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!

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: Технологические аспекты сжигания биотоплива

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. сжигание биотопливо котельная

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

Камины на гранулах и брикетах - это специфический продукт. Они работают не как котлы, а как воздухонагреватели, поэтому не требуют системы трубопроводов. Чаще они используются (как и традиционные камины) в качестве дополнительного средства обогрева, хотя небольшого мощностью до 10 кВт вполне хватит для обогрева частного дома, если грамотно его разместить. Основными преимуществами каминов являются: автоматический процесс горения, легкость в использовании, малый объем золы, регулировка тепла, быстрый нагрев воздуха в отапливаемом помещении. Кроме того, установив такой камин Вы получаете несравненное эстетическое удовольствие.

Сжигатели для установки на жидкотопливные котлы.

В настоящее время количество продаж малых сжигателей в Европе быстро растет. Если в 2000 году только в Швеции было продано 6 000 сжигателей, то в 2001 году эта цифра возрастает в той же Швеции до 12 000 штук.

86% производителей гранул и 83% производителей брикетов имеют клиентов, у которых установлены сжигатели малой мощности. В начале 1990-х практически все продажи гранул приходились на большие котельные, но сегодня рынок сжигателей растет очень быстрыми темпами.

Рисунок 1. Сжигатель гранул, установленный на бывший котел на дизельном топливе.

Рисунок 2. Сжигатель гранул 20 kW, установленный на котел на гранулах.

Рисунок 3. Открытый сжигатель гранул; процесс удаления золы вручную.

Жидкотопливные котлы небольшой мощности (до 100 кВт) получили в 1990-х гг. широкое распространение в России. Их устанавливали в частных домах, коттеджах, на небольших предприятиях и т.д. Срок службы самих котлов довольно большой, а вот горелки выходят из строя быстрее. Требуется их замена, а это дорогостоящая операция.

Общепринятое в Европе недорогое решение при переходе с дизельного топлива на гранулы - модификация (подгонка) старого котла с дизельной горелкой новым сжигателем для гранул (рисунок 1). Тем не менее, котлы на жидком топливе не предназначены для сжигания топлива, которое оставляет золу, поэтому в таких случая требуется достаточно частая чистка сжигателя для того, чтобы избежать снижения эффективности или заполнения камеры сгорания золой.

Насколько часто необходимо проделывать эту простую операцию зависит от сезона, а также от качества гранул, которые используются (рисунок 3).

Для более быстрой и качественной очистки сжигателя от золы часто прибегают к помощи специального вакуумного очистителя ("золосос"). Другой популярный метод - заправить в обычный пылесос мешок для золы.

В настоящее время в Европе все большее распространение получают установки КПТЭ - Комбинированное Производство Тепла и Электроэнергии, - работающие на гранулах.

Отчасти это вновь создаваемые станции централизованного теплоснабжения поселков, микрорайонов и т.п., отчасти - модернизируемые старые котельные, работавшие прежде на жидком топливе или угле.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Мазутное хозяйство БТЭЦ-2 предназначено для приёма, хранения и подачи мазута на сжигание в котлах отопительных газифицированных котельных. Физико-химическая характеристика мазутов. Основное оборудование мазутного хозяйства и насосов, подающих мазут.

реферат , добавлен 18.05.2008

Перспектива использования производных рапсового масла в качестве моторного топлива. Проблемы, связанные с использованием рапсового масла. Анализ существующих конструкций подогревателей топлива. Расчет и конструирование ТЭНа и нагревателя биотоплива.

дипломная работа , добавлен 11.08.2011

Разновидности и основные характеристики жидких котельных топлив. Способы промышленного производства пищевого этилового спирта. Отходы производства этилового спирта и способы их утилизация. Виды котельных топлив. Технический анализ модифицированных топлив.

дипломная работа , добавлен 15.06.2010

Определение тепловых нагрузок и расхода топлива производственно-отопительной котельной; расчет тепловой схемы. Правила подбора котлов, теплообменников, баков, трубопроводов, насосов и дымовых труб. Экономические показатели эффективности установки.

курсовая работа , добавлен 30.01.2014

Изменение массы отложившейся на стенке примеси во времени. Основные факторы, влияющие на скорость образования отложений в котлах. Характер загрязнений, удаляемых при предпусковых кислотных очистках. Способы консервации прямоточных и барабанных котлов.

дипломная работа , добавлен 15.07.2015

Развитие в России децентрализованных (автономных) систем теплоснабжения. Экономическая целесообразность строительства крышных котельных. Источники их питания. Присоединение к наружным и внутренним инженерным сетям. Основное и вспомогательное оборудование.

реферат , добавлен 12.07.2010

Рассмотрение сущности, целей и задач теплотехнических испытаний котлов. Описание последовательности проведения балансовых и режимно-наладочных тестирований агрегата. Применение экспресс-метода для оценки качества ремонта или модернизации оборудования.

реферат , добавлен 28.06.2011

Конструкция методических печей, их классификация. Преимущества камерных печей, особенности работы горелок. Общие принципы выбора рациональных методов сжигания топлива в печах. Работа устройств для сжигания газа (горелок) и жидкого топлива (форсунок).

курсовая работа , добавлен 05.10.2012

Комплекс устройств для получения водяного пара под давлением (или горячей воды). Составляющие котельной установки, классификация в зависимости от показателей производительности. Котлоагрегаты с естественной и принудительной циркуляцией (прямоточной).

реферат , добавлен 07.07.2009

Понятие и принцип работы пароводяного цикла котельных установок, его устройство и характеристика элементов. Причины образования отложений в теплообменных аппаратах. Процесс умягчения воды по методу катионного обмена. Принципиальные схемы водоподготовки.

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%).

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.

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…"

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 …

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.

Технологии сжигания в кипящем или псевдоожиженном слое (англ. fluidized bed combustion) и в пылевидном состоянии (англ. pulverized combustion; используется также термин «камерное сжигание») применяются реже, в основном ближе к верхней границе указанного диапазона мощностей. Наиболее современную и эффективную технологию - циркулирующий кипящий слой (англ. circulating fluidized bed) используют, как правило, при сжигании топлива в мощных энергетических котлах.

Рассмотрим основные способы слоевого сжигания биотоплива, а также некоторые топочные устройства, в которых осуществляется синтез слоевого и вихревого сжигания. В нашем обзоре не учитываются установки для отопления частных домов или коттеджей (например, при помощи пеллетных горелок), а также топки с ручной подачей топлива как морально устаревшие и экологически небезопасные. Топочные устройства, в работе которых используется принцип слоевого сжигания, - это обычно топки, оборудованные решетками, и топки с нижней подачей. Первичный воздух проходит через неподвижный слой топлива, которое сушится, а в результате горения из него выделяются летучие вещества и сжигается коксовый остаток. Образующиеся горючие газы дожигаются над решеткой после ввода вторичного воздуха, зачастую в зоне сжигания, конструктивно отделенной от слоя топлива (в камере дожигания).

Топки для биотоплива, оборудованные решетками

Известно несколько типов решеток, использующихся в конструкциях слоевых топок. Это неподвижные решетки, решетки с качающимися (опрокидывающимися) колосниками, переталкивающие решетки (наклонные и горизонтальные), решетки в виде бесконечного полотна (ленточные, чешуйчатые цепные), вращающиеся и вибрационные решетки. У каждого способа сжигания есть свои плюсы и минусы, которые проявляются при сжигании разных видов топлива, поэтому выбор следует делать после серьезного анализа, с учетом характеристик топлива и условий эксплуатации установки.

В целом топки, оборудованные решетками, подходят для сжигания биотоплива высокой влажности, разного фракционного состава (с ограничением по объему мелких пылевых частиц) и высокой зольности. Допускается сжигание смеси нескольких видов топлива, однако смешение топлива древесного происхождения с соломой, лузгой, шелухой и прочим может вызывать серьезные проблемы ввиду разного поведения этих видов топлива в процессе сжигания, что обусловлено низкой влажностью и низкой температурой плавления золы соломы и других сельскохозяйственных отходов. В этом случае необходимо обеспечить равномерное распределение состава смеси по сечению решетки.

Современные топки состоят из четырех основных узлов: системы подачи топлива, решетки с приводом, системы ввода вторичного воздуха в дожиговую камеру и системы выгрузки золошлаковых отходов.

Для качественного сжигания требуется обеспечить равномерное распределение топлива и слоя шлака по всему сечению решетки. Это важно с точки зрения оптимальной подачи первичного воздуха к разным зонам решетки. Неравномерный, некорректный подвод первичного воздуха может быть причиной зашлаковки, повышенного уноса мелких частиц золы и топлива и роста избыточного объема воздуха, необходимого для полного сжигания топлива. Следует также не допускать режим так называемого «кратерного» горения, когда воздух прорывается через небольшие участки решетки, по сути, не принимая участия в горении, что приводит к росту потерь как со шлаком, так и с уносом. Возникновению подобного режима способствует нарушение равномерности слоя шлака и очаговых остатков на решетке.

Средства для достижения качественного сжигания: гибкая система управления движением решетки, контроль уровня шлака и очаговых остатков (например, с помощью инфракрасных датчиков) и регулирование (желательно частотное) первичного воздуха, подаваемого к разным зонам решетки - для обеспечения его оптимального объема, требуемого для зон сушки, выделения летучих и дожигания коксового остатка. Развитая система подвода первичного воздуха позволяет также достичь глубины регулирования в диапазоне 25-100% номинальной нагрузки с сохранением восстановительной атмосферы в камере сжигания, что важно с точки зрения сокращения выбросов NO x . Обобщенная схема горения биотоплива на решетке представлена на рис. 1.

Еще одним важным аспектом технологии сжигания на решетке является организация ступенчатого сжигания путем разделения топочной камеры на камеру сжигания и камеру дожигания, что позволяет исключить негативное влияние струй вторичного воздуха на процессы, протекающие на решетке, и разделить зоны газификации и окисления. Качественное перемешивание воздуха с продуктами сгорания в (первичной) камере сжигания ограничивается требованием сохранения «спокойного» слоя очаговых остатков на решетке. Окончательное перемешивание воздуха и продуктов горения должно происходить в камере дожигания и обеспечиваться геометрией этой камеры и отрегулированной скоростью вторичного воздуха на выходе из сопел. Применяемые технические решения: сужение окна выхода газов или организация вихревого потока на выходе из камеры сжигания, как, например, в котле для сжигания овсяной лузги, в котором на выходе газов из камеры сжигания организован вертикальный циклон.

Рис. 2. Схемы слоевого сжигания (слева направо): противоточная,
прямоточная, перекрестная

Существуют три схемы слоевого сжигания на решетке в зависимости от взаимного направления движения топлива и продуктов сгорания (рис. 2).

Противоточная схема является наиболее подходящей для сжигания топлива, характеризующегося высокой влажностью и низкой теплотой сгорания. Горячие топочные газы, отжимаемые к фронтовой стене сводом, проходят над поверхностью свежего топлива, благодаря чему конвективная составляющая теплообмена дополняет радиационную, что обеспечивает ускорение испарения влаги и выхода летучих. Этот метод требует эффективного перемешивания топочного газа со вторичным воздухом (турбулизации) для предотвращения образования устойчивых (условно ламинарных) потоков, обогащенных несгоревшими газами.

Сжигание топлива по прямоточной схеме применяется при сжигании сухого топлива, такого как древесные отходы или солома, либо в установках с предварительным подогревом первичного воздуха. При использовании этого метода увеличивается продолжительность пребывания в камере сгорания несгоревших газов, выделившихся из слоя топлива и их контакта со слоем топлива в задней части колосниковой решетки, что способствует сокращению выбросов NO x . Недостатком прямоточной схемы сжигания является повышенный унос частиц золы и топлива с решетки.

Перекрестная схема, представляющая собой сочетание прямоточной и противоточной схем, чаще всего применяется в установках с вертикальными вторичными топочными камерами.

Для поддержания оптимального диапазона температуры в топочной камере практикуется рециркуляция дымовых газов и/или экранирование стен теплоотводящими поверхностями. Экранирование предпочтительнее, так как позволяет не увеличивать объем дымовых газов и препятствует образованию шлаковых наростов на стенах камеры сгорания. При сжигании влажного топлива обмуровка служит аккумулятором тепла, что позволяет нивелировать колебания влажности топлива и температуры в камере, обеспечивая условия для стабильного дожигания продуктов неполного сгорания. У рециркуляции дымовых газов есть свои плюсы, в частности, она может способствовать лучшему перемешиванию воздуха с продуктами сгорания. Дымовые газы на рециркуляцию следует отбирать после санитарной ступени очистки. Если отбор осуществляется после дымососа, то возрастает расход газов через дымосос, которого можно избежать в случае отбора перед дымососом, но следует учесть, что при этом вентилятор для нагнетания газов рециркуляции должен создавать высокий напор для преодоления разрежения в основном тракте дымовых газов. Еще одним достоинством рециркуляции дымовых газов можно считать возможность плавного регулирования температуры в топочной камере.

Применение водоохлаждаемых решеток позволяет увеличить период межремонтной эксплуатации и сократить число проблем с подплавлением золы и зашлаковкой, что особенно актуально при сжигании разных сельскохозяйственных отходов.

Решетки в виде бесконечного полотна

В литературе на русском языке подобные решетки чаще называют по типу тягового органа: ленточными, цепными - или по типу применяемых колосников: чешуйчатыми. В англоязычной литературе применяется термин travelling grate. Принцип сжигания на решетках в виде бесконечного полотна широко известен и распространен в нашей стране, используется в основном для сжигания углей. За рубежом, в первую очередь в США, решетки подобного типа применяют и для сжигания биотоплива, в основном на предприятиях целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности. Котлы с решетками (как правило, обратного хода) успешно конкурируют с котлами кипящего слоя в диапазоне мощностей от 20 до 250 т/ч, в них по большей части сжигают кородревесные отходы, часто в смеси с углем.

В числе достоинств решеток в виде бесконечного полотна можно отметить одинаковые условия сжигания для таких разных видов топлива, как щепа и пеллеты, а также низкие значения пылевых выбросов благодаря тому, что слой золошлаковых отходов не испытывает механических или аэродинамических возмущений. Немаловажно удобство обслуживания подобного оборудования, в частности, замена колосника не вызывает проблем.

Имеются и недостатки. В неподвижном слое топлива затруднен доступ воздуха к каждой частице, проблема становится критической при подаче топлива с большим разбросом по фракционному составу, вследствие чего на решетке образуются завалы и имеет место крайне неравномерное распределение первичного воздуха. Проблему минимизирует применение решеток обратного хода с забрасывателями (роторными, пневматическими), что позволяет равномерно распределить топливо по решетке, однако заброс топлива способствует более интенсивному выносу из слоя мелких частиц топлива и золы.

На примере схемы сжигания кородревесных отходов на чешуйчатой решетке обратного хода парового котла средней мощности (производитель - фирма Jansen Inc., США) показаны характерные проблемы при сжигании кородревесных отходов (рис. 3). Справедливости ради следует признать, что некоторые из этих проблем свойственны не только процессам сжигания в топках с решетками в виде бесконечного полотна, но и многим технологиям сжигания биотоплива.

Переталкивающие решетки

Переталкивающие решетки (англ. reciprocating grate) могут быть наклонными и горизонтальными. Наибольшее распространение получили наклонно-переталкивающие решетки, которые состоят из последовательных рядов неподвижных и движущихся колосников (рис. 4).

Движущиеся колосники совершают возвратно-поступательные движения, что обеспечивает перемещение топлива вдоль решетки. Частицы горящего топлива перемешиваются со свежими частицами топлива, поверхность слоя топлива, обращенная к топочному пространству, обновляется, достигается равномерное распределение слоя топлива по длине решетки. Обычно решетка разделена на несколько секций колосников с независимыми приводами, что позволяет перемещать топливо с разной скоростью, соответственно стадии горения: сушке, выделению летучих и дожиганию коксового остатка. Также по зонам - отдельно под каждую секцию колосников - подается первичный воздух, что позволяет сжигать на наклонно-переталкивающих решетках разные виды биотоплива. Колосники, охлаждаемые только первичным воздухом, который проходит через боковые каналы между колосниками, применяются при сжигании влажного топлива: коры, опилок, щепы. Для сухого биотоплива или для топлива с пониженной температурой плавления золы имеет смысл рассмотреть вариант применения водоохлаждаемых колосников.

Рис. 5. Современный котел малой мощности с наклонно-переталкивающей решеткой, оснащенный системой инфракрасного контроля уровня топлива на решетке, позонной подачей первичного воздуха, системой рециркуляции дымовых газов (I - камера сжигания, II - камера дожигания)

Алгоритм управления частотой включения разных секций решетки довольно сложен. Следует избегать образования завалов и пустот на решетке, а также слишком быстрого перемещения топлива к зольнику, которое приводит к существенному росту потерь с недожогом в шлаке. Критерием корректной работы колосниковых секций может служить равномерность заполнения решетки слоем топлива. Оптимальным вариантом организации контроля процесса и управления перемещения топлива по решетке может быть оснащение топочного устройства инфракрасными датчиками, следящими за уровнем топлива над каждой секцией решетки, как показано на рис. 5.

Горизонтально-переталкивающие решетки (ГПР) обеспечивают сжигание топлива в горизонтальном слое. Перемещение топлива осуществляется благодаря специальной диагональной позиции колосников. Схематично процесс сжигания на горизонтально-переталкивающей решетке показан на рис. 6. Достоинством этой технологии можно считать возможность контроля перемещения топлива вследствие силы тяжести. Кроме того, поскольку необходимое «толкающее» усилие на колосниках горизонтально-переталкивающих решеток выше, чем на колосниках наклонно-переталкивающих решеток, слой топлива на решетке распределяется более равномерно (вследствие эффекта «подпрессовки»), что снижает риск зашлаковки из-за зон с повышенной температурой. Наконец, топки с горизонтально-переталкивающими решетками компактнее, чем топки наклонно-переталкивающих решеток. Недостатком ГПР, причем серьезным, является высокая степень провала топлива через колосники, ухудшающая показатели надежности решетки.

В Западной Европе способ сжигания биотоплива на наклонно-переталкивающих решетках преобладает в сегменте котлов малой и средней мощности (3-15 МВт). Эта технология всесторонне отработана; узлы и механизмы систем подачи топлива, выгрузки золы, решеток - оптимизированы с точки зрения применяемых материалов и конструкторских решений. Для обеспечения как можно более высокой степени выгорания топлива при минимальном избытке воздуха в уходящих газах применяются весьма сложные схемы подвода воздуха для дожигания. В числе зарубежных производителей котлов и топок с наклонно-переталкивающими решетками для сжигания биотоплива можно отметить поставщиков из Скандинавских стран, а также фирмы Polytechnik (Австрия) и Vyncke (Бельгия). Из российских производителей следует выделить ООО «Ковровские котлы», на котором налажено производство качественного оборудования для сжигания сухого и влажного древесного топлива, торфа и растительных отходов в паровых и водогрейных котлах с диапазоном мощности от 300 КВт до 10 МВт.

Мнение автора о качестве продукции ООО «Ковровские котлы» базируется в том числе и на собственном опыте, полученном при наладочных испытаниях водогрейного котла КВм-3,0 Д, который оборудован наклонно-переталкивающей решеткой. В подобном котле сжигалось нерасчетное, сложное для слоевых топок топливо: мелкофракционные отходы повышенной сухости. После корректировки воздушного режима были достигнуты впечатляющие результаты работы котла: степень выгорания топлива - выше 99%, избыток воздуха перед дымососом - менее 1,4, КПД котла брутто - 87,7%.

Заслуживает внимания новая серия паровых котлов производительностью от 2 до 10 т пара в час с наклонно-переталкивающей решеткой. Конвективная часть выполнена в виде двухходового (по газам) дымогарного барабана, топочная камера экранирована водотрубными экранами, причем степень экранирования может варьировать в зависимости от влажности сжигаемого биотоплива. Разработка проекта котла выполнена ООО «ИЦ КотлоПроект».

Вибрационные решетки

Вибрационная решетка состоит из установленного на пружинных опорах наклонного экрана из плавниковых труб (рис. 7). Топливо может подаваться шнековыми питателями, гидравлическими толкателями или роторно-пневматическими забрасывателями. Перемещение топлива и очаговых остатков по решетке обеспечивается за счет работы двух и более вибраторов. Первичный воздух подается снизу, для его прохода через решетку в плавниках между трубами имеются отверстия.

Вибраторы включаются периодически на короткое время, благодаря чему затрудняется образование крупных шлаковых агломератов. Вибрационные решетки находят применение при сжигании видов топлива, которые склонны к подплавлению и зашлаковке (соломы, отходов сельского хозяйства). Недостатком этой технологии являются большие уносы золы (вследствие вибраций); повышенный выброс СО (вследствие периодических возмущений слоя топлива из-за вибрации); повышенный недожог в шлаке (из-за затрудненного контроля перемещения топлива и очаговых остатков).

Вращающиеся решетки

Сжигание топлива на вращающейся решетке с нижней подачей топлива - современная технология сжигания, разработанная финской фирмой Wärtsilä Biopower Oy. Решетка представляет собой конус, образованный рядом кольцевых колосниковых секций, уровень которых понижается от центра к периферии (рис. 8). Секции вращаются в противоположных направлениях, благодаря чему происходит интенсивное перемешивание свежего и горящего топлива. Это позволяет сжигать на решетках такого типа топливо очень высокой влажности - до 65% (кора, опилки, щепа). Первичный воздух подается снизу под колосниковые секции, продукты неполного сгорания дожигаются после ввода вторичного воздуха в вертикальной или горизонтальной камере дожигания, отделенной от камеры сжигания. Топливо подается в центр конуса снизу при помощи шнекового питателя, почти как в топках с нижней подачей. Размер куска топлива не должен превышать 50 мм. Топливо движется от центра к периферии решетки и сбрасывается в заполненный водой зольный канал.

В топках с вращающимися решетками возможно сжигание смеси твердого топлива с биологическим илом. Недостатками подобных решеток можно признать их сложность и высокую цену.

Шахтные топки

1 - подача воздуха под горизонтальную цепную решетку;
2 - цепная чешуйчатая решетка;
3 - подача воздуха под наклонную решетку;
4 - наклонная колосниковая решетка;
5 - предтопок; 6 - экранные трубы;
7 - топочная камера котла; 8 - пароперегреватель;
9 - дробеочистка; 10 - секции экономайзера;
11 - пакеты воздухоподогревателя

Топки с неподвижной решеткой и горизонтальным или вертикальным слоем топлива предназначены в основном для сжигания дров в котлах малой мощности. Подобные устройства следует признать давно устаревшими, по этой причине в настоящей статье ограничимся лишь их упоминанием. Способ сжигания на неподвижной наклонной решетке (англ. stationary sloping grate) получил широкое распространение в России при сжигании мелкофракционных древесных отходов. Подобные топочные устройства, более известные как шахтные топки, применялись с котлами малой и средней мощности, в том числе и с многотопливным паровым котлом Е-75-40 (КМ-75-40) производства Белгородского котельного завода (рис. 9). Эти котлы в основном устанавливались на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности и предназначались для сжигания влажных кородревесных отходов совместно с газом, мазутом или каменным углем. В котлах вырабатывался пар с параметрами: р = 40 кгс/см 2 , t = 440 °C; заявленная паропроизводительность составляла 50 т/ч при сжигании отходов и 75 т/ч при совместной работе с газомазутными или пылеугольными горелками, установленными на боковых стенах топочной камеры. Топка котла оборудована неподвижной наклонной трубной решеткой, покрытой чугунными колосниками и движущейся горизонтальной цепной решеткой с чешуйчатыми колосниками. Влажные отходы подаются на наклонную решетку, по мере схода вниз они подсушиваются и возгораются, дожигание происходит на горизонтальной решетке, которая также сбрасывает шлак и очаговые остатки в систему шлакозолоудаления.

Несмотря на то что в целом котлы КМ-75-40 справлялись с проблемой утилизации образующихся на ЦБК влажных отходов, их работа характеризовалась низкой эффективностью и недобором мощности. Наличие в предтопке значительного объема топлива затрудняло регулирование процесса горения. В результате почти на всех ЦБК была проведена реконструкция котлов названного типа с заменой шахтной топки топкой кипящего слоя. Одна из первых подобных реконструкций была выполнена на Кондопожском ЦБК силами финской компании Outokumpu Oy.

Топки скоростного горения

Сжигание в зажатом слое (в топке скоростного горения системы Померанцева) является уникальной отечественной разработкой, в свое время позволившей совершить прорыв в сжигании древесного топлива. Эта технология была создана в 1940-х годах: между опускной шахтой топлива и топочной камерой котла устанавливается вертикальная зажимающая решетка, представляющая собой экран с ошипованными трубами. Воздух на горение подается в нижнюю часть топливной шахты.

Зажимающая решетка препятствует выносу частиц топлива в топочную камеру, благодаря чему можно применить интенсивное дутье и достичь высокого теплонапряжения зеркала горения (до 4 млн Ккал/м 2 ·ч) и эффективного выгорания топлива. Топки скоростного горения отличаются малыми габаритами и очень низкой металлоемкостью, что в первую очередь и определило их широкое распространение.

Помимо достоинств (отсутствия движущихся частей в топке, простоты эксплуатации), у топок Померанцева есть ряд недостатков, не позволяющих им конкурировать на равных с современными топочными устройствами для сжигания биотоплива. Прежде всего это высокая чувствительность к изменению характеристик подаваемого топлива (влажности, фракционного состава), подверженность зажимающей решетки шлакованию, необходимость регулярной чистки (как правило, вручную) пола предтопка и топочной камеры, неудовлетворительные экологические показатели. Серьезной проблемой при эксплуатации котлов с топками Померанцева является зависание топлива в опускной шахте, которое приводит к его возгоранию в топливных рукавах.

Тем не менее на ОАО «Бийский котельный завод» и по сегодняшний день ведется серийный выпуск котлов типа КЕ-МТ с топками скоростного горения типоразмерного ряда производительностью пара от 4 до 25 т/ч.

Кроме того, на базе топки скоростного горения создаются оригинальные разработки, которые позволяют совмещать эту технологию сжигания с другими. В частности, тот же Бийский котельный завод комплектует паровые котлы мощностью от 2,5 до 25 т/ч топочными устройствами для сжигания древесных отходов, представляющими собой симбиоз зажимающей решетки и топки с шурующей планкой (серия ОГМВ). Топочные устройства, выпускаемые ООО «Союз», позволяют совмещать технологии сжигания в ретортной топке и в зажатом слое.

Компанией ООО «НТВ-Энерго» для сжигания крупноизмельченных древесных отходов (щепы, коры и опилок) в котлах мощностью до 15 МВт разработана слоевихревая топка. Ее конструкция представляет собой сочетание модифицированной слоевой топки скоростного горения с обращенным дутьем и вихревой камеры догорания. Выгорание основной массы щепы происходит в слое топлива. Выносимые из слоя недогоревшие частицы топлива попадают в вихревую зону, где циркулируют до полного выгорания. В результате создаются благоприятные условия для сжигания смеси коры, щепы и опилок широкого гранулометрического диапазона при минимальных потерях с недожогом топлива.

Совмещение разных хорошо известных технологий (порой не предназначенных для сжигания биотоплива), конечно, имеет право на существование, но только при условии, что используются не недостатки, а преимущества этих технологий, что удается не всегда.

Топки для сжигания топлива низкого качества

Одна из оптимальных технологий сжигания топлива низкого качества - на наклонной решетке на основе принципа возвратно-поступательного движения колосников. Эта технология используется в широко известных топках немецкой фирмы Martin GmbH, которые водят в состав энергетических установок для сжигания твердых бытовых отходов (ТБО).

Топка Martin представляет собой переталкивающую решетку с возвратно-поступательными колосниками (другое название - обратно-переталкивающая решетка, англ. reverse acting grate), наклоненную в ту сторону, куда движется топливо, и состоящую из рядов колосников, образующих ступени (рис. 10). Как и в традиционных наклонно-переталкивающих решетках, подвижные и неподвижные ряды колосников чередуются. Движение колосников приводит к перемещению слоя топлива в направлении, противоположном наклону решетки. Подвижные колосники оказывают на материал, перемещающийся в ту сторону топки, где идет разгрузка шлака, обратно-переталкивающее действие, что позволяет подавать 15-20% горящей массы отходов навстречу движущемуся слою и создавать очаги нижнего зажигания. При подобной схеме частицы топлива циркулируют по сложным петлеобразным траекториям, непрерывно перемещаясь относительно друг друга. Такой характер движения обеспечивает усиленное механическое перемешивание частиц, что позволяет сравнивать процесс с перемешиванием в кипящем слое. В результате можно использовать обратно-переталкивающие решетки при сжигании видов топлива, забалластированных золой и склонных к озолению или зашлакованию частиц.

Однако названные достоинства обеспечиваются за счет значительного усложнения устройства; при подобном способе шурования колосники оказываются в высокотемпературных условиях, что требует применения специальных материалов (жаропрочной хромистой стали, состав которой разработан фирмой Martin). По актуальным данным фирмы Martin, решетка может стабильно работать при температуре процесса, иногда превышающей 1000 °С. Боковые поверхности колосников отшлифованы и с помощью специального устройства прижаты друг к другу, так что образуют монолитное полотно (узкие щели для подачи первичного воздуха предусмотрены в головной части как подвижных, так и неподвижных колосников). Срок службы колосников - 5-6 лет. Неудивительно, что стоимость топок с возвратно-поступательными колосниками весьма высока, а это препятствует их широкому применению в промышленной и коммунальной энергетике.

В ООО «ИЦ КотлоПроект» разработано оригинальное топочное устройство - топка с обратно-переталкивающей решеткой с шурующими планками. Основы конструктивной схемы этого топочного устройства:

решетка наклонная, с несколькими ступенями с переменным углом наклона, по которым совершают возвратно-поступательные движения шурующие планки. Углы наклона граней планок выполнены таким образом, чтобы перемещать топливо наверх, в направлении, противоположном сходу топлива, вследствие наклона решетки. У решетки несколько независимых зон для подачи воздуха;
подача топлива на решетку осуществляется с помощью независимого от привода планок механизма - гидравлического толкателя или шнекового питателя. Обязательное условие: обеспечение герметичности зоны горения и тракта топливоподачи;
у планок независимые гидравлические приводы. При большом числе ступеней возможно подключение двух соседних планок к одному приводу;
решетка трубная водоохлаждаемая, по возможности включена в контур циркуляции котла. Шурующие планки также водоохлаждаемые, соединение осуществляется при помощи гибких шлангов (рукавов).

Подобная топка предназначена для компоновки с котлами, печами, установками термического обезвреживания разных низкосортных отходов. Тепловая мощность топки ограничена 10 МВт.

Топки с нижней подачей

1 - шнековый питатель, 2 - зона нижнего горения, 3 - первичный воздух, 4 - вторичный воздух, 5 - камера дожигания, 6 - теплообменник, 7 - циклон, 8 - механизм удаления золы

Топки с нижней подачей (англ. underfeed stokers), также называемые ретортными, относятся к недорогим и довольно простым в управлении устройствам для реализации способа сжигания подготовленных мелкофракционных видов биотоплива в котельных установках небольшой единичной мощности - до 6 МВт. Топливо подается в камеру сжигания снизу при помощи шнекового конвейера и распределяется по решетке от центра к периферии. Решетки могут быть плоскими или с наклонными стенками, что способствует перемещению топлива от места его выдавливания в центре решетки к ее периферии. Первичный воздух подается под решетку, вторичный - над слоем горящего топлива, как правило, в точке перехода из камеры сжигания в камеру дожигания.

На рис. 11 представлена схема топок с нижней подачей для сжигания сухого биотоплива (пеллет). Недостатком топок этого типа является проблемная организация системы удаления шлака и очаговых остатков, в связи с чем они не находят применения при сжигании высокозольных видов биотоплива, таких как кора, солома, отходы обработки сельскохозяйственных культур. К достоинствам можно отнести простоту управления и хорошие характеристики маневренности этих топок, так как масса топлива, находящегося в зоне горения, невелика (по сравнению с другими топками для слоевого сжигания). В России получили распространение котлы с ретортными топками латвийской фирмы АО «Комфортс» (серия АК, тепловая мощность от 150 до 1500 кВт), однако в актуальные рекламные материалы компании ретортные топки не включены, и топочные устройства представлены лишь топками с наклонными подвижными колосниками, то есть наклонно-переталкивающими решетками.

Кучевое сжигание

Таблица. Сравнительные характеристики технологий сжигания
биотоплива разных видов

Рис. 12. Кучевая топка с нижней подачей: 1 - шнек для подачи топлива; 2 - подвод первичного воздуха; 3 - колосниковая решетка; 4 - тангенциальный подвод вторичного воздуха; 5 - циклонная камера

Этот способ сжигания довольно прост, его принцип - поверхностное горение слоя кучи топлива, у которой форма конуса. Механизм образования кучи может быть разным, в зависимости от способа подачи топлива в топку. Один из вариантов - подача снизу с помощью шнекового конвейера (рис. 12), в принципе, его можно рассматривать как разновидность топки с нижней подачей при условии организации камеры дожигания в виде вертикального циклона с тангенциальным подводом воздуха. Аналогичное техническое решение реализуется ГК «АСТЕК» (г. Колпино, Санкт-Петербург) при производстве теплогенераторов, работающих на древесных отходах. Теплогенераторы выпускаются для комбинации с сушильными комплексами и котлами (см. рис. 13), причем их нижняя часть выполняется не в виде колосниковой решетки, а в виде бетонной реторты, в которую замурованы трубки для подвода первичного воздуха. В обоих случаях серьезной проблемой при эксплуатации является удаление шлака и очаговых остатков. В теплогенераторах ГК «АСТЕК» эта процедура требует остановки работы котла.

Похожее техническое решение использовано и в котлах серии КВД, выпускаемых ООО СМУ «Спецмонтаж», г. Тверь. Шнек подает топливо в нижнюю часть топочной воронки, имеющей вид перевернутого усеченного конуса. Боковые стенки конуса выложены шамотным кирпичом, в них на некоторой высоте от подовой решетки расположен по периметру ряд воздушных сопел. Первичный воздух подается под подовую решетку и к соплам. Вторичный воздух подается тангенциально в цилиндрическую часть топки, выше места перехода в нее топочной воронки.

Другой вариант способа подачи топлива - сверху, непосредственно на кучу топлива в виде конуса - реализуется американской фирмой Wellons Inc. (см. рис. 14). Вторичный воздух подается тангенциально в несколько ярусов, куча образуется на решетке, под которую подается небольшой объем первичного воздуха и через которую осуществляется выгрузка очаговых остатков. Интересным решением является объединение нескольких топочных ячеек под одним котлом довольно большой мощности - 50 т/ч и выше (рис. 15). Подобное решение позволяет обеспечить необходимую площадь поверхностного горения, а также эксплуатационную надежность всей системы.

Сигарные топки

Топки подобного типа были разработаны в Дании, где довольно широко применяются, в основном для сжигания соломы. Тюки соломы направляются гидравлическим толкателем через подающий тоннель на водоохлаждаемую подвижную решетку. Схематично процесс сжигания в сигарной топке показан на рис. 16. Процесс подачи топлива можно с некоторым допущением признать непрерывным. Газификация топлива начинается перед его попаданием в камеру сжигания, сжигание коксового остатка завершается на решетке. Контроль температуры на решетке и в камере сжигания чрезвычайно важен ввиду склонности топлива к подплавлению и образованию шлака, а также из-за высокой адиабатической температуры вследствие низкой влажности топлива. Температура в камере сжигания не должна превышать 900 °С, поэтому активно используется экранирование стен топочной камеры и рециркуляция дымовых газов. Повышенное содержание щелочных металлов в золе, а также высокая парусность и вынос частиц топлива и золы способствуют интенсивному образованию отложений на конвективных поверхностях нагрева, поэтому котлы должны быть оборудованы эффективными средствами очистки.

До внедрения сигарных топок для сжигания тюков соломы использовались топки с периодической загрузкой, эксплуатация которых вызывала серьезные затруднения из-за пиков температуры и выбросов СО в процессе воспламенения и сгорания очередной порции топлива. В таблице представлены достоинства и недостатки технологий сжигания разных видов биотоплива. Технологии кипящего слоя и пылевидного сжигания в статье не описаны, но в таблице приведены сведения и по ним.

Для технологий кипящего и циркулирующего слоя, в отличие от слоевого сжигания, характерны пониженные выбросы СО и NO x , что можно объяснить более однородными и хорошо контролируемыми условиями сжигания. В свою очередь технология слоевого сжигания по сравнению с технологиями КС и ЦКС обеспечивает меньший объем твердых пылевых выбросов и пониженное содержание горючих в уносе.

Артур КАРАПЕТОВ

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.