Разработка вихревых топок для древесных отходов

Е.М. Пузырев, зав. котельно-топочной лаборатории; д.т.н. А.М. Шарапов, директор; 
М.А. Шарапов, генеральный конструктор, ЗАО НПП «Экоэнергомаш», г. Бийск

Введение

По современным воззрениям стремительный рост концентрации парниковых газов ведет к значительному изменению климата планеты. Международное сообщество ввело ряд превентивных мер противодействия этой угрозе и в 1997 г. был принят документ – Киотский протокол, определивший конкретные ограничения эмиссии парниковых газов в странах-участницах относительно базисного 1990 г. Цель конвенции – ограничить объем выбросов парниковых газов и иметь беспрепятственный доступ к информации о выбросах и возможность проверки выполнения принятых обязательств.

В усилиях мирового сообщества экологическая политика России имеет особое значение: ее «вклад» уступает только США, выбросы преимущественно выделяются при сжигании топлива и на 98% представлены СО2, и здесь не требуется больших затрат на единицу сокращенных выбросов – около 1-10 долл. США на 1 т СО2 в сравнении, например, с оценкой 600 долл.США для Японии.

Для России изменение топливного баланса с заменой органических видов топлива на древесину, как основного вида возобновляемых ресурсов – биотопливо (не создает выбросы СО2), актуально, перспективно и экономически эффективно.

На отечественных предприятиях для сжигания древесных отходов традиционно применяются в котлах КЕ, ДКВр и др. модификации топки профессора В.В.Померанцева. Они разработаны в 1930-40 гг. [1] и используют выполненную из охлаждаемых водой труб зажимающую решетку, которая удерживает сползающий слой горящего топлива и делит топку на слой и топочный объем. Сам принцип организации топочного процесса предопределяет нестабильность горения. Слой после выгорания порции топлива внизу падает и движется рывками. Падение свежего слоя создает выбросы и/или погасание в топке. Из-за остановов слоя топливо застревает как в топке, так и в бункерах. Непрерывность горения в слое и топочном объеме разорвана решеткой из охлаждаемых водой труб, поэтому унос плохо догорает в топочном объеме. Скопления уноса и сажи вызывают пожары и выгорание дымоходов, воздухоподогревателя и золоуловителя, частицы недожога быстро изнашивают дымососы.

Рис. 1. Общий вид котла КВ-1,6м ДВО с вихревой топкой.

Топки системы В.В. Померанцева рекомендованы для сжигания щепы с невысокой влажностью и малым содержании опилок. По этим причинам сегодня предприятия, особенно с учетом количественных и качественных изменений по размаху и глубине лесопереработки, вынуждены для утилизации измельченных отходов приобретать дорогостоящую котельно-топочную технику за рубежом.

Разработка вихревых топок

Для утилизации измельченных растительных и древесных отходов, содержащих легкие парусные частицы, были разработаны и запатентованы вихревые низкотемпературные топки, развивающие предложенную в СССР в 1930-е годы профессором Г.Ф.Кнорре [2] схему сжигания в циклонах.

В предложенных топках с применением численного и аэродинамического моделирования[3] оценивалась удерживающая способность, находились оптимальные геометрические параметры, расположение и ориентация сопел дутья, осевая рециркуляция потока, поля скоростей, коэффициенты сопротивления и устанавливалась оптимальная аэродинамическая обстановка. Была показана возможность использования вихревых топок некруглой формы, удобных для встраивания в топки (при реконструкции) существующих котлов с обеспечением надежного удержание твердой фазы в их объеме [4].

Рис. 2. Вид на завихритель, установленный в газовыпускном окне вихревой топки. 

Для инженерных расчетов котлов с вихревыми топками на базе нормативного метода была предложена и запрограммирована методика теплового расчета, позволяющая с помощью ЭВМ оптимизировать топочную камеру по теплообмену и уровню температур топочного процесса.

Опыт применения топок для сырых и сухих древесных отходов

На сегодняшний день реконструировано 15 котлов различных типов. Технологическая схема и набор оборудования предопределяется расходом и характеристиками (тип, влажность и фракционный состав) древесных отходов.

Для стабилизации горения на влажных древесных отходах применяются как традиционные меры, подогрев дутья и утепление топки, так и оригинальные схемы (патенты РФ № 2126113, 2166150) с двухсторонним воспламенением слоя и тангенциальной подачей острого дутья и др., позволяющие распространить выжигание уноса и топочный процесс в надслоевой объем.

Таблица. Показатели реконструированного котла с применением вихревой топки при сжигании сырых опилок. 

Первые реконструированные котлы (КВ-1,6-95 ВД) с вихревыми топками работают с 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.

Рис. 3. Зависимость концентрации выбросов от избытка воздуха и схемы сжигания.

Высокий эффект при сжигании щепы из низкокачественной древесины был получен при эксплуатации паровых котлов ДСЕ-2,5-14 ДВО с механизированной вихревой топкой. Стоимость пара составила 585 руб./т.

Замеренные на реконструированном с применением вихревой топки котле в последней модификации (КВ-1,6м ДВО (рис. 1), фирма «Инко-Трейд», г. Бийск) при сжигании сырых опилок показатели приведены в таблице.

Рис. 4. Топливный склад с подвижным полом.

Появление предприятий с глубокой переработкой древесины потребовало разработки мощных топок для утилизации сухих отходов: стружки, опилок и пыли шлифования с включениями клеев и ламинирующих покрытий. Предложенные для них вихревые топки характеризуются более высокой степенью экранирования, обеспечивающей приемлемый уровень температур топочного процесса.

Реконструкция водогрейного котла ДКВр-10 ДВО (фирма «Энергия РК», г. Бердск) и паровых котлов КЕ-10-14-225 ДВО (ОАО «Агростроскон», г. Вологда) обеспечила глубокое выжигание горючих и отсутствие отложений в котле. Частицы надежно удерживаются в топке, в т.ч. благодаря оригинальной системе подачи острого дутья через завихритель (рис. 2). В результате экономический эффект в 2003 г. от применения котла ДКВр-10 ДВО составил 2320 тыс. руб. Наладочные испытания котла КЕ-10-14-225 ДВО проводились на нагрузках от 5 до 11 т/ч при утилизации сухих измельченных отходов с влажностью 10% и теплотой сгорания 3960 ккал/кг. Было определено, что при переходе к схеме с выраженным двухступенчатым топочным процессом, выбросы в уходящих дымовых газах резко снижаются, особенно по СО (рис. 3). В этом режиме избытки воздуха в уходящих газах снизились до 2,02-2,5, КПД котла составил 84-87,8%.

Применение конденсаторов и автоматической подачи топлива

Высокая влажность древесных отходов предопределяет значительные потери тепла с дымовыми газами. Разрабатываемые сейчас конденсаторы позволят, например, для МКУ 5-П-14 ДВО, получить до 0,4 МВт дополнительного тепла за счет конденсации паров влаги топлива из дымовых газов. Достоинством этой схемы является не только повышение КПД котельной на 8-13%, а так же высокая эффективность улавливания золы без применения золоуловителя.

Вихревые топки могут утилизировать крупные кусковые отходы при ручной подаче, но т.к. топки требуют непрерывной подачи топлива, то котлы комплектуются дозаторами (шнеками РТ-300) с частотным приводом и используют измельченное топливо (щепа по максимальному размеру до 150 мм). В котельной устанавливается расходный бункер со смотровыми стеклами и датчиками уровня.

Для компенсации суточных и посменных колебаний загрузки и автоматической подачи топлива может использоваться оборудование крытого склада с подвижным полом (гидроцилиндры, гидропривод и транспортеры) (рис. 4). Крытый склад располагается рядом с котельной, загружается авто- и пневмотранспортом, а его система подачи топлива в расходный бункер котельной автоматизирована с помощью датчиков уровня.

Литература

• Померанцев В.В. Топки скоростного горения для древесного топлива. Л.: Машгиз, 1948. 39 с.
• Кнорре Г.Ф. и др. Теория топочных процессов. М-Л.: Энергия, 1966. 491 с.
• Щуренко В.П., Пузырев Е.М., Сеначин П.К. Моделирование и разработка низкотемпературных вихревых топочных устройств // Ползуновский вестник. 2004. № 1. С. 152-156.
• Шарапов А.М., Шарапов М.А., Пузырев Е.М. Котлы для сжигания измельченных растительных отходов // Новости теплоснабжения. 2004. № 7. С. 31-32.