Netradits_Energetika_Uch_1

Рис. 3.15. Котельная установка с циркулирующим кипящим слоем:

1 – паровой барабан; 2 – внутритопочный радиационный пароперегреватель; 3 – пароохлаждаемые циклоны; 4 – ступени пароперегревателя свежего пара; 5 – ступени промежуточного пароперегревателя; 6 – экономайзеры; 7 – регенеративный вращающийся воздухоподогреватель; 8 – дутьевые вентиляторы; 9 – топка

Для более глубокой денитрификации продуктов сгорания используется система селективного некаталитического восстановления (СНКВ). При достижении определенной концентрации NO (50 мг/МДж) в циклоны впрыскивается аммиак. Предусмотрена также подача его непосредственно в топку. От золы дымовые газы очищаются в четырехпольном электрофильтре.

При изготовлении котла использовались различные конструктивные материалы – от углеродистой до аустенитной нержавеющей стали марки Х10СчМоVNb91. Общая стоимость сооружения энергоустанов-

191

ки (блока) 240 МВт Алхомене (г. Пиетареари) примерно 1 млрд финских марок (170 млн евро) с долей финской стороны около 70 %. Удельные капитальные затраты составили ориентировочно 760 евро/кВт. Проект был поддержан программой «Терми», выполняемой в рамках Евросоюза.

Трехцилиндровая паровая турбина изготовлена российскофинским консорциумом ЛМЗ-Энергико (С-Петербург–Хельсинки). Российской стороной изготовлены ЦСД и ЦНД, а также конденсатор, длина последних лопаток ЦНД достигает 1200 мм.; ЦВД поставлен фирмой Сименс, выступившей в качестве субподрядчика ЛМЗ; финская сторона поставила конденсатные насосы, циркуляционные насосы, часть подогревателей и другое вспомогательное оборудование; давление в конденсаторе, охлаждаемом морской водой, 0,002 МПа; расход воды 7,5 м3/с; конденсатор выполнен из титановых трубок общей длиной 270 км; генератор с водородным охлаждением Австрийской поставки фирмы V.A. Tech Hydro мощностью 306 МВт, V = 15,75 кВ, n = 3000 об/мин; коэффициент мощности 0,85).

5.6.2. Котлы с циркулирующим кипящим слоем фирмы «Такума» для сжигания отходов бумажного производства

Тенденции развития котлов малой мощности иностранными производителями в основном связаны с использованием циркулирующего кипящего слоя как способа сжигания твердого топлива.

Технологический процесс, осуществляемый в котле, показан на рис. 3.16. Из него видно, что сжигание жидких отходов весьма сложный технологический процесс. Некоторые из элементов этого технологического процесса могут быть использованы при разработке котлов малой мощности:

–использование генераторов, работающих на жидком топливе для подогрева воздуха;

–установка вынесенных воздухоподогревателей;

–использование плотных дозаторов для исключения подсоса воздуха под золоулавливающими устройствами и т.п.

192

Рис. 3.16. Технологическая схема сжигания отходов бумажного производства

На рис. 3.17 изображен паровой котел малой мощности для сжигания твердого топлива в кипящем слое той же фирмы «Такума». Как и в предыдущем случае, используется генератор для дополнительного подогрева воздуха. На рисунке не показано, но, вероятно, из камеры под испарителем организован возврат недогоревших частиц топлива обратно в слой.

На рис. 3.18 показан более мощный котел производительностью 43 т/ч при выработке пара 62 кгс/см2 и tпе = 460 °С и сжигании гранулированных отходов.

Как и в предыдущем случае, в нем не предусматривается специальных устройств для улавливания недогоревших частиц. Это осуществляется за счет гравитационного эффекта при снижении температуры и скоростей газов в районе пароперегревателя и испарителя. Возврат частиц топлива осуществляется через дозатор под бункером с помощью вторичного воздуха. Экономайзер и воздухоподогреватель вынесены, и работают в слабозапыленном газовом потоке после санитарных золоуловителей.

193

Рис. 3.17. Паровой котел малой мощности фирмы «Такума»

Рис. 3.18. Котел производительностью 43 т/ч для сжигания твердого топлива в кипящем слое (фирма «Такума»). Продольный разрез

194

Рис. 3.19. Технологическая схема котла с ЦКС

На рис. 3.20 показан компактный сепаратор, являющийся неотъемлемой частью топочной камеры и камеры охлаждения, которые выполнены из газоплотных панелей. Такое решение и для котлов малой мощности (в случае возможности реализации) было бы весьма полезным.

Рис. 3.20. Внутритопочный сепаратор фирмы

«Foster-Wheeler» для котлов с ЦКС

195

5.6.3.Перспективы использования биомассы

вразвитых странах мира [45–60]

Растительная биомасса в силу таких своих основных качеств, как возобновляемость данного вида топлива, его экологическая чистота в сравнении с другими видами топлива, отсутствие воздействия на баланс свободного углерода в атмосфере, ведущего к развитию «парникового» эффекта, считается одним из наиболее «благородных» видов топлива и рассматривается во многих странах как перспективный источник энергии на ближайшее будущее.

Вбольшинстве развитых стран имеются долгосрочные программы по биоэнергетике. Так, в Финляндии, занимающей ведущее место в области изучения и использования биотоплива, соответствующие исследования ведутся с 1980 г. С 1993 г. функционирует программа BIOENERGIA. Указанная программа включает 60 проектов. Основные направления исследований, предусмотренные программой, включают

всебя: газификацию и сжигание; схемы и оборудование небольших электростанций; сушка под давлением; производство древесных топлив; торфопроизводство; экономика и экология биотоплив.

Внастоящее время (на 2000 г.) Финляндия за счет леса и торфа

удовлетворяет около 14 % энергетических потребностей. При этом в энергетических целях используется 4,5 млн м3 древесины, а доступные неиспользуемые пока лесные ресурсы составляют: древесные отходы – 67 %; торф – 28 %; технологическая щепа – 5 %.

ВШвеции более 14 % всей энергии вырабатывается на биомассе. В США мощность энергетических установок, работающих на биомассе, достигает 9000 МВт.

Вконце 1990 г. создана программа сотрудничества по энергетическому использованию биомассы «ЛЕБЕН» (LEBEN-LARGE EUROPEAN BIOMASS ENERGE NETWORK). Она включает более 16

проектов для стран ЕС. Ее конечной целью является доведение проек-

тов до стадии промышленных технологий [26].

Бюджет Министерства энергетики США также предусматривает выделение крупных сумм на развитие технологий использования биомассы.

196

Для прямого сжигания биотоплива за рубежом используются и развиваются различные модификации слоевого сжигания, сжигания в пузырьковом и циркулирующем кипящем слое. При этом основное внимание уделяется очистке газовых выбросов.

Межнациональная компания Ahlstrom, являющаяся крупнейшим в мире производителем многотопливных котлов, допускающих сжигание древесины (40 % мирового рынка), к началу 1994 г. поставила 70 котлов стационарного кипящего слоя тепловой мощностью от 5 до 200 МВт, 120 котлов с циркулирующим кипящим слоем общей тепловой мощностью 12500 МВт, максимальная мощность изготовленного котла 250 МВт; предлагается изготовление котлов мощностью до 400 МВт [5–7]. Слоевые методы сжигания биомассы, в том числе бытовых отходов и соломы, развиваются датской фирмой Volund.

Ведущие котлостроительные фирмы применяют высокотемпературную и низкотемпературную очистку газов, двухступенчатое сжигание, дожигание уноса, введение присадков. Фактическое содержание NОх достигает 56 мг/МДж при гарантированных значениях 140…170 мг/МВт. Котлы для сжигания биомассы пользуются спросом на мировом рынке.

Более 10 лет эксплуатируется в США (штат Вермонт) электростанция мощностью 50 МВт, работающая на биомассе, состоящей на 80 % из древесины от санитарных рубок и отходов лесозаготовок и на 20 % – из отходов переработки древесины. Однако при средней мощности электростанций с биоэнергетическими установками 20 МВт и их эффективном КПД 25 % себестоимость электроэнергии составляет 6,5…8,0 центов/кВтч. В то же время приемлемая себестоимость электроэнергии составляет 4,5…5,5 центов/кВтч, что требует иметь эффективного КПД установки не менее 35…40 %.

Такое повышение эффективного КПД требует замены прямого сжигания и паросилового цикла (на установках малой производительности) более совершенными технологиями, включающими термическую газификацию. В связи с этим в США, Канаде, Финляндии, Австрии были построены газогенераторы различных типов для замены прямого сжигания в установках, работающих по паросиловым циклам. Были предложены и нашли поддержку интегрированные газификационные циклы (IGCC), являющиеся различными модификациями оте-

197

чественного парогазового цикла с внутрицикловой газификацией. Основные проблемы, возникающие при реализации такого цикла, связаны с очисткой генераторного газа и работоспособностью проточной части газовых турбин на продуктах сгорания генераторного газа. При этом становится целесообразным осуществление процесса генерации газа под давлением. Программы по реализации (IGCC) проводились в США (IGT), Финляндии (Tampella, VTT), Швеции (TPS). Такой цикл в диапазоне мощностей 50…150 МВт позволяет получить эффективный КПД, равный 45…50 %, и коэффициент использования топлива 90 %. При этом выбросы в атмосферу на 20…50 % ниже, чем при традиционных методах сжигания. В табл. 3.19 приведены обобщенные значения тепловой эффективности установок различной мощности, работающих по различным термодинамическим циклам [6, 7, 8, 26].

Т а б л и ц а 3.19

Эффективность энергоустановок при работе на биомассе

Технология	Термодинами-	Диапазон	Эффективность	Содержание	Себестои-
		мощностей,	КПД (по элект-	NOх на выхо-	мость
сжигания	ческий цикл		рической		энергии,
		МВт	нагрузке), %	де, мг/МДж	цент/кВтч
Прямое	ПТУ	≤200	25…35	140…170	6,5…8,0
сжигание
Газификация	Дизель	0,5…10	38…40	<20	5…6
Газификация	ГТУ	10…30	28…36	<50	5,5…6,5
Газификация	ПГУ (IGCC),	10…150	42…49	<50	4,5…5,5

Датская фирма Volund совместно с DTY и RISO разработала газогенератор слоевого типа. Для очистки газа используется горячий циклон, керамические фильтры, каталитические и крекинговые (температура 400 °С) системы. Газификации подвергается солома и бытовые отходы. В установках малой мощности фирма использует разработанные в Австрии керамические теплообменники для отвода тепла в цикл ГТУ.

В США запланирован комплекс программ по созданию интегрированных систем производства топливной биомассы и систем ее перера-

198

ботки в энергетическое топливо, куда входят: газогенераторы, газовые турбины, системы прямого сжигания, пиролиз, производство этанола в процессе брожения и ферментации, топливные ячейки. Характерными для ориентации западных фирм по использованию растительной биомассы для установок малой и средней производительности являются газогенераторные технологии на биомассе, преимущество которых перед технологиями прямого сжигания заключается в существенно меньшем загрязнении окружающей среды и повышении эффективности использования биомассы.

В зависимости от типа применяемого теплового двигателя существенно меняются требования к степени очистки генераторного газа:

yпри сжигании газа в топках котлов очистки газа не требуется, следует только предельно сокращать газовые коммуникации (из-за опасности осмоления газопроводов);

yподготовка газа для сжигания в дизеле заключается в отделении твердых частиц, низкокипящих смол и охлаждении.

Применяемые обращенные процессы газификации позволяют в зна-

чительной степени решить возникающие при этом проблемы [10, 26]. Наиболее жесткие требования к очистке газа предъявляются при

использовании его в газовых турбинах.

Основными газогенераторными технологиями при этом являются: атмосферная газификация – для использования в схемах паросиловых

идизельных электростанций; газификация под давлением – для использования в парогазовых и газотурбинных электростанциях.

Проблемами в развитии газогенераторных технологий остаются вопросы тонкой очистки генераторного газа. Для энергетических установок малой мощности (5…10 МВт) базовым решением является работа по циклу Дизеля, в перспективе – газовые турбины и двигатели Стирлинга. Для больших мощностей – комбинированный парогазовый

ипаросиловой циклы. Максимальная электрическая мощность биотопливных установок ограничивается доступностью топлива (его транспортировка на расстояние более 100…150 км нерентабельна) и не превышает 50…100 МВт.

199

5.6.4.Пример биомассовой мини-ТЭЦ, пущенной в эксплуатацию в Германии [46]

В декабре 2002 г. в Гроссатингене (Германия) компанией SFR GmbH из Саарбрюкена была официально пущена в эксплуатацию первая из пяти больших биомассовых ТЭЦ, предназначенных для работы на старой древесине. Стоимость проекта, который инвестировала компания SFR GmbH, составил 15 млн евро.

Основное оборудование ТЭЦ – биомассовый паровой котел и паровая турбина электрической мощностью 5,1 МВт, которая вырабатывает 40800 МВтч электроэнергии в год, поступающей в сеть г. Аугсбург. Паровой котел производит 21,5 т/ч свежего пара, который должен в будущем полезно использоваться потребителями близлежащего промышленного региона.

Поставляются на ТЭЦ ежегодно 40 000 т старой древесины класса В1 (естественной выдержки или исключительно механически переработанной, не загрязненной посторонними веществами) и класса В2 (склеенной, слоеной, лакированной или иначе обработанной без галогеноорганических соединений и без защитных средств, а также старой древесины с галогеноорганическими соединениями, но без средств защиты древесины).

Поставляемая древесина должна иметь максимальную влажность 30 %, размеры кусков 50х50х300мм и среднее значение теплоты сгорания 13200 кДж/кг. Ее складируют в два бункера вместимостью по 1500 м3 (примерно по 375 т), что соответствует ее трехдневному расходу. Из бункеров по подающему желобу древесина поступает в топку парового котла, обмурованную трехслойной шамотной кладкой. В колосниковой топке с внутренней денитрификацией по некаталитическому способу (SNCR) древесина горит при температуре от 850 до

1000 °С.

В качестве парового использован водотрубный котел, разработанный австрийской компанией Josef Bertsch GmbH & Co из Блуденца. Дымовые газы движутся из топки вверх, и в водотрубном котле генерируется пар с параметрами 4,7 МПа, 430 °С, который поступает в паровую турбину, изготовленную компанией Ecol. Spol (Брно, Чешская республика).

200