1

Інститут теплоенергетичних технологій Національної академії наук України

Проблеми та технології термічної переробки палив в енергетичних установках ТЕС та ТЕЦ

Засідання Президії НАН України

22.02.2023р

​

д.т.н., проф. Н. І. Дунаєвська

2

Динаміка видобутку енергетичного вугілля

в Україні по групах марок

3

Розрахунок вигоряння вугілля та паливних сумішей в умовах пиловугільного факелу на основі кінетичних характеристик піролізу і горіння вугілля та біомаси

Розрахунок схильності вугільного пилу

до самозаймання та вибуху

Виготовлення однорідних паливних сумішей із заданими характеристиками

Залежність питомої швидкості горіння від температури для пиловидних частинок

(d = 50 мкм) газового вугілля і антрациту

Оцінка безпечності пилоприготування газового вугілля за критеріями виходу летких речовин та зольності

Приклад щільності розподілу значень V^daf у точкових пробах суміші антрациту з газовим вугіллям

Приклади результатів досліджень в області термічної переробки твердих палив

4

Приклади впроваджених розробок ІТЕТ НАН України для вугільної енергетики у 2014-2021 рр.

• Технологічні рішення зі спалювання імпортних палив з непроектними характеристиками (Трипільська, Зміївська ТЕС, Дарницька, Чернігівська, Сумська ТЕЦ)

• Виготовлення і спалювання на існуючих котлоагрегатах суміші антрациту з 30-35% вітчизняного газового вугілля (Зміївська, Криворізька, Слов'янська ТЕС)

• Переведення антрацитових котлоагрегатів на спалювання газового вугілля з максимальним або повним використанням існуючого обладнання (Миронівська ТЕЦ, Трипільська ТЕС)

В результаті впровадження розробок ІТЕТ НАН України до початку 2022 року:

• вітчизняним та імпортованим газовим вугіллям заміщено понад 15 млн. т антрациту;
• зекономлено понад 500 млн. м³ природного газу на підсвічування пиловугільного факелу;
• економічний ефект від скорочення витрат на реконструкцію, зменшення недопалу, витрат газу та витрат на власні потреби перевищив 2,3 млрд. грн.

Енергетична стратегія України до 2035 року, 2017

5

Проект Плану відновлення України Національної ради з відновлення, 2022

6

Приклади досліджень та розробок ІТЕТ НАН України в напрямках безвуглецевої

і “чистої” енергетики

• Технічні рішення зі спільного спалювання біомаси та/або торфу з вугіллям в існуючих котлоагрегатах ТЕС з метою диверсифікації джерел палива, зменшення викидів оксидів азоту та парникових газів

• Технічні рішення з переведення антрацитових та газомазутних котлів промислових ТЕЦ на спалювання газового вугілля, пелет або відходів біомаси та їх сумішей

• Теплогенератор для технологічної лінії сушіння гідролізного лігніну, що працює за рахунок спалювання частини одержаного сухого продукту

• Технологічні рішення для одержання газу з вмістом водню понад 80% та метану понад 10% з суміші відходів пластику та деревини методом каталітичної газифікації

• Технічні рішення з використання амонійних сполук для комплексного безвідходного очищення димових газів від оксидів сірки та азоту з утворенням сульфату амонію, який використовується як добриво

• Технології вироблення та термічної переробки палива з відходів (RDF) для генерації тепла та електроенергії

7

Результати Нового енергетичного ринку (з 1 липня 2019)

та прискореного переходу на “безвуглецеву” енергетику в Україні

Швидке збільшення частки генерації з відновлюваних джерел, нездатних до регулювання, потребувало збільшення регулюючого діапазону енергоблоків понад проектний.

Натомість в новому ринку електроенергії відповідної компенсації для регулюючої генерації не було передбачено.

Це поставило вугільну генерацію та вугільну промисловість у скрутне фінансове становище, позбавили можливості інвестицій у модернізацію обладнання.

Окупація основних генеруючих потужностей і шахт України на 14.02.2023

Стан енергоблоків ТЕС України на 14.02.2023

9

В окупації на даний момент знаходяться:

Вуглегірська ТЕС Старобешівська ТЕС Запорізька ТЕС

Луганська ТЕС

Зуївська ТЕС

Миронівська ТЕС

Причини непрацездатності енергоблоків:

Консервація внаслідок фізичного зношення

Простій внаслідок відсутності проектного палива

Аварійні ремонти внаслідок ворожих обстрілів

Капітальні ремонти та аварійні ремонти внаслідок технологічних порушень

10

• Аналіз фізико-хімічних, петрографічних та технологічних характеристик запропонованих до постачання в Україну палив зарубіжного походження
• Визначення допустимих меж їх відхилення від проектних для існуючих котлоагрегатів ТЕС і ТЕЦ
• Розроблення способів їх безпечного і ефективного спалювання в чистому вигляді та у складі сумішей з вітчизняним вугіллям

Експертиза

Пропозиції поставок (Австралія, Колумбія, Іспанія, ПАР, Польща, Казахстан, Індонезія)

Поставки (Колумбія, Австралія, Польща, Казахстан)

Виготовлення сумішей оптимального складу

Вітчизняне вугілля

Рекомендації щодо оптимального складу сумішей

Відхилені пропозиції

Спалювання імпортованого вугілля та вугільних сумішей: ТрипільськаТЕС, Зміївська ТЕС, Черкаська ТЕЦ

Технічні рішення з безпечного пилоприготування та ефективного спалювання

Характеристики, що відрізняються від проектних для існуючих котлоагрегатів:

• високий вміст інертиніту у вугільній речовині
• низька розмелоздатність
• підвищений вміст вологи
• тугоплавка зола, порушення умов рідкого шлаковидалення з топки
• понижений вихід летких речовин, погіршені умови займання пилу в факелі
• збільшений вихід летких речовин та/або низька зольність, висока вибухоздатність пилу

11

Роботи ІТЕТ НАН України з наукового супроводу функціонування

вугільної енергетики України у воєнний час (2022)

12

Проаналізовано сукупність чинників термічних розривів екранних труб пиловугільних котлоагрегатів з надкритичними параметрами пари та з перетиском топки при роботі на непроектних паливах і на нижній межі регулювання навантаження, визначено вплив найбільш критичних з них,

розроблено та впроваджено заходи заходи з їх усунення на котлах блоків 300 МВт Трипільської ТЕС, що сприяло підтриманню критичної інфраструктури енергозабезпечення в умовах воєнного стану

Особливість конструкції топки

Збільшений тепловий потік над перетиском

Додаткове збільшення теплового потоку

Перегрів екранних труб

Неоптимальний топковий процес

Затягування факелу за межі передтопка

Особливості непроектного палива

Спрацювання плівки застиг-лого шлаку

Робота на понижених навантаженнях

Зменшення швид-кості середовища в трубах

Зменшення коефіцієнту тепловіддачі від стінок до середовища у всіх або в окремих трубах

Робота на ковзному тиску. Виникнення зон кипіння

Запирання потоку середовища пузирями пари

Порушення водно-хімічного режиму

Збільшення внутрішніх відкладень

13

Розроблено наукове підґрунтя та технічні рішення з переведення на газове вугілля трьох антрацитових котлоагрегатів Дарницької ТЕЦ з максимальним використанням наявного обладнання до початку опалювального сезону, що стало важливим чинником підтримання критичної інфраструктури енерго- і теплозабезпечення в умовах повномасштабної агресії РФ

• В якості основного технічного рішення для переведення котлів ТП-15, ТП-47 на газове вугілля з дотриманням норм безпечної експлуатації пилосистем обрано збереження сушки і транспорту пилу гарячим повітрям зі зниженням його температури до безпечної межі та зменшенням діаметру пилопроводів для запобігання заляганню пилу.
• Технологія пиловидного спалювання з рідким шлаковидаленням, котли та пальникові пристрої при цьому залишились без змін, що дозволило ввести котли в експлуатацію до початку зими.
• Утворений резерв теплового балансу в топці дозволяє розширити діапазон регулювання навантаження, ефективно спалювати вугілля з пониженою калорійністю або зарубіжне вугілля з тугоплавкою золою.

Сценарії глобального попиту на енергію в тепловій та електроенергетиці за видами палива, ексаДжоуль (10¹⁸ Дж)�(Міжнародне енергетичне агентство, 2022 р. - WEO2022)

14

Сценарії майбутнього використання вугілля�(Міжнародне енергетичне агентство, 2022 р. - WEO2022)

15

2021 5 640 млн. т в.е.

Сценарій “чистих нульових викидів”

Факт 2021 р.

Сценарій

“оголошених обіцянок”

Сценарій

“заявленої політики”

Розроблення технічних рішень та способів їх реалізації для конструювання нових високоефективних котельних установок на супернадкритичні параметри пари (СНКП)�

1. Розроблено ескізний проект нової конструкції котла СНКП 28 МПа /600 °С/600 °С для енергоблоку 300 МВт, призначеного для спалювання вугілля марки ДГ-100 в режимі твердого шлаковидалення. Орієнтовна ціна його 65000000 $. У пострадянських країнах таких аналогів немає.

2. Запропоновано оригінальні технічні рішення, що дозволили зменшити теплові напруження у трубах ШПП II і тим самим збільшити строк експлуатації сталі.

3. Запропоновано новий спосіб роботи котла СНКП на мінімальних навантаженнях 40 % і 50 % (нічні години) − спалювання бінарної суміші, що складається з пилу газового вугілля і генераторного торф'яного газу.

4. Побудовано модель процесу газифікації твердого палива, яка відрізняється від існуючих урахуванням швидкості руху частинок, її зміни в окислювальній і відновній зонах через зменшення діаметра дисперсної фази за рахунок перебігу гетерогенних реакцій

16

Загальний вигляд розробленого

прямоточного пиловугільного парогенератора на супернадкритичних параметрах пари 28 МПа/600 °С/600 °С

Загальний вигляд лопатково-лопаткового пальника з аксіальними завихрювачами

17

Невідкладні завдання в тепловій енергетиці у воєнний час, вирішення яких потребує участі фахівців НАН України:

• розроблення та науковий супровід впровадження технічних рішень з маловитратної модернізації генеруючого обладнання для зменшення питомих витрат палива та збільшення надійності відпуску теплової та електричної енергії;
• удосконалення та науковий супровід впровадження технічних рішень з переведення антрацитових котлоагрегатів ТЕС і ТЕЦ, що залишились, на газове вугілля;
• науковий супровід застосування імпортованого вугілля з показниками, що відрізняються від проектного, для забезпечення безаварійної експлуатації ТЕС;
• науковий супровід та обґрунтування оптимальних варіантів експлуатації частково зруйнованих ТЕС і ТЕЦ в неповному складі обладнання;
• розроблення та науковий супровід впровадження технічних рішень з переведення антрацитових та газомазутних котлів промислових ТЕЦ і котелень на спалювання біомаси, торфу та інших видів місцевого палива;
• організація науково-технічної експертизи проектів відбудови та модернізації зруйнованих об'єктів тепло- та електропостачання для оптимального забезпечення місцевих потреб.

18

Вугілля є вітчизняним енергоносієм, запасів якого вистачить на багато десятиріч

Розроблені технічні рішення мають значні перспективи подальшого впровадження при переведенні на газове вугілля антрацитових енергоблоків 300 МВт Зміївської, Трипільської, Придніпровської ТЕС, антрацитових котлів Дарницької, Чернігівської, Краматорської ТЕЦ.

Після реінтеграції Донбасу та відновлення поставок донецького антрациту можна очікувати, що попит на ТЕС і ТЕЦ він знайде саме у складі сумішей.

Результати фундаментальних досліджень складають наукові основи для ефективного розвитку твердопаливної енергетики в Україні, регулювальна функція якої буде затребувана протягом десятиріч паралельно з розвитком безвуглецевої енергетики.

На час відновлення економіки після перемоги та впровадження нових “безвуглецевих” технологій нам слід орієнтуватись на визначене існуюче генеруюче обладнання ТЕС і ТЕЦ, з продовженням переведення котлоагрегатів на газове вугілля, відновленням їх технічного стану та впровадженням заходів зі зменшення викидів пилу, оксидів азоту і сірки

​

​

​

Енергетичне вугілля в короткостроковій та середньостроковій перспективі в Україні