Пылеугольное топливо для получения тепловой и электрической энергии используется уже более полувека. Но для его воспламенения и дальнейшего сжигания в определенном режиме необходимо довести температуру котла до нужного уровня. До недавнего времени это достигалось при помощи дорогостоящего и вредного для окружающей среды топочного мазута. Сегодня в развитых странах применяются современные плазменно-топливные технологии. Такие системы разрабатывают и пытаются внедрять специалисты Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН.

Расход мазута на российских теплоэлектростанциях составляет около 1 млн тонн в год стоимостью более $2,5 млрд. Если оценивать расходы на собственные нужды энергообеспечения ТЭС, то затраты на мазутное хозяйство составляют примерно 5%, а на плазменные технологии — от 0,5 до 1%, то есть почти на порядок меньше. Для сокращения затрат на топливную составляющую при производстве электроэнергии на ТЭС России специалисты предложили отказаться от дорогостоящего мазута при растопке котлов и перейти на использование угольной пыли, которую можно воспламенить с применением плазменной безмазутной технологии.

Данная технология основана на термохимической подготовке к сжиганию пылеугольного топлива с помощью электрической дуги плазмотрона. Через электрическую дугу продувается под давлением поток воздуха, образующий плазму. Взаимодействуя с потоком аэросмеси, он нагревает его, способствуя выделению летучих веществ и последующему воспламенению угольной пыли. Первые опыты по внедрению такой системы были проведены ещё в 1994 году на Гусиноозерской ГРЭС.

Китайские пророки в нашем отечестве

В России и на постсоветском пространстве плазмотроны постоянного тока и высокой мощности не получили распространения в энергетическом секторе в связи с их высокой стоимостью и большим сроком окупаемости. Технология плазменного воспламенения начала активно развиваться уже после приватизации предприятий энергетического сектора. Инновации в энергетику предполагают срок окупаемости от 5 до 10 лет, что совершенно не подходит для большинства частных инвесторов в России и во многих других странах. Однако в Китае технология плазменного воспламенения угля используется на 45% пылеугольных ТЭС. Первые испытания плазменной безмазутной растопки котла в Китае в 1995 году были проведены главным научным сотрудником КазНИИ энергетики Владимиром Мессерле.

Инновация возрастом 30 лет

Впервые плазмотроны постоянного тока для растопки котлов и подсветки пылеугольного факела разработали и внедряли на ТЭС еще советские учёные — академик Михаил Жуков и доктор технических наук Владимир Мессерле, который в настоящее время работает профессором в Казахском национальном университете им. аль-Фараби и руководит лабораторией плазмохимии Института проблем горения. В конце 1990-х и начале 2000-х годов учёный разрабатывал и налаживал работу мощных плазмотронов постоянного тока на ТЭС Казахстана, России, Украины, Монголии, Китая, Кореи, Словакии и Сербии. Ему принадлежит целый ряд открытий в этой области. В частности, Владимир Мессерле предложил использовать пропан-бутановую смесь для подачи в межэлектродное пространство плазмотрона для увеличения ресурса работы электродов. При этом образовывался наноструктурированный защитный композитный слой, который осаждался на электродах. Подобные разработки делали технологию более надёжной, защищая электроды плазмотрона от эрозии и высоких температур.

За последние десятилетия технология плазменного воспламенения угля получила большое развитие во всём мире, и сегодня плазмотроны постоянного тока мощностью 250, 300 кВт и более широко и успешно применяются в Китае и США. Сейчас к пылеугольному топливу постепенно возвращается и Европа в связи с возникшим газовым кризисом.

Суть плазменной технологии состоит в нагреве смеси воздуха и угольной пыли до температуры от 900 до 1300°С, в зависимости от качества угля. Раскалённая пылеугольная смесь образует двухкомпонентное высокореакционное топливо, состоящее из горючего газа и коксового остатка. Когда эта смесь поступает из горелки в котел, то при взаимодействии с окислителем — потоком вторичного воздуха — происходит ее самовоспламенение.

«Технологии с использованием мазута не только очень дорогие, но и вредные, и всем давно понятно, что от них надо уходить. При совместном сжигании мазута и угля образуются вредные оксиды азота, серы и ванадия, которые затем выбрасываются в атмосферу вместе с дымовыми газами. В связи с ростом цен на мазут традиционная растопка котлов сегодня рискует оказаться на грани окупаемости,— комментирует текущую ситуацию на энергетическом рынке старший научный сотрудник Института теплофизики СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Бутаков.— Плазмотроны намного экономичнее и так же, как мазут, осуществляют нагрев топлива до нужной температуры, но без вреда для экологии и без применения дополнительных высокореакционных топлив (мазута, дизельного топлива и природного газа). Мы в Новосибирске используем небольшие плазменные горелки, с помощью которых пылеугольное топливо нагревают до состояния, когда оно горит в котле самостоятельно. Впрочем, при высокой зольности угольное топливо требует большего нагрева, так что маломощные плазмотроны переменного тока лучше использовать для высокореакционных сибирских бурых углей».

Фактически технология была скопирована и освоена энергетиками Китая методами так называемого обратного инжиниринга. Этими словами описывается закупка готовой установки в качестве образца, после чего она полностью разбирается, изучается, патентуется заново и налаживается ее производство. Российские физики смеются, что у нас в стране прародители этого метода отлично понимают все нюансы плазменной технологии воспламенения и сжигания угля, но в энергетический сектор промышленности за 20 лет она так и не попала. А в Китае никто не интересуется научными основами функционирования таких систем, зато они оснастили плазменно-топливными системами практически полстраны. Более того, в начале 2000-х китайские производители плазмотронов уже под своими патентами поставляли эти системы в Россию, Корею, Индонезию и другие страны.

Советская технология скопирована в Китае методами обратного инжиниринга

В Сибири вместо факельного сжигания в мощных плазмотронах сегодня активно развивается ее мини-аналог — силовая электроника небольшой мощности, которая в десять раз доступнее по цене и проще в обслуживании. Дорогостоящим инновациям на своих предприятиях собственники предпочли небольшие плазменные горелки переменного тока мощностью всего 10–20 кВт. Сотрудники высокотехнологичной компании КОТЭС не изобретали колесо, а решили, что маленькая плазменная дуга, как у сварочного аппарата,— отличная зажигалка для угольного топлива. Специалисты, которые работали с плазмотронами постоянного тока, так и называют эти устройства «зажигалками».

Принципиальное строение плазмотрона настолько простое, что сам по себе как сердце технологии он даже не подлежит патентованию, поскольку представляет собой два электрода с переменным напряжением, между которыми периодически возбуждается электрический разряд. Однако в плазменной горелке в комплексе со всем остальным оборудованием он может быть представлен в принципиально разных схемах, которые являются решающими для успеха технологии эффективной безмазутной растопки котлов. Здесь уже играет роль и автоматика, и аэродинамика процесса, и теплообмен в вихревых потоках угольной пыли — все эти исследования учёные Института теплофизики произвели на специально созданном экспериментальном стенде. Первую плазменную горелку специалисты готовили для ТЭЦ-10 в Ангарске по заказу «Сибтехэнерго». Она была опытным образцом и заменяла лишь одну из десяти мазутных форсунок.

Самая консервативная отрасль экономики

Такие осторожные попытки легко объяснимы: угольная энергетика, в отличие, например, от автотранспорта, это очень консервативное направление экономики. И дело здесь не только в инвестициях. Любая авария на ТЭС сопряжена с массовыми отключениями потребителей от электричества и тепла. Снаружи компании такие «опыты» приводят к крупным штрафам, а внутри — к кадровым перестановкам. В целом инновация работала неплохо, но иногда слишком сильный поток угольной пыли сдувал электрическую дугу с электродов, и разработка продолжилась. В отсутствие опытных предприятий и специализированных отраслевых институтов, которые были массово закрыты в постсоветский период, все эти работы выполнялись сначала на лабораторных стендах, а затем — сразу непосредственно на промышленных объектах. Плазмотрон был переставлен внутри горелки подальше от центрального потока воздушно-угольной смеси, чтобы она не проходила сквозь него. Это решило и проблему сдувания электрической дуги, и проблему оседания абразивной пыли на электродах, что существенно уменьшало срок их службы.

Однако инновационный потенциал энергетической компании к тому времени был совершенно исчерпан, и в Ангарске на ТЭЦ-10 так и остался мазутный розжиг. Тогда главный инициатор плазменной технологии продолжил работу с новосибирскими учеными из Института теплофизики СО РАН. Следующим объектом для энергетических инноваций стала ТЭЦ-3 в Новосибирске. Горелка состоит из электродных блоков, муфельной части, высоковольтных кабелей и высокочастотных источников питания. Поток подачи угольной пыли стал вихревым, улучшилась автоматика, увеличилось количество плазмотронов в горелке, появилась более тонкая настройка напора воздуха на подаче.

Вихревая подача топлива и турбулентные потоки внутри горелки образуют обратное течение пылеугольной смеси в центре вихря, что дает возможность частицам угля дольше задерживаться в зоне высоких температур для их превращения в высокореакционное топливо — начало выделения легко воспламеняющихся газов. Физика горения топлива и аэродинамика его подачи в котел имеют первостепенное значение для экономики всего процесса. Чтобы внедряемое оборудование было рентабельным, оно должно обеспечивать полное и равномерное выгорание каждой частицы топлива, при этом увеличивается теплоотдача и уменьшаются вредные выбросы в атмосферу. Кроме того, при длительном недожоге топлива частицы угля скапливаются на фильтрах, очищающих выбросы, и начинают «парить», то есть выделять взрывоопасный газ. Этот процесс может приводить к взрыву и авариям на ТЭЦ.

Сибирские плазмотроны предпочитают местный уголь

«Внедрение научных технологий с тонкой настройкой в существующих котельных представляет большую проблему,— говорит старший научный сотрудник Института теплофизики СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Бутаков.— Даже если мы приняли решение, что для улучшения процесса горения нужна однородная смесь, например, из трёх видов угля, мы все равно не можем замешать их в определённых пропорциях, поскольку речь идёт не о лабораторной установке, а о десятках тонн угля, которые смешивает и нагребает бульдозер».

Использование угольных смесей — это очень актуальное направление при производстве топлива. Для обеспечения равномерного горения применяют как уголь хорошего качества, так и уголь с высоким содержанием золы, чтобы получить более дешевую смесь не очень высокого качества, которая при определенных режимах горения все же отвечает всем параметрам теплоотдачи и ограничений по уровню выбросов. Чем выше зольность угля, тем выше температура его розжига. Но если разные угли плохо смешались и идут поочередно порциями, то в котле может произойти погасание факела. Плазмотрон решает такие проблемы подсветкой пылеугольного факела, повышая температуру в зоне его затухания.

«Мы давно сотрудничаем с Институтом теплофизики, проводим совместно с учёными испытания по воспламенению и сжиганию различных сортов углей,— подтвердил Дмитрий Кочергин, ведущий инженер отдела внедрения инновационных технологий "КОТЭС Инжиниринг".— Уже протестировали безмазутный розжиг лигнитов, бурых углей. В ближайших планах — работа с каменными, длиннопламенными, высокозольными углями. Затем примемся за тяжелые угли Экибастузского разреза и антрацит».

При факельном сжигании нет никаких проблем сжигания тяжелых энергетических каменных углей, поскольку их структура разрушается при 1300–1400°С в термической плазме. Однако плазмотроны переменного тока обеспечивают температуру не выше 1000°С, при которой разлагаются только высокореакционные легкие бурые угли, например, канско-ачинские. Основной недостаток плазмотронов малой мощности состоит в том, что они не могут разжечь каменный уголь или смеси с ним. Приходится ставить на один котел сразу несколько плазмотронов, до десяти и более штук, в зависимости от мощности котла, или подогревать котел дополнительными способами, например, тем же мазутом, что опять приводит к увеличению расходов. Впрочем, в Сибири довольно много высокореакционного бурого угля, поэтому шансы на успешное внедрение плазменной технологии в этом регионе неплохие.

Как и любое топливо, пылеугольная смесь горит только при участии окислителя. В идеале это мог бы быть кислород, но такая технология слишком трудоёмкая, поэтому используется обычный воздух. Поток воздуха работает и как смеситель угольной пыли, и как окислитель для ее горения. Для полного сжигания одного килограмма угля с высоким КПД необходимо пропустить через горелку с плазмотроном около шести кубометров воздуха. Но из-за неравномерного смешивания в некоторых местах может совсем не быть воздуха, а концентрация пыли, наоборот, выше, и там происходит затухание пылеугольного факела. Чтобы этого не случилось, в горелке ставят дополнительный плазмотрон для поддержания высокой температуры, а воздух с углем подают частями — сначала 20–30%, затем остальные 70–80%. В ручном режиме и промышленных объёмах топлива тонкая настройка невозможна. Эту задачу специалисты Института теплофизики планируют возложить на нейросети.

Текст: Мария Роговая.
Источник: «Коммерсантъ.Наука».