Прямое сжигание биомассы в промышленных котельных установках

Основные энергомашинопроизводители. Научно-исследовательские 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 1995г. 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.).

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:

лузги гречихи, овса, подсолнечника (с выходом летучих до 60…80% с большой парусностью коксового остатка);
костной муки (с выходом летучих до 70…80%, с интенсивным отложением летучей золы на поверхностях нагрева);
ила отстойников водоочистных сооружений (с влажностью 40…50%, зольностью 25…30%, с фрагментами пластмассы);
опилок, 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.

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:

оптимизация системы ожижения слоя (конструкция газораспределительной решетки, колпачков, сепараторов слива слоя, параметры газовых струй, равномерность ожижения);
надежность методов растопки топочного устройства;
эффективность выгорания твердого топлива (механизм образования механического недожога, возврат уноса, способы дожигания);
применение и способы грануляции (грануляция уноса, мелкого топлива, всего топлива);
сжигание 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 в 24 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, образована 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 1996г.

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 (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.

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 (НКТС) при сжигании древесных отходов (технологической щепы с W^r = 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:

высокая стабильность параметров работы при КПД 78…84%;
отсутствие шлакования;
выбросы NОх не более 200 мг/нм³ (при α_yx= 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.

В результате реконструкции котлов с установкой топки НКТС на дробленом угле получены следующие преимущества:

расширены пределы регулирования температуры перегретого пара за счет интенсификации теплообмена в топке и перераспределения дутья;
повышен выжиг топлива (максимальные потери с механическим недожогом не превышают 2,5%);
исключены потери с химическим недожогом;
концентрация окиси углерода не превышает 100 ррm, а оксидов азота 200 мг/нм³;
регулирование 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 объектов 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.

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 1995г. 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 1992г. в Брестской области введена в работу установка «Кобос» (где биогаз получается по типу установок Западной Европы) производительностью 500 м³ биогаза в сутки при расходе навоза крупного рогатого скота в объеме 50 м³/сутки. На основании рекомендаций Института проблем энергетики Академии наук Беларуси изготавливается опытно-промышленная установка производительностью 200 м³ биогаза в сутки.

Наиболее рациональным представляется прямое сжигание биомассы в так называемых «многотопливных» котлах, рассчитанных на возможность сжигания в них топлив разных видов как отдельно, так и совместно в различном сочетании. Такие котельные агрегаты наиболее универсальны по топливу и могут сглаживать такой недостаток при энергетическом использовании биомассы, как ее неоднородность, так и неравномерность и сезонность поставки.

Примерами таких прогрессивных конструкций, проверенных в России, являются следующие.

Выпущенные ранее и эксплуатируемые на Архангельском бумкомбинате котлы КМ-75-40 с факельным сжиганием Белгородского котельного завода.
Модернизированный по схеме сжигания в «зажатом» слое с высокоскоростной топкой Померанцева котел ЦКТИ-ЛПИ с топкой скоростного горения с каскадными газовыми сушилками (Архбумкомбинат).
Котлы с высокотемпературным циркуляционным кипящим слоем ВЦКС ООО «Петрокотел» (Санкт-Петербург).
Котел тепловой мощностью 40 МВт (Кайданский биохимический завод) модернизированный по схеме НТВ-метода сжигания растительной биомассы (АО «Политехэнерго» и ТОО «Энерготехнология»-Санкт-Петербург).
Модернизированный (упомянутый ранее) котел ТС-35-40 по схеме низкотемпературного кипящего сжигания с вертикальным вихрем (НКТС) на Читинской ТЭЦ-2.

Далее следуют статьи по данной теме: