %, а в донній золі (шлаку) – на 15 %. Середній ККД котла за прямим балансом становив 90,72%, а за результатами розрахунку ККД зворотного балансу був 87,59 %, що відповідає його збільшенню на 6,20 % та 5,45 % порівняно з режимом без добавки, відповідно. Промислові дослідження на водогрійних колосникових котлах WR12 і WR25, які працюють на польському кам’яному вугіллі, показали, що подача добавки REDUXCO під решітку та в канал повітря призвела до зниження вмісту горючих в шлаку та леткій золі і росту ККД котла на 6-10 %. Дослідження на газовому паровому котлі 420 т/год показали, що подавання паливної добавки призвело до зниження температури димових газів на 6 °C та зростання ККД котла за прямим балансом на 1,48 % (з 93,4% до 94,88 %) за рахунок концентрації горіння в нижній частині паливні та очищення поверхонь нагріву. Випробування подачі каталітичної добавки на 4 цементних заводах, що споживають тверде паливо, показали зниження питомої витрати енергії палива на виробництво клінкеру (від 3,4 до 5,7 %) та покращання його якості. Досліди застосування добавки REDUXCO (1500 ppm) до дизельного палива підтвердили ефективність дії добавки саме при високих температурах, показали економію палива на 6 %, зниження температури вихлопних газів на 25 °C та різке скорочення викидів твердих частинок сажі (на 24-30 %) завдяки ранньому завершенню горіння. Дослідження подавання добавки REDUXCO на котлах, клінкерних печах та двигунах внутрішнього згоряння підтвердили зростання ефективності процесу згоряння палива за рахунок створення умов згоряння СО в пограничному шарі навколо частинок з відповідним збільшенням їх температури, збільшенням швидкості гетерогенного горіння, збільшенням випромінювання на стінки, збільшенням теплосприйняття паливні та зменшенням температури відхідних газів. Розроблено метод розрахунку та прогнозування викидів СО2 від спалювання вугілля за даними технічного аналізу. Встановлено залежності виду для розрахунку коефіцієнту викиду вуглецю для вугілля різних марок та їх сумішей. Верифікація методу показує похибку розрахунку менше 1,0%, що менше нормативної вимоги – 2,5%. Запропоновано прискорити повітряне горіння амоніаку, який має низьку реакційну здатність, шляхом додавання каталітичної добавки. Амоніак, вироблений з електроенергії відновлювальних джерел або атомних електростанцій як безвуглецеве паливо може стати замінником вугілля на ТЕС. Але його спалювання навіть з низькими викидами забруднюючих речовин та нульовими викидами вуглекислого газу на сьогодні не є конкурентним на енергоринку. The world has recognized the priority importance for humanity the task of preserving the climate and reducing emissions into the environment. The thermal power industry, which consumes millions of tons of coal and fuel oil and billions of cubic meters of natural gas to produce electrical and thermal energy, is one of the main emitters of carbon dioxide emissions and pollutants. The active development of renewable energy sources in the world and in Ukraine does not negate the importance of coal-fired power generation capacities as maneuverable in the Integrated Power System of Ukraine, which will be in demand for many years to come and require increased energy efficiency. Energy-efficient technologies for thermal energy facilities are a universal measure, the result of which is not only fuel savings, but also a reduction in emissions per unit of energy produced. Among these technologies, the fuel additives occupy a certain place as a measure to optimize the fuel combustion process at high temperatures, when the main product of fuel carbon oxidation is carbon oxide. Scientific publications of recent years testify to the significant interest in the use of catalytic fuel additives on an organic and inorganic basis in a boilers. This process is still at the initial stage of study, therefore, studies of the impact of supplying the REDUXCO catalytic fuel additive, which is a source of free radicals, on increasing the efficiency of boilers and other thermal energy facilities are relevant. Industrial studies of the effectiveness of the REDUXCO catalytic additive on the modes without and with the additive were carried out at 3 capacities of power unit No. 3 of Trypilska TPP (255, 225 and 210 MW) on the TPP-210A two-case boiler, what consume the anthracite. The REDUXCO catalytic fuel additive, which was supplied in the form of small drops of an aqueous solution to the channel of heated primary air and the air channel of the dump burners, was supplied only to the 3B case, the 3A case of the boiler unit was working normally. After the catalytic additive was supplied to the 3B case, the supply of natural gas was stopped. In the experiments, after a long-term supply of the catalytic additive, it was found that there was a significant improvement in the output of liquid slag on 3B case (compared to 3A case) in the entire load range of the power unit; the temperature of liquid slag on 3B case was higher by 55-125 °С than in 3A case; a decrease in the carbon content of fly ash by 2-5% was obtained in 3B case (compared to 3A case). The experiments with the released power, when the automatic control system was disabled on the 3B case, showed that the supply of the additive led to an increase in the capacity of the power unit by 7-8 MW. The experiments on the application of a catalytic additive on the TP100 boiler of the power unit No. 1 of the Zmiivska TPP on anthracite and lean coal showed a positive effect of the application of the REDUXCO catalytic additive on reducing the carbon content in the fly ash in the power range of 130-170 MW. The supply of REDUXCO additive made it possible to reduce the capacity of the unit to 110 MW without supplying natural gas and to ensure a constant flow of slag in the capacities range of 110-170 MW. At the end of experiments with fuel additive supply, the wing wall were clean, and the slag tapholes were free by 80-90%. The positive impact of using the REDUXCO catalytic additive was observed in experiments on the BKZ-160-100 PT No. 9 boiler of the Kramatorsk CHPP, which burned anthracite. The use of a catalytic additive made it possible to increase the steam capacity of the boiler from 130 t/h to 142 t/h. At a steam capacity of 142 t/h, the supply of natural gas in boiler with a flow rate of 1070 m3/h was stopped. The unburned carbon content in fly ash decreased by 18%. As a result, the efficiency gross of the boiler increased from 81.37% to 86.16%. A study of the effect of REDUXCO additive supply on the efficiency of the OP-100 PAUKER 100 t/h pulverized coal steam boiler, which uses hard coal, showed that in the fuel additive supply mode, the carbon in fly ash decreased by 10%, and in the bottom ash (slag) – by 15%. The average efficiency of the boiler according to the direct balance was 90.72%, and according to the results of the calculation of the efficiency of the reverse balance it was 87.59%, which corresponds to its increase by 6.20% and 5.45% compared to the mode without additive, respectively. Industrial studies on water-heated grate boilers WR12 and WR25, which operate on Polish hard coal, showed that the supply of REDUXCO additive under the grate and in the air channel led to a large decrease in the carbon content in the slag and fly ash and an increase in the efficiency of the boiler at 6-10 %. The research on a gas-fired steam boiler 420 t/h showed that the supply of fuel additive led to a decrease in the temperature of flue gases by 6 °C and an increase on the efficiency of the boiler by direct balance by 1.48% (from 93,4% to 94,88 %) due to the concentration of the gas combustion in the lower part of the and cleaning the heating surfaces. The tests at 4 cement plants of the supply of a catalytic additive into a clinker kiln using solid fuel showed a decrease in the specific energy consumption of fuel for the clinker production (3.4…5.7%) and an improvement in its quality. Experiments on the use of the REDUXCO additive (1500 ppm) in diesel fuel confirmed the effectiveness of this additive at high temperatures, showed fuel savings of 6%, a decrease in the temperature of exhaust gases by 25 °C and a large reduction of emissions of soot solid particles (by 24-30%) due to early ending the fuel combustion. Research on the application of the REDUXCO additive to boilers, clinker kilns and internal combustion engines confirmed the increase in the efficiency of the fuel combustion process due to the creation of CO combustion conditions in the boundary layer around the particles with a corresponding increase in their temperature, an increase in the rate of heterogeneous combustion, an increase on radiation to the walls, an increase in the heat absorption of the furnace and reducing the flue gas temperature A method of calculating and forecasting CO2 emissions from coal burningbased on technical analysis data has been developed. The dependencies of the formkc = а + bQr+ сАd were established for calculating the carbon emission coefficient for coal of different brands and their mixtures. The verification of the method shows a calculation error of less than 1.0%, which is less than the regulatory requirement of 2.5%. It is proposed to accelerate the air combustion of ammonia, which has low reactivity, by supply a catalytic additive. Ammonia produced from electricity from renewable sources or nuclear power plants as a carbon-free fuel can replace coal at TPPs. But its burning, even with low emissions of pollutants and zero emissions of carbon dioxide, today is currently not competitive on the energy market.