Георгий Рябов Последние десятилетия отечественная энергетика была ориентирована в значительной степени на газомазутное топливо. При наличии в стране огромных месторождений твердого топлива такое состояние дел вряд ли может быть оправданным. Применение технологии сжигания твердого топлива в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) позволяет существенно улучшить экономические и экологические показатели ТЭЦ. Основными преимуществами технологии ЦКС являются среди прочего возможность эффективного сжигания низкокалорийных, высокозольных топлив, топлив с малым выходом летучих веществ и шлакующих топлив, высокая (более 90%) эффективность связывания оксидов серы при подаче известняка в топку, что для большинства сернистых топлив России является наиболее дешевым способом, обеспечивающим соблюдение даже перспективных норм по выбросам SО2; малые выбросы оксидов азота (менее 300 мг/м3) без использования специальных средств азотоочистки, возможность сжигания топлив различного качества в одном и том же котле, упрощенная схема подготовки топлива (достаточно дробления). Таким образом, котлы с ЦКС являются вполне конкурентоспособными при сжигании многих топлив России.
Еще 10 лет назад считалось, что технология ЦКС наиболее эффективна для промышленной энергетики. Однако в последнее время положение резко изменилось. Подобная технология получила распространение, в частности, в Польше и Китае. Дело в том, что Польша, вступая в Евросоюз, вынуждена была модернизировать свою угольную энергетику в соответствии с европейскими нормами на выбросы. Китай, не имея жестких ограничений на вредные выбросы, стремится к внедрению новой техники для сжигания низкосортных местных углей. Так, за последние пять лет резко увеличилось количество этих котлов в Китае, введены в строй несколько крупных блоков 220–265 МВт в Польше. Польша стала крупным рынком для компании Foster-Wheeler, являющейся крупнейшим поставщиком и разработчиком этих котлов. С 1995 года на ее ТЭС поставлено котлов с ЦКС на общую мощность 2,5 млн. кВт. Эти примеры отлично характеризуют область использования технологии ЦКС для технического перевооружения ТЭС России. Это низкосортные угли с высокой зольностью, влажностью, содержанием серы (антрацитовый штыб, интинские угли, кузнецкие тощие угли, местные угли Урала и Дальнего Востока). При неопределенности топливной базы применение котлов с ЦКС наиболее эффективно. Суперкритические параметры пара, которые приводят к росту КПД блока, вполне пригодны для технологии ЦКС, так как эта технология обеспечивает постоянную и умеренную температуру газов в топке, что приводит к относительно низким температурам стенки труб и позволяет использовать хорошо изученные и относительно дешевые стали. В последнее время все больший интерес проявляется к установкам для совместного сжигания биомассы (отходы деревообработки, сельскохозяйственные отходы и др.) и угля. Очевидно, что очень эффективно сжигать высоковлажные отходы, имеющие низкие зольность и содержание серы, и угли с высокой зольностью и сернистостью, что дает дополнительный природоохранный эффект и экономию невозобновляемого топлива. При этом более чем в два раза снижаются выбросы СО2.
В настоящее время технология сжигания различных твердых топлив и отходов производств в циркулирующем кипящем слое (ЦКС), которая начала широко использоваться с середины 70-х годов под влиянием ужесточающихся норм на вредные выбросы, доказала свою техническую и экономическую привлекательность на рынке поставок энергетических котлов.
Технология ЦКС
Основной характерной особенностью технологии сжигания твердых топлив в кипящем слое является наличие значительного количества инертного материала в топке. При скорости газа, превышающей скорость минимального псевдоожижения (сила лобового сопротивления соответствует силе тяжести), объем слоя увеличивается, образуются пузырьки газа. Этот режим соответствует пузырьковому кипящему слою. При дальнейшем росте скорости газа пузырьки сливаются, частицы над слоем объединяются в группы с высокой концентрацией. Этот случай соответствует турбулентному кипящему слою. Если частицы улавливаются и возвращаются в слой, циркулируя по замкнутому контуру, то такой режим работы называется циркулирующим кипящим слоем. Расход циркулирующего материала в сотни раз превышает расход газа в системе и в ряде случаев зависит от массы слоя при неизменной скорости газа и размерах частиц.
Таким образом, имеется возможность обеспечить сжигание различных топлив, даже низкореакционных, где количество горючего элемента незначительно по сравнению с инертным движущимся материалом. Низкие температуры и ступенчатое сжигание (недостаток кислорода или газификация в нижней части топки) приводят к резкому снижению образования оксидов азота. Добавка дешевого сорбента – известняка происходит при оптимальной температуре 850–870╠С, что дает очень высокую эффективность связывания окислов серы – до 95%. Имеются и другие преимущества, наиболее хорошо реализующиеся в условиях сжигания различных низкосортных топлив и отходов производств – от отходов целлюлозно-бумажной промышленности (кора, стоки) до нефтехимии (нефтяной кокс).
Котловая экономика
Очевидно, что котел с ЦКС имеет большую металлоемкость топки. Меньше температура – значит ниже теплоотвод, больше избыточное давление в низу топки – больше вес металлоконструкций. Кроме того, часть топки футерована, имеется аппарат для улавливания золы и система ее возврата в топку. Однако последние совершенствования технических решений, например упрощенные сепараторы в виде сварных прямоугольных циклонов или швеллерковых сепараторов, применение зольных теплообменников с очень высокой теплоотдачей от движущегося материала к трубам поверхностей нагрева позволили отчасти устранить указанные недостатки. Анализ ряда экономических исследований, выполненных в США, Дании, Польше, Великобритании и России, показал, что в условиях блоков 150–300 МВт при сжигании топлив, требующих применения серо- и азотоочистки, капитальные вложения и себестоимость электроэнергии на ТЭС котлами ЦКС на 7–8% ниже, чем на традиционных блоках.
В настоящее время ведутся разработки инвестиционных предложений по заказу ОГК и ТГК для угольных электростанций. В ряде случаев выполняется сравнение пылеугольных котлов и котлов с ЦКС. Для некоторых топлив, например для сжигания антрацитового штыба на Новочеркасской ГРЭС или отходов углеобогащения на Несветай ГРЭС, альтернативы технологии ЦКС просто не имеется. В других условиях многое определяют топливная база и местные требования по вредным выбросам.
Наметившийся всплеск поставок энергетического оборудования, в том числе и котлов с ЦКС, уже привел к заметному росту цен на них. Наиболее дешевые котлы производят в Китае, где удельные капитальные затраты на все оборудование котельного острова составляют около 300–350 долл./кВт. Для условий России эти затраты должны быть не больше, чем в Польше, – 420 долл./кВт.
