Использование биомассы как топлива для электростанций

Электростанции на биомассе

Выводы об использовании биомассы в качестве топлива для электростанций

1. Биомасса отличается большим разнообразием энергетических свойств по видам (древесная, сельскохозяйственная) и по группам (в древесной массе – опилки, кора, щепа, хвоя, корни, тара и др.; в сельскохозяйственной – отходы мукомольного производства, отсевы, лузга, костная мука, солома и др.).

2. Основными общими специфическими свойствами биомасс, как энергетического топлива, являются:

• высокая взрываемость;
• повышенная шлакуемость;
• широкий диапазон колебания влажности;
• малая плотность и высокая парусность;
• разнообразный гранулометрический состав;
• благоприятные экологические показатели: низкая зольность, малое содержание серы, невысокое содержание азота, возможность снижения накопления в атмосфере СО₂ от ее сжигания.

3. Биомасса, независимо от вида и группы, является по своим энергетическим характеристикам вполне приемлемым для энергетического использования топливом, специфические особенности которого должны учитываться при выборе технологических решений по ее использованию в энергетике. Она может использоваться в качестве дополнительного топлива как при совместном сжигании, так и для прямого сжигания в отдельных установках.

4. Наибольшие потенциальные возможности для сжигания биомассы имеют установки: с механическим слоевым сжиганием; с сжиганием в кипящем слое (в пузырьковом и циркулирующем как при атмосферном, так и при повышенном давлении); с циклонными и выносными предтопками, а также комбинированные с предварительной газификацией топлива.

5. Биомасса, как дополнительное топливо, может успешно использоваться для совместного сжигания и на наиболее перспективном (по условиям массовости внедрения) направлении – в установках пылеугольного факельного сжигания. При этом, учитывая специфический состав ее минеральной части и повышенную загрязняющую способность, по условиям сохранения бесшлаковочной мощности доля биомассы при совместном сжигании с углем должна быть ограничена. Проверенными, по данным зарубежных исследований, предельными величинами добавленного к основному топливу количества биомассы является 5…10% (по теплу). При конкретном переводе пылеугольного котла на совместное сжигание с биомассой эта величина уточняется в процессе испытаний и для определенных условий может быть увеличена (до 15…20%); проектировать систему для биомассы целесообразно на ≈20% производительности (по теплу).

6. Оптимальная технологическая схема при совместном сжигании биомассы с углем включает в себя: автономную систему топливоприготовления (дробление, размол), транспорта готового продукта, сжигания – в отдельных, оптимизированных для биомассы и рационально размещенных в топочной камере горелочных устройствах.

7. Для всех типов и групп биомасс при их энергетическом использовании в технологической установке должен быть предусмотрен весь комплекс мероприятий, строго обеспечивающий условия взрывобезопасной эксплуатации, в том числе и система обеспыливания на всех этапах технологического процесса (разгрузка, хранение, размол, транспортировка).

8. Из освоенных в крупной энергетике органических топлив наиболее близким по характеристикам к древесной массе (в виде опилок) является фрезерный торф. Принятая для него система пылесжигания включает в себя: сушку топочными газами, размол и транспорт мельницей-вентилятором, прямоточные горелочные устройства; предварительное дробление отсутствует. В некоторых системах для удаления корней под бункером торфа устанавливают грохота, такая система, как и само технологическое оборудование (грохот; при необходимости шнековые питатели, выпускаемые ранее Ковровским заводом; мельницы-вентиляторы и др.) может быть использована и для древесной биомассы (опилки).

9. Из опыта использования в энергетике древесной биомассы в виде опилок показано, что оптимальный размер фракций составляет ≈1,0 мм (проверяется d = 2…3 мм), влажность до размола 20%, влажность поступаемой в топку биомассы 8%. При указанных условиях обеспечиваются нормальные условия выгорания в прямоточных горелках с их тангенциальным расположением в топке.

10. Учитывая специфический характер биомассы, сезонность поставки, зависимость характеристик от конкретной группы каждого вида (например, опилки или солома и т.д.), конкретную технологическую схему для энергетического использования целесообразно разрабатывать в соответствии с конкретными характеристиками ожидаемой к поставке биомассы (или для сжигания древесной биомассы или для сжигания сельскохозяйственных отходов). Это может позволить упростить схему подготовки и сжигания биомассы. В случае необходимости универсализации использования биомассы всех видов на одной установке в системе топливоподготовки должно быть предусмотрено: грохочение (классификация) поступающей массы; дробление; размол. При этом, как указывалось выше, вся система топливоподготовки и сжигания должна быть автономной и не переплетаться с основным топливом. При использовании биомассы в виде древесных опилок целесообразно опробовать систему сжигания по типу котла БКЗ-420-140-9 с упрощенной схемой топливоприготовления и сжиганием немолотого топлива (бункер–питатель–пылепровод- смеситель–горелка с транспортом немолотой массы вентилятором первичного воздуха).

11. В общем виде система топливоприготовления биомассы включает в себя:

• узел доставки биомассы до бункера массы (БМ);
• дозатор-питатель под бункером (ДП);
• узел транспортировки массы к дробилке;
• узел дробления биомассы (ДМ);
• пневмотранспорт дробленой массы с системой ее сушки (ПТС);
• узел размола массы (МРМ);
• транспорт после мельницы размолотого продукта в пылеуловитель и далее – в бункер сырья готового продукта (ПУ и БГП);
• дозатор готового продукта с транспортом его к горелочному устройству.

12. Наиболее универсальной схемой использования биомассы является двухступенчатая (двухстадийная) схема, включающая в себя газификацию биомассы на первой стадии в реакторе-газификаторе с получением низкокалорийного или среднекалорийного газа с последующей его подачей и сжиганием в топочной камере вместе с основным топливом. Преимущество такой схемы – ее большая универсальность по видам и группам используемой биомассы; защита котла от вредного воздействия шлакующих и загрязняющих поверхности нагрева. Недостатки – практически затрудненная ее реализация (в первую очередь, по компоновочным решениям) для действующего оборудования, а также усложнение эксплуатации действующих энергоблоков за счет введения новой дополнительной технологии (газификации) с сопутствующими ей специфическими требованиями ко всем технологическим узлам. Такая технология может рассматриваться для реализации при проектировании новых комплексных энергетических установок. В этом случае для расширения возможности использования технологии она может быть дополнена использованием не только биомассы как дополнительного топлива, но и отдельных видов твердых бытовых отходов (ТБО).

13. Технология двухстадийного использования биомассы нашла свое практическое применение в промышленной энергетике России и Беларуси, а также развитых стран Европы (Финляндия, Швеция и др.). Отработаны конструкции энергетических установок в различных вариантах (газогенератор – паровой котел и далее: или тепловой потребитель, или дизель-генератор, паровая или газовая турбина) специалистами рабочей группы Конгресса муниципальных образований (КМО) при правительстве Российской Федерации. Мощность этих установок до 7,0 МВт (по теплу) для одного газогенератора.

14. Для прямого использования биомассы широкое применение нашли в промышленной энергетике установки Бийского котельного завода (БиКЗ), Кировского завода (г.Калуга) и др., с вихревыми и радиальными топочными устройствами с реакторами-газогенераторами, а также с топками НКТС и котлы ООО «Петрокотел» с топками ВЦКС.

15. Энергетическое использование биомассы в виде создания мини-ТЭЦ, в том числе на основе уже разработанного в настоящее время (2000г. и далее) оборудования, создает условия для развития малой энергетики на местных видах топлива и позволяет решить вопросы гарантированного энергоснабжения децентрализованных потребителей за пределами крупных населенных пунктов.

16. Большие перспективы имеет внедрение в энергетику газогенераторных технологий на биомассе, преимущество которых перед технологиями прямого сжигания заключается в существенном снижении уровня загрязнения окружающей среды.

16.1. Темпы внедрения газогенераторных технологий в разных странах в значительной степени будут зависеть от остроты экологических проблем, а также стоимости основных достаточно экологически чистых органических топлив (газ, нефть, мазут).

16.2. Основными газогенераторными технологиями (на период 2000г. и далее) являются:

• атмосферная газификация – для использования в парогазовых и дизельных электростанциях;
• газификация под давлением – для использования в парогазовых и газотурбинных электростанциях

16.3. Развитие газогенераторных технологий связано с решением проблем тонкой очистки генераторного газа (или создания высокотемпературных теплообменников – «воздушных котлов», например).

16.4. В условиях дефицита топлива наличие газогенераторной установки, допускающей работу как на биомассе, так и на торфе, сланцах и различных органикосодержащих отходах имеет дополнительные преимущества, обусловленные повышением надежности энергообеспечения, энергобезопасности районов, энергосбережений (за счет включения в энергобаланс местных низкосортных топлив), экологической безопасности.

16.5. Сочетание газогенераторных установок с паровыми и водогрейными котлами позволяет решить проблему экологической безопасности путем переработки некондиционной биомассы и отходов, обеспечить замену генераторным газом привозного (дорогого) жидкого и газообразного топлива.

17. Создание перспективных биотопливных электростанций повышенной мощности (10…100 МВт) возможно на основе ПГУ, опыта газификации угля (в том числе интегрированной газификации в комбинированном цикле, внедряемой в мире под индексом IGCC), а также опыта по тонкой очистке аэрозолей и запыленных потоков (или в плане конверсии может быть внедрено из оборонной отрасли).

18. Для энергетических установок малой мощности (менее 5…10 МВт) наиболее приемлем цикл Дизеля. Перспективно применение газовых турбин и двигателя Стирлинга.