Практика использования низкокалорийного биотоплива в энергетическом хозяйстве Литвы. Опыт применения конденсационных экономайзеров

Практика использования низкокалорийного биотоплива в энергетическом хозяйстве Литвы. Опыт применения конденсационных экономайзеров
В настоящее время в Литве около 27 % централизованного тепла производится на основе древесных отходов. Здесь накоплен достаточно большой практический опыт применения альтернативных видов топлива. По данным Литовской ассоциации теплоснабжения, например, осенью 2012 года предприятия централизованного теплоснабжения начали отопительный сезон, вооруженные деревосжигающими котлами общей мощностью около 500 МВт (без учета мощности котлов промышленных предприятий). А общая мощность конденсационных экономайзеров достигла 80 МВт.

Поэтому выступление литовских специалистов в Минске на VII научно-технической конференции, посвященной  прогрессивным решениям по использованию альтернативных видов топлива в строительном комплексе, был воспринят с нескрываемым интересом. Доклад представили – заведующий отделом науки и исследований компании Enerstena (Вильнюс), доктор технических наук Кястутис Буйнявичюс и глава департамента маркетинга этого же предприятия Томас Римкус.

Общая ситуация


Согласно национальному плану развития обновляемых источников энергии Литвы, доля обновляемых источников энергии в первичной (добываемой) энергии до 2020 года должна составить не менее 23 %. Так как этот показатель должен быть достигнут в среднем во всех потребляющих энергию областях, даже тех, где это затруднено (например, в транспорте), в государственном плане развития энергетики предусмотрено увеличить долю биотоплива в системах централизованного теплоснабжения до 60 %.

Централизованное теплоснабжение покрывает нужды около 75 % населения. Для производства около 10 ТДж энергии в год необходимо потребить около 1,2 млн тонн условного топлива, в том числе не менее 60 % должно составить биотопливо. К его видам относятся отходы деревопереработки, лесной промышленности, сельского хозяйства.

Ресурсы биомассы Литвы составляют:

  • отходы вырубки леса: 1 085 000 м3 - 185 000 т у т;
  • отходы деревопереработки: 1 627 000 м3 -283 000 т у т;
  • дрова: 3 218 000 м3- 565 000 т у т;
  • пни: 1 691 900 м3 - 260 000 т у т;
  • солома: 2,4 млн т в год - 840 000 т у т

Общий объем имеющихся в Литве ресурсов биомассы составляет более 2 млн т у.т., но, к сожалению, только часть ресурсов может быть употреблена в качестве топлива, так как древесина лучшего качества идет на производство деревопродуктов, например, ДСП, ДВП, МДФ, потребляющим щепу и опилки в качестве сырья.

Для того чтобы сектор отходов биомассы не создавал конкуренцию производителям и был рентабельным, предлагается использовать около 200 тыс. га земли под выращивание энергетических культур, что позволит к 2020 году создать новый сектор экономики, который сможет обеспечить около 70-80 % производства сырья для биотопливных котельных. Реализация этого плана должна обеспечить ввод около 1000 МВт мощностей теплопроизводства, на что потребуются большие инвестиции.

В 1993-1995 годах в Литве появились первые современные промышленные топки и котлы для использования древесных отходов. Первое оборудование поступало из Скандинавских стран - Швеции, Дании, в качестве пилотных проектов. Также велась подготовка литовских специалистов по проектированию и конструированию топок для сжигания древесного топлива. Первые проекты отличались тем, что топки для сжигания древесных отходов подстраивались к существующим котлам типа ДКВР, ДЕ или КВМГ. Появились разные варианты компоновки топок и котлов.

В Литве уже накоплен достаточный собственный практический опыт по сжиганию древесных отходов. По данным Литовской ассоциации теплоснабжения, осенью 2012 года предприятия централизованного теплоснабжения начали отопительный сезон, вооруженные деревосжигающими котлами общей мощностью около 500 МВт (без учета мощности котлов промышленных предприятий), а общая мощность конденсационных экономайзеров достигла около 80 МВт. Это означает, что около 27 % централизованного тепла в стране производится на основе древесных отходов.

Все больше становится небольших городов, в которых почти 100 % тепла производится за счет сжигания древесного топлива. В этих городах цена на тепло снизилась примерно на 30 % по сравнению с другими городами, где котельные работают на природном газе.

С целью активации внедрения биотоплива в Литве введен порядок принудительной закупки «зеленого» тепла у независимых поставщиков по цене, равной себестоимости тепла, производимого собственными котельными предприятий тепловых сетей. В тех городах, где сжигается дорогое газовое топливо, это дало значительный толчок для возведения новых биотопливных котельных как частными предпринимателями (из-за гарантированной прибыли) так и городскими предприятиями теплоснабжения, чтобы выдержать конкуренцию с частными котельными.

В связи с повышением использования древесных отходов в качестве топлива, изменилось и его качество. Если изначально в избытке были отходы древесины хорошего качества с мебельного, столярного или других производств, использующих высушенное и очищенное дерево, то с годами качество топлива все ухудшалось: все большая доля его приходится на отходы лесовырубки, измельченные сырые ветки, кору и другую древесную массу, в которой количество минеральных примесей иногда достигает 3-5 % (в «чистой» древесине - только 0,3-0,6 %), а влажность доходит до 55 %. В исключительных случаях, когда отходы лесопереработки в зимнее время поступают вместе со снегом и льдом, влажность топлива достигает 60 % и даже больше.

Технические решения по конструкции топки и котла


Освоение столь сложного топлива было настоящим вызовом для производителей топок и котлов, в том числе и для ЗАО Enerstena. Проблемы вызывала потеря мощности топок при сжигании топлива большой влажности, экстремальное забивание пылью и пеплом проходов дымовых газов котлов, засорение и забивание системы удаления пепла из топок. Как правило, западные производители топок и котлов претензий не принимали, сводя проблемы к плохому качеству топлива. Другой сложной проблемой при компоновке топок к водотрубным котлам типа ДКВР, ДЕ и др. оказалось забивание конвективной части котлов золой и сложность очистки таких труднодосягаемых мест. Необходимо было останавливать оборудование, охлаждать и производить очистку вручную. Одновременно растут потери тепла не только из-за засорения поверхностей нагрева котлов, но также из-за остановки и охлаждения котельного оборудования для очистки и последующего пуска и нагрева.

Вместо того, чтобы использовать широко распространенные котлы, комбинируя их с различными существующими топками, специалисты ЗАО Enerstena решили пойти по другому пути — по пути создания собственной конструкции топок и дымотрубных котлов, ставя в первую очередь задачи автоматизации работы котельной, возможности эффективного сжигания низкокачественных сортов древесного топлива, а также решения проблемы очистки поверхностей нагрева котла без его остановки. Был проанализирован соответствующий опыт эксплуатации котлов, накопленный в Литве и Скандинавских странах. С его учетом начали создаваться специальные конструкции топок и котлов, способных работать в более сложных условиях активного использования низкокачественного топлива.

На участке автоматизированной подачи топлива стали устанавливаться сетки, предотвращающие попадание крупных кусков дерева или чужеродного материала, а также рыхлители глыб и кусков замерзшего топлива. Это значительно повысило надежность работы системы топливоподачи. Устройства подачи топлива в топку также усовершенствовались. От шнековых питателей перешли на гидравлические питатели (на котлах мощностью 2-4 МВт и более), которые менее чувствительны к «негабаритным» размерам отдельных кусков топлива. Толкатели топлива были расширены почти до ширины топки, что позволило равномерно распределить топливо по ширине топки и способствовало его равномерному сгоранию.

Следующей задачей были колосниковые решетки. Опыт показал, что на них действуют значительные термические, а в некоторых зонах и механические нагрузки. Колосники также подвержены окислительному воздействию при высоких температурах. По изложенным причинам содержание хрома в металле жаропрочного чугуна должно быть достаточно высокое, не менее 23 %.

Сложные задачи были поставлены и перед разработчиками топок: в топке должно быть обеспечено качественное сжигание топлива в пределах влажности от 35 до 55 % с сохранением полной мощности, не превышая при этом температуры слипания золы; система золоудаления должна иметь достаточную производительность даже при содержании негорючего материала в топливе до 5-7 %; должно обеспечиваться полное сгорание топлива, а выброс окиси углерода в дымовых газах должен быть значительно ниже допускаемых норм.

Как известно, горение древесных отходов проходит четыре стадии:

а) высушивание топлива - выпаривание влаги;
б) нагрев и выделение газовых продуктов;
в) выгорание газовых продуктов;
г) выгорание коксового остатка.

Для каждой стадии необходимо различное количество воздуха. Для управления процессом горения топки фирмы Enerstena были снабжены регулируемой подачей первичного воздуха, которая раздельно управляется по зонам горения топлива. Скорость сушки и скорость горения, а также температура в слое горящего топлива управляются рециркуляцией дымовых газов под колосниковой решеткой.

Температура пламени также регулируется раздельной подачей рециркулируемых газов в зону горения газовых продуктов. Таким образом, внедрены эффективные инструменты для управления процессом горения топлива, которые затормаживают горение при сухом топливе, чтобы предотвратить шлакование минеральных примесей топлива. В случае использования влажного топлива осуществляется его интенсивная сушка возвратным потоком продуктов горения.

Стены топки исполняются из огнеупорного кирпича, имеющего рабочую температуру до 1200 °С. Толщина обмуровки для более мощных топок составляет 230 мм, что обеспечивает стабильный температурный режим даже при резком повышении влажности топлива. В топку введено третичное воздушное дутье, которое способствует дожиганию газовых веществ и обеспечивает минимальную концентрацию окиси углерода (СО). В результате внедренных конструктивных решений концентрация СО в дымовых газах не превышает 10 мг/м3 (норма выбросов Республики Беларусь — 1000 мг/м3). Управление температурой в топке в пределах 950-1050 °С позволили добиться концентрации оксидов азота (NOx) до 200-300 мг/м3 (норма выбросов Республики Беларусь — 500 мг/м3). Для контроля за температурой в топке установлены термометры, по которым автоматика отслеживает температуру в топке и меняет количество рециркулируемых газов. Как стандартное оснащение для топок мощностью более 6 МВт устанавливается система постоянного измерения О2 и СО за котлом. Концентрация кислорода поддерживается автоматическим регулированием вторичного воздуха. Оператор котла постоянно видит на мониторе дисплея все важнейшие параметры работы котельной установки. Это дает возможность корректировать распределение воздуха, рециркуляцию дымовых газов и другие параметры, которые могут быть изменены при изменении характеристик топлива.

Топки проектируются повышенного объема и низкой теплонапряженности колосниковой решетки, чтобы горение происходило не слишком интенсивно и чтобы повышенный объем топки позволял создать режим газификационного горения. В топке также созданы зоны пониженной скорости газового потока, что способствует осаждению основного количества золы еще в топке, предотвращая вынос ее в котел.

С топками используются газотрубные котлы производства ООО Enerstena. Учитывая опыт сложности эксплуатации водотрубных котлов, специалисты фирмы освоили собственное производство газотрубных водогрейных котлов. Для тепловых и прочностных расчетов фирма приобрела специализированные компьютерные программы. Конструирование котлов производится в соответствии с европейским стандартом EN 12953 Shell boilers.

Конструирование котлов силами собственных специалистов открыло широкие возможности компоновки котла с производимыми топочными устройствами. По желанию клиента топки комплектуются и котлами других производителей, с которыми фирма Enerstena взаимодействует уже не в одном проекте.

Водогрейные котлы фирмы Enerstena имеют свои особенности – это отдельно стоящие (при мощности более 2 МВт) вертикальные газотрубные котлы. Вертикальное расположение труб обеспечивает меньшее загрязнение поверхностей нагрева золой и более легкую их очистку. Котлы оснащены устройством пневмоимпульсной автоматической очистки труб, которая выдает импульсы высокоскоростного потока, таким образом осуществляя постоянную очистку поверхности теплообмена от загрязнений. Данная система позволяет при умеренном качестве топлива проработать целые месяцы, а то и целый отопительный сезон, без остановки котла или топки для очистки от загрязнений.

Котлы меньшей мощностью производятся также и горизонтальной компоновки, что позволяет их устанавливать сверху топки и достигнуть большей компактности оборудования.

Конденсационные экономайзеры - средство повышения эффективности


Ухудшение качества топлива в подавляющем большинстве проявляется повышением влагосодержания топливной массы до 50-55 %. При сжигании такого топлива резко увеличиваются потери тепла с дымовыми газами: на испарение влаги в топке расходуется огромное количество теплоты горения, которое выбрасывается через дымовую трубу. В целях увеличения общей мощности и эффективности использования биотоплива, устанавливается конденсационный экономайзер, который утилизирует содержащиеся в дымовых газах водяные пары, охлаждая их ниже температуры точки росы (50-60 °С). При конденсации водяных паров выделяется конденсационное тепло. Таким образом, в экономайзере образуется большое количество тепла - до 20-30 % от производительности котла. Производительность конденсационного экономайзера зависит не только от содержания влаги в топливе, но и от температуры обратной воды, поступающей в экономайзер, а также от избытка воздуха в дымовых газах, существенно влияющего на тепературу конденсации.

Конструкцию экономайзера составляют вертикальные водоорошаемые трубки, по которым также поступают и дымовые газы - экономайзеры контактного типа. Для предотвращения коррозии все контактирующие с дымом части конденсационного экономайзера изготавливаются из стали AISI 316L. Теплофикационная вода подается в межтрубное пространство. Таким образом исключается промежуточный теплообменник и улучшается эффективность экономайзера. В его систему также включено целое хозяйство по очистки конденсата - от фильтров механической очистки до системы химической нейтрализации. Часть конденсата возвращается на впрыскивающие устройства, а часть удаляется в канализационную сеть, так как соответствует всем требованиям. Другая отличительная черта конденсационных экономайзеров нашей конструкции – малое гидравлическое сопротивление (для дыма и для воды), что обуславливает малый расход электроэнергии.

Компания Enerstena производит широкую гамму конденсационных экономайзеров, в основном предназначенных для котлов, сжигающих древесное топливо большой влажности, а также для газовых котлов. Конструкция последних другая, водотрубная. О практической роли конденсационного экономайзера говорят такие цифры: при мощности котельной 16 МВт и экономайзера 4 МВт, при работе котельной на протяжении 8000 час/год на влажном топливе котлы производят около 120 000 МВт-ч тепла, экономайзер - около 30 000 МВт-ч.

Общей мощности конденсационных экономайзеров, построенных и установленных фирмой Enerstena до настоящего времени, хватило бы на отопление города с населением около 50 тысяч человек без расходования топлива, только за счет конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах.

Помимо того что экономайзер при том же количестве сжигаемого биотоплива производит дополнительно 20-30 % тепла, с его помощью эффективно решается проблема выбросов твердых частиц (ТЧ) и других веществ. Если обычные котельные производят выбросы ТЧ в объеме 300-350 мг/м3, то с конденсационным экономайзером этот показатель составляет не более 50 мг/м3.

Современные разработки топок, котлов и конденсационных экономайзеров позволяют не только беспроблемно использовать низкосортное древесное топливо, но и производить тепло с большей эффективностью в сравнении со старыми газовыми или мазутными котлами.

www.energobelarus.by
  • Дата публикации: 06.11.2013
  • 1782

Чтобы оставить комментарий или выставить рейтинг, нужно Войти или Зарегистрироваться