Перевод котлов на сжигание биотоплива (Новости теплоснабжения, декабрь 2013 г.)

А.М. Шарапов, директор, ЗАО "Экоэнергомаш, г. Бийск

Введение

Высокие цены на энергоносители заставляют производственные предприятия искать альтернативную замену традиционным видам топлива. На передний план в таком случае выходят требования к низкой закупочной цене и местному происхождению топлива, способного эффективно гореть в энергетических установках. Решение данного вопроса открывает перед предприятием дополнительный источник экономической выгоды.

В начале 90-х гг. интерес к биотопливу (отходы деревообработки, лузга подсолнечника, лузга гречихи, солома и др.) со стороны производственных предприятий существенно возрос.

Главными преимуществами биотоплива перед традиционными видами топлива являются:

• возобновляемость ресурсов;
• дешевизна;
• более низкие вредные выбросы в атмосферу при сжигании (по сравнению с использованием угля и мазута);
• малая зольность (по сравнению с углем).

Опыт использования серийной техники, рассчитанной на сжигание определенного вида топлива, оказался неудачным. Перевод угольных, газовых и мазутных котлов на альтернативное топливо приводил к снижению паропроизводительности, уменьшению КПД установок, из-за неполного сгорания топлива к высокому выбросу загрязняющих веществ. А в ряде случаев к быстрому шлакованию и загрязнению конвективных поверхностей нагрева котла вплоть до его полного останова.

Дальнейшее работы были направлены на адаптацию существующих серийных котлов и создание специализированных паровых и водогрейных котлов для сжигания биотоплива. Возник вопрос о необходимости создания топочных устройств, способных эффективно работать на нетрадиционных видах топлива.

Технологии

В процессе развития тематики по использованию биотоплива выделились и развивались следующие основные технологии сжигания:

• вихревое сжигание;
• сжигание на наклонной решетке;
• сжигание на наклонно-переталкивающей решетке;
• кипящий слой;
• циркулирующий кипящий слой.

Каждая технология обладает своим конкурентными преимуществами, но все же, основными критериями выбора типа топочного устройства являются характеристики биотоплива, и именно:

• температура плавления золы;
• размеры частиц;
• влажность;
• зольность;

В частности, если говорить о вихревом способе сжигания биомассы, то в результате опытно-конструкторских и исследовательских работ в итоге были достигнуты следующие показатели:

• содержание горючих компонентов в золе менее 1%,
• вредные выбросы:
• СО<250 мг/м³,
• NO_x<150 мг/м³,
• содержание золы уноса на срезе котла – не более 750 мг/м³,

Длительной безостановочной эксплуатации агрегата на чистку до 30 сут., (см рис.1,2).

Рис. 1. Состояние поверхностей нагрева топочной камеры после двухнедельной эксплуатации

Рис. №2. Характер отложения золы после двухнедельной эксплуатации топки

Таким образом, в низкотемпературных вихревых топках, благодаря их аэродинамической схеме, обеспечивается глубокое выжигание горючих из частиц с одновременным устранением образования внутритопочных и натрубных отложений, характерных для высокотемпературных топочных процессов.

В табл. 1 представлены некоторые характеристики биотоплива, сжигание, которого возможно в топках данного типа.

Таблица 1. Характеристики топлива, сжигаемого в вихревых топках

Примеры внедрения

Первые реконструированные котлы (КВ-1,6-95 ВД) с вихревыми топками работают с начала отопительного сезона 1996-1997 г. в котельной Абазинского лесокомбината, г. Абаза. Их эксплуатация, за счет исключения затрат на оплату отопления от ТЭЦ и вывоз древесных отходов, за первый сезон компенсировала вложения на строительство котельной и позволила поднять рентабельность лесокомбината.

Состав топлива разнообразный. Горбыль и другие длинномерные отходы предварительно измельчаются рубильными машинами. Щепа и опилки подаются без подготовки. Горение в топке интенсивное, топочный процесс имеет высокую устойчивость, в том числе при использовании отходов 2-3-летней давности. Выбросы из дымовой трубы не содержат сажевых частиц и уноса. Глубокое дожигание уноса и смол в вихревой топке устраняет пожары в дымоходах.

Другим примером внедрения вихревой технологии является мини-ТЭЦ в г. Кировограде (Украина), на которой в октябре 2009 г. были полностью завершены монтажные и пуско-наладочные работы котельного оборудования. На мини-ТЭЦ установлены два паровых котла Е-16-24-350ДВ, работающие на лузге подсолнечника или природном газе (резервное топливо на время отсутствия лузги).

На предприятии выполнена первоочередная задача: утилизация отходов производства –подсолнечной лузги в количестве 135-140 т в сутки и получение до 36 т/ч перегретого пара с давлением 24 кгс/см2 и температурой 350 °С, используемого на технологию, отопление и ГВС. Утилизацию избыточно вырабатываемого пара и производство электрической энергии обеспечивает паровая турбина мощностью 0,8 МВт.

Каждый из котлов Е-16-24-350ДВ оснащен двумя, независимо работающими вихревыми топками, с общей камерой дожигания. КПД котлов составляет 82-85%.

В 2011-2012 гг. осуществлены работы по проектированию, установке и наладке котла Е-14-1,4-250 ДВ в котельной ОАО «Аткарский маслоэкстракционный завод» (рис. 3).

Рис. 3. Монтаж котла Е-14-1,4-250 ДВ в котельной ОАО «Аткарский МЭЗ»

В результате деятельности предприятия образуется большое количество отходов переработки – лузги подсолнечника. Часть отходов отправляется на переработку для производства пеллет, оставшееся же количество поступает в котельную в качестве топлива для сжигания в котлах с целью получения перегретого пара.

К основным особенностям котла Е-14-1,4-250ДВ можно отнести следующее:

– в ходе проектирования была решена задача размещения нового более мощного и габаритного котла в котельной ячейке старого котла паропроизводительностью 10 т/ч. Таким образом, производство пара котельной ячейки было увеличено на 40%, при неизменных размерах самой котельной;

– наличие двух вихревых топок низкотемпературного горения позволяет регулировать нагрузку котла в диапазоне 30-100% от номинальной.

Топки котла представляют собой камеры сложного геометрического профиля, образованные топочными экранами. Отношение диаметра топки к ее ширине равно 4. Вихрь формируется с помощью сопел дутья, эжектора подачи топлива и продуваемого пода, расположенных внизу топки. Выход продуктов сгорания организован через газовыпускное окно, расположенное по центру камеры сжигания. Топки обращены газовыпускными окнами друг к другу. Внутренние экраны топок образуют между собой камеру дожигания.

Принцип работы топок основан на работе сил инерции. Топливо тангенциально вводится в вихрь воздушным потоком. Для этих целей внизу топки установлен эжектор, обеспечивающий хорошее перемешивание топлива с воздухом и его равномерную подачу по ширине топки. Попадая в камеру сгорания частицы топлива, обладающие определенной массой, вследствие силы инерции отбрасываются к стенкам топки и вовлекаются в вихревое движение. Перемешиваясь с горящими частицами топлива, золой и продуктами сгорания, топливовоздушная смесь воспламеняется. В процессе горения масса и объем частиц уменьшаются и под действием газового потока они направляются к газовыпускному окну.

Для предотвращения выноса недогоревшего топлива из топочной камеры, в газовыпускном окне установлена система улавливания частиц. Её назначение – обеспечить рециркуляцию недогоревших частиц, в зону активного горения.

Система улавливания частиц состоит из двух обечаек разного диаметра, вставленных коаксиально одна в другую и образующих кольцевой канал, равномерно распределяющий воздух от дутьевого вентилятора. Этот воздух создает на выходе кольцевой воздушный экран, который служит преградой для лузги и возвращает недогоревшие частицы топлива обратно в топочный объем. Таким образом, достигается более полное выгорание топлива; снижение механического недожога и как следствие повышение КПД котлоагрегата.

В ходе пусконаладочных работ была проведена серия опытов по определению влияния скорости на выходе из кольцевого канала на режим работы вихревой топки.

Регулирование величины скорости производилось изменением расхода воздуха подаваемого вентилятором в систему улавливания частиц, с помощью установки сменных колец на входе воздуха в вентилятор. Величина избытка воздуха необходимого для горения поддерживалась постоянной посредством соответствующего изменения расхода воздуха через сопла дутья, эжектор и под топки. Опыты ставились при 100% производительности котлоагрегата. Измерение расхода воздуха производилось дифференциальным манометром ДМЦ-01М.

В результате опытов был опробован диапазон расходов воздуха через завихритель от 800 до 1800 м³/ч с шагом 200 м³/ч. При этом были достигнуты скорости воздуха на выходе из кольцевого канала в диапазоне 9,1-20,6 м/с (см. табл. 2). 

Таблица 2. Диапазон опробованных скоростей воздушного потока на выходе из кольцевого канала

При скоростях 9,1 и 11,4 м/с наблюдался периодический вынос небольшого количества недогоревшей фракции топлива в камеру дожигания и унос ее в конвективную часть газохода.

При скоростях 16, 18,3, 20,6 м/с появились значительные пульсации давления топочных газов, и нестабильная работа топок.

При расходе 1200 м³/ч и, соответственно, скорости 13,7 м/с пульсации давления топочных газов значительно уменьшились, вынос недогоревшей фракции в камеру дожигания отсутствовал.

Скорость воздуха 13,7 м/с также была опробована на режимах 50% и 75% производительности котлоагрегата. По данным наблюдений большие колебания давления топочных газов и вынос недогоревших частиц топлива отсутствовали и на этих режимах (рис. 4).

Рис. 4. Газовыпускное окно работающей вихревой топки № 2. Вынос недогоревшего топлива отсутствует

В результат проведенных опытов на котле был установлен оптимальный расход воздуха подаваемого через систему улавливания частиц, обеспечивающий устойчивую работу топок и эффективное удержание недогоревшего топлива в зоне активного горения.

Успешный опыт эксплуатации котлов с вихревыми топками доказал правильность конструкторских и проектных решений заложенных в основу работы таких котельных агрегатов. В настоящее время уже более 50 единиц котельных установок с вихревыми топками работают на предприятиях, расположенных в различных регионах России, а также в странах ближнего зарубежья. Вихревая технология применена в конструкции паровых котлов паропроизводительностью от 1 до 50 т/ч с давлением 1,4-4 МПа и с перегревом пара до 400 °С, а также водогрейных котлов тепловой мощностью от 1 до 35 МВт. КПД установок составляет 89-92%.