Розроблення енергоефективних методів переведення котельних установок на спалювання газового вугілля та біомаси

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено розробленню та впровадженню енергоефективних методів переведення антрацитових та газомазутних котельних установок на спалювання газового вугілля та біомаси з максимальним використанням наявного обладнання і покращенням техніко-економічних та екологічних показників на підставі результатів дослідження закономірностей перерозподілу тепловіддачі та теплосприйняття при використанні різних видів палива, що має істотне значення для теплотехнічної науки, розширення паливної бази та безперебійної роботи ТЕС, ТЕЦ, промислових котлоагрегатів малої та середньої потужності у воєнний час та в перехідному періоді технічного переозброєння вітчизняної енергетики на відновлювані джерела енергії. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 124 найменувань та 4 додатків. Обсяг основної частини дисертації – 158 сторінок. В першому розділі представлено аналіз парку, технічного стану котлоагрегатів ТЕС і ТЕЦ, котлів малої і середньої потужності, а також їх потенційної паливної бази, визначено основні типи котельних установок, які доцільно переводити на доступне вітчизняне тверде паливо, обгрунтовано мету і задачі досліджень. У другому розділі встановлено основні тенденції перерозподілу тепловиділення і теплосприйняття по елементах котельних установок при їх переведенні на інші види палива, розраховано залежність адіабатної температури горіння і частки теплоти палива, що виноситься до конвективної шахти котла, від приведеної питомої витрати продуктів згоряння твердих палив та запропоновано використання цієї величини в якості критерію можливості переведення котлів зі щільним шаром з вугілля на біомасу. Наведено застосовані в роботі методи розрахункових досліджень і теплотехнічних випробувань. Третій розділ присвячено розробленню та розрахунковому обґрунтованню технічних рішень з глибокої реконструкції котлоагрегатів ТЕС, зокрема, із заміни пилосистем з проміжним бункером пилу на пилосистеми з прямим вдуванням пилу до пальників, з реконструкції газомазутних котлоагрегатів енергоблоків 300 і 800 МВт з їх переведенням на газове вугілля, з організації спільного спалювання біомаси з вугіллям в пиловугільних котлоагрегатах ТЕС і ТЕЦ. В четвертому і п’ятому розділах представлені розрахунково обґрунтовані та практично реалізовані технічні рішення з переведення антрацитових котлоагрегатів ТЕС і ТЕЦ на спалювання газового вугілля, з переведення антрацитових і газомазутних котлоагрегатів малої та середньої потужності на біомасу та газове вугілля; описано результати наукового супроводу впровадження розроблених технічних рішень при переведенні котельних установок на спалювання біомаси та газового вугілля, надано відомості про практичне впровадження результатів роботи. В додатках наведено відомості про одержані патенти та про практичне використання результатів досліджень і розробок автора. В роботі вперше розрахунково доведено та експериментально підтверджено, що при переведенні антрацитових котлів на спалювання газового вугілля температура в топці знижується за рахунок збільшення витрати продуктів згоряння, в тому числі з урахуванням рециркуляції димових газів на сушку палива, та зменшення витрати гарячого повітря. Це призводить до збільшення винесення тепла з топки, що змінює частку теплосприйняття конвективних поверхонь нагріву котла і потребує врахування при розробленні технічних рішень з переведення котлів на газове вугілля, та до зниження генерації термічних оксидів азоту. Для пиловугільних котлів вперше встановлено обмеження потужності при переведенні з антрациту на спалювання газового вугілля за рахунок збільшення приведеної питомої витрати продуктів згоряння газового вугілля порівняно з антрацитом, а також температури та, відповідно, об’ємної витрати відхідних газів, що потребує врахування при розрахунку їх очікуваних техніко-економічних показників. Вперше доведено можливість та знайдено умови організації спалювання в пиловугільному котлі кам’яного вугілля з різним виходом летких речовин, з переведенням з вугілля газової групи на антрацит або навпаки за рахунок лише регулювання режимних параметрів. Вперше обґрунтовано критерій можливості переведення котлів зі щільним шаром з вугілля на біомасу за приведеною питомою витратою продуктів згоряння і встановлено, що умовою такого переведення є перерозподіл теплосприйняття в конвективній шахті в бік збільшення економайзера та зменшення повітропідігрівника. Вперше експериментально встановлено ефект абразивного очищення поверхонь нагріву котлів зі щільним шаром від золових відкладень біомаси при почерговому або спільному спалюванні біомаси з вугіллям. Ці результати являють собою наукову новизну роботи. Практичне значення отриманих результатів визначається тим, що в роботі розроблено та розрахунково обґрунтовано технічні рішення з реконструкції газомазутних котлоагрегатів ТГМП-314 і ТГМП-204 енергоблоків 300 і 800 МВт Трипільської та Запорізької ТЕС з їх переведенням на газове вугілля, з переведення антрацитових котлоагрегатів ТПП-210 і ТПП-210А енергоблоків 300 МВт Зміївської ТЕС на газове вугілля, з організації спільного спалювання біомаси з вугіллям в пиловугільному котлоагрегаті ТПП-210А Трипільської ТЕС, типові технічні рішення з переведення антрацитових котлоагрегатів ТЕЦ паропродуктивністю від 90 до 250 т/год. на спалювання газового вугілля. Розроблено, розрахунково обґрунтовано та практично реалізовано технічні рішення з переведення трьох антрацитових котлоагрегатів ТПП-210А енергоблоків 300 МВт Трипільської ТЕС на газове вугілля, з переведення антрацитового котлоагрегату ТПП-200-1 енергоблоку 800 МВт Слов’янської ТЕС на спалювання газового вугілля та паливних сумішей з різним виходом летких речовин, з переведення антрацитових котлоагрегатів паропродуктивністю 220 т/год. Дарницької ТЕЦ на спалювання газового вугілля в умовах воєнного стану, з переведення антрацитових котлів зі щільним шаром на спалювання біомаси та газового вугілля і з реконструкції газомазутних котлів типу БКЗ-75ГМА з переведенням на спалювання пелет з біомаси та газового вугілля на ланцюговій колосниковій решітці. Практичне використання результатів підтверджене 6 актами енергопідприємств та підприємств харчової промисловості. Роботу ”Наукові основи інноваційних технологій заміщення антрациту в енергетиці та їх впровадження”, в якій відображені результати розробок здобувача, відзначено Державною премією України в галузі науки і техніки за 2019 рік. The dissertation is devoted to the development and implementation of energy- efficient methods for the conversion of anthracite and gas-oil boiler plants to burn bituminous coal and biomass with maximum use of existing equipment and improvement of technical, economic and environmental indicators based on the results of the study of the regularities of heat transfer redistribution when using different types of fuel, which is essential for thermal engineering science, expansion of the fuel base and uninterrupted operation of TPPs, CHPPs, industrial small and medium-sized boilers in wartime and in the transition period of technical rearmament of the domestic power industry to renewable energy sources. The dissertation consists of an introduction, 5 chapters, general conclusions, list of 124 references and 4 appendices. The volume of the main part of the thesis is 158 pages. The first chapter presents an analysis of the fleet, technical condition of TPP and CHPP boiler units, of small and medium-sized boilers, as well as their potential fuel base, identifies the main types of boiler units that should be converted to available domestic solid fuels, and substantiates the purpose and objectives of the research. The second chapter contains findings in the main trends in the redistribution of heat generation and heat perception across the elements of boiler plants converted to other types of fuel, calculations of the adiabatic combustion temperature and the share of fuel heat carried to the convective pass of the boiler dependence on the specific volume of solid fuel combustion products, and the proposal to use this value as a criterion for the possibility of converting dense bed boilers from coal to biomass. The methods of calculation studies and thermal boiler tests used in the work are presented. The third chapter is devoted to the development and calculation justification of technical solutions for the deep reconstruction of TPP boiler units, in particular, the replacement of pulverizing systems with an intermediate pulverized coal hopper with pulverizing systems with direct pulverized coal injection into the burners, the reconstruction of 300 and 800 MW gas-oil boiler units with their conversion to bituminous coal, and organisation of co-combustion of biomass and coal in pulverized coal boilers at TPPs and CHPPs. Chapters 4 and 5 present the calculation-based and practically implemented technical solutions for the conversion of anthracite boilers at TPPs and CHPPs to bituminous coal combustion, and for the conversion of anthracite and gas-oil boilers of small and medium capacity to bituminous coal and biomass; describe the results of scientific support for the implementation of the developed technical solutions for the conversion of boiler units to burn bituminous coal and biomass, and provides information on the practical implementation of the results of the work. The appendices contain information on the patents obtained and on the practical use of the results of the author's researches and developments. The dissertation is the first to prove by calculations and to experimentally confirm that when anthracite boilers are converted to burning bituminous coal, the furnace temperature decreases due to an increase in the volume of combustion products, including flue gas recycling for fuel drying, and a decrease in hot air consumption. This leads to an increase in heat removal from the furnace, which changes the heat transfer rate of the convective heating surfaces of the boiler and must be taken into account when developing technical solutions for converting boilers to bituminous coal, and to reduction in thermal nitrogen oxides generation. For pulverized coal boilers, for the first time, a power limitation was found for the conversion from anthracite to bituminous coal combustion due to an increase in the specific volume of bituminous coal combustion products compared to anthracite, as well as the temperature and, accordingly, the volume flow rate of flue gases, which should by taken into account when calculating their expected technical and economic indicators. For the first time, the possibility and conditions for organising the combustion of hard coal with different volatile yields, with the conversion from gas group coal to anthracite or vice versa by adjusting the operating parameters only, have been proved and found. For the first time, the criterion for the possibility of dense bed boilers converting from coal to biomass based on the specific volume of combustion products is substantiated and it is found that the condition for such conversion is the redistribution of heat transfer in the convective pass towards an increase in the economiser and a decrease in the air preheater. For the first time, the effect of abrasive cleaning of heating surfaces of dense-layer boilers from biomass ash deposits when alternate or co-combustion of biomass with coal was experimentally found. These results represent the scientific novelty of the work. The practical significance of the results obtained is determined by the fact that the study developed and proved by calculations technical solutions for the reconstruction of gas-oil boilers TGMP-314 and TGMP-204 of 300 and 800 MW power units of Trypilska and Zaporizka TPPs with their conversion to bituminous coal, for the conversion of anthracite boiler units TPP-210 and TPP-210A at 300 MW of Zmiivska TPP to bituminous coal, for the organisation of co-combustion of fuel biomass with coal in the pulverised coal boiler unit TPP-210A at Tripilska TPP, typical technical solutions for conversion of anthracite boiler units at CHPP plants with steam capacity from 90 to 250 t/h to bituminous coal burning. It were developed, calculated and practically implemented the technical solutions for the conversion of three anthracite boilers TPP-210A of 300 MW power units of Trypilska TPP to bituminous coal, of an anthracite boiler unit TPP-200-1 at 800 MW of Slovianska TPP to burn bituminous coal and fuel mixtures with different volatile matter yields, of anthracite boiler units with a steam capacity of 220 t/h of Darnytska CHPP to burn bituminous coal under martial law, of dense bed anthracite boilers to burn bituminous coal and biomass, and for gas-oil boilers of the BKZ-75GMA type reconstruction to burn bituminous coal and biomass pellets on a chain grate. The practical use of the results is confirmed by 6 acts of power generation and food industry enterprises. The work "Scientific basis of innovative technologies for anthracite replacement in the energy sector and their implementation", which reflects the results of the applicant's developments, was awarded the State Prize of Ukraine in Science and Technology for 2019.