10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемы и предложения по повышению энергетической безопасности Украины. Перспективы применения струйных противоточных мельниц в электроэнергетике

д. т. н., старший научный сотрудник Чечик А.Л.,

старший научный сотрудник ГК НПК "Киевский институт автоматики"

Украина относится к числу государств, которые при наиболее энергоемкой экономике недостаточно обеспечены собственными энергоресурсами, отдельными видами топлива - на 20 - 30% и только углем на 100%. По оценкам международных экспертов уголь в ближайшие 30 - 40 лет станет основным энергоресурсом.

Опуская проблемы последних лет, собственно практически со времени обретения Украиной независимости, страна испытывает серьезный энергетический кризис, который в настоящее время перешел в политический. Все это явилось следствием малоэффективного, бесконтрольного использования энергоносителей в энергоемких отраслях хозяйственного комплекса страны, отсталых технологий, которые ориентированы на преобладающее применение природного газа. Государство, по меткому выражению первого Министра энергетики независимой Украины, посадило основных потребителей энергоресурсов на "газовую иглу".

В настоящее время Украина еще имеет развитую угольную промышленность, но в перспективе вследствие закрытия нерентабельных шахт добыча угля может быть уменьшена и усложнится проблема обеспечения хозяйства и этим видом топлива. Параллельно идет истощение и деградация разведанных месторождений угля. C учетом возросшей за последние 5 лет средней зольности добытого угля (40,5% в 2010 году против 38,1% в 2005 году и 36,5% в 2000 году) качественные показатели добываемого угля существенно ухудшились.

За последнее время ухудшилось и технологическое состояние шахт. Примерно половина из них имеет возраст выше 50 лет, а приблизительно 20% - старше 70 лет. Лишь около 10% общего количества шахт построены менее 30 лет назад. По мнению экспертов, общий износ шахт сейчас где-то на уровне 80%.

В то же время с 2005 по 2010 годы объем капитальных вложений в угольную отрасль со стороны государственных шахт снизился в 5,2 раза, а объем добычи угля упал с 78 млн. т до 75,2 млн. т в год.

По мере ухудшения качества поставляемой на пылеугольные электростанции горной массы зольностью до 50% имеют место отказы в работе оборудования, возрастает уровень требований к режиму работы пылесистем и увеличивается потребность в мазуте или газе.

Например, при размоле и сжигании низкосортного антрацита горение пылеугольного факела удается поддерживать при добавлении 30% газа или мазута при условии, если степень измельчения угольной пыли характеризуется величиной R ₉₀ = 79%. Поэтому для обеспечения постоянного и стойкого горения низкосортных углей электростанции вынуждены увеличивать расход мазута или природного газа, что приводит к усилению высокотемпературной коррозии экранов, низкотемпературной коррозии газоходов, заносу конвективных поверхностей, нагрузке энергоблоков на условия тяги, повышению шлакования. Важным есть и осознание того, что независимость и безопасность угольной теплоэнергетики на Украине тесно связана с повышением эффективности использования рядового каменного и бурого угля.

Один из путей развития электроэнергетики, предлагаемый в данной статье, - это модернизация систем пылеприготовления электростанций при минимальных затратах на осуществление реконструкций и с короткими сроками реализации.

Повышение производительности различных модификаций молотковых и особенно шаровых барабанных мельниц (ШБМ) приводит к увеличению веса, размеров и снижению надежности их работы. Производительность 70-80 т/ч является предельной для ШБМ по конструктивным размерам и экономическим показателям. Поэтому следует обратиться к новым способам размола угля и созданию на их основе мельниц более экономичных, производительных, компактных и надежных, удовлетворяющих комплексу требований современной теплоэнергетики.

К этим мельницам следует отнести, в первую очередь, струйную противоточную мельницу (СПМ), разработанную лабораторией измельчения НИИЦемента под руководством В.И. Акунова.

Самоизмельчение частиц в этой мельнице производится при их соударениях друг c другом. Необходимая для измельчения скорость сообщается частицам с помощью одной или нескольких пар встречно направленных газовых струй.

Разгон частиц осуществляется в струйных эжекторах. Помольная камера, в которой производится измельчение сопрягается с пылеразделителем - сепаратором. В сепараторе производится разделение частиц угля по крупности, "крупка" возвращается на домол, а готовый продукт транспортируется в пылеосадитель - циклон или непосредственно в топку парогенератора.

Научно-исследовательская и конструкторско-технологическая работа по созданию разных конструкций струйных противоточных мельниц для энергетической отрасли, в которой я принимал непосредственное участие под руководством заведующего отделом института НИИЦемент (г. Москва) была одобрительно оценена Комитетом по науке и технике СССР и Комитетом по делам изобретений и открытий СССР, и в 1977 г. получено авторское свидетельство на изобретение, а затем патенты США, ФРГ, Франции, Японии, Дании.

Таким образом, струйная противоточная мельница (СПМ) представляет устройство непрерывного действия для тонкого измельчения твердых материалов путем скоростного разгона частиц во встречных струях газа - энергоносителя, их ударного разрушения в процессе соударения и последующего выделения тонкоизмельченной твердой фазы из потока может быть проверена на возможность эффективного размола угля. Принцип самоизмельчения, реализованный в таких установках без движущихся частей и динамических усилий в конструкции мельницы, позволяет футеровать ее внутреннюю поверхность минералокерамикой и обеспечить высокую чистоту получаемых продуктов измельчения.

Помольный агрегат включает мельничное устройство, сблокированное с механическим или воздушно-проходным сепаратором для возврата "недомола" в мельницу, и блока осаждения тонкоизмельченного продукта из газового потока в емкость готового продукта. Энергоносителем является горячий сжатый воздух, перегретый пар или продукты сгорания с давлением 0,5 - 0,6 Мпа. В процессе измельчения предварительно дробленого материала осуществляется сушка, термическая и механическая активация твердой фазы, что повышает скорости химических реакций.

Использование СПМ в качестве второй ступени может обеспечить интенсификацию процессов горения трудновоспламеняемого пылевидного топлива и повышение производительности пылесистемы с шаровыми барабанными мельницами для энергоблоков 200 и 300 МВт при значительном снижении высокореакционных видов топлива на "подсветку". Исследования конструкций СПМ и схем пылесистем показали, что есть предпосылки для интенсификации процессов горения пылевидного антрацитового штыба со значительным снижением недожога в топках котлов энергоблоков за счет термохимической активации угля

Установленные на тепловых электростанциях пылесистемы с шаровыми барабанными мельницами (ШБМ) при использовании топлива низкой калорийности и реакционности вследствие недостаточной размольной и сушильной производительности мельниц не обеспечивают котлы угольной пылью в нужных количествах. Поэтому для повышения производительности шаровых барабанных мельниц целесообразен домол возврата из сепараторов существующих пылесистем в струйных противоточных мельницах (СПМ).

Предлагается на энергоблоках эксплуатация существующих пылесистем с максимальной вентиляцией ШБМ, питанием СПМ будет "недомол" - крупная фракция пыли из течек возврата воздушно - проходных сепараторов работающих пылесистем. Готовая пыль, полученная в СПМ, будет направляться непосредственно на горелки топочной камеры или в отдельный бункер с последующим ее пневмотранспортом на горелки системой подачи с высокой концентрацией пыли под давлением, разработанной в Национальном техническом Университете Украины (Киевский политехнический институт).

Реализация этих предложений позволила бы пылеугольной тепловой энергетике Украины работать с проектными показателями экономичности выработки электроэнергии и одновременной экономии как антрацитового штыба, так и высокореакционных топлив при минимальных капитальных затратах на реконструкцию пылесистем.

Для усреднения данных при оценке возможной экономии частично обогащенного топлива (до зольности 20-30%) в результате предлагаемой модернизации пылесистем и обеспечения стабильного горения угольной пыли без значительных добавок высокореакционных топлив принимаем средневзвешенную величину фактически удельного расхода условного топлива для блоков 200 МВт b^ф₁ = 420 г. у. т. /кВт^. ч (проектный удельный расход условного топлива b₁ = 340г. у. т. /кВт^. ч), а для блоков 300 МВт - b^ф₂ = 400 г. у. т. /кВт^. ч (проектный удельный расход условного топлива b₂ = 330 г. у. т. /кВт^. ч).

Возможная экономия твердого топлива за счет снижения механического недожога топлива составит:

В = Э₁ х (b^ф₁ - b₁) + Э₂ (b^ф₂ - b₂), (1)

где Э₁ - электроэнергия, отпущенная энергоблоками 200 МВт;

Э₂ - электроэнергия, отпущенная энергоблоками 300 МВт;

В - общая экономия топлива.

Еще одна угроза дальнейшего роста применения высокореакционных топлив - это то, что в связи с исчерпанием парка работоспособных шаровых барабанных мельниц, установленных на электростанциях Украины, положение с затратами нефтегазового топлива для компенсации недостаточной производительности шаровых барабанных мельниц (ШБМ) будет усугубляться. Собственное производство ШБМ на Украине не налажено и можно рассчитывать, что наибольшую эффективность домола возврата может обеспечить применение струйных противоточных мельниц, отличающихся простотой конструкции и высокой технологичностью и их изготовление можно разместить на ждущих заказов отечественных заводах.

Одновременно с экономией твердого топлива на этих электростанциях будет высвобождаться приобретаемое за границей по высоким ценам высокореакционное топливо, применяемое в настоящее время на всех тепловых электростанциях Украины для подсветки с целью стабилизации горения пылеугольного факела.

Что не менее важно, экспериментально установлено, что наряду с диспергированием при струйном измельчении происходят значительные изменения структуры поверхностных слоев частиц, что обуславливает новые свойства продуктов помола. Данные физико-химических испытаний материалов, измельченных в струйных мельницах, указывают на значительную роль в гетерогенных химических процессах энергии, запасенной в результате механической деструкции поверхностных слоев его частиц. Горение угля - гетерогенный процесс, поэтому горение угольных частиц в режиме, когда диффузионные процессы переноса не являются лимитирующими, величина скорости горения и предпламенные процессы существенно зависят от состояния поверхности, на которой идет реакция.

В 1968 году по моей инициативе под руководством главного инженера технического управления Минэнерго УССР Шанина В.П. на Херсонской ТЭЦ по договору с НИИЦементом (г. Москва) было начато создание опытной пароструйной мельницы, представляющей модель мельницы производительностью 70 - 80 т/ч.

энергетическая безопасность струйная противоточная мельница

Начальным этапом научно - исследовательских и опытно - конструкторских работ можно считать начало работ по изготовлению и монтажу в 1970 году на Херсонской ТЭЦ опытно-промышленной установки струйной противоточной мельницы.

В тот период техническое управление Минэнерго УССР возглавляли специалисты с большим опытом работы и понимали важность модернизации систем пылеприготовления.

Мельница была предназначена для экспериментальной проверки возможности совмещения (на примере антрацитового штыба) измельчения и сушки энергетических углей, а также для оценки режимов измельчения и испытаний отдельных конструктивных узлов. Мельница состоит из теплоизолированной помольной камеры диаметром 750 мм и длиной 800 мм, двух пароструйных эжекторов, воздушно-проходного пылеразделителя диаметром 3400 мм, питающих устройств, соединительных пылевоздухопроводов и устройств КИП и подключается к существующей пылесистеме котла с промежуточным бункером.

При измельчении антрацитового штыба с исходной влажностью W^р=7,5-11% и кусочками размером до 30 мм перегретым паром давлением 7,2 атм с температурой 240-280°С удельный расход пара составил 0,3-0,4 т/т по продукту с дисперсностью R₉₀=7-12% и влажностью 0,2-0,6%.

Производительность мельницы составила 7,5-8,5 т/ч, повышаясь до 9,5 т/ч при угрублении помола R₉₀= 16-22%.

Расчетная производительность мельницы до 10 т/ч определила максимальный размер частиц измельчаемого угля 4-6 мм по условиям разгона частиц угля в помольных эжекторах. Это требование осуществить не удалось. На Херсонской ТЭЦ измельчался уголь АСШ (антрацито-семечковый штыб) с включениями частиц до 30-40 мм, что при диаметре сопл 25 и 30 мм и разгонных трубках диаметром 133 и 150 мм привело к ухудшению условий разгона частиц, повышению кратности циркуляции и снижению эффективности измельчения.

При измельчении угля с частицами до 30-50 мм (рядовой уголь) на мельницах высокой производительности - 60 - 80 т/ч условия разгона частиц улучшаются вместе с эффективностью измельчения, а удельный расход энергоносителя резко снижается.

По оценкам ведущего специализированного института в области энергетики Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ) такой режим работы пылесистем осуществляется при сбросе из сепаратора на домол крупных фракций пыли в количестве, превосходящем расчетную производительность углеразмольной установки. Очевидно, что если домол возврата, содержащего до 40% кондиционной пыли, вывести из технологического цикла размольной установки, шаровая мельница обеспечит получение дополнительного количества готовой пыли. Домел возврата во II ступени измельчения обычно предлагается осуществлять либо в специально существующей мельнице, либо дополнительно устанавливаемых.

На заседании Научно-технического совета Минэнерго СССР результаты испытаний установки на Херсонской ТЭЦ были положены в основу создания проекта крупной струйной противоточной мельницы, а затем и утверждены. Проект был выполнен, а затем в связи с отказом Минэнерго Украины (в связи с трагической кончиной Министра тов. Побегайло К. М.) от установки ее на пылезаводе Славянской ТЭС был переадресован для электростанций Экибастузского угольного бассейна в Казахстане. И работы в этом направлении в Украине были приостановлены. Мотивы такого решения Украины - безграничные ресурсы дешевого природного газа. Таким образом, Украина на несколько десятилетий отказалась от эффективного решения использования наших предложений для экономичного сжигания угольной пыли антрацитового штыба как основного топлива из собственных месторождений углей Донецкого бассейна. Одновременно в те годы под руководством В.И. Акунова сооружались большие опытно-промышленные установки струйных противоточных мельниц в ряде отраслей индустрии: на Павлодарской ТЕС (Казахстан), Ленинабадском горно-обогатительном комбинате и Подольском цементном заводе (Россия). Положительные результаты всех работ по этой проблеме были заложены в Государственный план развития на 1986-1990 гг., но распад Советского Союза не позволил реализовать эти планы в полном объеме.

Распад Советского Союза, переход на рыночные отношения и безудержный рост цены на экспортируемый Россией природный газ финансово обескровил экономику Украины. Правительственные решения по проблемам топливно-энергетического комплекса и "метания" всех сменяемых друг друга правительств независимой Украины привели к упадку угольной отрасли, лишая тепловую энергетику возможности развития на собственной топливной базе.

Недостаточные капиталовложения в угольную отрасль и снижение объемов добычи угля идет вразрез с объявленными в августе планами правительства перевести электроэнергетику и металлургию с газа на уголь. В Кабинете Министров Украины планируют таким образом до 2017 года сэкономить 8 млрд. кубометров газа, поставляемого из России.

Сегодняшнее правительство Украины безуспешно ищет выход из сложившейся ситуации, однако по-прежнему не реагирует на конкретное предложение специалистов (ученых и проектировщиков), предлагающих реальные решения с учетом накопленного опыта в области конструирования струйных противоточных мельниц для эффективного сжигания угольной пыли на действующих энергоблоках Украины, отказывая авторам в выделении даже минимальных средств для пилотной установки, которая сможет подтвердить эффективность и реальность наших предложений.

В то же время в соответствии с проектом Минэнерго Украины "Программы перспективного развития угольной отрасли на среднесрочный период до 2015 года", в которой заложены следующие параметры: на этапе до 2015 года объем добычи угля прогнозируется на уровне 91,7 млн. т в год, включая 63,5 млн. т энергетического угля. На этапе развития отрасли в период с 2015 по 2020 годы объем предполагается повысить до 100 млн. т, включая около 65 млн. т энергетического угля. Итоговый потенциальный уровень добычи к 2030 году ожидается на уровне 115 млн. т, из которых 75 млн. т - энергетический уголь. И по мнению аналитика инвестиционной компании Concorde Capital Егора Самусенко, спрос на энергетический уголь к 2015 году по сравнению с 2010-м вырастет минимум на 50%. Основной причиной будет увеличение доли теплоэлектростанций ТЭС, работающих на угле, в структуре производителей электроэнергии в Украине, а также вследствие ограниченных возможностей роста производства электроэнергии другими производителями".

Главным аргументом будет то обстоятельство, что стоимость энергии из угля существенно ниже, чем из газа и нефтепродуктов. Кроме того, уголь - отечественное сырье, добыча которого позволяет создавать рабочие места в угольной и связанных отраслях, одновременно снижая импорт дорогостоящих энергоносителей.

Планы правительства можно будет осуществить лишь при условии модернизации угольных предприятий, в том числе модернизации системы пылеприготовления тепловых электростанций с использованием струйных противоточных мельниц, а затем и металлургической отрасли для вдувания угольной пыли в доменные печи с целью экономии кокса.

Изложенное позволяет решить принципиальный вопрос, как обеспечить реализацию предлагаемых решений и где взять на это средства, которые уходят в "трубу" для приобретения природного газа. Ответ прост: необходимо поставить лошадь впереди телеги, а не наоборот, как сейчас делается на Украине. Поочередно, шаг за шагом, реконструируя энергоблок за энергоблоком и наращивая этот процесс, мы получим средства на продолжение процесса модернизации за счет экономии средств на закупку природного газа. В результате, за несколько лет могут быть реконструированы все работающие на угле энергоблоки и поднята с колен угольная отрасль.

В статье не приводятся значения экономии средств в цифрах, так как в течение "продвижения" наших предложений, к которому привлекались специалисты разных областей знаний: крупные специалисты в области энергетики, конструкторы - машиностроители, специалисты в области горения, расчетчики технико-экономических обоснований, цифры по объективным причинам менялись, с одной стороны росли цены на материалы, но еще в большей степени росли цены импортируемого природного газа. Но в разные периоды анализа затрат и экономии средств вследствие предлагаемой нами модернизации систем пылеприготовления срок окупаемости не превышал 10 - 12 месяцев.

Величина максимального расхода твердой фазы в разгонной трубке эжектирущего устройства будет определять максимальную эффективность работы мельницы, что подтверждено экспериментально для пневмотранспортных эжекторов при достижении в них высоты слоя исходного измельчаемого материала порядка 10-20 м и более над приемной камерой каждого из эжекторов, снабженных автоматическим устройством, регулирующим поступление материала.

Физическое содержание процесса эжекции двухфазной смеси заключается в преобразовании однофазной сверхзвуковой струи, истекающей из суживающегося сопла в насадок (разгонную трубку), в двухфазный поток, движущийся в насадке, выполненном в виде сопла Лаваля. Благодаря отсечке короткозамкнутых вихрей и стесненных условий развития двухфазной струи энергоносителя образуется избыток кинетической энергии, котоpый затрачивается на ускорение твердой фазы.

Опытно-промышленная установка струйного измельчения на Херсонской ТЭЦ рассматривалась как модельный образец струйной противоточной мельницы производительностью 60-80 т/ч для отработки режимов измельчения и опытной проверки отдельных конструктивных узлов крупной установки измельчения. При создании этой установки был определен максимальный размер частиц измельчаемого угля 4 ± 6 мм из условий приближения к оптимальным условиям подхвата и разгона частиц угля в помольной камере мельницы. Помольный агрегат включает мельничное устройство, сблокированное с механическим или воздушно-проходным сепаратором для возврата "недомола" в мельницу, и блока осаждения тонкоизмельченного продукта из газового потока в емкость готового продукта. Энергоносителем является горячий сжатый воздух, перегретый пар или продукты сгорания с давлением 0,5 - 0,6 Мпа. В процессе измельчения предварительно дробленого материала осуществляется сушка, термическая и механическая активация твердой фазы, что повышает скорости химических реакций.

Что не менее важно, экспериментально установлено, что наряду с диспергированием при струйном измельчении происходят значительные изменения структуры поверхностных слоев частиц, что обуславливает новые свойства продуктов помола.

Данные физико-химических испытаний материалов, измельченных в струйных мельницах, указывают на значительную роль в гетерогенных химических процессах энергии, запасенной в результате механической деструкции поверхностных слоев его частиц. Горение угля - гетерогенный процесс, поэтому горение угольных частиц в режиме, когда диффузионные процессы переноса не являются лимитирующими, величина скорости горения и предпламенные процессы существенно зависят от состояния поверхности, на которой идет реакция.

С учетом результатов испытаний опытной установки на Херсонской ТЭЦ и рекомендаций по использованию эффективного метода струйного размола в системах пылеприготовления угля на ТЭС на Павлодарской ТЭЦ была сооружена более мощная струйная противоточная мельница для размола экибастузского угля, оснащенная воздушным компрессором и устройством для подогрева сжатого воздуха до 350-420°С.

По данным, полученным ВТИ, при освоении струйной противоточной мельницы, запроектированной СКБ ВТИ, было достигнуто увеличение производительности от 54 т/ч (серия опытов 1985-1988гг.) до уровня 70 т/ч при удельном расходе электроэнергии около 40 кВт^. ч/т.

Основные параметры рабочих тел (энергоносителя) струйных мельниц Херсонской и Павлодарской ТЭЦ приведены в таблице.

Таблица 1

Сравнительные характеристики основных параметров рабочих тел струйных мельниц Херсонской и Павлодарской ТЭЦ

№ п/п	Основные характеристики струйных противоточных мельниц	Струйная мельница на
		Херсонской ТЭЦ (опыты 1969-1970гг.)	Павлодарской ТЭЦ (опыты 1987-1988гг.)
1	Производительность установки измельчения, т/ч	8	70
2	Вид энергоносителя	Перегретый пар	Сжатый воздух
3	Параметры энергоносителя:
4	- давление, ата	7 8	6 8
5	- температура, 0С	300 340	350 380
6	Вид топлива	АШ, АРШ	Экибастузский уголь
7	Фракционный состав угля, мм	8 40	8 40
8	Степень измельчения пыли, %	R 90= 6-12	R 90= 10-20
9	Удельный расход энергии	0,35 т/т	40 кВт. Ч/т

Источник: Чечик А.Л. О сокращении потребления дефицитного нефтегазового топлива на пылеугольных электростанциях // Энергетика и электрификация № 3. - 1994. - С.21

В качестве энергоносителя для струйных мельниц наиболее эффективно использование свободнопоршневых генераторов газа (СПГГ.), работающих на твердом топливе, либо центробежных компрессоров с паротурбинным приводом.

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований эффективности сжигания антрацитной пыли в зависимости от степени размалывания

N эксперимента	Остаток на ситах, %	Удельная поверхность пыли, м 2/кг	Степень сгорания пыли (), % при расстоянии от амбразуры горелки, мм:
	90 мкм	40 мкм		l = 500	l = 1000	l = 1500	l = 2000
1	7,6	60	400	-	25	50	66
2	1,5	35,6	820	5	60	68	70
3	0	17,3	1360	55	86	88	92

Источник: Миронов С.Н. Организация и регулирование режимов камерного сжигания угольной пыли /Монография. - М.: Энергия. - 1972. - С.37-38.

Таблица характеризует только первый фактор из перечисленных - углубление тонины размалывания - увеличение удельной поверхности пыли вдвое и втрое больше, чем реализуется на электростанциях, что дает возможность значительного повышения скорости процесса горения антрацитной пыли.

Основными технологическими характеристиками активированной угольной пыли является: вдвое - втрое большая удельная поверхность угольной пыли, ее высокая температура и появление на поверхности пыли активных центров, которые ускоряют скорость предпламенных процессов и самого процесса горения.

Использование полученной по предложенной технологии активированной пыли позволит организовать процесс сжигания без значительных потерь угля и значительных добавок высокореакционных топлив в электроэнергетике.

Влияние механохимической и термохимической активации антрацитной пыли зафиксировано в аналитических расчетах на специальных физико-химических моделях, которые характеризуют процессы горения угольного топлива и на лабораторных установках, которые предназначены для оценки кинетических характеристик разных видов топлива. [Федосеев В.А. и др. Исследование реакционной способности диспергированного угля / Сборник "Физика аэродисперсных систем". Вып.11. - К.: Высшая школа, 1974].

Для проведения сравнительных расчетов расходов на производство и сжигание активированной антрацитной пыли, которая в настоящее время сжигается на электростанциях Украины, использованы материалы ВТИ (Миронов С.Н. Организация и регулирование режимов камерного сжигания угольной пыли| /Монография. - М.: Энергия, 1972. - С.37-38.

Таблица 3. Технико-экономические показатели размола угольной пыли при традиционной и новой технологии с использованием струйных противоточных мельниц

Статьи энергозатрат	Условные обозначение	Удельные потери тепла топлива для существующей пылесистемы, %	Удельные потери тепла топлива для 2-х ступенчатой пылесистемы, %
На размалывание	qр	2,2 - 2,5	3 - 3,6
На сушку пыли	qс	2 - 2,5	2 - 2,4
На механический недожог при горении	q4	10 - 20	2
Суммарные расходы	q	14 - 25	7 - 8

Источник: Миронов С.Н. Организация и регулирование режимов камерного сжигания угольной пыли /Монография. - М.: Энергия, 1972. - С.37-38.

В последующее время нами велись научные проработки возможных схем пылесистем с использованием струйных противоточных мельниц для обеспечения устойчивой работы котельных агрегатов блочных тепловых электростанций в Украине, завершившиеся получением патента Украины на изобретение. Была предложена новая технология пылеприготовления и сжигания угольной пыли на тепловых электростанциях, а именно: модернизация существующих систем пылеприготовления, в том числе и путем перехода к двуступенчатым схемам пылеприготовления с использованием высокотемпературных струйных противоточных мельниц в качестве второй ступени измельчения.

Патент Украины № 76542 от 15.08.2006 года на изобретение "Струйная противоточная мельница для тонкого и сверхтонкого помола материалов".

В существовавших конструкциях струйных противоточных мельниц непрерывного действия, в том числе взятых в качестве аналогов и прототипа при рассмотрении и выдаче патента Украины, осуществляется ударное самоизмельчение материалов, разгоняемых в струях газа - энергоносителя.

Совпадающими признаками с аналогами и прототипом для изобретения являются следующие элементы конструкции установки измельчения: емкости для исходного материала, два или более эжектирующих устройства, помольная камера для соударения разогнанных частиц и сепаратор для возврата твердой фазы в эжекторы.

Однако в известных конструкциях струйных противоточных мельниц не удается получить максимально возможные концентрации твердой фазы в связи с подсосом в процессе эжектирования газовой фазы, что приводит к снижению производительности мельниц при Фиксированном расходе газа - энергоносителя и снижает экономичность измельчения, повышая тем самым удельный расход энергии на измельчение материала.

Причинно-следственная связь оптимизации работы струйных противоточных мельниц заключается в нахождении конструктивного решения, позволяющего повысить плотность (концентрацию) твердой фазы в движущихся навстречу друг другу двухфазных потоках благодаря использованию регулируемой подачи сжатого воздуха над материалом в приемной камере каждого из эжекторов, в результате чего возрастает подача твердой фазы, реализуется эжектирование большего числа частиц материала и последующего ударного разрушения частиц из-за роста числа столкновений в помольной камере мельницы, так как эффективность ее работы определяется как скоростью соударения частиц материала, так и увеличением числа соударений частиц.

Задача изобретения была сведена к нахождению конструктивного решения, обеспечивающего повышение концентрации твердой фазы в разгонных участках эжекторов и числа столкновений частиц материала в помольной камере установки, что вызывает снижение кратности циркуляции материала при том же расходе энергоносителя и тем самым повышается экономичность измельчения.

Для реализации задачи изобретения изменяется в сравнении с прототипом принцип подачи материала в эжекторы мельницы с помощью использования веса плотного слоя материала, движущегося вниз на принципе гравитации, а эжектирующее устройство оснащается регулятором поступления материала, обеспечивающим саморегулирование загрузки материалом эжекторов в режиме максимальной концентрации твердой фазы в разгонной трубке в формирующихся двухфазных газопылевых струях: одновременно с помощью ввода воздуха в нижнюю часть приемной камеры эжектора обеспечивают псевдоожижение твердой фазы, что также способствует повышению экономичности измельчения.

В случае переполнения приемной камеры и разгонной трубки частицами твердой фазы сопротивление возрастает, давление в корпусе эжектора повышается и осуществляется автоматическое уменьшение подачи исходного материала.

Установленное аэрационное устройство представляет собой решетчатую конструкцию с прорезями для псевдоожижения частиц твердой фазы. Сжатый воздух, проходя через зазоры решетки, аэрирует пылевидный материал, увеличивая подачу твердой фазы по разгонной трубке в помольную камеру.

В связи с тем, что эффективность работы струйной мельницы определяется скоростью соударения частиц измельчаемого материала и вероятностью этих соударений, то величина расхода твердого материала в разгонных трубках эжекторов определяет количество столкновений и скорость разгона частиц, а потому создание оптимальной конструкции эжектора, обеспечивающего максимально достижимую величину концентрации твердой фазы в двухфазовом потоке, отвечает максимальной эффективности работы струйной противоточной мельницы.

Величина максимального расхода твердой фазы в разгонной трубке эжектирущего устройства будет определять максимальную эффективность работы мельницы, что подтверждено экспериментально для пневмотранспортных эжекторов при достижении в них высоты слоя исходного измельчаемого материала порядка 10-20 м и более над приемной камерой каждого из эжекторов, снабженных автоматическим устройством, регулирующим поступление материала.

Физическое содержание процесса эжекции двухфазной смеси заключается в преобразовании однофазной сверхзвуковой струи, истекающей из суживающегося сопла в насадок (разгонную трубку), в двухфазный поток, движущийся в насадке, выполненном в виде сопла Лаваля. Благодаря отсечке короткозамкнутых вихрей и стесненных условий развития двухфазной струи энергоносителя образуется избыток кинетической энергии, который затрачивается на ускорение твердой фазы.

Детальный анализ данных по испытаниям реальных установок струйных мельниц на Херсонской и Павлодарской ТЭЦ позволяет сделать вывод, что основные экономические показатели процессов генерации активированной угольной антрацитной пыли на высокотемпературных струйных противоточных мельницах по сравнению с одноступенчатыми системами пылеприготовления дают возможность обеспечить процесс сгорания угольной пыли без добавок высокореакционных видов топлива.

Перевод котлов электростанций на сжигание активированной угольной пыли значительно сократит потери угля от механического недожога при одновременном резком снижении потребления природного газа и мазута на подсветку факела.

Сроки окупаемости затрат не превышают 0,5-1 года при минимальных капвложениях на реконструкцию пылеприготовительных цехов тепловых электростанций, запроектированных для работы на угле.

Данный проект решает следующие задачи:

техническое перевооружение существующего производства выработки электроэнергии и тепла;

- повышение уровня использования угля в технологии производства электрической и тепловой энергии на электростанции при резком снижении потребления дорогостоящих импортных энергоносителей - природного газа и мазута;

- повышение надежности и экономичности выработки электроэнергии и тепла благодаря стабилизации процесса горения угольной пыли;

- повышение уровня конкурентоспособности выпускаемой электростанцией продукции (электрической и тепловой энергии) за счет снижения ее себестоимости, при небольших сроках окупаемости проекта;

- стимулирование инвестиционного процесса модернизации всего парка блочных тепловых электростанций Украины для перехода на новую технологию пылеприготовления и сжигания угольной пыли;

- повышение экологической чистоты производства электроэнергии за счет снижения механического недожога и переход в дальнейшем на сжигание глубоко обогащенного угля.

Разработанная конструкция струйной противоточной мельницы может быть успешно применена с целью измельчения бентонитовой глины и получения бурильных растворов, повышающих скорость бурения нефтяных скважин; при обогащении железных руд и руд цветных металлов; переработке горно-химического сырья, а также для модернизации технологических процессов в отраслях индустрии, где применяется тонкое измельчение твердых материалов.

Производство активированной угольной пыли на электростанции путем механохимической и термохимической активации пыли на высокотемпературных противоточных мельницах, которые будут использованы в качестве второй ступени размалывания в системах пылеприготовления, позволит интенсифицировать процессы сжигания угля на электростанциях, и позволит уменьшить количество вредных выбросов, а также удешевить производство электроэнергии.

Существующие на электростанциях мельницы должны переводиться в режим использования в качестве первой ступени измельчения. При этом в качестве второй ступени должны устанавливаться струйные противоточные мельницы.

Основой для создания новой системы пылеприготовления и сжигания угля являются научно-технические разработки в отрасли пылеприготовления на высокотемпературных струйных мельницах новой конструкции, которые позволяют в процессе размалывания нагревать угольную пыль до высокой температуры и повышать скорость термохимических процессов, активируя процесс горения топлива.

Целью проекта является применение активированной антрацитной пыли для стабилизации процесса горения пылевидного угольного топлива в топочных объемах парогенераторов.

Реализация технических решений с применением струйных противоточных мельниц даст возможность получить значительную экономию природного газа, мазута и угольной пыли, на действующих электростанциях путем создания условий для ускорения предпламенных процессов и ускоренного загорания топливно-воздушной смеси в топочных устройствах парогенераторов.

Положения, которые будут заложены в проекты струйных противоточных| мельниц, базируются на научно-исследовательских работах по сжиганию угольной пыли в котлоагрегатах электростанций, аналитических исследованиях и опыту размалывания в струйных противоточных мельницах твердых топлив типа антрацита, полуантрацита и тощего угля, с достижением постоянного и эффективного сжигания с высокими кинетическими показателями, которые позволят энергетическим объектам экономить высокореакционное топливо (природный газ и мазут).

Двухступенчатая схема пылеприготовления дает возможность реализовать подготовку угольной пыли для эффективного сжигания без примесей высокореакционных топлив за счет высокого нагрева, большей поверхности взаимодействия с кислородом, активации пыли.

Так как установленные на электростанциях пылесистемы с шаровыми барабанными мельницами в условиях применения твердых топлив с низкой калорийностью и невысокой способностью к воспламенению не обеспечивают парогенераторы угольной пылью в необходимом количестве в результате их недостаточной размольной и сушильной производственной возможности этих мельниц требуется предлагаемая нами реконструкция пылесистем с установкой струйных противоточных мельниц.

В этих условиях наиболее эффективно перевести эти мельницы в режим получения более высокой производительности за счет загрубления пыли. Более глубокий размол угольной пыли реализуется за счет размалывания на струйных противоточных мельницах при подаче загрубленной пыли из сепараторов пылесистем шаровых барабанных мельниц.

На сегодня вопрос применения энергосберегающих технологий есть для Украины чрезвычайно важным. Внедрение на объектах тепловой энергетики таких установок обеспечит более эффективное использование угля, который добывается в Украине, и существенно уменьшит финансовые расходы государства на импорт энергоносителей. Следует отметить, что выпуск таких перспективных установок могут обеспечить непосредственно отечественные предприятия.

Внедрение новых технологий сжигания угля вместо природного газа и мазута является перспективным направлением развития тепловой энергетики.

В связи с изложенным, основными экономическими требованиями к струйным противоточным мельницам должно быть максимальное использование высоких технико-технологических показателей, которыми характеризуется данный тип размольных устройств.

В период последних десятилетий позитивные отзывы о технологии пылеприготовления в энергетике с использованием струйных противоточных мельниц дали Институты НАН Украины, Национальный технический университет Украины (КПИ), Министерство Украины по делам науки и технологий, Государственный комитет Украины по энергосбережению, большое число научно-исследовательских и проектных организаций, работающих в области энергетики. Позитивные отзывы о перспективах струйного размола угля на тепловых электростанциях Украины высказывали руководитель секции, директор Института угольных технологий НАН и Министерства топлива и энергетики Украины, академик НАН Украины Ю.П. Корчевой и заместитель директора Института, член-корреспондент НАН Украины О.Ю. Майстренко.

Министерство образования и науки Украины считает целесообразным внедрение на объектах тепловой энергетики этой технологии, так как внедрение новых технологий сжигания угля вместо природного газа является перспективным направлением энергетической отрасли.

Учитывая, что использование предложенной технологии будет способствовать увеличению объемов использования угля на тепловых электростанциях вместо природного газа, Департамент перспективного развития угольной отрасли также поддерживает целесообразность внедрения новой технологии.

Выводы

После достижения Украиной независимости, когда экономика ее оказалась заложницей России в части необходимости приобретения энергоносителей по ценам выше мировых для энергетической отрасли, возникли дискуссии о направлениях развития энергетической отрасли.

Предложения, обеспечивающие замену природного газа тонкомолотой активированной угольной пылью, апробированные еще в советское время, могли быть реализованы пятнадцать - двадцать лет тому назад для обеспечения энергетической безопасности страны.

В научно-технических кругах и в периодической печати была инициирована дискуссия о путях развития электроэнергетики. В течение последних лет были напечатаны большие публикации с исследованием состояния проблем в электроэнергетической отрасли.

Наиболее заметными общественно - значимыми публикациями о применении технологий струйного размола угля на тепловых электростанциях Украины были статьи автора "Третий путь" (Деловая Украина № 26 (380) апрель 1996 № 59 (509) август 1997 г. "Сжигать уголь, а не идеи", № 76 (526) от 22 октября 1997 г. "У последней черты", № 69 (613) 23 сентября 1998 г. "Почему не внедряется энергосберегающая технология?"

При стоимости импортируемого газа, свыше 400 долларов США за 1000 кубометров газа, срок окупаемости наших предложений не превысит полугода и может позволить при минимальных капитальных затратах провести модернизацию пылеприготовительных цехов тепловых электростанций, а затем и доменных цехов металлургических заводов.

Экономия природного газа - это приоритетное задание для развития целого ряда отраслей экономики нашего государства.

Отказ от использования (замены) природного газа для электроэнергетики за счет применения активированного угля, подготовка которого осуществляется непосредственно на тепловой электростанции не обоснован, так как экономия природного газа - это приоритетное задание для развития экономики нашего государства.

Украиной был выбран ошибочный путь реализации энергетической программы, как пример: в результате на протяжении последних двух десятилетий лет за государственные средства на Старобешевской ТЭС ввели один парогенератор с циркулирующим кипящим слоем, пуск которого привел к значительной аварии и до сих пор не введен в эксплуатацию. На этом вся программа развития и модернизации тепловой электроэнергетики Украины сошла на нет.

Сегодня необходимо неотложно реализовать пилотную опытно-промышленную установку, для которой уже разработана проектная документация, на одном из котлоагрегатов Дарницкой ТЭЦ (г. Киев).

При условии финансово-экономического кризиса в государстве это одно из наиболее весомых технических решений, которое на наш взгляд, должно принять руководство Правительства, отвечающее за топливно-энергетический комплекс.

Реальные научно-технические решения по использованию в Украине собственных энергоносителей на основе технологии с применением струйных противоточных мельниц дадут возможность реализовать малозатратные технологии углепылеприготовления с помощью эффективных мельничных устройств. Это даст возможность экономично сжигать уголь собственных месторождений и не закупать природный газ.

Основные публикации по теме

1. Чечик АЛ. Применение струйных мельниц для размола энергетических углей на электростанциях // Энергетика и электрификация. - 1969. - № 5. - С.12-14.

2. Акунов В.И., Чечик А.Л., Завадский Ю.В. Перспективы внедрения струйного размола энергетических углей // Энергетик. - 1973. - № 5. - С.9-10.

3. Чечик АЛ. О сокращении потребления дефицитного нефтегазового топлива на пылеугольных электростанциях // Энергетика и электрификация. - 1994. - № З. - С. 20-22.

4. Иваненко В.И., Повещенко Г.П., Чеховой Ю.Н. Имитационное моделирование теплового режима горения. - К.: МВССО, 1001. - 195с.

5. Процайло М.Я., Навроцкий А.Г. и др. Проблемы сжигания твердого топлива // Энергетика и электрификация. - 1995. - № 1. - С.11-14.

6. Акунов В.И. Струйные мельницы. Теория. Рациональный типаж Применение. - М.: / Докторская диссертация в форме научного доклада, 1989/.

7. Повещенко Г.П., Чечик А.Л. Возможности сокращения потребления нефтегазового топлива на тепловых электростанциях Украины // Энергетика и электрификация. - 1995. - № 2.

8. Акунов В.И. Свободно-поршневой генератор газа (СПГГ.) - эффективный и экономичный привод струйных мельниц: Струйные аппараты и процессы // Труды института НИИЦемент. Вып.93. - М.: 1989. - С.71-83.

9. Федосеев В.А., Курятников В.В., Садлий Т.П. Исследование реакционной способности диспергированного угля / Сборник "Физика аэродисперсных систем". Вып.11. - К.: Вища школа, 1974.

10. Федосеев В.А. и др. Исследование реакционной способности| диспергированного угля / Сборник "Физика аэродисперсных систем". Вып.11. - К.: Высшая школа, 1974.

11. Poveshchenko G., Chechik A. New two-step technology of making the dust and burning of coal - factor of achievement of fuel self-sufficiency by electric power industry of Ukraine.

12. Миронов С.Н. Организация и регулирование режимов камерного сжигания| угольной пыли /Монография. - М.: Энергия, 1972. - С.37-38.

13. Лист Міністерства освіти і науки України щодо впровадження нової технології по економії високореакційних палив в електроенергетичній галузі України від 12.10.09 № 1/12-4158.

14. Лист Міністерства вугільної промисловості України, Департамент перспективного розвитку та координації підготовчих робіт щодо підтримки доцільності впровадження нової технології від 04.10.08 № 05-01/1-183.

15. Рецензія Інституту вугільних енерготехнологій НАН та Мінпаливенерго України щодо доцільності використання розробок по впровадженню технологій струминного розмолу вугілля на теплових електростанціях.

Размещено на Allbest.ru