Технологические аспекты сжигания биотоплива. Котельные на биотопливе — общая информация. Условия эффективного сжигания

На этой странице Вы сможете ознакомится с основными аспектами технологии сжигания различного биотоплива, в том числе гранул и брикетов.

Сжигание биомассы. Котлы и котельные на биотопливе
Котлы и камины на гранулах и брикетах
Котельные на сыром (до 55%) и сухом (до 35%) биотопливе
Сжигатели для установки на жидкотопливные котлы

Котельные на биотопливе - общая инфомация:

Сравнение Российских и Западных Почему вообще выгодно использовать биомассу в качестве топлива? Общеприняты два варианта ответа: есть причины экономические и экологические. Экология особенно важна для западных потребителей, однако в России лишь немногие "продвинутые" производители энергии, - будь то частное лицо, обогревающее свое жилище, предприятие, отапливающее свои производственные и административные помещения, или крупная муниципальная котельная, - задумываются об экологии. Очень жаль! Однако для всех потребителей очень важным является вопрос экономики. Последние расчеты и анализ цен на основные виды топлива показывают, что биомасса во многих случаях превосходит традиционные виды топлива (не только дрова или уголь, но и жидкое топливо - дизель и мазут) по экономике использования. Конечно, при этом необходимо смотреть не на цену 1 тонны топлива, а на стоимость 1 кВт энергии, произведенного при использовании этого топлива. Предлагаем Вашему вниманию сравнительную таблицу стоимости 1 кВт энергии, произведенного с использованием различных видов топлива:

Как видно, биотопливо является неплохой альтернативой для тех регионов, где существуют запасы древесины и стоимость древесных отходов не очень велика вследствие их немалого количества. Особенно выгодно устанавливать котельные на биотопливе на предприятиях лесопереработки и деревообработки. К тому же тенденции развития ТЭК России говорят о том, что цены на жидкое топливо и газ будут постоянно расти до уровня мировых. Следовательно, использование биомассы в качестве топлива становится все более актуальным и для нас с Вами.

Очень важно понимать, что для каждого вида биотоплива существует своя специальная и специфическая технология. Котельные, предназначенные для биомассы влажностью менее 30%, не будут эффективны ни для сжигания влажного биотоплива с содержанием воды около 50%, ни для рафинированного биотоплива. Влажное сырье не будет сгорать по причине того, что ему необходима очень высокая температура внутри котла, достигать которой нет смысла, если использовать более сухую биомассу. Рафинированное топливо, гранулы, сгорать в таком котле будут, но при этом потеряют экономическую целесообразность, поскольку стоимость котла на гранулах ниже, чем на влажной или сухой (до 35%) биомассе - опилках, щепе и т.д. В следующих разделах мы кратко опишем существующие технологии сжигания биотоплива различной влажности.

К слову, первые котлы на биотопливе появились в России (как и многие другие гениальные разработки). До 60-х годов прошлого столетия в СССР было разработано и смонтировано немало таких котлов. Однако тогда была другая экономическая и политическая ситуация. Поэтому и задача для конструкторов котлов ставилась другая: "Главное - Утилизировать!". Европа же успешно воспользовалась советскими разработками в этой области для решения несколько иной задачи (точнее, кардинально иной): добиться максимального КПД для того, чтобы снизить себестоимость произведенной энергии. Для этого они очень глубоко изучили природу горения различных видов биотоплива. Нюансов в сжигании биотоплива очень много. Например: в топливной щепе из верхушек деревьев хвойных пород присутствует хвоя. При сжигании хвои (в результате цепочки химических реакций) в топке образуется щелочь натрия. Что такое щелочь натрия для стальных котлов объяснять не надо. Но есть технологии, позволяющие нейтрализовать вредные эффекты - и об этом тоже знают европейские производители.

Сегодня в России, однако, появились производители котлов, которые утверждают, что могут эффективно сжигать практически любое биотопливо в котле, предназначенном для сжигания биомассы 30%-ной влажности. Однако проведенный анализ с привлечением иностранных специалистов показал, что КПД таких котлов будет крайне низок. Более того, сжигание биомассы в таких котлах противоречит самой идее использования биомассы как экологически дружественного топлива взамен вредного для окружающей среды ископаемого топлива. Вредные выбросы при неправильном сжигании биомассы велики и очень пагубно влияют на окружающую среду, людей, растительный и животный мир. На сегодняшний день российские производители и потребители мало задумываются о последствиях, а ведь они проявятся в долгосрочной перспективе - на здоровье будущих поколей. Если же говорить об экономике использования таких котлов, то ситуация довольно плачевна - низкий КПД и безмерное "пожирание" топлива ведет не к увеличению прибыли при инвестировании в такой котел, а к ее потере. Конечно, решающий аргумент производителя - стоимость конструкции; но стоит ли покупать дом, если в нем невозможно жить? В данном случае, действительно, "скупой платит дважды", если не больше!

Котельные на сыром (до 55%) и сухом (до 35%) биотопливе

В настоящее время в Европе разработан достаточно широкий ряд и тип котлов на биотопливе: это котлы на прессованном биотопливе - гранулах и брикетах (см. п.9), а также на сухом биотопливе (влажность до 30%) и на влажном биотопливе (влажность до 55%).

Назначение таких котлов - весьма разнообразно: кроме традиционного сжигания качественного прессованного биотоплива (из хвойных пород) и некачественного прессованного биотоплива (из хвойных и лиственных пород), а также биомассы в виде щепы и опилок, разработаны котлы для сжигания торфа и смесей из торфа, для сжигания коры и смесей из коры, для сжигания другого органического сырья (в т.ч. и ТБО, мусора) и даже для утилизации плохо сгораемого сырья.

Биотопливные котлы, в зависимости от их конкретных характеристик, могут быть ориентированы на самые разные сегменты рынка: от частных лиц до муниципальных властей, предприятия, имеющие доступ к сырью или производящих сырье до предприятий-производителей и потребителей тепловой энергии.

Как уже было сказано выше, пионерами в разработке котлов на биотопливе были советские ученые, однако задачу эффективного сжигания биотоплива решили западные специалисты, прежде всего из стран Северной Европы - Швеции, Финляндии, Дании. Они взяли за основу российские разработки и довели их до совершенства. Это стоило им огромных инвестиций, специальных законов по мотивации использования биотоплива, постоянная пропаганда экологически чистого топлива. Однако и для них, как и для России, экономика первична. Любое новое оборудование, и котлы на биотопливе - не исключение, призвано решить основную задачу - заработать при замене устаревшего оборудования новым; ведь инвестиции делают для того, чтобы заработать! Инвестировать средства для замены самортизированного оборудования на новое только ради замены - аморально. Для того, чтобы заработать на производстве тепловой энергии необходимо ставить высокоэффективные котлы, с высоким КПД, при этом максимально автоматизированные, требующие минимальных затрат на обслуживание, и очень надежные. Ссылки на то, что такое оборудование нельзя ставить в леспромхозах, несостоятельны. Даже в самых глухих лесных поселках люди ездят на "иномарках" и проблем со сложным оборудованием не испытывают. Можно обучить собственный персонал или заключить договор на сервисное обслуживание.

К сожалению, российские производители пока такого оборудования для сжигания биотоплива предложить не могут. Попытки разработать самим что-то эффективное не увенчались успехом, хотя КПД декларируется на уровне 90 - 95% (про КПД можно посмотреть здесь). Почему до сих пор не получилось создать что-то эффективное? Во-первых, слабо знают теорию сжигания разных видов биотоплива. Во-вторых, во всяких разработках есть какое-то ноу-хау, которое не всегда можно увидеть.

Пример: в России до сих пор эксплуатируется очень много паровых биотопливных котлов марки Е и ДКВР с топкой Померанцева и с подсветкой, т.е. с дополнительной горелкой на мазуте или дизтопливе. Считается, что это очень эффективно. Вывод экспертов, проведших обследования таких котлов, звучит примерно так: "Это ужасающе!". И они не преувеличивают. Вот краткое описание последствий:

Таким образом, при сжигании жидкого топлива и опилок в одной камере образуется шлак, что в свою очередь может уменьшить теплоизлучение жидкого топлива. То небольшое количество тепла, которое получается в результате излучения от сжигания опилок при низкой температуре достаточно легко подсчитать.

Таким образом, вышеприведенные факты показывают, что сжигание опилок - это уничтожение опилок и энергетическая катастрофа, если сжигание происходит одновременно со сжиганием мазута.

Представленная выше информация является упрощенной, так как существует еще ряд факторов, имеющих существенное влияние при рассмотрении данной проблемы…"

Раз мы вспомнили про мазут или дизтопливо, скажем и про очевидное отличие между жидким топливом и биотопливом. Какова теплотворная способность этого топлива? Но впрочем, важна не сама величина (ккал/кг), а то, что эта величина - теплотворная способность - всегда константна. Поэтому процесс горения и проходит автоматически. А биотопливо (мы говорим здесь о непрессованной биомассе)? Эта величина почти всегда переменная. Разве можно управлять вручную управлять процессом горения в этом случае и заработать при этом на продаже тепловой энергии? Отечественные производители котлов пока не могут предложить полного комплекта автоматики и контроля за отпуском тепла и процессом горения.

Если нет такой автоматики, то о каком КПД в 90% может идти речь? И как можно говорить об экологически безвредных выбросах? Наоборот - неполное сгорание биотоплива приводит к тому, что в атмосферу попадают крайне вредные вещества, которые в долгосрочной перспективе убивают все, что растет и живет в районе такой котельной - в первую очередь это касается лесов, животных, а также будущих поколений людей.

Но и это не главное. Для эффективного горения древесины необходимо, чтобы во всем объеме топки температура была не ниже 800 оС. В предлагаемых отечественных котлах это невозможно в принципе, т.к. они конструктивно имеют топочное пространство с охлаждаемыми водой стенками, которые мешают равномерному и достаточно высокому нагреву топки.

Поэтому пока остается покупать импортные котлы и ждать, пока продвинутые российские производители, "ЗИОСАБ" или "РЕМЭКС" к примеру, разработают и начнут выпуск эффективных отечественных котлов.

Что еще важно помнить покупателям котлов на биотопливе?

1. Невозможно эффективное сжигание биотоплива влажность до 30% и, тем более, выше 30% без предтопков.
2. Котлы на биотопливе эффективно работают в номинальном режиме (75% - 80% мощности), как и автомобиль, для которого оптимальным является движение на пятой передаче при скорости 90 - 100 км/час.
3. Котлы на биотопливе имеют нижний предел горения на уровне 30% от максимальной мощности. Поэтому проектировщикам важно четко определить мощность подбираемого котла. Здесь не проходит случай "больше - не меньше", поскольку это обстоятельство сильно влияет на КПД котла.
4. … И есть еще множество других не менее важных нюансов …

Несколько слов о таком виде биотоплива, как дрова. В некоторых лесных регионах замену самортизированных котлов на котлы, сжигающие дрова, возвели в ранг приоритета региональной политики в области теплоснабжения. На рынке появилось много новых котлов на дровах мощностью до 2 МВт и более и с заявленным КПД 70% - 80%. А цена? … Дешевле только даром! Фантастическое предложение: очень дешевые котлы, никаких затрат на переработку дров, высокий КПД и т.д. - это то, о чем последние 50 лет мечтает вся мировая энергетика. Надо срочно подавать заявки в Нобелевский Комитет. Почему? Потому что для того, чтобы получить 2 МВт тепловой энергии за 1 час, необходимо сжечь 1,5 куб.м. дров средней влажности (30%) при КПД 80%. Представьте, что такое 1,5 куб.м. древесины:

Как нужно организовать горение, чтобы это количество сгорело за 1 час с КПД 80%? А за 1 сутки необходимо перетаскать 36 куб.м. дров. Сколько нужно физически сильных кочегаров на такую котельную? Сколько надо дров для такой котельной на весь отопительный сезон? Тут необходимо создавать бригаду с лесозаготовительной техникой. Сколько будет стоить топливо и сколько будет стоить 1 Гкал тепла, произведенной в такой котельной, которую будет оплачивать потребитель?

Но ведь дрова у нас влажностью 50%. О проблемах горения материалов с такой влажностью мы уже говорили выше. Реальный КПД таких котлов не может превышать 30%! Чтобы не быть голословным, у кого такая котельная есть - поставьте, пожалуйста, теплосчетчик на границе раздела котельной. Он Вам сосчитает произведенное котельной тепло за отопительный сезон. Вы знаете, сколько сожгли дров в этой котельной. Теплотворная способность дров 2660 ккал/кг или 1,729 Гкал/куб.м. Можно легко сосчитать КПД:

КПД = Е / Q x V,

Где Е - количество выработанной энергии, Q - теплота сгорания топлива и V - объем сжигаемого топлива в куб.м.

КПД будет не больше 30%! К сожалению, в таких котельных нет теплосчетчиков и потребителям приходится оплачивать не полученное тепло, а то количество тепа, которое должно было получиться при КПД 80%. Интересно? Проверьте! И подсчитайте, какова же реальная стоимость 1 Гкал на такой котельной.

Котлы и камины на гранулах и брикетах

В Европе в среднем 50% производителей брикетов и 64% производителей гранул имеют покупателей, у которых установлены котлы средней мощности - от 100 кВт до 1 МВт. Обычно такие печи устанавливаются в больших частных домах, где живет много семей, а также в школах, на небольших предприятиях и в официальных учреждениях. Достоинство котельных на гранулах по правлению с любыми другими котельными в условиях города - небольшое и экологически чистое топливное хозяйство, которое можно разместить даже внутри здания. Это невозможно ни для дизельной котельной, ни для котельной на влажной биомассе.

Рисунок 1. Котел на гранулах Тх мощностью 350 кВт.
Рисунок 2. Камин на гранулах PelleX K6 мощностью 6 кВт в действии.

С помощью тепла сжигаемой биомассы:

- приготовляют пищу, обогревают жилище , почти половина населения планеты использует древесину и другие виды биотоплива для при-готовления пищи и других домашних нужд. Средний уровень потребле-ния топлива составляет примерно 0,5…1 кг сухой биомассы на человека в сутки (10…20 МДж/сут, что соответствует примерно 150 Вт);

- сушкатехническихкультур (копра, какао, кофе, чай, фрукты) для обеспечения их сохранности обычно сопровождается сжиганием древесины или отходов от переработки самих культур либо использованием излишков тепла от производства электроэнергии.

- сжиганиеотходов – рациональный способ использования биотоплива, находящегося вблизи от места потребления энергии. Сжигание в эффективных печах позволяет получать потоки чистых горячих выхлопных газов при температуре около 1000 °С, которые могут быть приведены к требуемой температуре за счет подмешивания холодного воздуха.

- производствотеплаиэлектроэнергии. Пар для обеспечения производства обычно получают, сжигая различные отходы биомассы в топках паровых котлов. В качестве примера рассмотрим ТЭЦ, работающую на биомассе с органическим циклом Ранкина (ОЦР), Адмонт. В 1999 г. установка комбинированного производства тепловой и электрической энергии (ТЭЦ) на биомассе с ОЦР была введена в экс-плуатацию на деревообрабатывающем заводе «STIA» в Адмонте (Австрия). В качестве топлива используются опилки и древесные отходы, не подвергавшиеся химической обработке.

Спиртовая ферментация (брожение)

Методыполученияспирта. Этиловый спирт (этанол) С2Н5ОН в естественных условиях образуется из сахаров соответствующими мик-роорганизмами в кислой среде, рН – от 4 до 5. Подобный процесс спир-товой ферментации во всем мире используют для получения питьевого спирта. Наиболее часто используемые микроорганизмы – дрожжи вида Saccharomyces cere-visiae – погибают при концентрации спирта выше 10 , поэтому для повышения концентрации используют перегонку или фракционирование. После перегонки (дистилляции) получается кипя-щая при постоянной температуре смесь: 95 % этанола и 5 % воды.

Необходимую тепловую энергию можно получить, сжигая остающиеся отходы биомассы.

Производство этанола из различных культур в порядке возрастания трудностей переработки.

1. Непосредственно из сахарного тростника.

2. Из сахарной свеклы вначале получают сахар для сбраживания, но свекла не дает достаточного количества отходов для получения тепла. Из-за этого этанол дорожает.

3. Из растительного крахмала, например, из злаковых или манио-ка; крахмал можно также подвергнуть гидролизу на сахар. Это основ-ной энергоаккумулирующий углевод растений.

4. Из целлюлозы, которая содержит до 40 % всей сухой биомассы и потенциально является обширным возобновляемым источником энер-гии. Имеет полимерную структуру связей молекул глюкозы. В основе промышленного процесса лежит использование измельченной древесной массы или старых газет.

Использованиеэтанолавкачестветоплива. Жидкие топлива чрезвычайно важны из-за удобства использования и хорошего управления сгоранием в двигателях. Можно вводить в несколько переделанные бензиновые двигатели прямо 95%-й этанол, а можно подавать в обычный двигатель смесь из 100%-го этанола (обезвоженный) с бензином в соотношении 1:10.

В другом варианте смешивают бензин с обезвоженным этанолом (20 % по объему) и используют эту смесь (газохол) в обычных бензиновых двигателях.

Газохол в настоящее время – обычное топливо в Бразилии (этанол там получают из сахарного тростника и маниока), используют его и в США (этанол из кукурузы). Важная особенность этанола – способность выдерживать ударные нагрузки без взрыва, из-за этого он гораздо предпочтительнее добавок из тетраэтилсвинца, вызывающего серьезные за-грязнения атмосферы. Превосходные свойства этанола как горючего обеспечивают двигателям 20%-е увеличение мощности по сравнению с чистым бензином. Массовая плотность и теплотворная способность этанола ниже, чем бензина, соответственно теплота сгорания (24 МДж/м3) на 40 ниже, чем бензина (39 МДж/м3). Однако лучшее горение этанола компенсирует это уменьшение теплотворной способности.

Стоимость этанола сильно зависит от местных условий и цен, устанавливаемых для альтернативных видов топлива. Чрезвычайно важна политика правительств в этой области. Обычно при благоприятных обстоятельствах цена этанола в качестве топлива может быть сравнима с ценой бензина (в ценах 1984 г.)

Установки для сжигания биотоплива. Сжигание древесных отходов

Измельченные древесные отходы (кора, щепа, опилки) имеют теплоту сгорания сухой массы 18.20 МДж/кг. После механического обезвоживания в отжимных аппаратах они имеют влажность W P = 55...60% и теплоту сгорания около 6 МДж/кг. Отходы обычно сжигаются в котлах- утилизаторах, оборудованных слоевыми топками с наклонными колосниковыми решетками. Под решетку подается нагретый воздух. На наклонной решетке за счет лучистой теплоты, воспринимаемой от топочных газов, происходит нагрев, подсушивание и воспламенение отходов, а затем выделение и сгорание летучих веществ - CO, H 2 , углеводородов. Коксовый остаток дожигается на движущейся механической цепной решетке.

Для растопки котла и обеспечения устойчивого горения используются мазутные или газовые горелки. Уходящие из котла дымовые газы используются для сушки отходов. При снижении влажности отходов до 40% повышаются КПД и стабильность работы котла, снижается расход мазута или газа

На целлюлозно-бумажных комбинатах наряду с производством целлюлозы применяется технология термохимической обработки древесных отходов для получения сахаров и смол, на основе которых вырабатываются кормовые дрожжи и технические спирты. Побочным продуктом этого производства является лигнин, включающий полисахариды, фенольные группы, смолы. Исходный лигнин представляет собой влажную массу, содержащую до 65% воды, 21% углерода, 2% водорода, 1,4% серы. Теплота сгорания сухой массы около 20 МДж/кг. Выход лигнина в целлюлозно-бумажной промышленности России составляет около 5 млн. т в год.

Лигнин сжигают в камерных топках паровых котлов, оборудованных мельницами-вентиляторами. Предварительно топливо подсушивают нагретым воздухом и отходящими газами котла.

Близкие к лигнину свойства имеет черный щелок, содержащий около 60% органических веществ. Сухой щелок имеет теплоту сгорания около 16 МДж/кг. Щелок распыляют механическими форсунками грубого распыла в камерных топках котлов. После испарения из капель влаги мелкодисперсные частицы слипаются в ококсованные гранулы, называемые в эксплуатации огарком. Огарок выпадает на под топки, поэтому сгорание происходит частично в слое и частично - в объеме топки. Соответственно применяется двухступенчатая подача воздуха в топку: первичный воздух подается на слой огарка, вторичный - в области расположения форсунок. Расход первичного воздуха составляет 50.60% от общего расхода. Выделяемая теплота частично расходуется на реакцию разложения щелока (пиролиз).

Почему вообще выгодно использовать биомассу в качестве топлива? Общеприняты два варианта ответа: есть причины экономические и экологические. Экология особенно важна для западных потребителей, однако в России лишь немногие "продвинутые" производители энергии, - будь то частное лицо, обогревающее свое жилище, предприятие, отапливающее свои производственные и административные помещения, или крупная муниципальная котельная, - задумываются об экологии. Очень жаль! Однако для всех потребителей очень важным является вопрос экономики. Последние расчеты и анализ цен на основные виды топлива показывают, что биомасса во многих случаях превосходит традиционные виды топлива (не только дрова или уголь, но и жидкое топливо - дизель и мазут) по экономике использования. Конечно, при этом необходимо смотреть не на цену 1 тонны топлива, а на стоимость 1 кВт энергии, произведенного при использовании этого топлива. Предлагаем Вашему вниманию сравнительную таблицу стоимости 1 кВт энергии, произведенного с использованием различных видов топлива:

А.Э. Карапетов, генеральный директор,
ООО «ИЦ КотлоПроект», г. Санкт-Петербург

В статье представлен анализ конструктивных схем котлов и способов сжигания биотоплива, а также рассмотрены типичные ошибки, допускаемые при эксплуатации таких котлов.

Стадии горения биотоплива

Сжигание - это сложный процесс, который состоит из последовательно протекающих гомогенных и гетерогенных реакций. В основном сжигание происходит в три стадии: сушка, выход и горение летучих, сгорание твердого углерода (коксового остатка). Время, необходимое для каждой из этих реакций, зависит от характеристики топлива, его фракционного состава, от температуры, от условий сжигания. Опытное сжигание частицы малого размера показывает отчетливое разделение по времени между фазами горения летучих и коксового остатка. Для более крупных частиц эти фазы накладываются одна на другую, однако даже в топках для сжигания дров можно наблюдать достаточно отчетливое разделение фаз горения .

При некоторых способах сжигания, например, на движущейся решетке, эти последовательные реакции протекают одновременно в разных зонах топочной камеры котла, что позволяет существенно оптимизировать процесс горения, естественно, при условии правильной конструктивной схемы котла. Кроме того, разделение стадий позволяет достичь существенного улучшения экологических показателей установки в целом. Для сжигания в кипящем слое, наоборот, характерно одновременное протекание всех трех стадий процесса в одном объеме, причем в условиях интенсивного перемешивания. Благодаря этому тепло, выделяющееся при сгорании летучих и коксового остатка, быстро и эффективно передается частицам свежего материала и расходуется на испарение влаги и выделение летучих.

Условия эффективного сжигания

В англоязычной литературе по сжиганию биотоплива можно часто встретить термин «Three T"s» - Temperature, Time, Turbulence («Три Т» - температура, время, турбулентность или перемешивание). Эти «Three T"s», три условия, должны быть обеспечены для достижения полного и высокоэффективного сжигания. Основные инструменты для выполнения условий следующие:

■ правильно выбранные для используемого способа сжигания величины теплонапряжений топочного объема и зеркала горения;

■ конфигурация топочной камеры, обеспечивающая, при необходимости, отжим горячих продуктов сгорания к участку, на который подается свежее топливо, исключающая наличие застойных зон и т.д.;

■ размещение теплоотводящих поверхностей в камерах сжигания и дожигания с учетом характеристик, в первую очередь, влажности сжигаемого топлива;

■ как можно более равномерная подача топлива, исключающая разовые загрузки больших порций топлива;

■ равномерное распределение слоя топлива на решетке (для слоевого сжигания), поддержание необходимой высоты слоя, обеспечение перемешивания и, при необходимости, шурования слоя;

■ организация воздушного дутья, обеспечивающая равномерное поле температур по объему и сечению топочной камеры;

■ обеспечение оперативного контроля за ключевыми параметрами (температурой газов в зонах сжигания, дожигания, на выходе из топочной камеры; содержанием О 2 и СО в уходящих из котла газах);

■ с целью возможности экстренного воздействия на температурный уровень в топке котла - организация рециркуляции дымовых газов (как вариант - впрыска пара) в различные зоны сжигания.

В отмечается, что смешение топочных газов с воздухом следует считать основным фактором, ограничивающим качество сжигания биотоплива, в то время как обеспечение необходимой температуры и времени пребывания в камере сжигания может быть достигнуто без особых проблем.

Схема подвода воздуха в топку

Важнейшим параметром, определяющим процесс сжигания биотоплива, является избыток воздуха α (в англоязычной литературе используется символ λ), представляющий собой отношение количества подаваемого в конкретную зону горения воздуха к теоретически необходимому. В котлах на биотопливе со слоевыми топками и топками кипящего слоя традиционной является ступенчатая схема подвода воздуха в топку. При этой схеме часть воздуха (наддув, первичный воздух) подается под решетку, а часть в зону над решеткой, возможно в несколько ярусов (дожиг - вторичный и третичный воздух). Подобная схема призвана обеспечить качественное перемешивание (turbulence) вдуваемого воздуха с продуктами газификации и неполного сгорания, поднимающихся с решетки. В этом случае достижима работа котла с невысокими значениями общего избытка воздуха в покидающих котел дымовых газах, что существенно снижает величину тепловых потерь с уходящими газами (см. рис. 1).

При ступенчатой подаче воздуха можно говорить о разделении топочной камеры котла на две зоны: камеру сжигания и камеру дожигания. Эти зоны могут просто располагаться одна над другой, как это принято в котлах с кипящим слоем, или быть разделенными конструктивно, в этом случае для камеры сжигания часто используется термин «предтопок». В камеру сжигания подается все топливо и часть воздуха, так называемого «наддувного» или первичного, который вводится под слой топлива снизу (под решетку). В камере сжигания осуществляется подготовка топлива (испарение влаги, выделение летучих) и его частичное сжигание. При сжигании влажного топлива требуется значительное количество тепловой энергии, необходимое для испарения влаги, поэтому в камере сжигания, как правило, не размещают теплоотводящие поверхности нагрева. Ввод «дожигового» вторичного воздуха осуществляется в верхней части камеры сжигания или на входе в камеру дожигания. Иногда, для более равномерной подачи, по ходу газов в камере сжигания организуют третичное дутье. Камеры дожигания целесообразно выполнять экранированными.

Ступенчатое сжигание, при котором в камере сжигания поддерживается восстановительная атмосфера и обеспечивается минимальный избыток воздуха на выходе, является эффективным первичным способом снижения NO х без специальных (или вторичных) мероприятий. Ступенчатое сжигание позволяет достичь снижения NO х примерно на 50% для топлива с низким содержанием азота и примерно на 80% для топлива с высоким содержанием азота ). Однако для реализации этого потенциала снижения должен быть выполнен ряд условий, α именно:

■ поддержание коэффициента избытка первичного воздуха α перв порядка 0,7 (см. рис. 2);

■ поддержание температуры в восстановительной зоне не более 1150 О С;

■ обеспечение времени пребывания газов в восстановительной зоне не менее 0,5 с.

Температурный уровень в камере сжигания как функция доли первичного воздуха

Основная цель ступенчатой подачи воздуха - избежать пиков температур в топочной камере и, особенно, в камере (зоне) сжигания. С одной стороны, температура в камере сжигания должна быть достаточно высокой для обеспечения нормальной скорости протекания реакций окисления, но при этом, с другой стороны, высокие температуры являются причиной ряда серьезных проблем:

■ шлакование вследствие подплавления золы топлива, что может привести к ухудшению условий горения, проблемам с оборудованием шла- козолоудаления, а для топок с кипящим слоем - к нарушению процесса «кипения» и останову котла;

■ разрушение обмуровки, повреждение колосниковой решетки (пережог колосников);

■ рост выбросов NO x .

Для разных способов сжигания критические значения температур отличаются. Для слоевого сжигания значение лежит в пределах 10501150 О С (в камере сжигания), а для кипящего слоя составляет около 900 О С, что обусловлено склонностью инертного материала слоя (песка) к образованию агломератов. Температуру в экранированной камере дожигания желательно поддерживать на уровне не выше 1200 О С.

При отсутствии теплоотводящих поверхностей нагрева в камере сжигания процессы, которые в ней протекают, можно с некоторой долей условности признать адиабатическими. В этом случае температура в камере сжигания зависит от двух факторов - влажности топлива и избытка воздуха. На рис. 3 эти зависимости представлены графически.

Из графика видно, что поддержание докритического диапазона температур в камере сжигания возможно или при работе с большими избытками воздуха, или в режиме ниже стехиометрического. Некоторые негативные последствия больших избытков воздуха рассматривались выше, к ним можно добавить еще повышенный вынос частиц топлива из слоя и, соответственно, большие величины потерь с механическим недожогом в уносе, а также увеличение электропотребления за счет избыточного расхода наддувного воздуха.

Таким образом, для поддержания оптимальных температур в камере сжигания избыток воздуха в ней следует поддерживать ниже стехиометрического, причем коэффициент избытка первичного воздуха α перв тем ниже, чем меньше влажность подаваемого топлива. Очевидно, что при сжигании сухого биотоплива, по мере исчерпания потенциала снижения температуры за счет снижения α перв, имеет смысл рассматривать вопрос о размещении теплоотводящих поверхностей и в камере сжигания. Для топок с кипящим слоем пороговое значение влажности - около 40%, для слоевого сжигания - 30%.

При сжигании биотоплива с более традиционными величинами влажности Wp,=45-55% (что справедливо в отношении древесных отходов) можно рекомендовать следующие значения α перв:

■ для сжигания в кипящем слое α перв =0,4-0,55 (при этом температура в слое - 850 О С) ;

■ для сжигания на движущихся решетках α перв =0,7 (при этом температура в камере сжигания - 1150 О С) .

Вопрос обеспечения эффективности подачи вторичного воздуха

Вторичное дутье обеспечивает подвод окислителя к выходящим из камеры сжигания продуктам неполного сгорания топлива, а также к выносимым из слоя мелким частицам недогоревшего топлива (недожога). Об эффективности вторичного дутья можно судить, с одной стороны, по содержанию СО в уходящих газах и содержанию остаточного углерода в уносе и, с другой стороны, - по общему избытку воздуха в уходящих газах. Чем меньше значения всех этих параметров, тем более эффективна система вторичного воздуха. Основные факторы, влияющие на эффективность:

■ объем камеры дожигания, обеспечивающий необходимое время пребывания газов и частиц в зоне высоких температур;

■ температура в камере дожигания, обеспечивающая нормальную скорость протекания реакций окисления;

■ «аэродинамика» камеры дожигания. Под этим термином следует понимать совокупность геометрической конфигурации камеры дожигания, расположения в ней сопел вторичного воздуха, дальнобойность выходящих из них струй.

Собственно, правильная организация вторичного дутья - это организация такой аэродинамики камеры дожигания, при которой:

■ обеспечивается хорошее перемешивание продуктов сгорания с воздухом;

■ отсутствуют застойные зоны;

■ обеспечивается равномерное поле температур;

■ поддерживается минимальный избыток воздуха на выходе.

Необходимо иметь в виду, что ключевую роль в процессе перемешивания играет не сама скорость, а мощность (или дальнобойность) струи, которая зависит не только от скорости, но и от выходного диаметра сопла. Таким образом, одинаковую мощность струи можно получить при снижении скорости и увеличении диаметра, снижая при этом энергозатраты на создание напора воздуха перед соплом. Очевидно, что должен существовать определенный нижний порог скорости выхода струи из сопла, после которого система теряет эффективность. По данным для котлов со слоевыми топками, приведенным в , нижняя граница скорости вторичного воздуха лежит в диапазоне 30-40 м/с.

Отдельный аспект - снижение скорости выхода воздуха из сопел и, соответственно, дальнобойности струй при работе котла на пониженных нагрузках. Для того, чтобы избежать этого, применяют следующие решения:

■ использование сопел с переменным сечением, что допускает плавное регулирование площадью выходного сечения;

■ изменение количества сопел путем отключения с помощью шиберов, при этом осуществляется дискретное регулирование общей площадью выходного сечения.

Следует признать, что данные решения актуальны для достаточно крупных котлов, единичная тепловая мощность которых превышает 20 МВт. Для котлов меньшей мощности, которые в основном и используются для сжигания биотоплива, вполне допустима работа на пониженной нагрузке с увеличенными избытками воздуха.

Характерные ошибки при эксплуатации котлов на биотопливе

В данном подразделе хотелось бы остановиться не на анализе многочисленных конструктивных схем котлов и способов сжигания биотоплива, а на типичных ошибках, допускаемых при эксплуатации этих котлов. В принципе, ключевая ошибка - это нарушение корректного воздушного баланса, а именно - работа с повышенными избытками воздуха, причем в основном за счет избыточного первичного дутья. Основная причина, по которой персонал осознанно идет на увеличение расхода воздуха под решетку, - это желание снизить температуру в камере сжигания, чтобы свести к минимуму опасность разрушения обмуровки и выхода из строя колосников (применительно к движущимся решеткам) или образования спеков и агломератов в инертном материале (применительно к кипящему слою). Страх (порой иррациональный) перед газификационным режимом, при котором возможны хлопки и взрывы в топочной камере, объясняет другую характерную ошибку эксплуатации - работу с завышенным разрежением в топке котла, порой до 100-150 Па. При этом персонал, как правило, настороженно относится к вторичному дутью и старается по возможности его не использовать.

Оба фактора вместе приводят к тому, что содержание кислорода в уходящих газах зачастую достигает, а порой и превышает 10% (α>2). В результате:

■ КПД котла снижается на 4-5% за счет увеличения потерь с уходящими газами по сравнению с нормальной эксплуатацией при α=1,4-1,5;

■ из слоя топлива (неподвижного или кипящего) выносится большое количество частиц, которые не успевают догореть в топочной камере, что приводит к росту потерь с механическим недожогом до значения q 4 =3-4%, в то время как вполне достижимы значения q 4 =0,5-1,5%;

■ повышенный унос и недожог в уносе способствуют резкому росту образования прочных наружных отложений в конвективных поверхностях нагрева котлов.

Данные заключения базируются на опыте автора, полученном при сдаче в эксплуатацию, проведении режимно-наладочных испытаний и участии в разборе аварий котлов на биотопливе, в основном при использовании технологии сжигания в кипящем слое и на наклонно-переталкивающей решетке. Например, грубые нарушения воздушного режима работы котла КВ-Р-11,63-150, реконструированного для сжигания сланца в кипящем слое (сланец, конечно, не является биотопливом, но близок к нему по своей реакционной способности), стали причиной аварии, которая развивалась по следующему алгоритму: постепенное забивание первого по ходу газов конвективного пакета привело к уменьшению сечения для прохода газов, скорости в оставшемся сечении многократно выросли, вследствие эрозионного износа в нескольких трубах образовались свищи и в результате произошла цементация отложений практически по всей поверхности пакета .

Следствием неудовлетворительной работы котлов типа КВД-1,2М, установленных в котельной в пос. Ляскеля (Республика Карелия) и сжигающих древесные отходы влажностью 50-55%, был, помимо чрезвычайно низкого КПД (менее 70%) и серьезного недобора мощности, большой унос из котла недогоревших частиц, которые выносились из дымовой трубы и осаждались на прилегающей к котельной территории. В результате обследования (время проведения - 2007 г.) были выявлены причины как конструктивного плана - недостаточный объем топочной камеры, неудачное расположение сопел вторичного воздуха, недостаточная поверхность нагрева, неработоспособная золоулавливающая установка, так и режимного плана - работа с избытками воздуха в уходящих газах α=2,1- 2,6, разрежение за котлом 210-240 Па.

Другой пример: при проведении в 2014 г. режимной наладки водогрейного котла КВм-3,0 Д тепловой мощностью 3 МВт удалось достичь ощутимого увеличения КПД котла (на 5-7%) практически только за счет оптимизации воздушного режима. В котле сжигались мелко фракционные отходы повышенной сухости (W t r <15%) на наклонно-переталкивающей решетке. В данном случае конструкция котла была лишена недостатков, за исключением не совсем продуманной системы подвода вторичного воздуха. Перед началом наладочных испытаний котел эксплуатировался с сильно завышенным первичным дутьем (т.е. при высоких значениях α перв), вследствие чего топливо выгорало (и частично выносилось), не достигая последних рядов колосников решетки, т.е. почти вся зола покидала котел с уносом, разрежение поддерживалось в диапазоне 80-100 Па, температура газов в камере сжигания (неэкранированной) не превышала 750 О С, избыток воздуха в уходящих газах достигал α=2. Путем перенастройки воздушного режима в сторону значительного сокращения первичного дутья и снижения разрежения в топке до 40-50 Па удалось достичь:

■ равномерного распределения и горения топлива по всей длине решетки;

■ снижения доли золы уноса с почти 100% до значения 55%, при этом содержание горючих в шлаке не превышало 7,2%;

■ температуры газов в камере сжигания около 880 О С;

■ коэффициента избытка воздуха в уходящих газах α=1,36.

Характеристики котла после проведения режимной наладки приведены в таблице.

Параметр	Величина
Тепловая мощность, МВт	3
Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах	1,36
Температура уходящих газов, °С	198
Потеря теплоты с уходящими газами, %	9,26
Содержание СО в уходящих газах (приведено к 0 °С), мг/нм 3	581
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания, %	0,2
Содержание остаточного углерода в шлаке, %	7,2
Доля золы топлива в шлаке, %	45,6
Потеря теплоты от механической неполноты сгорания в шлаке, %	0,08
Содержание остаточного углерода в уносе, %	32,7
Доля золы топлива в уносе, %	54,4
Потеря теплоты от механической неполноты сгорания в уносе, %	0,58
Суммарная потеря теплоты от механической неполноты сгорания, %	0,66
Потеря теплоты в окружающую среду, %	2,14
Потеря с теплом шлаков (при t mn =600 °С), %	0,03
КПД котла брутто, %	87,7

Достаточно большие величины содержания горючих в уносе и СО в дымовых газах объясняются уже упоминавшейся неудовлетворительной работой системы вторичного воздуха, не обеспечивающей эффективного перемешивания («turbulence») дожигового воздуха с продуктами сгорания.

Заключение

Каким же образом донести до эксплуатационного персонала информацию о корректных методах управления котлами на биотопливе, позволяющих раскрыть все возможности оборудования? Как заменить устоявшиеся, пришедшие из опыта эксплуатации старых угольных котлов, в которых порой вовсе отсутствовало вторичное дутье, понятия о безопасной и экономичной работе? Известно, что далеко не во всех котельных небольшой мощности имеются профессионально выполненные режимные карты, а там, где они есть, не всегда следят за соблюдением режимов.

Представляется, что наиболее действенный путь решения данной проблемы - это минимизация воздействия человеческого фактора на процесс управления работой котла, т.е. глубокая степень автоматизации процесса сжигания. Данный подход успешно реализуется на котлах средней мощности, в качестве примера можно привести паровые котлы с кипящим слоем для сжигания древесных отходов, в разработке проектов которых автору довелось принимать участие. Воздушный режим у этих котлов поддерживается следующим образом: расход первичного воздуха жестко связан с подачей топлива, а вентилятором вторичного воздуха управляет регулятор по содержанию кислорода в уходящих газах. Данная схема позволяет поддерживать работу с минимальными избытками воздуха, реальные значения содержания кислорода в газах за котлом О 2 =3-5% (рис. 4).

Рис. 4. Дисплей пульта управления котла КЕ-25-24-350, реконструированного для сжигания древесных отходов в кипящем слое. Объект - Вилейская мини-ТЭЦ, г. Вилейка, Республика Беларусь. Регулятор поддерживает содержание кислорода в газах за котлом (перед стальным экономайзером) О 2 =3%.

Понятно, что оснащение развитой системой автоматизации установок малой мощности существенно повлияет на их стоимость, однако надо понимать, что это удорожание будет скомпенсировано более высоким КПД. Во всяком случае, по этому пути - полной автоматизации котлов на биотопливе даже малой мощности -

идут ведущие зарубежные поставщики оборудования. Помимо датчиков кислорода, установки оснащаются датчиками замера СО в уходящих газах, что позволяет снижать избытки воздуха до уровня газовых котлов .

Литература

1. Nussbaumer, Thomas. Combustion and Co-combustion of Biomass: Fundamentals, Technologies, and Primary Measures for Emission Reduction. Energy & Fuels. Т. 17. 2003.

2. Sjaak Van Loo, Jaap Koppejan. The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. London: EARTHSCAN, 2008.

3. В.Н. Шемякин, А.Э. Карапетов, С.В. Крылов. Опыт практического внедрения технологии кипящего слоя в промышленной и коммунальной энергетике. Труды ЦКТИ. ОАО «НПО ЦКТИ», 2009, 298 с.

4. Ницкевич Е.А. Проектирование котельных агрегатов. М.: Государственное энергетическое издательство, 1951.

5. Александров В.Г. Паровые котлы малой и средней мощности. Л.: Энергия, 1972.

6. Иванов Ю.В. Эффективное сжигание надслойных горючих газов в топках. Таллин: Эстонское государственное издательство, 1959.

Налоги и платежи