Проблемы энергетического использования потенциала твердых бытовых отходов и биомассы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.311

ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ И БИОМАССЫ

© 2006 г. Е.Н. Зеликов, А.Н. Тугов, Э.П. Дик

При использовании нетрадиционных источников для выработки электроэнергии в странах с умеренным климатом и небольшим числом ветреных дней в году (Россия, страны Скандинавии, Дания) основная роль принадлежит сжиганию бытовых и промышленных отходов, а также биомассы. Следует подчеркнуть, что твердые бытовые отходы (ТБО) - это топливо, которое не будет исчерпано до тех пор, пока существует человечество. Общепризнано, что ТБО по своим характеристикам вписывается в обобщенную диаграмму естественных видов твердого топлива.

Сделанный в ВТИ всесторонний анализ показал, что для тепловых расчетов энергоустановок, сжигающих ТБО, правомерно использование зависимостей и методик, принятых для органических видов топлива [1, 2].

При среднем количестве бытового мусора, выбрасываемого каждым россиянином, равном примерно 0,27 т/год, ежегодное поступление бытовых отходов составляет около 40 млн т. Только в одной Москве за год накапливается до 2,5 млн т. При средней теплоте сгорания ТБО -1350 ккал/кг это количество ТБО эквивалентно 43 млн Гкал/год. Этого достаточно, чтобы ежегодно обеспечивать жилищные нужды 10 млн чел., т.е. нужды всех жителей Москвы. В России отходы как топливо используют менее чем на 1 %, что составляет ничтожно малую величину в сравнении с некоторыми другими странами. Между тем, сжигание этого топлива в городах и более мелких населенных пунктах не требует сооружения шахт, бурения скважин и строительства транспортных магистралей. Топливо равномерно распределено пропорционально плотности населения и готово к применению. Для сравнения в Нидерландах большинство установок, сжигающих ТБО, вырабатывают пар с параметрами 4,0 МПа, 400 °С. По имеющимся данным [3] КПД (брутто) котлов этих установок достигает 80 %, а абсолютный электрический КПД составляет примерно около 22 %. Первоначальные попытки за рубежом повысить параметры пара без проведения специальных исследований и мероприятий приводили к разрушению пароперегревателей. Причиной этих разрушений, как правило, является высокотемпературная хлористо-водородная коррозия, которая интенсивно протекает в газовой среде при наличии HCl. Содержание HCl в дымовых газах на выходе из котла может достигать 150-250 мг/нм3.

Высокая концентрация HCl обусловлена относительно большим содержанием хлора в исходных ТБО. Исследования, проведенные авторами, выявили, что содержание хлора на исходную рабочую массу ТБО г. Москвы достигает 0,37 %. При сжигании освоенных углей, содержащих не более 0,1 % хлора, на ТЭС России признаков хлористо-водородной коррозии не наблюдается. Однако по зарубежным данным угли, содержащие более 0,3 % хлора, относятся к так называемым «соленым» и при их сжигании необходимо принимать меры для борьбы с таким видом коррозии [4, 5].

В настоящее время установлено, что механизм газовой хлористо-водородной коррозии представлен в основном следующими реакциями [4]:

FeO+2HCl ^ FeCl 2 +H 2O;

NiO+2HCl ^ NiCl 2+H2O;

Fe+2HCl ^ FeCl 2 +H 2;

Ni+2HCl ^ NiCl 2 +H 2;

Fe 3 C+6HCl ^ 3FeCl 2 +(3H 2 +C);

Ni 3 C+6HCl ^ 3NiCl 2 +(3H 2 +C). Эти реакции особенно активно протекают при температурах стенки труб выше 350 °С, а при более высоких температурах пароперегреватель выходит из строя менее чем через 1000 ч работы [6]. Установлено, что причиной повреждения металла дренажной трубы пароперегревателя котла-утилизатора являются интенсивные коррозионные процессы с наружной и внутренней сторон трубы. Основные факторы, обусловившие эти процессы:

- высокая температура эксплуатации (температура стенки дренажной трубы превышала 550 °С);

-коррозионно-активная среда с наружной поверхности трубы, содержащая большое количество солей хлора, в основном хлористых калия и натрия.

В отложениях на наружной поверхности трубы содержание хлора составляло до 5,4 %, железа - около 24 %, натрия и калия - от 8,2 до 9,2 %. Хлор присутствует в виде солей калия и натрия.

К увеличению интенсивности коррозионных повреждений также приводит наличие в котле зон с восстановительным характером среды. В этом случае происходит разрушение оксидной пленки на поверхности металла и протекание следующих реакций:

4HC1+O 2 Fe+2C1- ^ FeC12

250-500°C

->4C1-

+2H2O;

4FeC12 +3O 2 ^ 2Fe2O3+8C1-

Состав обнаруженной смеси хлоридов

Эти реакции составляют каталитическую цепочку: на первой стадии происходит каталитическое окисление хлористого водорода до ионов хлора, на второй стадии образуется газообразное хлористое железо (II) БеС 12, на третьей -БеС 12 окисляется до оксида железа Бе203 и происходит регенерация хлора, который снова вступает в реакцию. По этой причине одной из первостепенных мер в борьбе с хлористо-водородной коррозией является поддержание исключительно окислительных условий среды во внутритопочном пространстве. Для этой цели необходимо поддерживать повышенные избытки воздуха а= 1,4-1,7, а также за счет оптимального его распределения не допускать образования локальных восстановительных зон вблизи поверхностей нагрева.

Однако как показал опыт эксплуатации, вышеприведенные реакции не являются исчерпывающими, так как зачастую с их помощью не удается спрогнозировать поведение металлов.

Специалисты до сих пор не пришли к единому мнению в точном теоретическом описании механизма рассматриваемого коррозионного процесса, который представляет собой сложный комплекс одновременно протекающих химических, физико-химических и термодинамических процессов, подверженных, ко всему прочему, действию большого количества влияющих внешних факторов. Это дает основание полагать, что для данного процесса будет достаточно сложно создать теоретическую модель. Такое положение наглядно демонстрируют данные зарубежных испытаний котельных сталей [7, 8]. По результатам экспериментов выяснилось несоответствие некоторых предварительных прогнозов коррозионной стойкости фактическому положению вещей. Так, некоторые высоколегированные стали вопреки ожиданиям показали очень низкую

устойчивость против рассмотренного вида коррозии (табл. 1). В то же время результаты различных испытаний имеют значительные расхождения значений интенсивности коррозии для одних и тех же сталей.

К настоящему моменту сформулированы лишь некоторые закономерности протекания хлористоводородной коррозии. В частности, как российские, так и зарубежные ученые сходятся во мнении, что значительно увеличивают скорость высокотемпературной хлористой коррозии, помимо упомянутых ранее температуры и восстановительной среды, процессы, происходящие в натрубных отложениях, которые особенно интенсивно образуются в установках, сжигающих ТБО.

СаС12 (772°)

Эвтектики

№С1 (800°)

(772°) КС1

Рис. 1. Диаграмма плавкости тройной системы КаС1-КС1-Са(С1)2 (линии ликвидус) Это связано с образованием в таких отложениях легкоплавких эвтектических смесей, преимущественно хлоридов щелочных металлов. Находясь при высоких температурах в виде расплавов, данные эвтектики

Таблица 1

Состав исследованных легированных сталей

Марка стали Содержание компонентов, %

C Si Mn Cr Ni Mo Nb Другие

10СгМо44 0,13 0,25 0,6 0,9 - 0,45 - -

10СгМо910 0,10 0,25 0,5 2,3 - 1,0 - -

Х20 0,20 0,25 0,5 11,25 0,55 1,0 - 0,3V

АС66 0,06 0,2 0,5 27 32 - 0,8 0,07Ce

ТР347Н (8Я40) 0,06 0,4 1,8 17,5 11 - 0,6 -

ТР310Н (3КЕ28) <0,03 0,5 1,75 25,4 21,4 - <0,7 -

Башсго 63 <0,03 0,4 0,4 21,5 64,9 8,5 3,3 Fe=1

могут многократно увеличить скорость коррозионных процессов по сравнению со скоростью коррозии, которая определяется взаимодействием только дымовых газов и металла труб.

В результате исследований состава отложений, взятых с реально работающего пароперегревателя, была обнаружена смесь хлоридов, по составу близкая к эвтектической. Состав обнаруженной смеси показан на диаграмме плавкости (ликвидус) тройной системы NaC l -KC l -Ca(C l) (см. рис. 1).

Наличие легкоплавких солевых смесей в составе натрубных отложений также подтверждают результаты коррозионных испытаний, проведенных компанией «Foster Wheeler» с целью разработки конструкции высокоэкономичного и надежного парового котла с ЦКС для сжигания биотоплива [7]. Результаты коррозионных испытаний для стали X20CrMoV121 (11 % Cr) при разных температурных условиях и топливах, состав которых представлен в табл. 2, показаны на рис. 2.

Таблица 2

Элементный состав топлив, используемых в коррозионных испытаниях [5]

Содержание на сухую массу, % Топливо 1: отходы лесозаготовок Топливо 2: измельченная древесина Топливо 3: сортированные отходы

A 5,7 2,65 7,65

С 49,0 49,3 47,3

H 5,56 5,87 5,83

N 0,43 0,9 0,61

S 0,04 0,07 0,25

O 39,3 41,1 38,7

Ca 1,14 0,57 2,09

Cl 0,02 0,13 0,28

£

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 * 0,1 0

300 340 380 420 460 500 540 Температура поверхности металла, °С

580

Рис. 2. Результаты коррозионных испытаний котельной стали X20CrMoV121(11 %) при сжигании различных видов топлива: 1 - 0,02 % И1, 1 0 мг/м HCl в дымовых газах; 2-0,1 % И1, 100 мг/м HCl в дымовых газах;

3 - 0,3 % И1, 500 мг/м HCl в дымовых газах

По мнению исследователей «Foster Wheeler» ключевым фактором, вызывающим значительные коррозионные повреждения, считается интенсивное образование на поверхности металла отложений, содержа-

щих различные эвтектические смеси солей (преимущественно хлоридов). Исходя из этого, отсутствие отложений на поверхности труб должно повысить надежность работы пароперегревателя. На основании результатов исследований была создана конструкция котла с ЦКС с внутрикотловым сепаратором твердых частиц и кондуктивным слоевым пароперегревателем последней ступени типа INTREXТМ. За счет того, что ступень пароперегревателя INTREXТМ находится внутри кипящего слоя, ее поверхности нагрева подвержены постоянной эрозионной очистке от отложений. При этом интенсивность кондуктивного теплообмена между частицами слоя и поверхностью INTREXТМ достаточно велика. Имеющийся опыт эксплуатации таких котлов показал эффективность рассмотренных выше технических решений.

Приведенный пример обоснования конструкторских решений, как и многие другие за рубежом, показал, что на сегодняшний день экспериментальные исследования являются одним из самых корректных способов изучения закономерностей высокотемпературной хлористо-водородной коррозии. В частности, эксперимент дает возможность выбрать наиболее стойкую к коррозии котельную сталь непосредственно для заданных условий. Также уже на стадии предметных экспериментальных исследований будет возможно спрогнозировать срок службы котельной поверхности нагрева и таким образом оптимизировать межремонтные периоды и стоимость материла, из которого поверхность нагрева будет изготовлена.

В последние годы за рубежом при поддержке крупных мировых энергомашиностроителей уже проведена серия исследований высокотемпературной хлористо-водородной коррозии для некоторых видов котельных сталей и условий сжигания. В основном, речь идет о сталях, применяемых за рубежом, и условиях сжигания биомассы (как правило, древесины) или совместно биомассы и угля.

Экспериментальные исследования с используемыми в России марками котельных сталей до настоящего времени не проводили. Следует отметить, что при эксплуатации энергоустановок, сжигающих биомассу и особенно ТБО, в газовом тракте котла-утилизатора будут иметь место достаточно специфичные условия, обусловленные особенностями морфологического, фракционного и элементного составов российского биотоплива.

С учетом большого научного и практического значения экспериментального изучения данного вида коррозии авторами проводятся стендовые исследования в этом направлении. Для этих целей реконструирована стендовая установка по исследованию закономерностей высокотемпературной газовой коррозии поверхностей нагрева энергетических котлов, которая ранее использовалась для исследования механизмов сероводородной коррозии НРЧ, ванадиевой коррозии, а также для исследования антикоррозионных свойств защитных покрытий и сихромалевых ошиповок. Модернизированная установка состоит из топочного устройства, где генерируется газовая среда заданного

состава, и термостатированной камеры, куда подаются газы из топочного устройства и где помещаются исследуемые образцы котельных сталей (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема стендовой установки ВТИ по исследованию закономерностей высокотемпературной газовой коррозии поверхностей нагрева котлов

Создаваемые в камере условия позволяют моделировать коррозионные процессы, характерные для установок, сжигающих ТБО. Также реконструкцией предусмотрена возможность проведения коррозионных испытаний образцов в заданной газовой среде под слоем отложений. На сегодняшний день ведутся экспериментальные исследования и накапливается статистический материал, необходимый для выявления механизмов и особенностей рассматриваемого

процесса. В результате, полученные данные позволят разработать технические, конструктивные и режимные мероприятия по борьбе с хлористо-водородной коррозией при создании современных энергетических установок, сжигающих ТБО.

Литература

1. Тугов А.Н., Пурим В.Р. Твердые бытовые отходы - топливо для ТЭС малой мощности.// Аква-терм. 2001. № 7.

2. Тугов А.Н., Эскин Н.Б., Литун Д.С. Проблемы энергетического использования твердых бытовых отходов и внедрение разработок ВТИ на мусоросжигательных заводах // Электрические станции. 1996. № 7.

3. Dr. Ir. F. K. van Dijen. New initiatives on Municipal Solid Waste incineration (MSWI) in the Netherlands// VGB Power Tech. Int. Ed.. 2003. № 7.

4. Larry Baxter, Jaap Koppejan. Co-combustion of Biomass and Coal. EuroHeat&Power // English Edition. 2004. № 1.

5. Kerr-McGee. Low corrosivity of coal chlorine/ Coal Corp, Consol Inc, 1996.

6. Беньямовский Д.Н. Термические методы обезвреживания твердых бытовых отходов. М., 1979.

7. Dr. P. Makkonen. Corrosion tests in combustion of recovered fuels in a modern CFB boiler// VGB Power Tech. Int. Ed. 2003. № 8.

8. Graham E. Moores and Bernard M. Gibbs. The effects of trace metals on fireside corrosion in coal and waste fired plant, Department of Fuel and Energy, University of Leeds, Leeds LS2 JT, UK, 1996.

6 февраля 2006 г.

Всероссийский теплотехнический институт, г. Москва

УДК 621.311.22:66.045

ХАРАКТЕРИСТИКИ БАШЕННЫХ ГРАДИРЕН ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

© 2006 г. Г.М. Борисов, С.В. Скубиенко

Башенные «мокрые» градирни с естественной тягой (далее градирни) нашли широкое применение в теплоэнергетике, прежде всего на отечественных ТЭЦ. Градирни являются одним из важнейших элементов вспомогательного оборудования тепловых электростанций и оказывают значительное влияние на их технико-экономические показатели.

Состояние и эффективность работы градирен в системах оборотного водоснабжения ТЭЦ проявляются, прежде всего, в ограничениях по располагаемой мощности паротурбинных установок и в работе их с повышенным вакуумом. Это происходит в летний период и при значительной конденсационной выработке турбинами.

Градирня является теплообменным аппаратом, в котором отвод тепла от циркуляционной воды осуществляется в атмосферный воздух, а охлаждение воды

происходит за счет частичного ее испарения и за счет конвекции [1]. Основным показателем, характеризующим работу градирни, является снижение температуры охлаждающей воды

Д4 = 42 — 4ь

где ¿в2 - температура воды, поступающей в градирню, и после градирни /в1.

Охладительная способность градирни зависит от метеорологических параметров. Поэтому, при определенной /в2 и при расходе воды Gв, поступающей в градирню, в зависимости от метеорологических параметров: температуры наружного воздуха 0; относительной влажности воздуха ф; скорости ветра w -устанавливается определенная температура воды на выходе из градирни /в1. Таким образом, в градирне вода охлаждается на величину Дв с отдачей в окру-