автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Повышение надежности пароперегревателей котлов ТЭС для сжигания твердых бытовых отходов

ЗЕЛИКОВ Евгений Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЕЙ КОТЛОВ ТЭС ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Специальность 05.14.14 - "Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

003458430

Работа выполнена в ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ»).

Научный руководитель - кандидат технических наук Тугое А.Н.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук Богачев В.А.

- кандидат технических наук, доцент Супранов В.М.

Ведущая организация - Энергомашиностроительный альянс ОАО «ЭМАльянс»

Защита состоится « 15 » января 2009 г. в 14°° на заседании диссертационного совета Д. 222.001.01 при ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ») по адресу: 115280, Москва, ул. Автозаводская, 14/23.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «ВТИ».

Автореферат разослан « (2 » Ъ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д. 222.001.01, кандидат технических наук

П.А. Березинец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из основных тенденций энергетики 21-го века является энергосбережение с использованием различных видов нетрадиционных и возобновляемых топлив, а также различных видов отходов (биомасса, древесные, твердые бытовые, промышленные и сельскохозяйственные отходы и т.д.). В условиях постоянного роста цен на ископаемое топливо возрастает актуальность использования энергетического потенциала возобновляемых топлив и отходов в России. В связи с этим актуально создание высокоэффективных систем утилизации тепла для установок на таких топливах. Среди горючих отходов можно выделить наиболее распространенные твердые бытовые отходы (ТБО), образующиеся в больших количествах, равномерно распределенные пропорционально плотности населения и готовые к применению.

В настоящее время повсюду увеличиваются объемы использования ТБО на ТЭС. В «Основных положениях (Концепции) технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г.», разработанных ОАО РАО «ЕЭС России» в 2007 г., особое место уделяется использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В Концепции отмечено, что по прогнозу Института энергетической стратегии общая установленная мощность энергоисточников на ВИЭ к 2030 г. должна составить более 18 ГВт, а доля в этом объеме ТЭС, сжигающих возобновляемые топлива и отходы с производством тепловой и электрической энергии, - 6 ГВт (около 33 %).

Следует также отметить, что сжигание ТБО на ТЭС позволяет осуществить санитарную очистку городов от образующихся бытовых отходов и снизить выбросы парниковых газов, во-первых, за счет экономии традиционного топлива, во-вторых, за счет предотвращения выброса в атмосферу метана с полигонов захоронения.

Тепловые электрические станции, использующие ТБО, вследствие особенностей конструкции котельных агрегатов и специфических свойств топлив имеют низкий КПД из-за ограничения по параметрам пара на выходе из котла, обусловленного высокой коррозионной агрессивностью продуктов сгорания. В основном на зарубежных ТЭС, сжигающих ТБО, параметры пара на выходе из котла не превышают 4,0 МПа, 400 °С. Отечественные ТЭС на ТБО отличаются от зарубежных еще более низкими параметрами пара и значениями электрического КПД. Отечественный опыт энергетического использования ТБО с выработкой электроэнергии ограничен эксплуатацией 3-х ТЭС - спецзаводов (СЗ) № 2,3 и 4 г. Москвы. Например, на СЗ № 4, пущенном в эксплуата-

цию в 2004 г., пар с параметрами 1,3 МПа, 31С °С используется для выработки электроэнергии на двух турбинах П-6-1,2 мощностью по 6 МВт с КПД нетто не более 15 %. Основным и практически единственным резервом повышения электрического КПД ТЭС на ТБО является повышение параметров пара на выходе из котла путем снижения высокотемпературной газовой коррозии пароперегревателей. При повышении параметров пара до 3,4 МПа, 435 °С КПД нетто выработки электроэнергии может возрасти до 23 %.

Коррозия является также причиной нередко возникающих повреждений труб пароперегревателей, увеличения объемов ремонтных работ и снижения готовности котлов и ТЭС на ТБО в целом.

Вопросы влияния на коррозию в газовом тракте котла, сжигающего ТБО, различных факторов и коррозионной стойкости котельных сталей недостаточно изучены. В литературе по ним имеются существенные отличия и противоречия.

В настоящей работе проведено исследование процессов высокотемпературной коррозии котельных сталей в условиях паровых котлов, сжигающих ТБО. В силу, сходности коррозионного воздействия продуктов сгорания ТБО и биомассы полученные в работе результаты могут быть использованы для разработки решений по повышению надежности паровых котлов, сжигающих биомассу.

Цель и задачи работы

Цель настоящей работы - разработка решений по повышению надежности пароперегревателей котлов для сжигания ТБО на ТЭС с увеличенными параметрами пара на основании результатов стендовых и промышленных исследований процессов высокотемпературной коррозии и характеристик коррозионной стойкости котельных сталей.

Для достижения этой цели необходимо:

- разработать методику стендовых исследований высокотемпературной газовой коррозии в условиях, идентичных условиям работы пароперегревателей котлов для сжигания ТБО;

- провести стендовые исследования с целью изучения влияния основных коррозионно-агрессивных факторов на процесс высокотемпературной газовой коррозии в среде продуктов сгорания ТБО;

- провести стендовые и промышленные испытания по определению коррозионной стойкости котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО;

■ получить зависимости глубины коррозии от времени и температуры вида Д5=/(Т,т) для каждой исследованной марки сталей;

- на основе полученных результатов разработать решения по снижению негативного влияния высокотемпературной газовой коррозии на надежность работы пароперегревателей и котлов в целом при сжигании ТБО.

Научная новизна

- Предложена схема взаимодействия коррозионно-агрессивной среды продуктов сгорания ТБО с материалом пароперегревателя.

- Для условий, ранее в России не изучавшихся (условия работы пароперегревателя в среде продуктов сгорания ТБО), на основе предложенной схемы взаимодействия разработана оригинальная методика проведения стендовых исследований коррозионной стойкости отечественных котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО.

- Исследовано влияние основных коррозионно-агрессивных факторов (наличие и содержание HCl в газах и хлоридов щелочных металлов в натрубных отложениях) на интенсивность высокотемпературной коррозии в среде продуктов сгорания ТБО.

- Разработаны зависимости для расчета глубины коррозии широкой номенклатуры отечественных марок котельных сталей (Сталь 20, 12МХ, 15ХМ, 15ГС, 09Г2С, ДИ 82, 12Х1МФ, ДИ 59, 12Х18Н12Т, 08Х18Н10Т) и выполнена оценка их коррозионной стойкости в диапазоне температур поверхности трубы 250...500 °С в среде продуктов сгорания ТБО.

Практическая значимость

- Полученные зависимости глубины общей коррозии от времени и температуры могут быть использованы для определения долговечности высокотемпературных поверхностей нагрева, а также для оценки остаточного ресурса пароперегревателей котлов для сжигания ТБО при проведении средних и капитальных ремонтов.

- Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации конструкции пароперегревателей и повышения надежности их работы в котлах для сжигания ТБО с повышенными режимными параметрами пара.

- Разработана методика моделирования в лабораторных условиях коррозионно-агрессивной среды продуктов сгорания, характерной для паровых котлов, сжигающих ТБО.

- Предлагается к использованию в промышленных и лабораторных условиях ионоселективная методика определения концентрации HCl в газах.

Достоверность н обоснованность полученных результатов обеспечены:

- использованием нормативных методов экспериментального изучения коррозионной стойкости котельных сталей в условиях стендовой установки и промышленного котла (ОСТ 108.030.01-75 Котлы паровые. Методы коррозионных испытаний, ГОСТ 6130-71 Металлы. Методы определения жаростойкости, ГОСТ 21910-76 Металлы. Характеристики жаростойкости. Наименования, определения, расчетные формулы и единицы величин);

- сопоставлением экспериментальных данных, полученных в стендовых и промышленных условиях;

- использованием сертифицированных методов и средств измерения, прошедших поверку и калибровку в установленном порядке;

- применением параметрического метода аналитической обработки экспериментальных данных для определения характеристик корро-. зионной стойкости исследованных марок котельных сталей (РТМ 108.030.116-78 Методика определения характеристик коррозионной стойкости котельных сталей при высокой температуре, РТМ 24.030.49-75. Метод расчета жаростойкости конструкционных материалов);

- практической проверкой достоверности расчетных данных по коррозионной стойкости котельных сталей, полученных с использованием итоговых зависимостей, путем их сопоставления с данными эксплуатационного контроля на ТЭС, сжигающих ТБО.

Результаты работы были использованы:

- при выборе материалов для поверхностей нагрева парового котла-утилизатора в рамках Государственного контракта № 02.525.11.5003 на разработку энерготехнологического комплекса для термической утилизации отходов;

- при разработке мероприятий по повышению надежности пароперегревателей котлов ТЭС на ТБО - СЗ № 4 г. Москвы;

- при создании конструкции пароперегревателя котла-утилизатора СЗ № 1 г. Москвы в рамках разработки технологического регламента перспективной отечественной ТЭС на ТБО.

Автор защищает:

- предложенную схгму взаимодействия коррозионно-агрессивной среды продуктов сгорания ТБО с материалом пароперегревателя;

- разработанную на основе схемы взаимодействия методику проведения стендовых экспериментальных исследований коррозионной стойкости котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО;

■ результаты исследования влияния коррозионно-агрессивных факторов (наличие и содержание НС1 в газах и хлоридов. щелочных металлов в натрубных отложениях) на интенсивность высокотемпературной коррозии в среде продуктов сгорания ТБО;

- полученные зависимости глубины общей коррозии от времени и температуры для оценки коррозионной стойкости широкой номенклатуры отечественных котельных сталей (Сталь 20, 12МХ, 15ХМ, 15ГС, 09Г2С, ДИ 82, 12Х1МФ, ДИ 59, 12Х18Н12Т, 08Х18Н10Т) в среде продуктов сгорания ТБО;

- разработанные для использования проектными организациями решения по снижению негативного влияния высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева паровых котлов в среде продуктов сгорания ТБО.

Апробация работы

Основные научные и технические результаты работы докладывались и получили положительную оценку на:

- 4-м Международном конгрессе по управлению отходами «Вэйст-Тэк», г. Москва, 30 мая — 3 июня 2005 г.

- V Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности производства электроэнергии», г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 26-28 октября, 2005 г.

- 3-м и 4-м Конкурсах молодых специалистов ВТИ, г. Москва, 2005, 2007 гг.

- 5-м Международном конгрессе по управлению отходами «Вэйст-Тэк», г. Москва, 1-5 июня 2007 г.

- II Всероссийском конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики, Дивноморское, 21 сентября 2007 г. V

- 4-й Научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов», г. Челябинск, 4-7 июня, 2007 г.

- III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики», г. Екатеринбург, 21-23 ноября, 2007 г.

- 9-th International Conference on Circulating Fluidized Beds (CFB-9), Hamburg, 13-16 May, 2008.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы отражено в 17 научных публикациях, в том числе 6 из них в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем работы

185 стр., 5 глав, 123 рисунка, 43 .таблицы, 105 наименований литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и аннотированы основные положения работы.

В первой главе выполнен обзор энергетического использования ТБО и биомассы в РФ и за рубежом, а также проблем высокотемпературной газовой коррозии и методов повышения надежности пароперегревателей в котлах, сжигающих ТБО и биомассу.

В России энергетический потенциал возобновляемых топпив и отходов составляет 35-50 млн. т.у.т./год, из них доля ТБО составляет порядка 10 млн.т.у.т./год. ТБО имеют теплоту сгорания, сопоставимую с теплотой сгорания низкосортных органических твердых топлив (до 8400 кДж/кг). Однако в настоящее время этот потенциал используется только на 1,5 %, причем преимущественно для выработки тепловой энергии. В основном это связано с низкой эффективностью преобразования энергетического потенциала отходов в электрическую энергию.

Анализ литературных данных показал, что при использовании в качестве, топлива ТБО все потери в паровом котле (с уходящими газами -q2, от химического недожога - q3, от механического недожога - q4, от наружного охлаждения - q5, с теплом шлака - q6) в настоящее время практически сведены к минимуму и основным резервом повышения электрического КПД таких ТЭС является повышение параметров генерируемого пара.

За рубежом на большинстве ТЭС на ТБО начальные параметры пара составляют 4,0 МПа, 400 °С. Как уже отмечалось, отечественные ТЭС на ТБО имеют еще более низкие параметры. Применение таких низких параметров пара обусловлено специфическими характеристиками ТБО. В их составе присутствуют соединения хлора и щелочных металлов, которых в традиционных твердых топливах практически нет. Эти соединения приводят к образованию продуктов сгорания с чрезвычайно высокой коррозионной агрессивностью по отношению к металлу пароперегревателей котлов. Отмечены случаи выхода из строя пароперегревателей менее чем через 1000 ч эксплуатации при температуре металла порядка 500 °С.

Анализ литературных данных, касающихся вопросов образования и агрегатного состояния основных коррозионно-агрессивных компонентов в зоне пароперегревателей котлов, и выполненные расчеты позволяют сделать следующее заключение:

- в зоне пароперегревателя максимальную концентрацию из всех газообразных хлоридов имеет HCl;

- при температурах продуктов сгорания 450...650 °С (температурный интервал работы пароперегревателя) газовая фаза содержит НС1, Б02, N2, 02, Н20, конденсированная фаза содержит КС1, РеС12, гпСЬ, РЬС12, КаС1.

На сегодня нет единой точки зрения на механизм протекания высокотемпературной газовой коррозии в среде продуктов сгорания ТБО. Однако считается, что именно приведенные выше соединения в зависимости от конкретных условий являются определяющими в развитии ^оррозионных процессов. Так, взаимодействие НС1 с1 металлом поверхностей нагрева при температуре металла 350...550 °С обусловлено следующими реакциями:

РеО+2НС1 — РеС12+Н20 №0+2НС1 — №С12+Н20 Ре+2НС1 РеС12+Н2 №+2НС1 -»К1С12+Н2

Поскольку интенсивное испарение РеС12 имеет место уже при температуре выше 320 °С, некоторые исследователи считают, что именно наличие газообразного НС1 лежит в основе рассматриваемого коррозионного процесса.

Другие исследователи считают основной причиной высокую коррозионную агрессивность натрубных отложений, содержащих много щелочных хлоридов. В частности, отмечается, что наличие щелочных хлоридов в отложениях золы даже в незначительных количествах может существенно повышать интенсивность коррозии труб поверхностей нагрева котлов уже при температуре наружной поверхности стенки трубы 400 °С.

И, наконец, часть исследователей, точку зрения которых разделяет и автор, считают, что коррозия связана как с влиянием НС1 в составе продуктов сгорания, так и с влиянием коррозионно-агрессивных отложений. На рисунке 1 представлена предложенная автором обобщенная схема коррозионного процесса котельной стали в среде продуктов сгорания ТБО.

Рисунок 1 - Схема коррозионного процесса под воздействием продуктов

сгорания ТБО

В зоне пароперегревателя при температуре продуктов сгорания примерно 600 °С хлориды щелочных металлов (NaCl, KCl, СаС12 и др.) содержатся в мелкодисперсной летучей золе в расплавленном либо в размягченном состоянии. В результате происходит их налипание на трубы

с образованием первичных отложений, которые могут содержать до 25 % щелочных хлоридов. На первой стадии, под воздействием хлоридов щелочных металлов и (или) HCl происходит разрушение оксидного слоя. Коррозионные условия не позволяют восстанавливаться оксидному слою. При отсутствии оксидного слоя HCl напрямую взаимодействует с компонентами стали с образованием FeCI2, который может испаряться уже при температуре выше 320 °С. В результате образуется рыхлый слой продуктов коррозии с высокой диффузионной проницаемостью. Это в свою очередь способствует началу второй стадии коррозионного процесса, которая обусловлена протеканием каталитической цепочки реакций с регенерацией газообразного HCl:

2Fe+4HCl -»2FeCl2+2H2

3FeCl2+202 -» Fe304+3C]2

2C12+2H20 -> 4HCl+02

В результате HCl, являясь ключевым коррозионным компонентом, практически не расходуется в процессе коррозионного износа поверхностей нагрева.

На основе литературных источников не удается однозначно установить влияние уровня легирования котельных сталей на их коррозионную стойкость, а также характеристики коррозионной стойкости отечественных марок котельных сталей в среде продуктов сгорания рассматриваемых топлив.

Основными путями повышения надежности пароперегревателя при повышении параметров пара в котлах на ТБО являются:

- выбор наиболее коррозионно-стойкого материала;

- конструктивные решения по снижению негативного влияния кор-розионно-агрессивной среды;

- применение защитных покрытий;

- использование присадок, снижающих коррозионную активность продуктов сгорания.

Зарубежные исследования указывают на то, что эффектом снижения коррозионной активности продуктов сгорания ТБО и биомассы в основном обладают присадки на основе серы. Такие присадки способны снизить скорость высокотемпературной газовой коррозии котельных сталей на 30—50 %. Негативный эффект их применения связан с увеличением содержания оксидов серы в продуктах сгорания, ухудшением экологических показателей и дополнительными затратами на сероочистку.

По имеющимся литературным данным в среде продуктов сгорания ТБО и биомассы наиболее эффективными являются электролитические

защитные покрытия на основе никеля. Однако практическое использование таких покрытий затруднено из-за невозможности обработки сварных швов и отсутствия приемлемых технологий повторного их нанесения в условиях ремонта котлов, а применение систем очистки от отложений снижает стойкость таких покрытий и их эффективность.

Использование присадок и защитных покрытий являются отдельными проблемами и в настоящей работе не рассматривались. Таким образом, целью работы является повышение надежности пароперегревателя с увеличенными параметрами пара путем выбора наиболее коррозионно-стойкого материала и разработки конструктивных решений на основании результатов стендовых и промышленных исследований.

В результате основные задачи исследования были сформулированы следующим образом:

- разработка методики стендовых исследований высокотемпературной газовой коррозии в условиях, идентичных условиям работы пароперегревателей котлов для сжигания ТБО;

- проведение стендовых исследований с целью изучения влияния основных коррозионно-агрессивных факторов на процесс высокотемпературной газовой коррозии в среде продуктов сгорания4 ТБО;

- проведение стендовых и промышленных испытаний по определению коррозионной стойкости котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО;

- получение зависимостей глубины коррозии от времени и температуры вида для каждой исследованной марки сталей;

- на основе полученных результатов разработка решения по снижению негативного влияния высокотемпературной газовой коррозии на надежность работы пароперегревателей и котлов в целом при сжигании ТБО.

Во второй главе приведены основные положения разработанной методики моделирования коррозионно-агрессивной среды продуктов сгорания ТБО в лабораторных условиях, а также описание экспериментального стенда. В основу положена представленная в главе 1 обобщенная схема коррозионного процесса (см. рисунок 1). В соответствии с разработанной методикой был создан экспериментальный стенд по исследованию закономерностей высокотемпературной газовой коррозии, технологическая схема которого представлена на рисунке 2. Основными узлами стенда являются: сжигательное устройство, термостатированная камера, дозирующая станция коррозионно-агрессивных присадок, система КИПиА, система подачи топлива, тягодутьевое оборудование, сис-

тема подачи воды и отвода дренажей, щит управления, запорно-регулирующая арматура. Конструкция экспериментальной установки позволяет поддерживать окислительный характер газовой среды (с коэффициентом избытка воздуха а=1,5-3,0), температуру экспериментальных образцов в пределах 250...530 °С, заданное содержание водяных паров сн2о=Ю-30 %, концентрацию газообразных хлоридов сНс1=10-1000 мг/м3, при необходимости - концентрации других корро-зионно-активных компонентов (Б02, паров хлоридов щелочных металлов).

Моделирование коррозионно-агрессивных условий на стенде осуществляется посредством поддержания заданного состава газовой среды и состава отложений. В футерованной камере сжигательного устройства происходит горение сжиженного газа (либо газовой смеси) с подачей первичного и вторичного воздуха, что обеспечивает генерацию высокотемпературной газовой среды с требуемым избытком воздуха и содержанием водяных паров.

СКУТП - система контроля и управления технологическим процессом; ДС, ДВ -тягодутьевое оборудование; БГП - блок ввода газовых присадок; БАГ, БГАП -блоки газового анализа.

• Рисунок 2 - Принципиальная технологическая схема экспериментальной установки

Далее, полученная газовая среда подается в термостатированную камеру, куда посредством дозирующей станции вводится водный раствор HCl. Требуемая температура помещенных в термостатированную камеру экспериментальных образцов поддерживается в автоматическом режиме посредством циркулирующего расплава смеси селитр. Экспериментальные образцы помещаются под слой отложений, состав которых соответствует составу натрубных отложений на поверхности пароперегревателя в среде продуктов сгорания ТБО.

В третьей главе приведены экспериментальные данные по влиянию коррозионно-агрессивных факторов на материал труб пароперегревателя в среде продуктов сгорания ТБО, полученные на экспериментальном стенде. Первую серию экспериментов проводили для сталей: Сталь 20, 12Х18Н12Т, 12Х1МФ, 08Х18Н10Т, ДИ 59 в течение 30 ч при /=430...450 °С в газовой среде с содержанием со2=8,5-9,5 %, бн2о= 18-20 %, сна=85 мг/м3 как на чистых образцах, так и под слоем

отложений с низким (в пересчете на С1 до 2,5 % масс.) и высоким (в пересчете на С1 до 28 % масс.) содержанием хлоридов. Полученные по результатам первой серии экспериментов данные приведены на рисунке 3.

Характеристика среды: 1 - в воздушной среде, 2 - на чистых образцах без отложений, в газах сНС1=85-90 мг/м3, 3 - под отложениями сат==2,47 %, в газах сНс1=85-90 мг/м3, 4 - под отложениями сС1,п=27,86 %, в газах сНсг85-90 мг/м3.

Рисунок 3 - Влияние составов продуктов сгорания и натрубных отложений на скорость общей коррозии по результатам стендовых исследований длительностью 30 ч при (=430...450 °С

Из рисунка 3 видно, что для сталей Сталь 20 и 12Х1МФ скорость общей коррозии при температуре 430...450 °С в среде продуктов сгорания с содержанием еНс1=85-90 мг/м3 соответственно в 35 и 7 раз выше, чем на воздухе. Скорость общей коррозии образцов сталей Сталь 20 и 12Х1МФ в тех же газовых условиях под слоем отложений с содержанием хлоридов сС1т=2,47 % соответственно в 2 и 2,5 раз выше, чем без отложений и в 70 и 18 раз выше, чем на воздухе. Скорость общей коррозии образцов сталей Сталь 20 и 12X1МФ в тех же газовых условиях под слоем отложений с содержанием хлоридов сС1Ш=27,86 % соответственно в 4 и 17 раз выше, чем без отложений и в 140 и 130 раз выше, чем на воздухе.

ММ/ГОД

3.50 3,00 г.50 2.00 1.50 1.00 0.50 О.ОО

04 оз-г (л сз-2 С4 оз-г ол сз-2 с< С-Э-1 (л оз-г С4 &з-г сл ез-г о< сз-г С4 оз-г С4 сз-г &4 он серия

саго 09Г2С-12 15ГС |2МХ 15»* 12Х1М<*па ДИ82 ДЛ59 05Х18Н10Т 15Х18Н12Т 16МоЗ 235Ш (..д^.

Серия С-3-2: газы - а=2,2, сн„о=16,8 %, сна=273,2 мг/м3; отложения -сат=Ю,8%.

Серия С-4: газы - а=2,2, сн2о=16,8 %, сНа=273,2 мг/м3; на чистых образцах без отложений.

Рисунок 4 - Влияние составов продуктов сгорания и натрубных отложений на скорость общей коррозии по результатам стендовых исследований длительностью 300 ч при ¿=440...450 °С

Во второй серии экспериментов количество исследуемых марок котельных сталей было увеличено до 12. Были выбраны стали, широко использующиеся в котлостроении: Сталь 20, 09Г2С, 15ГС, 12МХ, 15ХМ, 12X1 МФ, ДИ 82, ДИ 59, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, а также две марки зарубежных сталей - 16МоЗ и 235ОН, используемые в странах ЕС для изготовления пароперегревательных поверхностей нагрева котлов для сжигания ТБО. Также была увеличена до 300 ч длительность опытов.

Из представленных на рисунке 4 данных, полученных по итогам второй серии экспериментов, видно, что при наличии хлорсодержащих отложений на поверхности металла с присутствием НС1 в газовой среде увеличение скорости общей коррозии (по сравнению со скоростью коррозии на чистых образцах в газах с сна= 273,2 мг/м3) в большинстве случаев составляет от 3 до 15 раз. Таким образом, выводы, полученные по итогам первой серии опытов, качественно подтверждаются результатами более длительных исследований второй серии для более широкой номенклатуры котельных сталей.

С целью получения экспериментальных данных, необходимых для расчетного анализа коррозионной стойкости котельных сталей, дополнительно было проведено несколько серий стендовых испытаний, в основном отличающихся длительностью (100-300 ч). Испытания проводились при /=440...450 °С с поддержанием следующего состава газовой среды: со2=11,8 %, сн2о=1б,8 %, сНа=273,2 мг/м3. Большая часть образцов находилась под слоем отложений, отобранных с поверхности пароперегревателя котла-утилизатора (КУ) действующей ТЭС на ТБО - СЗ № 4 г. Москвы «Руднево».

Экспериментальные данные качественно подтверждают представленную в главе 1 обобщенную схему коррозионного процесса котельной стали в среде продуктов сгорания ТБО (см. рисунок 1), а полученные в процессе стендовых испытаний значения удельной потери массы АС (г/см2) для исследованных котельных сталей легли в основу расчетного анализа интенсивности высокотемпературной коррозии, приведенного в главе 5.

В четвертой главе представлено описание и результаты промышленных испытаний в условиях парового КУ 1-й технологической линии СЗ № 4 г. Москвы «Руднево».

Испытания проходили в течение 1700 ч при температурах образцов 250...350 °С и 450...500 °С. Схема размещения образцов в газовом тракте КУ приведена на рисунке 5.

С целью определения элементного состава слоя продуктов коррозии в подслоях и на границах подслоев, а также для анализа структуры продуктов коррозии и оксидных пленок образцы были подвергнуты микро-рентгеноспектральному исследованию. Анализ полученных результатов показывает, что после выдержки образцов в течение 1700 ч при температуре 450...500 °С в натурных условиях КУ для различных марок сталей практически не прослеживается существенной разницы в состоянии поверхности металла под продуктами коррозии. На поверхности металла всех образцов отсутствует оксидная пленка. Следует отметить, что

после стендовых испытаний (/=440...450 °С, газы - а=2,2, сн2о=16,8 %, снс1=273,2 мг/м3, отложения - сс1т=10,8 %) на поверхности образцов также отсутствовала оксидная пленка, либо прослеживалась тенденция к безвозвратному ее разрушению. В большинстве случаев это свидетельствует о близком к линейному характере развития коррозионного процесса во времени. Коррозия металла носит равномерный характер, так как ни на одном из исследованных образцов" не обнаруживаются очаги локализации. Характер образующихся продуктов коррозии не зависит от марки стали и уровня легирования. Структура продуктов коррозии мно-. гослойная (чаще двухслойная). Между внешним слоем и металлом имеется зазор, заполненный рыхлыми продуктами коррозии (внутренний слой). Внешний слой обладает некоторой механической прочностью и при этом высокой пористостью. Толщина внешнего слоя достигает 2-3 мм.

Рисунок 5 - Схема размещения экспериментальных образцов в КУ ТЭС на ТБО - СЗ № 4 г.Москвы «Руднево»

В целом продукты коррозии имеют слабую адгезию с основным металлом. Продукты коррозии на образцах как после промышленных, так и после стендовых испытаний имеют идентичную структуру, которая характеризуется вышеприведенными особенностями.

Рисунок 6 - Скорость общей коррозии (мм/год) по результатам промышленных испытаний длительностью 1700 ч при температуре поверхности металла 450 и 250 °С

При условии, что коррозия носит равномерный характер, были определены значения скорости общей коррозии АЛ1 (мм/год) и удельной потери массы АС (г/см2). Результаты определения на основе промышленных испытаний приведены на рисунке 6.

Приведенные результаты свидетельствуют о корректности моделирования коррозионно-агрессивных условий при стендовых испытаниях. Благодаря этому стало возможным совместное использование результатов стендовых и промышленных испытаний при расчетной оценке коррозионной стойкости исследованных котельных сталей.

В пятой главе представлен расчетный анализ характеристик коррозионной стойкости котельных сталей, по итогам которого получены зависимости глубины коррозии исследованных марок сталей от температуры и времени эксплуатации, а также даны рекомендации по снижению негативного влияния высокотемпературной газовой коррозии на надежность работы пароперегревателей и котлов в целом при сжигании ТБО.

Расчет характеристик коррозионной стойкости исследованных котельных сталей выполнялся параметрическим методом, в основе которо-

го лежит закон Аррениуса, описывающий температурную закономерность окисления металлов:

Со-е^-т,

(1)

где п - показатель параболы в кинетическом законе окисления; К0 -константа, характеризующая данную сталь и коррозионную среду; О, -энергия активации процесса; Т — абсолютная температура; Л — универсальная газовая постоянная; т - продолжительность эксплуатации.

Как следует из главы 4, структура оксидных пленок и слоя продуктов коррозии указывает на практически линейную кинетическую закономерность процесса коррозии для всех марок исследованных котельных сталей, что соответствует значению показателя степени параболы п, приблизительно равным единице. Тогда в параметрическом методе расчета характеристик коррозионной стойкости уравнение (1) можно представить следующим образом:

\ёАБ = \&К0-Р, (2)

где Р - параметр жаростойкости, являющийся функцией температуры и времени:

(3)

Т

В результате аналитической обработки экспериментальных данных, полученных на стенде и в промышленных условиях, были вычислены энергия активации (), параметр жаростойкости Р и коэффициент К0. Также была подтверждена обоснованность принятия п равным 1, поскольку для всех исследованных сталей расчетные значения показателя параболы были близки к единице. Следует отметить, что при анализе кинетических закономерностей выполнялась аппроксимация стендовых и промышленных экспериментальных данных методом наименьших квадратов с использованием аппроксимирующей линейной функции вида:

Ф =

пип.

(4)

На основе полученных результатов для всех котельных сталей можно представить общий вид итоговой зависимости глубины коррозии от температуры и времени:

\ёА8 = а+Ш-^, (5)

где а, Ь - эмпирические константы. Значения констант а, Ь для исследованных марок сталей приведены в таблице.

Для сравнительного анализа коррозионной стойкости исследованных марок котельных сталей на основе полученных по результатам исследований зависимостей вида (5) и эмпирических констант (см. таблицу) в диссертации приводятся графические зависимости в координатах А5-Т для различных периодов эксплуатации, которые позволяют определить оптимальный температурный диапазон для каждой марки котельной стали.

В качестве примера на рисунке 7 приведены зависимости глубины коррозии АЯ от температуры для сталей Сталь 20 и 12Х1МФ при длительности эксплуатации 13 тыс.ч.

Эмпирические константы для определения глубины коррозии котельных _сталей в среде продуктов сгорания ТБО среднего состава_

№ Марка стали а Ь

Отечественные котельные стали

1. Сталь 20 0,7 3014,7

2. 15ГС -0,7 2084,7

3. 12МХ -0,1 2478,7

4. 15ХМ -1,2 1613,7

5. 09Г2С -0,6 2109

6. 12Х1МФ 3,0 4714,7

7. 10Х9МФБ-111 (ДИ 82) -0,7 2137,1

8. 1 ОХ 1ЗП 2БС2Н2 Д2Б (Ди 59) -0,1 2304,4

9. 08Х18Н10Т -1,1 • 1787,1

10. 12Х18Н12Т -0,8 2106,6

Зарубежные котельные стали

11. 16МоЗ -0,4 2331

12. Р2350Н -0,7 2177,8

На этом же рисунке нанесены данные контрольных замеров утонения вырезок из поверхностей нагрева котла, сжигающего ТБО (КУ СЗ № 4). По утонению вырезок глубина коррозии 2-й ступени пароперегревателя из 12Х1МФ за 13 тыс.ч эксплуатации при температуре пара/стенки

280/350 °С составляет 0,3-0,5 мм, а 3-й ступени испарителя из Стали 20 при температуре пара/стенки 210/270 °С 0,1-0,2 мм. Из рисунка 7 видно, что значения глубины коррозии для сталей Сталь 20 и 12Х1МФ, полученные на основе полуэмпирических зависимостей, согласуются с данными по результатам инструментального контроля вырезок труб из поверхностей нагрева котла.

°С

1,2- результаты эксплуатационного контроля толщины стенки поверхностей нагрева КУ СЗ № 4 г. Москвы «Руднево».

Рисунок 7 - Зависимость глубины общей коррозии сталей Сталь 20 и 12Х1МФ от температуры за 13 тыс. ч. эксплуатации

Анализ полученных зависимостей АБ-Т показал, что при температуре металла до 400 °С не имеется однозначной связи между уровнем легирования и коррозионной стойкостью сталей. Так котельная сталь ау-стенитного класса 1бХ13Г12БС2Н2Д2Б (ДИ 59) оказалась одной из наименее коррозионно-стойких, а коррозионная стойкость перлитной стали 12Х1МФ оказалась выше, чем у аустенитных 12Х18Н12Т и 08Х18Н10Т. В результате при температурах наружной поверхности тру-

бы до 400 °С целесообразно для изготовления пароперегревателя применять 12Х1МФ. При температурах поверхности трубы 400...500 °С наиболее устойчивыми к высокотемпературной коррозии в среде продуктов сгорания ТБО являются котельные стали 12Х18Н12Т и ДИ 82.

Также в диссертации для всех исследованных марок сталей приведены графики в координатах А5-т, позволяющие оценить предельный межремонтный ресурс или выбрать оптимальную толщину стенки, которая позволит обеспечить безаварийную работу пароперегревателя в течение заданного ресурса. В качестве примера на рисунке 8 приведены графики зависимости глубины общей коррозии от времени для сталей 12Х1МФ, ДИ 82 и 12Х18Н12Т при температуре перегрева пара, соответствующей номинальным входным параметрам пара турбины ПТ-12-3,4/1,0-1 (3,4 МПа, 435 °С). Аналогичным способом можно получить графические зависимости А5-т для любых эксплуатационных температур (в диапазоне 250...500 °С).

ДБ » мм

10

12Х1МФ

ДИ 82

-х-

12Х18Н12Т

-Б-

О 2000 4000 6000 8000 Ни" 1.2-ю4 1.4101 1.610'1 1.Я104 2-104

г

ч

Рисунок 8 - Зависимость глубины общей коррозии 12Х1МФ, ДИ 82 и 12Х18Н12Т, от времени эксплуатации при температуре пара/стенки 435/490 °С

Так, например, срок службы пароперегревателя существующей конструкции в КУ СЗ № 4, выполненного из стали 12Х1МФ, при повышении параметров пара до 3,4 МПа, 435 °С составит не более 5 тыс.ч.

Для повышения срока службы пароперегревателя с параметрами пара 3,4 МПа, 435 °С в среде продуктов сгорания ТБО полученные в диссертации результаты позволяют рекомендовать:

- использование многоступенчатой компоновки пароперегревателя с выбором оптимальной котельной стали для каждой из ступеней, а также создание конструкции котла, обеспечивающей возможность замены выходных ступеней пароперегревателя в рамках текущего ремонта с минимальными затратами;

- применение для выходной ступени пароперегревателя сталей ДИ 82 и 12Х18Н12Т;

- учитывая равномерный характер износа, использование для выходной ступени пароперегревателя труб с увеличенной (примерно в 1,5 раза) толщиной стенки.

Реализация вышеприведенных решений (двухступенчатая компоновка, использование трубы 60x7 из ДИ 82 для выходной ступени) позволяет повысить эксплуатационный ресурс пароперегревателя как минимум до 20 тыс.ч. в котле для сжигания ТБО с параметрами пара 3,4 МПа, 435 °С. Для энергоблока, сжигающего 48 т/ч ТБО среднего состава (С>'=7500 кДж/кг) повышение параметров пара с 1,3 МПа, 310 °С до 3,4 МПа, 435 °С приведет к увеличению электрической мощности с 8,7 до 11,7 МВт. При Киу=70-75 % дополнительная выработка электроэнергии составит около 40 млн.кВт-ч/год. За рабочую компанию длительностью 20 тыс.ч с учетом затрат на замену выходной ступени пароперегревателя (масса ступени 43,7 т; труба 60x7 ДИ 82) экономический эффект составит порядка 100 млн.руб.

Таким образом, при разработке и эксплуатации паровых котлов, сжигающих ТБО, полученные результаты позволяют:

- определять оптимальный рабочий температурный диапазон для каждой исследованной котельной стали;

- прогнозировать предельный ресурс пароперегревателя для любых эксплуатационных параметров пара (в диапазоне температур наружной поверхности трубы 250...500 °С);

■ оценивать межремонтный период пароперегревателя котла, тем самым предотвращать его внеплановые остановы и простои всего энергоблока.

Следует отметить, что оптимальное планирование ремонтных мероприятий в котлах на ТБО приведет к сокращению длительности внепла-

новых простоев по причине выхода из строя пароперегревателя и даст существенный дополнительный экономический эффект.

Полученные в диссертации результаты могут также быть использованы для повышения надежности пароперегревателей при разработке и эксплуатации котлов, сжигающих биомассу.

Выводы

1. Анализ отечественных и зарубежных литературных источников показал, что влияние различных коррозионно-агрессивных факторов и коррозионной стойкости котельных сталей на коррозию труб пароперегревателей в газовом тракте котлов, сжигающих ТБО, недостаточно изучены. В России исследования процессов высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева таких котлов ранее не прово' дились, а характеристики коррозионной стойкости отечественных

котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО не изучались.

2. Для изучения высокотемпературной коррозии котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО была создана стендовая установка и проведены экспериментальные исследования на действующем котле длительностью до 1700 ч.

3. Для всех исследованных марок котельных сталей наблюдается практически линейный характер развития коррозионного процесса. Скорость общей коррозии для всех марок сталей практически не зависит от времени.

4. Присутствие в составе продуктов сгорания газообразного HCl значительно 1мтенсифицирует процессы высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева. Наличие на поверхности труб пароперегревателя (с температурой стенки 400 °С и более) хлорсодержащих отложений в газовой среде с присутствием HCl (концентрация HCl до 300 мг/м3) резко увеличивает скорость общей коррозии (более чем в 20 раз по сравнению со скоростью коррозии без отложений в газовой среде с таким же содержанием HCl).

5. При температуре металла до 400 °С не прослеживается однозначной связи между уровнем легирования и коррозионной стойкостью котельных сталей. Вместе с тем установлено, что при температурах наружной поверхности трубы до 400 °С целесообразно использовать сталь 12Х1МФ. При температурах поверхности трубы 400...500 °С наиболее устойчивы к высокотемпературной коррозии в среде продуктов сгорания ТБО котельные стали 12Х18Н12Т и ДИ 82.

6. Практическая ценность и экономическая значимость работы заключаются главным образом в том, что полученные результаты позволяют определять оптимальный рабочий температурный диапазон

для каждой марки исследоваьной котельной стали, а также оценивать предельный ресурс и межремонтный период пароперегревателя паровых котлов на ТБО для любых эксплуатационных параметров пара (в диапазоне температур наружной поверхности трубы 250...500 °С). Это в свою очередь позволит предотвращать внеплановые остановы котлов по причине выхода из строя пароперегревателей.

7. Для повышения срока службы пароперегревателя в среде продуктов сгорания ТБО полученные в диссертации результаты позволяют рекомендовать:

- использование многоступенчатой компоновки пароперегревателя.с выбором оптимальной котельной стали для каждой из ступеней, а также создание конструкции котла, обеспечивающей возможность замены выходных ступеней пароперегревателя в рамках текущего ремонта с минимальными затратами;

- применение для выходной ступени пароперегревателя сталей ДИ 82 и 12Х18Н12Т;

- учитывая равномерный характер износа, использование для выходной ступени пароперегревателя труб с увеличенной (примерно в 1,5 раза) толщиной стенки.

8. Применение полученных результатов позволит до 20 тыс.ч повысить ресурс выходной ступени пароперегревателя с параметрами пара 3,4 МПа, 435 °С в среде продуктов сгорания ТБО. При этом на энергоблоке, сжигающем 48 т/ч ТБО среднего состава, за счет повышения электрического КПД нетто дополнительная годовая выработка электроэнергии (при К„у=70-75 %) составит около 40 млн.кВтч.

9. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при проведении исследований, направленных на повышение надежности пароперегревателей котлов для сжигания биомассы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Зеликов E.H., Сотскрв'Е.В, Тугое А.Н. Особенности использования бытовых отходов в качестве энергетического топлива // Энергосбережение - теория и практика: Труды Второй Всероссийской школы-семинара молодых ученых и специалистов. - М.: Изд-во МЭИ, 2004. -С.279-284.

2. Зеликов E.H. Хлористо-водородная коррозия пароперегрева-тельных поверхностей нагрева: проблемы и пути исследования // Сборник докладов молодых специалистов: Материалы 3-го конкурса ОАО «ВТИ». - М.: ОАО «ВТИ», 2005. - С.13-21.

3. Зеликов E.H., Тугое. А.Н-,, Дик Э.П., Рябов Г.А. Проблемы энергетического использования возобновляемых топлив и отходов // Повышение эффективности производства электроэнергии: Материалы V международной научно-технической конференции 26-28 октября, 2005г. -г. Новочеркасск, 2005. - Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). - С. 228-232.

4. Зеликов E.H., Тугое. А.Н., Дик Э.П. О выборе параметров пара для установок, сжигающих бытовые отходы II ВэйстТэк: Сборник докладов 4-го Международного конгресса по управлению отходами. - М.: СИБИКО, 2005. - С.286-287.

5. Зеликов E.H., Вихрев Ю.В. Сжигание биомассы в паровых котлах // Энергетик - 2006. - №3. - С.27-30.

6. Зеликов E.H., Тугое. А.Н., Дик Э.П. Проблемы энергетического использования потенциала твердых бытовых отходов и биомассы // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2006.-№ 3.-С.51-52.

7. Зеликов E.H., Тугое. А.Н. Перспективы использования газотурбинных технологий на электростанциях, сжигающих отходы // Энергохозяйство за рубежом, Приложение к журналу «Электрические станции». - 2007. - № 4(233). - С.26-29.

8. Зеликов E.H., Тугое. А.Н. Хлористо-водородная коррозия паро-перегревательных поверхностей нагрева // Электрические станции. -2006. - Специальный выпуск: Молодые специалисты ВТИ. — С.47-49.

9. Зеликов E.H., Тугое! А.Н., Дик Э.П. О выборе материала для па-роперегревательных поверхностей нагрева котельных агрегатов, сжигающих ТБО // ВэйстТэк: Сборник докладов 5-го Международного конгресса по управлению отходами. - М.:СИБИКО, 2007. - С.277-278.

10. Зеликов E.H., Тугое. А.Н. Пути повышения эффективности выработки электроэнергии на ТЭС, сжигающих ТБО // ВэйстТэк: Сборник докладов 5-го Международного конгресса по управлению отходами. -М.: СИБИКО, 2007. - С.285-286.

11. Зеликов E.H. Результаты стендовых исследований высокотемпературной хлористо-водородной коррозии в котлах, сжигающих ТБО и

(h t-

биомассу II Сборник докладов молодых специалистов: Материалы 4-го конкурса ОАО «ВТИ». - М.: ОАО «ВТИ», 2007. -C.4-13.

12. Зеликов Е.Н., Разработка технических решений по повышению параметров пара на энергоблоках, сжигающих нетрадиционные и возобновляемые топлива II Материалы II Всероссийского конкурса'молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики. - 2007г. С.3-8.

13. Зеликов Е.Н., Тугое А.Н., Соболева А.Н., Дик Э.П. Минеральная часть и теплотехнические характеристики ТБО. Шлакование пароперегревателей котлов, сжигающих ТБО // Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и. очистка котлов: Материалы 4-й научно-практической конференции. - г. Челябинск, 2007. -С.10-15:

14. Зеликов Е.Н., Тугое А Н. Перспективы и проблемы создания отечественных ТЭС на отходах // Актуальные проблемы энергетики: Материалы III международной научно-практической конференции. - г. Екатеринбург, !2007. - С.411^14.

15. Зеликов Е.Н., Дик Э.П., Тугое А.Н., Соболева А.Н. Особенности эксплуатации котлов-утилизаторов, сжигающих твердые бытовые отходы//Энергетик-2008.-№1. - С.38-41.

16. Zelikov E.N., Ryabov G.A., Dik Е.Р., Tugov A.N. Ash properties, deposit formation and corrosion of superheater tubes of municipal solid waste firing in swirl fluidized bed furnaces // Proceedings of the 9-th International Conference on Circulating Fluidized Beds (CFB-9). - Hamburg, 13-16 may, 2008. -p.887-892.

17. Зеликов E.H., Рябов Г.А., Тугое. A.H., Дик Э.П. Загрязнение и коррозия пароперегревателей котлов на ТЭС, сжигающих твердые бытовые отходы и биомассу // Теплоэнергетика. - 2008. -№ 11. - С.73-77.

ПМБ ВТИ. Тираж 80 экз. Зак. № iSfy 115280, г. Москва, Автозаводская ул., д. 14/23.

Введение.

Глава

ГЭС па ТБО и пути повышениях их энерге тической эффективности.

1.1 Опыт использования ТЭС на ТБО и биомассе в России и за рубежом.

1.2 Особенности использования ТБО в качестве энергетического топлива на ТЭС.

1.3 Конструктивные особенности котельных установок для сжигания ТБО.

1.4 Основные пути повышения энергетической эффективнос ти ГЭС на ТБО.

1.5 Снижение влияния высокотемпературной газовой коррозии на металл поверхностей нагрева котлов как основной путь повышения эффективности ГЭС на ТБО.

1.5.1 Общие положения высокотемпературной газовой коррозии.

1.5.2 Процессы, лежащие в основе высокотемпературной газовой коррозии поверхностей нагрева котлов для сжигания ТБО.

1.5.3 Факторы, влияющие на процесс высокотемпературной коррозии.

1.5.4 Методы исследования процессов высокотемпературной коррозии.

Глава

Разработка методики проведения экспериментальных исследований на стендовой установке.

2.1 Описание экспериментального стенда.

2.2 Методика проведения лабораторных исследований по изучению влияния коррозионно-агрессивных факторов в среде продуктов сгорания ТБО.

2.3 Методика проведения стендовых и промышленных испытаний по изучению характеристик коррозионной стойкости котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО.

2.4 Методика подготовки образцов к испытаниям и их последующей обработки.

2.5 Метод газового анализа.

Глава

Результаты стендовых исследований по изучению влияния коррозионно-агрессивных факторов и характеристик коррозионной стойкости отечественных котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО.

3.1 Исследования по изучению влияния коррозионно-агрессивных факторов в среде продуктов сгорания ТБО.

3.1.1 Условия проведения исследований.

3.1.2 Анализ результатов исследований.

3.2 Стендовые испытания по определению характеристик коррозионной стойкости котельных сталей.

3.2.1 Условия проведения стендовых испытаний по определению характеристик коррозионной стойкости котельных сталей.

3.2.2 Анализ результатов стендовых испытаний по определению характеристик коррозионной стойкости котельных сталей.

3.2.3 Анализ влияния коррозионно-агрессивных факторов на скорость общей коррозии.

Глава

Промышленные испытания по определению характеристик коррозионной стойкости котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО.

4.1 Условия проведения промышленных испытаний.

4.2 Результаты микрорентгепоспектралыюго анализа структуры и элементного состава продуктов высокотемпературной коррозии.

4.3 Результаты определения скорости общей коррозии.

Глава

Анализ экспериментальных данных и разработка рекомендаций по снижению интенсивности высокотемпературной газовой коррозии и повышению надежности пароперегревателей котлов в среде продуктов сгорания ТБО.

5.1 Расчет характеристик коррозионной стойкости котельных сгалей и получение зависимостей глубины коррозии от температуры и времени эксплуатации.

5.1.1 Методика расчета характеристик коррозионной стойкости.

5.1.2 Расчет характеристик коррозионной стойкости исследованных котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО.

5.2 Оценка достоверности полученных результатов.

5.2.1 Сопоставление расчетных данных с результатами инструментального контроля вырезок груб из поверхностей нагрева КУ.

5.2.2 Оценка предельной относительной ошибки расчета глубины коррозии.

5.3 Разработка решений по повышению надежности пароперегревателей котлов с увеличенными параметрами пара на ТЭС для сжигания ТБО.

5.4 Оценка технико-экономического эффекта полученных результатов.

Основной тенденцией энергетики 21 века является энергосбережение и повышение энергетической безопасности с использованием различных видов нетрадиционных, возобновляемых топлив и различных видов отходов (биомасса; древесные, твердые бытовые, промышленные и сельскохозяйственные отходы и т. д). В условиях постоянного роста цен на ископаемое топливо возрастает актуальность использования энергетического потенциала возобновляемых топлив и отходов в России. В связи с этим, одним из приоритетных направлений является создание высокоэффективных систем утилизации тепла для установок па нетрадиционных и возобновляемых топливах.

Анализ мировых тенденций и технико-экономических аспектов развития технологий энергетического использования отходов и возобновляемых топлив позволяет сделать вывод, что такие технологии должны быть ориентированы на выработку электрической энергии при высоких параметрах пара с целыо повышения КГЩ.

К возобновляемым топливам относятся все виды биомасс -древесина, солома, топливные древесные гранулы. К отходам, в первую очередь, относятся наиболее распространенные твердые бытовые отходы (ТБО), различные виды сельскохозяйственных отходов, кородревесные отходы (КДО) и горючие промышленные отходы. Следует подчеркнуть, что ТБО - это практически неисчерпаемый вид топлива, равномерно распределенный пропорционально плотности населения и готовый к применению. В долгосрочной динамике морфологический и фракционный составы ТБО меняются, что, в свою очередь, приводит к росту низшей теплоты сгорания.

Оценивается, что 5 % энергопотребления стран ЕС может быть покрыто за счет использования энергетического потенциала ТБО1. По

1 Urban waste generated energy. Report 1995. World Energy Council, - 1995. - 84 p. данным Мирового энергетического совета, к 2020 г. объем использования возобновляемых топлив и отходов в мировом топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) возрастет до 6 %. В России энергетический потенциал возобновляемых топлив и отходов составляет 35-50 млп.т.у.т./год, из них доля ТБО составляет порядка 10 млн.т.у.т./год. В настоящее время этот потенциал используется па 1,5 %, причем в основном для выработки тепловой энергии.

В «Основных положениях (Концепции) технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г.», разработанных ОАО РАО «ЕЭС России» в 2007 г., особое место уделяется использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В Концепции отмечено, что по прогнозу Института энергетической стратегии общая установленная мощность ВИЭ к 2030 году должна составить более 18 ГВт. При этом наибольшая доля в этом объеме должна приходиться па ТЭС, сжигающие возобновляемые топлива и отходы - б ГВт (около 33 %). Одним из основных направлений технической политики в области использования возобновляемых топлив и отходов является освоение экологически чистых технологий переработки ТБО и биомассы с производством тепловой и электрической энергии.

Следует также отмстить, что сжигание ТБО па ТЭС позволяет решить проблему санитарной очистки городов. Вследствие этого существует устойчивая мировая тенденция увеличения доли ТБО, используемых на ТЭС в качестве энергетического топлива.

Большинство ТЭС, сжигающих ТБО и биомассу, имеют невысокие параметры пара и КПД. Отечественные ТЭС на отходах отличаются от зарубежных наиболее низкими параметрами пара и значениями электрического КПД нетто. ГТизкая энергетическая эффективность таких ТЭС существенно снижает экологический эффект, связанный с вытеснением из ТЭБ традиционных топлив за счет вовлечения ТБО и биомассы. Экологический эффект в этом случае связан с тем, что около половины всех газовых выбросов в местах складирования органосодержащих промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов приходится па метан, который в 21 раз опаснее, с точки зрения парникового эффекта, чем С02. Соответственно при сжигании ТБО и биомассы снижаются выбросы парниковых газов, во-первых, за счет экономии традиционного топлива, во-вторых, за счет предотвращения выброса в атмосферу метана.

Трудности при сжигании ТБО связаны со сложным элементным, морфологическим и фракционным составом. Трудности при сжигании биомассы обусловлены значительными колебаниями составов рабочей массы и минеральной части. В результате котельные установки, сжигающие ТБО и биомассу, вследствие особенностей конструкции и специфических свойств топлив, имеют низкий КПД и ограничение по параметрам пара. Это является основной причиной низкого электрического КПД ТЭС, использующих ТБО и биомассу. Ограничение по параметрам пара па выходе из котла обусловлено чрезвычайной коррозионной агрессивностью продуктов сгорания ТБО и биомассы.

Экономичное и надежное сжигание в котлах ТБО и биомассы связано с решением проблемы интенсивной высокотемпературной газовой коррозии пароперегревателей. В пашей стране до настоящего времени данный вопрос в полной мере не изучен. В этой связи особую актуальность приобретает задача разработки высоконадежной конструкции котла для сжигания ТБО и биомассы.

В частности, вопрос о влиянии различных факторов па коррозионные процессы в среде продуктов сгорания ТБО и биомассы является недостаточно изученным на сегодняшний день. Также не удалось найти какие-либо данные по характеристикам коррозионной стойкости отечественных марок котельных сталей в среде продуктов сгорания рассматриваемых топлив. По видимому, таких исследований до настоящего времени пе проводилось.

Таким образом, цслыо настоящей работы является разработка решений по повышению надежности пароперегревателей котлов для сжигания ТБО па 'ГЭС с увеличенными параметрами пара па основании результатов стендовых и промышленных исследований процессов высокотемпературной коррозии и характеристик коррозионной стойкости котельных сталей.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- Разработать методику стендовых исследований высокотемпературной газовой коррозии в условиях, идентичных условиям работы пароперегревателей котлов для сжигании ТБО.

- Провести стендовые исследования с целыо изучения влияния основных коррозиопно-агрессивных факторов па процесс высокотемпературной газовой коррозии в среде продуктов сгорания ТБО.

- Провести стендовые и промышленные испытания по определению коррозионной стойкости котельных сталей в сре/^ продуктов сгорания ТБО.

- Получить зависимости глубины коррозии от времени и температуры вида АБ^ДТ,г) для каждой исследованной марки сталей.

- Па основе полученных результатов разработать решения по снижению негативного влияния высокотемпературной газовой коррозии на надежность работы пароперегревателей и котлов в целом при сжигании ТБО.

Результаты настоящей работы при разработке и эксплуатации паровых котлов на ТБО и биомассе должны обеспечивать повышение надежности пароперегревателя в условиях длительной эксплуатации прежде всего за счет выбора оптимальной котельной стали, а также за счет оценки предельного эксплуатационного ресурса и межремонтного периода применительно к различным котельным сталям и параметрам пара. Эти данные, в свою очередь, позволят определять экономическую и техническую целесообразность повышения параметров пара при использовании па 'ГЭС

ТБО, а также при применении для пароперегревателя различных марок котельных сталей. Также оценка предельного эксплуатационного ресурса в каждом случае позволит предотвращать внеплановые остановы котлов и простои энергоблоков, что в настоящее время является одной из актуальных проблем повышения эффективности работы ТЭС на ТБО.

При решении задач, поставленных в диссертации, использовались методы экспериментального изучения коррозионных процессов па стендовой установке и промышленном котле.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность научному руководителю: канд.техн.наук, зав. ОПТ ВТИ - Тугову А.Н.

Выполнение работы стало возможным благодаря участию в пей научных работников ОПТ ВТИ: канд.техн.паук, зав. сектором золы и шлака ОПТ ВТИ - Дика Э.П., канд. техн.наук — Москвичева В.Ф., канд. техн.наук - Соболевой А.Н., инж. - Спичкиной Н.И., инж. - Титова М.С. инж. - Овсянникова Д.В. сотрудников ОМ ВТИ: канд.техн.паук - Школьниковой Б.Э., канд. техн.наук - Урусовой Г.А.

Также хотелось выразить благодарность научным работникам ЦНИИТМАШ: канд.техн.наук - Хариной И.Л., инж. - Змиеико Д.С.

Отдельные этапы работы обсуждались па научно-технических советах ОПТ ВТИ. Основные результаты диссертации изложены в отчете ВТИ, опубликованы в 17 статьях и материалах научно-технических конференций.

11

Выводы но главе 5.

- Для сталей Сталь 20, 09Г2С, 15ГС, 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ, ДИ 82, ДИ 59, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 16МоЗ, 2350Н на основе проведенных экспериментальных исследований получены зависимости глубины общей коррозии от температуры и времени эксплуатации в среде продуктов сгорания ТБО. Для сталей Сталь 20 и 12Х1МФ расчетные результаты, полученные с использованием приведенных зависимостей, подтверждены результатами эксплуатационного контроля вырезок из поверхностей нагрева парового котла (КУ СЗ №4), сжигающего ТБО.

- Практическая ценность и экономическая значимость работы заключаются главным образом в том, что полученные результаты позволяют определять оптимальный рабочий температурный диапазон для каждой марки исследованной котельной стали, а также оценивать предельный ресурс и межремонтный период пароперегревателя паровых котлов на ТБО для любых эксплуатационных параметров пара. Это, в свою очередь, позволит предотвращать внеплановые остановы котлов по причине выхода из строя пароперегревателей.

- При температуре пара/стенки 435/490 °С полученные результаты позволяют повысить эксплуатационный ресурс выходной ступени пароперегревателя как минимум до 20 тыс.ч.

- Для энергоблока, сжигающего 48 т/ч ТБО среднего состава ((¡>¡'=7500 кДж/кг) повышение параметров пара с 1,3 МПа, 310 °С до 3,4 МПа, 435 °С приведет к увеличению располагаемой электрической мощности с 17,4 до 23,5 МВт. При Киу=70-75 % дополнительная выработка электроэнергии составит около 40 млн.кВт-ч/год. За рабочую компанию длительностью 20 тыс.ч с учетом затрат на замену выходной ступени пароперегревателя (масса ступени 43,7 т, труба 60x7 ДИ 82) экономический эффект составит порядка 100 млн. руб. (примерно 100 руб. на 1 т сожженного ТБО).

172