Совместное сжигание природного газа и угля в котлах

Меняющиеся рыночные условия все чаще вынуждают многие заводы находить новые методы работы, чтобы они оставались чистыми, эффективными и экономически жизнеспособными

Во всем мире растет интерес к устойчивому обеспечению надежными и недорогими источниками энергии. Это все чаще побуждает генерирующие предприятия изучать альтернативы ископаемому топливу, которое традиционно обеспечивало большую часть выработки электроэнергии.

Многие зарубежные развитые и развивающиеся страны продолжают полагаться на уголь в преобладающей степени, относительно своего энергетического баланса. В некоторых странах угольная энергетика работает на все более неопределенном рынке и сталкивается с острой конкуренцией со стороны других форм производства, таких как природный газ, атомная энергия и возобновляемые источники энергии.

Исходя из этого, операторы угольных электростанций продолжают искать пути повышения эффективности и продления срока службы своих установок, часто за счет повышения эксплуатационной гибкости и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду.

Это может быть достигнуто различными способами. Одним из вариантов, вызывающим интерес у некоторых энергетических компаний, является использование природного газа в угольных котлах. Это позволит избежать проблем с непостоянством возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, но, безусловно, сохранит некоторые недостатки, связанные с ископаемым топливом в целом.

Генерация как на угле, так и на газе имеет жизненно важное значение для питания многих развитых и развивающихся стран мира. И то, и другое используется для обеспечения безопасной и бесперебойной подачи электроэнергии, необходимой для того, чтобы экономика и общество могли развиваться и процветать.

В некоторых странах уголь обеспечивает большую часть энергии, тогда как в других преобладает газ. Тем не менее, есть много случаев, когда национальная энергетическая структура включает комбинации этих двух сырьевых источников. Каждый из них имеет свои хорошо документированные преимущества и недостатки, но в последние годы наблюдается растущий интерес к средствам, с помощью которых эти два вида топлива могут быть объединены экологически безопасным и экономически эффективным способом.

Хотя электростанции, работающие на угле, во многих странах уже используют природный газ для запуска оборудования и собственного обогрева, используемые количества часто весьма ограничены. Для обеспечения надежной работы, необходима постоянная гарантированная доступность газа. Этого можно добиться не везде.

Но с какой стати оператор завода хочет закупать газ в больших количествах? Какие выгоды это может дать? Как отмечалось ранее, меняющиеся рыночные условия все чаще вынуждают многие заводы находить новые методы работы, чтобы они оставались чистыми, эффективными и экономически жизнеспособными.

Замена части подачи угля газом и сжигание их вместе в парогенераторной установке может помочь повысить как топливную, так и эксплуатационную гибкость, что жизненно важно в сегодняшних, зачастую сложных условиях рынка электроэнергии.

Во многих странах природоохранное законодательство продолжает вводить требования для снижения уровня SO₂, NOₓ, твердых частиц, ртути и, в последнее время - CO₂. Все чаще операторы сталкиваются с дилеммой, что делать со своими заводами. Чтобы не вкладывать средства в модернизацию оборудования для контроля выбросов, они могут решить просто закрыть предприятие по экономическим причинам.

Например, многие заводы в США, в настоящее время находятся именно в такой ситуации. Если финансы позволяют, оператор может выбрать полное преобразование на 100% сжигание природного газа, но это может быть слишком дорого или непрактично.

В качестве альтернативы, должна быть возможность модифицировать установку так, чтобы в нее можно было добавлять природный газ, помогая поддерживать ее в рабочем состоянии. Сжигание газа представляется многообещающим вариантом по крайней мере для некоторых существующих угольных электростанций, и ряд генерирующих предприятий уже рассматривают преобразование или даже находятся в этом процессе, что позволяет им продолжать работать с использованием смеси угля и природного газа.

Важно отметить, что некоторые преобразования позволяют варьировать отношение угля к газу, обеспечивая полезную степень гибкости с точки зрения подачи топлива и работы установки.

Потенциально, газ может быть добавлен в существующую систему несколькими способами. Некоторые заменяют часть основного угольного сырья, тогда как другие используют газ в качестве средства для минимизации таких выбросов, как NOₓ.

Некоторые из главных достоинств использования газа в угольных котлах включают в себя:

- Возможная адаптация / повторное использование существующей инфраструктуры и систем управления. Многие угольные электростанции уже используют природный газ в качестве пускового или резервного топлива, поэтому необходимая инфраструктура и системы управления для подачи газа в котел, вероятно, уже на месте;

- Улучшенная топливная гибкость. Устраняется полная зависимость от одного источника топлива. Если возникает проблема с наличием одного топлива, установка может поддерживать работу, переключаясь на другое. Аналогичным образом, можно противостоять росту цен на любое топливо, изменяя коэффициент потребления;

- Экономия затрат может быть достигнута путем переключения на самое дешевое топливо в необходимое время. Также появляется возможность переключиться на более дешевые угли без риска потери мощности;

- Некоторые усовершенствования по контролю за выбросами могут быть сокращены по объему, задержаны или отменены в зависимости от качества угля, предполагаемого уровня сжигания газа и нормативно-правовой среды;

- Улучшенная эксплуатационная гибкость. Совместное включение может сократить время прогрева, позволяя подключить устройство к сети быстрее, чем не модифицированный эквивалент, а также обеспечивает более быстрое наращивание мощности. Более быстрый запуск может помочь минимизировать пиковые выбросы, иногда возникающие на этом этапе;

- Совместное сжигание может обеспечить значительное снижение достижимой минимальной удельной нагрузки, что является важным фактором для многих угольных электростанций. Кроме того, благодаря выделению значительного количества газа, в условиях низкой нагрузки, можно поддерживать минимальную рабочую температуру устройства селективного каталитического восстановления (если таковое имеется);

- Меньшая пропускная способность угля уменьшит износ измельчителей и систем обработки угля, а также сократит связанные с этим расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание;

- Снижение пропускной способности угля приводит к уменьшению количества твердых и жидких растительных отходов. Снизится количество золы, уменьшится количество отходов мельницы и прочего, произойдет экономия затрат на их переработку и утилизацию;

- Выбросы в атмосферу будут пропорционально ниже. Затраты на эксплуатацию систем экологического контроля, вероятно, будут ниже. При наличии систем контроля ртути потребуется меньше активированного угля.

Когда предполагается переход на совместное сжигание, должны быть рассмотрены различные технические вопросы. Например, вероятны значительные воздействия на теплообмен внутри котла. Характеристики теплопередачи пламени природного газа и угля заметно различаются и, в некоторых случаях, оригинальные поверхности теплообмена могут быть недостаточными для эффективного сжигания природного газа.

Если соответствующие меры не будут приняты, могут возникнуть проблемы с металлическими узлами и основные компоненты оборудования предприятий могут стать ненадежными.

Будущие перспективы

Стоимость выработки электроэнергии из угля или газа может быть одинаковой. Но даже незначительные изменения в цене на топливо могут привести к значительным колебаниям себестоимости, и это может создать рыночные возможности для генерирующих компаний, имеющих, как газовые активы, так и угольные.

Совместное сжигание может стать возможным вариантом, позволяющим ценообразованию и рыночным условиям влиять на выбор. Замена части угля на газ считается вариантом с низким уровнем риска, позволяющим генерирующим предприятиям лучше соответствовать меняющимся требованиям рынка.

Добавление газа на угольных электростанциях дает генерирующим предприятиям возможность быстрого реагирования на изменение нагрузки, но сохраняет способность сжигать дешевый уголь. В странах, где спрос на электроэнергию колеблется, электростанции, которые способны быстро адаптироваться, чтобы соответствовать пикам и спадам, а также снижать мощность в периоды низкого спроса, с большей вероятностью будут прибыльными.

Совместное сжигание может обеспечить значительную экономию топлива и эксплуатационные расходы. Многие угольные электростанции были построены в эпоху, когда уголь был дешевым, давление на окружающую среду было низким, а конкуренция со стороны других генерирующих источников была ограниченной.

В настоящее время ожидается, что многие из этих станций будут работать в режимах без базовой нагрузки, для которых они не предназначены. Они должны адаптироваться и развиваться, чтобы выжить в долгосрочной перспективе, и способность работать на топливе, для которого они не были изначально рассчитаны, станет важным компонентом для этого.

Источник: Стивен Миллс, Объединение солнечной энергии с угольными электростанциями или сжигание природного газа, Чистая энергия, Том 2, Выпуск 1, июнь 2018 года, страницы 1–9, https://doi.org/10.1093/ce/zky004