Технологии сжигания местных видов твердого топлива

Автор статьи:
Д.т.н. С.М. Шестаков, профессор, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ), заместитель главного инженера ЗАО «Невэнергопром», г. Санкт-Петербург

Введение


Положение в энергетике, как большой, так и малой, нельзя на сегодняшний день признать удовлетворительным. Основное оборудование физически и морально устарело и должно быть заменено или модернизировано. Стремление ОАО «Газпром» как можно быстрее продать нефть и газ за рубеж оставляет энергетику на «голодном пайке». На западных рынках энергоносителей действуют контрактные и спотовые цены, поэтому появление сланцевого газа из США стало для компании неприятным сюрпризом. Себестоимость сланцевого газа в США (по разным оценкам) составляет от 2 до 20 долл. США/1000 нм3, а ОАО «Газпром» продает природный газ по ценам от 260 до 400 долл. США/1000 нм3 в зависимости от контракта. Цена на газ в России ежегодно поднимается, и скоро настанет время, когда потребителям в нашей стране придется платить за него по европейским ценам. Во всяком случае, уже сегодня цена электроэнергии в Северо-Западном федеральном округе (г. Санкт-Петербург) стала больше, чем в Западной Европе. Поэтому при рассмотрении перспектив развития топливного баланса малой энергетики в Российской Федерации следует учитывать необходимость первоочередного использования местных дешевых видов топлива.

К таким видам топлива следует отнести, прежде всего, низкосортные бурые и каменные угли, а также различные виды биотоплива: древесина и древесные отходы, растительные отходы, торф и др. Наиболее перспективными для производства тепла и электроэнергии можно считать древесные отходы. Они относятся к возобновляемым источникам энергии, и их сжигание не приводит к усилению парникового эффекта (не нарушается баланс кислорода и углекислого газа в атмосфере). Однако количество биотоплива (древесных отходов) по разным причинам ограничено. Даже в Северо-Западном федеральном округе его недостаточно для удовлетворения всех потребностей округа в электрической и тепловой энергии. В этом случае возможно совместное сжигание нескольких видов топлива.

Существующие технологии модернизации котельного оборудования позволяют учесть особенности местного вида топлива, повысить экономические и экологические характеристики котельной установки и увеличить надежность работы ее элементов.

Топки для сжигания каменных и бурых углей по НТВ-технологии

Для сжигания низкосортных местных каменных и бурых углей в установках тепловой мощностью более 30 МВт целесообразно применение низкотемпературной вихревой технологии (НТВ-технологии), которая разработана в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (СПбГПУ) [1]. К настоящему времени НТВ-технология может быть реализована в трех модификациях:

■ без угрубления помола топлива;

■ с угрублением помола топлива;

■ при сжигании дробленого топлива.

В качестве примера можно привести внедрение НТВ-технологии при модернизации котла КВ-ТК-100-150 ст. № 9 котельной ООО «Крастяжмашэнерго» (г. Красноярск) (начало работ в 2007 г.) [2]. В рамках модернизации необходимо было обеспечить:

■ расширение регулировочного диапазона водогрейного котла до 50-110%;

■ повышение его экономических и экологических показателей;

■ минимальный объем работ по реконструкции. Водогрейный котел номинальной теплопроизводительностью 100 Гкал/ч (116,3 МВт) сжигает ирша-бородинский бурый уголь марки «2БР» (Канско-Ачинский бассейн). Котел имеет П-образную компоновку, пылеугольную топку открытого типа, с твердым шлакоудалением. Горелки расположены тангенциально на фронтовой и задней стенах топки, в два яруса. До модернизации котел эксплуатировался в узком диапазоне нагрузок 80-100%. При снижении нагрузки (меньше 80%) необходимо было включение мазутных форсунок вследствие неустойчивости горения топлива и увеличенной пульсации факела. Температура уходящих газов (за воздухоподогревателем) находилась в пределах 175-200ОС. Экономические показатели котла были ниже проектных и составляли:

■ КПД брутто ηбр=86-88%;

■ потери тепла с уходящими газами q2=8,2-9,8%;

■ потери с механическим недожогом q4=1,5-4%. Для применения НТВ-технологии на котле КВ-ТК-100-150 было введено нижнее дутье в устье холодной воронки (до 30% от организованного воздуха) и наклонены вниз горелки под углом 15О (верхний ярус) и 30О (нижний ярус). Экранная система котла осталась неизменной, т.к. нижнее дутье вводилось в устье топочной воронки, не затрагивая экраны (рис. 1).

После перевода котла на НТВ-технологию удалось сохранить существующие тягодутьевые машины.

Пусконаладочные работы и балансовые опыты, проведенные на котле в 2008 г. специалистами СибВТИ, показали:

■ диапазон эксплуатационных нагрузок расширен от 50 до 110 Гкал/ч (50-110%) без подсветки мазутом;

■ котел устойчиво несет минимальную нагрузку;

■ обеспечено устойчивое и надежное сжигание ирша-бородинского бурого угля реальных характеристик во всем диапазоне исследованных нагрузок;

■ повышен КПД брутто на 3-3,5% (КПД после реконструкции - 90,8-91,5%);

■ понижены потери тепла с уходящими газами (q2=6-6,9%) и от механического недожога с уносом и провалом топлива (q4=1%) [2].

За время эксплуатации от момента пуска и до настоящего времени подтверждены надежность и экономичность модернизированного водогрейного котла КВ-ТК-100-150-НТВ, и, по мнению специалистов эксплуатирующей организации, он полностью удовлетворяет всем поставленным требованиям.

В целях использования широкого ассортимента местных видов топлива (низкосортных каменных и бурых углей) возможно проведение аналогичной модернизации паровых и водогрейных котлов мощностью более 30 МВт с повышением их КПД и отказом от мазута для подсветки факела.

Топки для сжигания различных видов твердого топлива по ВЦКС-технологии

Для котлов меньшей мощности (<30 МВт) затруднительно организовать сжигание твердого топлива по НТВ-технологии. Для диапазона мощностей 4-30 МВт целесообразно применить высокотемпературный циркулирующий кипящий слой (ВЦКС), который является аналогом технологии «Ignifluid» (Франция). ВЦКС - относительно новый для России метод сжигания топлива.

Как правило, при эксплуатации слоевых котлов обнаруживаются существенные недостатки:

■ низкая надежность колосникового полотна вследствие провала топлива под решетку;

■ кратерное горение топлива, что приводит к повышенному избытку воздуха на выходе из топки ат=1,4-1,5;

■ увеличенная потеря тепла от механического недожога (q4=6-10%);

■ пониженный КПД (70-80%);

■ ограничение теплопроизводительности слоя и котла, и др.

Проблемы усугубляются при сжигании непроектных, низкокачественных углей местных месторождений, которые составляют основу топливного баланса малой энергетики [3].

Рассмотрим применение ВЦКС на примере котла КЕ-25-14С ст. № 2, установленного в котельной ООО «Крастяжмашэнерго». По техническому заданию были определены следующие цели модернизации котла при применении ВЦКС-технологии:

■ увеличение межремонтного цикла и удешевление ремонта решетки;

■ обеспечение возможности сжигать угли различных марок;

■ расширение диапазона работы (30-120%);

■ повышение КПД котла;

■ уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу;

■ максимально возможное сохранение существующего вспомогательного оборудования и минимальный объем работ по реконструкции котла.

Следует отметить, что технология ВЦКС сохраняет все основные достоинства кипящего слоя (КС). При этом ширина решетки уменьшается в 4-5 раз, над ней организуется кипящий слой горящего топлива. Допустимо применение решетки ВЦКС прямого и обратного хода.

Для модернизации котла была использована решетка прямого хода (рис. 2).

Колосниковое полотно решетки по ширине сужено с 2500 до 510 мм и наклонено под углом 8О. Топливом для котла служит ирша-бородинский бурый уголь. Двухступенчатое сжигание топлива по технологии ВЦКС осуществляется в кипящем слое (на узкой решетке) и в надслоевом пространстве, в циркулирующем кипящем слое. Решетка ВЦКС предназначена для образования кипящего слоя. Она распределяет первичный воздух по семи зонам кипящего слоя (в зависимости от характеристик топлива) и удаляет очаговые остатки в систему шлакоудаления. Кипящий слой образуется из частиц угля, кокса и золы без использования инертного материала. Первичный воздух нагревается в воздухоподогревателе примерно до 180ОС и его доля составляет около 60-65% от общего расхода воздуха. Дожигание частиц топлива и продуктов неполного горения происходит в струях вторичного холодного воздуха (острое дутье), направленных со стороны боковых экранов. Для подачи вторичного воздуха устанавливается новый вентилятор. За топкой образована осадительная камера, в которой улавливается часть топлива и золы и направляется обратно в топку (в надслойное пространство), через новую систему возврата уноса. Тем самым организуется дополнительная (вторая) зона циркуляции топлива.

Реконструкция топочной камеры включает в себя:

■ демонтаж нижней части фронтового экрана и установку вместо него новой, удлиненной трубной системы;

■ установку измененного заднего экрана с организацией за ним камеры осаждения;

■ установку двух продольных панелей охлаждения решетки ВЦКС, выполненных из наклонных труб 076x8 мм, включенных в контур циркуляции заднего экрана котла.

Предварительного разогрева слоя не требуется, котел, работающий по технологии ВЦКС, разжигают так же, как обычный слоевой котел. Эксплуатация и обслуживание топки в целом не слишком отличается от тех, что выполняются для обычных слоевых топок, что способствует быстрому освоению новой технологии персоналом котельной.

По нашим расчетам, КПД котла увеличится от 70-80 до 85,5-87%. Это происходит за счет улучшения выгорания топлива при организации двухступенчатого сжигания и возврата уноса, что значительно снижает потери тепла от механического недожога (q4<3,5%), и снижения потерь тепла с уходящими газами до q2=7,6% (понижение температуры уходящих газов до 147 ОС). Срок окупаемости проекта составляет менее трех лет.

Рабочий проект модернизации котла КЕ-25- 14С по технологии ВЦКС выполнен ЗАО «Невэнергопром» в 2010 г., а в 2013 г. заканчивается монтаж узлов котла.

Топки ВКЦС можно с успехом применять для сжигания разнообразных местных твердых видов топлива, включая биотопливо, как раздельно, так и в смеси.

Топки для сжигания биотоплива

В настоящее время технология сжигания биотоплива достаточно отработана на отечественных и зарубежных установках. В зависимости от характеристик биотоплива (влажности, гранулометрического состава и стоимости) применяются различные топочные устройства:

■ скоростные топки Померанцева;

■ слоевые топки с механическими решетками;

■ топки с кипящим слоем;

■ газогенераторные установки и т.д.

Все они имеют те или иные преимущества и недостатки. В состав оборудования входит отечественная или импортная система автоматического управления (САУ). При переменной влажности древесных отходов (Wr=30-60%) гораздо лучше показали себя топки с наклонно-переталкивающими решетками зарубежного производства с тепловым напряжением зеркала горения около 500-700 кВт/м2. Выбросы оксидов азота (в пересчете на NO2) в атмосферу при этом составляют 130-160 мг/нм3.

На рис. 3 изображена схема модернизированного котла КЕ-10-14 с наклонно-переталкивающей решеткой для сжигания древесных отходов. Проект котла выполнен зарубежной фирмой Tamult (Эстония) для котельной Ильинского лесозавода (Карелия) [4]. Наклонно-переталкивающая решетка со свободно-залегающим слоем имеет тепловое напряжение 500-700 кВт/м2. Процессы подачи топлива, горения топлива на решетке, удаления шлака и золы, поддержания требуемого избытка воздуха полностью автоматизированы. Общий воздух разделен на первичный воздух, подаваемый под решетку (60%, в четыре зоны), и вторичный, вводимый в виде струй острого дутья в топочный объем. Первичный воздух нагревается в воздухоподогревателе до 130-170ОС, вторичный подается в топку холодным, новым отдельным вентилятором. Для лучшего воспламенения и сжигания влажного топлива над задней частью решетки выполнен кирпичный зажигательный свод. Котел оборудован водяным экономайзером и воздухоподогревателем. Этот проект был реализован уже более 10 лет назад и показал неплохие результаты. При номинальной нагрузке на древесных отходах влажностью около 55% (иногда до 60%) КПД брутто котла составил 88-90%. Мазут полностью исключен из топливного баланса котла. Капитальные затраты на модернизацию котла составили примерно 50 долл. США/кВт, а срок окупаемости составил около 5 лет. Значительно снижены выбросы вредных веществ в атмосферу.

На рис. 4 представлена схема парового котла КЕ-10-14, скомпонованного с топкой скоростного горения профессора В.В. Померанцева, широко применяемой до настоящего времени. Топливо (как правило, древесные отходы) подается под собственным весом по каскадно-лотковому рукаву в зону горения. Первичный воздух прижимает топливо к «зажимающей» решетке, выполненной из ошипованных труб фронтового экрана котла.

Тепловое напряжение решетки этой конструкции может достигать 1500-4000 кВт/м2 (у обычных слоевых котлов - 500 кВт/м2), что значительно сокращает зону горения. Вторичный воздух вводится в объем топки в качестве острого дутья. Топка несложна в изготовлении, проста в управлении и поэтому имеет минимальную цену. Как правило, котел дополнительно оборудован воздухоподогревателем (для подогрева воздуха при сжигании влажного топлива). КПД котла при сжигании влажных древесных отходов достигает 86-89%, что считается вполне удовлетворительным.

В последнее время бурно развивается рынок производства и потребления «искусственного» биотоплива - древесных пеллет. Они изготавливаются из древесных отходов (или древесины, или иных растительных отходов) путем измельчения, сушки и последующего прессования. В результате получаются сухие прессованные цилиндры (Pellets) диаметром от 10 до 100 мм (по требованию заказчика) и длиной от 20 до 100 мм. Они имеют стабильные характеристики, высокую теплоту сгорания (около 20 МДж/кг), практически не содержат серы, имеют малое содержание золы «2%), но относительно дороги. Пеллеты можно долго хранить и легко транспортировать на большие расстояния. Сжигание их не представляет значительных трудностей и может быть организовано в вышеперечисленных топочных устройствах. Однако, в России пеллеты не нашли пока должного применения вследствие их дороговизны. В настоящее время пеллеты в основном изготавливаются мелкими фирмами и поставляются в Западную Европу, что приносит хороший и устойчивый доход.

Выводы

1. Целесообразно осуществлять перевод котлов малой энергетики на сжигание местных относительно дешевых видов твердого топлива. Одновременно необходимо проводить их модернизацию с применением передовых технологий сжигания топлив: НТВ-технологии для котлов мощностью более 30 МВт и технологии ВЦКС для котлов мощностью 4-30 МВт. Это позволит повысить КПД котлов на 2-4%, сократить затраты на закупку привозного топлива, снизить загрязнение окружающей среды и повысить качество обслуживания.

2. В топках, работающих по НТВ-технологии и технологии ВЦКС, представляет интерес совместное сжигание каменных и бурых углей или торфа с различными видами биотоплива (например, древесными отходами).

3. Перевод угольных и мазутных котлов на сжигание биотоплива (древесных отходов) является наиболее перспективным с точки зрения экологии, т.к. они относятся к возобновляемым источникам энергии. Для этого целесообразно применить топку скоростного горения или топку с наклонно-переталкивающей решеткой, которые оборудованы САУ.

Литература

1. Шестаков С.М. Перспективы применения нового метода сжигания твердого топлива - технологии ЛПИ-ИТЭЦ-10 // Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий: Матер. науч.-практ. конф. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. С. 218-226.

2. Шестаков С.М. Опыт применения НТВ-технологии сжигания твердого топлива для повышения КПД водогрейного котла и отказа от сжигания мазута // Новости теплоснабжения. 2009. № 9.

3. Леонов А.Н. Перспективы и анализ опыта работы ООО «Котлосервис» по внедрению энергосберегающих технологий на предприятиях Сибири и Дальнего Востока // Теплоэнергоэффективные технологии. 2005. № 3-4. С. 40-42.

4. Шестаков С.М. Сжигание древесных отходов, опыт, перспективы // Биоэнергетика. 2006. № 1. С. 27-31.

51