Netradits_Energetika_Uch_1
.pdfСжигание лигнитов освоено на ТЭС в Болгарии, Греции, Югославии, Румынии, в том числе и с участием российских машиностроите-
лей [27,28].
Освоены в России схемы пылесжигания фрезерного торфа и бурых низкозольных высоковлажных энергетических углей, которые в значительной степени и могут быть использованы при совместном сжигании древесной биомассы [29, 30].
Для сжигания смеси древесных отходов из нескольких компонентов (опилки диаметром до 5 мм при влажности 50…60 %; щепа размером до 100 мм при влажности 55…60 %, расщепленный до размеров 5…35 мм кругляк) при факельном сжигании сохраняются те же требования к качеству выходного продукта, добавляются требования к обеспечению однородной смеси. Это может потребовать усложнения системы топливоприготовления за счет внесения элементов классификации продукта и его предварительного дробления.
При сжигании же указанной смеси в механических слоевых топках, а также в кипящем слое, где может допускаться размер фракций 6…25 мм (и несколько более) при влажности более 20 %, топливоприготовление значительно упрощается.
Положительные результаты получены в России при испытаниях на отходах переработки растительной биомассы топки с циркулирующим кипящим слоем (опыты проведены на установке мощностью 2 МВт); в результате открываются перспективы использования биомассы (в частности, в смеси с углем) в качестве топлива для энергетических установок средней и большой мощности. Реализация такого проекта в ближайшем будущем представляется весьма актуальной задачей.
4.2.4.Совместное сжигание биомассы
спредварительной ее газификацией в выносной топке
Одним из предпочтительных вариантов использования биомассы являются системы с предварительной ее газификацией в выносной топке. При этом снимаются такие проблемы, как шлакование и загрязнение поверхностей нагрева, переменность энергетических харак-
151
теристик биомассы, в том числе ее влажность, а также в значительной для технологии степени – гранулометрический состав исходной массы.
Такие системы могут использоваться как при отдельном сжигании биомассы, так и при совместном использовании ее с углем.
Примером технологии предварительной газификации биомасс при совместном сжигании ее с углем может служить технология использования для газификации биомассы выносной топки (рис. 3.4, 3.5), проверенная в США для пылеугольных котлов 270 МВт [15]. При этом была выполнена реконструкция пылеугольного котла для сжигания смеси из 10 % древесных отходов и 90 % угля. Древесные отходы сжигались в выносной топке со слоевой решеткой, где на первой стадии происходит процесс газификации биомассы. Полученные газы на второй стадии дожигаются и направляются через огнеупорный газоход в топку пылеугольного котла с температурой 980…1200 °С. Эта технология сжигания имеет следующие преимущества:
y из-за очень низкого содержания твердых частиц в газе больше 99 % древесного шлака остается в выносной топке (на первой ступени
Рис. 3.4. Котел на 90 т/ч с выносной топкой для совместного сжигания с помощью 3 установок Envirocycler с общей дымовой трубой. Вертикальный разрез
152
Рис. 3.5. Котел с выносной топкой для совместного сжигания с помощью 3 установок Envirocycler с общей дымовой трубой. Вид в плане
установки), откуда он удаляется встроенной в эту ступень системой шлакоудаления. Это позволяет значительно уменьшить нагрузку на существующую систему очистки котла;
y при использовании в выносной топке решетки с большой площадью поверхности ее температура при сжигании древесных отходов редко превышает 650 °С, что на 300 °С ниже, чем точка кипения калия (960 °С) и больше чем на 205 °С ниже точки кипения натрия (880 °С). В результате количество паров калия и натрия, уносимых в котел продуктами сгорания, весьма незначительно, а это приводит к минимальным отложениям щелочей. Этот способ сжигания позволяет повысить надежность использования биомассы, обогащенной щелочными элементами;
y преимуществом совместного сжигания с технологией выносной топки является гибкость (универсальность) в отношении вида сжигае-
153
мой вместе с углем биомассы и ее влажность (от 10 % до 65 % на рабочую массу);
y на второй ступени сжигания «генераторного» газа (огнеупорный газоход без поверхностей нагрева) температура газов составляет 980…1200 °С, практически разрушаются все молекулы диоксинов и фуренов, имеющихся в топливе;
yуниверсальность такой схемы сжигания состоит в том, что в качестве биомасс могут быть использованы как древесные отходы, так и сельскохозяйственные (включая рисовую шелуху, отличающуюся повышенным содержанием щелочей), а кроме биомассы различных видов могут также сжигаться и различные бытовые отходы (их смеси);
yвысокая маневренность установки за счет регулирования скорости получения генераторного газа на первой ступени;
yможет быть обеспечено до 20 % тепловой производительности котла за счет соответствующей (1:5 по отношению к основному котлу) производительности выносной топки;
yв аварийной ситуации газы от выносной топки могут освободиться по байпасу непосредственно в дымовую трубу, не оказывая никакого отрицательного влияния на работу пылеугольного котла;
yупрощенная система топливоприготовления.
Итак, основным преимуществом указанной технологической схемы является возможность сжигать в этом устройстве широкого диапазона (по качественным характеристикам) биомасс (и даже бытовых отходов) в количестве не менее 10 % по теплу (и даже более). Предел обусловлен более низкой радиационной теплопередачей топочным экранам и трубам пароперегревателя от продуктов сгорания, выносной топки с температурой 1200 °С при температуре сгорания угольной пыли 1650 °С.
Производство электроэнергии на такой модернизированной установке с пылеугольным котлом 270 МВт с тремя выносными топкамигазификаторами обходится в 300 долл./кВт (сюда входит стоимость бункера для древесных отходов, конвейеры и газоходы; системы размола при этом не требуется, а древесные отходы (опилки) подаются немолотыми).
154
5.ПРЯМОЕ СЖИГАНИЕ БИОМАССЫ
ВСПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ
5.1.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГОМАШИНОПРОИЗВОДИТЕЛИ. НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ РАЗРАБОТКИ
Одним из путей рационального использования биомасс является их прямое сжигание в специальных установках. В течение длительного времени, да и в настоящий период, такой способ использования биомасс имеет место в России, Республике Беларусь, а также в ряде развитых стран (США, Финляндия, Швеция и др.). Так, в США в 1995 г. было внедрено 360 установок для сжигания биомасс, что составило 1 % установленных в стране мощностей. Много таких установок разработано и внедрено в России («Бийскэнергомаш», ОАО «Кировский завод» в Калужской области и др.), а также в республике Беларусь (заводы «Коммунальник», «Котломаш» и др.) [16–25, 31–32].
Вопросами исследований сжигания, разработки конструкций, изготовления, внедрения в производство котельных установок мощностью (до 50 т/ч) по сжиганию биомассы ( отдельно и совместно с другими видами топлив) в виде:
y лузги гречихи, овса, подсолнечника (с выходом летучих до 60…80 % с большой парусностью коксового остатка);
yкостной муки (с выходом летучих до 70…80 %, с интенсивным отложением летучей золы на поверхностях нагрева);
yила отстойников водоочистных сооружений (с влажностью 40…50 %, зольностью 25…30 %, с фрагментами пластмассы);
yопилок, шлифованной пыли, стружки, щепы и крупных фрагментов древесины (высокая влажность, повышенная парусность, недревесные включения) – в России, наряду с другими организациями, эффективно занимаются НИИ ПО «Бийскэнергомаш» (г. Барнаул), Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул), ЗАО ПО «Бийскэнергомаш», ОАО «БиКЗ», ООО «Петрокотел» (Санкт-Петербург), ОАО «Белэнергомаш» (г. Белгород), АО «Политехэнерго», ТОО «Энерготехнология» (Санкт-Петербург), НПО ЦКТИ (Санкт-Петербург) и др.
155
Для решения поставленных задач на ПО «Бийскэнергомаш» функционирует экспериментальная котельная ( в т.ч. и по сжиганию ВУТ), на кафедре «Котло- и реакторостроения» АлтГТУ – пилотная огневая установка мощностью 0,5 МВт, два лабораторных огневых стенда с кипящим слоем, крупномасштабная (2 м2) изотермическая модель топки ЦКС, плоская изотермическая модель кипящего слоя, установка для термообработки (до 500 °С), плоская изотермическая модель ЦКС, модель пневмозатвора с кипящим слоем, растопочное устройство «козырек», аэродинамическая установка для крупномасштабных моделей газовоздухопроводов, аэродинамический стенд для изучения теплообмена и отложений цилиндрических поверхностей нагрева; там же лаборатория физико-технического анализа топлива, химического анализа дымовых газов.
На установках проводятся исследования и ведутся разработки по следующим вопросам и проблемам:
yоптимизация системы ожижения слоя (конструкция газораспределительной решетки, колпачков, сепараторов слива слоя, параметры газовых струй, равномерность ожижения);
yнадежность методов растопки топочного устройства;
yэффективность выгорания твердого топлива (механизм образования механического недожога, возврат уноса, способы дожигания);
yприменение и способы грануляции (грануляция уноса, мелкого топлива, всего топлива);
yсжигание биотоплива в кипящем слое (отходы деревообработки, сельскохозяйственные отходы, ил водоотстойников и др.).
НИИ ПО «Бийскэнергомаш», ЗАО ПО «Бийскэнергомаш», ОАО «БиКЗ» одним из основных направлений по эффективному сжиганию лузги, древесных отходов (а также водоугольного топлива) считают использование вихревых и радиальных топок. Ими внедрены 34 котла
в24 котельных производительностью до 25 т/ч с вихревыми топками. Для сжигания лузги и растительных отходов ОАО «БиКЗ» освоено производство новых котлов Е-16-21-350 ГМДВ, КЕ-10-14 ОГВ, КВ-1,86 ВД и УСШ-1-1,4 ГМДВ. Блок котла Е-16-21-350 ГМДВ установлен над вихревой топкой и соединен с ней вертикальным газоходом, в котором расположен пароперегреватель (перегрев пара до
350 °С). Вихревая топка шестигранная с горизонтальной осью, обра-
156
зована двумя цельносварными экранами. Выход вихревой топки выполнен фестоном, а со стороны глухого торца топки, образованного обмуровкой, установлена горелка и лаз.
При реконструкции наиболее эффективны топки радиального типа. Они использованы в котлах КЕ-25-14-250, КЕ-10-14, КЕ-6,5-14, ДКВр-2,5-13 и др. Эти котлы поставляются «БиКЗ», а проекты реконструкции имеющихся котлов типа КЕ и ДКВР выполняются НИИ ПО «Бийскэнергомаш» и ЗАО ПО «Бийскэнергомаш».
Указанные типы топочных устройств позволяют удерживать в топке частицы лузги до полного их выгорания.
Опыт сжигания растительных отходов показал, что даже при низкой их зольности (например, подсолнечная лузга) имеет место формирование мощных отложений золы в топке и котельных пучках. Это требует для обеспечения надежной эксплуатации соответствующих режимных и конструктивных мероприятий. Опыт круглосуточного сжигания лузги (котельная Урюпинского маслоэкстракционного завода с котлами Е-16-24-380ГВДМ) подтвердил эффективность работы котельной.
На основе вихревых топок с двусторонним воспламенением слоя на колоснике в ЗАО ПО «Бийскэнергомаш» и ОАО «БиКЗ» освоено производство котлов КВ-1,86 ВД, работающих на древесных отходах. Такие котлы успешно эксплуатируются в котельной Абазинского лесокомбината (г. Абаза) с 1996 г.
Вихревые топки высокоэффективны также и для сжигания сухих опилок и пыли от шлифования.
Реконструкция котлов ДКВр-10, «Энергия РК» (г. Бердск) показала, что глубокое выгорание горючих из легких уносимых частиц может быть обеспечено в том числе и за счет оригинальной системы подачи острого дутья.
Наиболее унифицированным топочным устройством, где могут эффективно сжигаться и древесные отходы, и низкосортные угли, разработанным НИИ и ЗАО ПО «Бийскэнергомаш», являются топки со схемой свободного форсированного низкотемпературного кипящего слоя (НКТС) с организацией вихревого движения в объеме над слоем подачей вторичного дутья. В основе концепции создания таких топок лежит технологическая схема с использованием топки со свободным
157
(без погруженных поверхностей нагрева), форсированным (скорость ожижения 5…10 м/с), низкотемпературным (800…1000 °С) кипящим слоем (НКТС), вписываемой в профиль котельного блока (котла) с использованием его элементов (экранов) и топочного объема для сепарации частиц и дожигания горючих с учетом видов топлива
(рис. 3.13).
Котлы с такими топками (водогрейные и паровые) удовлетворяют современным экологическим требованиям и рассчитаны на сжигание низкосортных углей, биомассы (древесных отходов) и горючих твердотопливных отходов.
Выбранная технологическая схема сочетает в себе наиболее важные преимущества топок классического (пузырькового) и циркулирующего кипящего слоя.
Топка НКТС отличается высокой скоростью ожижения (до 9…10 м/с), малой неравномерностью температуры и концентрации топлива по площади слоя (за счет интенсивного перемешивания), слой выносится в объем топки и, интенсивно охлаждаясь, «истекает» по заднему экрану; под решетку подается только 50…60 % воздуха, участвующего в горении, остальной воздух подается через сопла вторичного дутья. Недостаток воздуха в слое приводит к частичной газификации топлива и двухстадийному горению. Вторичный воздух, поcтупает через фронтальные и задние сопла, образует вихрь с горизонтальной осью вращения и обеспечивает дожигание газов и выносимой мелочи. Форсированный режим обеспечивает более надежное сжигание и увеличение диапазона регулирования нагрузки, уменьшает площадь воздухораспределительной решетки, позволяет вписать топку НКТС практически во все известные профили котлов Бийского, Дорогобужского, Белгородского и других котельных заводов. В совокупности с внутритопочной сепарацией заполняется циркулирующими частицами топочный объем над слоем и интенсифицируется процесс горения и теплообмена, как при циркулирующем кипящем слое. А отсутствие погруженных в слой поверхностей нагрева облегчает обслуживание котла, его эксплуатацию, снижает проблему абразивного износа. Низкая же температура топочного процесса обеспечивает высокие экологические показатели и бесшлаковочную работу котла. Котел КЕ-20-16-320 с топкой низкотемпературного кипящего слоя
158
(НКТС) при сжигании древесных отходов (технологической щепы с Wr = 45 %) был установлен (реконструкция котла КЕ-25-24-350 ГМ) в котельной ЗАО «Пермский фанерный комбинат» (новая маркировка котла КЕ-20-26-320 ОГВ). Испытания котла в режиме НКТС показали его преимущества по сравнению с котлами «Тампелла» (Финляндия), установленными в той же котельной и сжигающими древесные отходы:
yвысокая стабильность параметров работы при КПД 78…84 %;
yотсутствие шлакования;
yвыбросы NОх не более 200 мг/нм3 (при αух = 1,4).
Этот котел планируется для перевода на сжигание дробленой бересты, опилок, дробленых отходов от обрезки фанеры.
Для сжигания дробленого угля топки с НКТС установлены на реконструированных котлах ТП-35-40-440 и ТП 30-40-440 в котельной Теплоозерского цементного завода (Хабаровский край) и котлов ТС-35-40-440 Читинской ТЭЦ-2 (рис. 3.13).
В результате реконструкции котлов с установкой топки НКТС на дробленом угле получены следующие преимущества:
y расширены пределы регулирования температуры перегретого пара за счет интенсификации теплообмена в топке и перераспределения дутья;
yповышен выжиг топлива (максимальные потери с механическим недожогом не превышают 2,5 %);
yисключены потери с химическим недожогом;
yконцентрация окиси углерода не превышает 100 ррm, а оксидов азота 200 мг/нм3;
yрегулирование температуры слоя осуществляется изменением расхода воздуха (без применения погруженных в слой поверхностей нагрева); при переходе в режим газификации температура слоя снижается и имеет ярко выраженный максимум в топке стехиометрического соотношения – вот почему котел не имеет ограничений по нагрузке из-за температуры слоя.
Весьма существенно, что разработанная схема (НКТС) позволяет адаптироваться к особенностям (большие объемы, высокие теплонапряжения топочного объема и теплосъемы топки, необходимость четкого выдерживания параметров перегрева и высокая эффективность сжигания) пылеугольных (камерных) энергетических котлов как объ-
159
ектов реконструкции. При этом схема позволяет обеспечить процесс без дорогостоящих сепарационных устройств (циклоны) и систем возврата уноса.
ОАО «Кировский завод» (Калужская область) запустил в производство промышленный котел КВм-0,63 Д номинальной производительностью по теплу 0,63 МВт для работы на отходах деревообрабатывающей промышленности (опилки и др.). Котел имеет достаточную степень автоматизации и эксплуатации без постоянного обслуживающего персонала. Более пятидесяти таких котлов уже работают на мебельных фабриках, лесопилках и деревообрабатывающих предприятиях.
Выпуску нового типа эффективных промышленных энергоустановок разного типа (включая и предварительную газификацию топлива) уделяется большое внимание в Правительственных программах по энергосбережению и утилизации использования промышленных отходов, в том числе в широком спектре – древесной биомассы и отходов сельскохозяйственного производства. Этому посвящены «Временные руководящие указания по энергосбережениям», разработанные Департаментом государственного энергетического надзора и энергосбережений Минатомэнерго Российской Федерации [24].
В значительных количествах биомасса вследствие ограниченных запасов топливно-энергетических ресурсов используется в республике Беларусь. При этом в наибольших количествах используется древесная биомасса, состоящая из древесных отходов. Около 40 % заготовленной круглой древесины составляют древесные отходы, из которых около 50 % сжигалось в котлах. В основном это котлы малой энергетики (промышленных предприятий). В 1995 г. на сжигание древесных отходов переведено 1190 действующих котлоагрегатов. При этом наиболее эффективным способом сжигания древесных отходов является их предварительная переработка в газогенераторных установках. Освоен выпуск газогенераторов, мощностью 30…200 кВт, работающих на местных низкосортных топливах и биомассе. Выпуск котлов с газогенераторной технологией освоен на Гомельском заводе «Коммунальник» и заводе «Котломаш».
Из животноводческих отходов в республике Беларусь используется получаемый из них биогаз. В 1992 г. в Брестской области введена в
160