Установки для сжигания биотоплива. Сжигание древесных отходов
Измельченные древесные отходы (кора, щепа, опилки) имеют теплоту сгорания сухой массы 18.20 МДж/кг. После механического обезвоживания в отжимных аппаратах они имеют влажность W P = 55...60% и теплоту сгорания около 6 МДж/кг. Отходы обычно сжигаются в котлах- утилизаторах, оборудованных слоевыми топками с наклонными колосниковыми решетками. Под решетку подается нагретый воздух. На наклонной решетке за счет лучистой теплоты, воспринимаемой от топочных газов, происходит нагрев, подсушивание и воспламенение отходов, а затем выделение и сгорание летучих веществ - CO, H 2 , углеводородов. Коксовый остаток дожигается на движущейся механической цепной решетке.
Для растопки котла и обеспечения устойчивого горения используются мазутные или газовые горелки. Уходящие из котла дымовые газы используются для сушки отходов. При снижении влажности отходов до 40% повышаются КПД и стабильность работы котла, снижается расход мазута или газа
На целлюлозно-бумажных комбинатах наряду с производством целлюлозы применяется технология термохимической обработки древесных отходов для получения сахаров и смол, на основе которых вырабатываются кормовые дрожжи и технические спирты. Побочным продуктом этого производства является лигнин, включающий полисахариды, фенольные группы, смолы. Исходный лигнин представляет собой влажную массу, содержащую до 65% воды, 21% углерода, 2% водорода, 1,4% серы. Теплота сгорания сухой массы около 20 МДж/кг. Выход лигнина в целлюлозно-бумажной промышленности России составляет около 5 млн. т в год.
Лигнин сжигают в камерных топках паровых котлов, оборудованных мельницами-вентиляторами. Предварительно топливо подсушивают нагретым воздухом и отходящими газами котла.
Близкие к лигнину свойства имеет черный щелок, содержащий около 60% органических веществ. Сухой щелок имеет теплоту сгорания около 16 МДж/кг. Щелок распыляют механическими форсунками грубого распыла в камерных топках котлов. После испарения из капель влаги мелкодисперсные частицы слипаются в ококсованные гранулы, называемые в эксплуатации огарком. Огарок выпадает на под топки, поэтому сгорание происходит частично в слое и частично - в объеме топки. Соответственно применяется двухступенчатая подача воздуха в топку: первичный воздух подается на слой огарка, вторичный - в области расположения форсунок. Расход первичного воздуха составляет 50.60% от общего расхода. Выделяемая теплота частично расходуется на реакцию разложения щелока (пиролиз).
Характеристики биотоплива
(по материалам Справочника «Котельные на биотопливе. Технологии и оборудование для сжигания древесных отходов и других видов экологически чистого топлива», 2006)
В связи с постоянным увеличением цен на органическое топливо (нефть и газ) становится актуальной задача использования местных видов топлива, в частности, древесины и отходов сельского хозяйства (биотоплива) и перевода ряда котельных на сжигание этих видов топлива.
К биотопливу можно отнести древесину и отходы ее переработки - кору, щепу, опилки, стружки, древесную пыль, ветви, некондиционную древесину, древесные топливные гранулы (пеллеты и брикеты); отходы сельскохозяйственного производства: подсолнечную лузгу, солому, отходы сахарного тростника (багассо), шелуху риса, проса, земляных орехов и др.; специальные плантации «энергетического» леса, кустарника и т.д.; жидкое и газообразное топливо, получаемое из биотоплива тем или иным способом.
В некоторых случаях к биотопливу относят также и торф. Это топливо занимает промежуточное положение между возобновляемыми и невозобновляемыми источниками энергии. Ежегодный прирост торфа в России превышает его потребление, что позволяет рассматривать его как возобновляемый источник, хотя время восстановления торфа на месте добычи превышает 200 лет. Кроме этого, при его сжигании нарушается кислородный баланс атмосферы Земли.
Биотопливо разделяют на группы по различным признакам. В табл. 3.9 представлены характеристики различных видов биотоплива, разделенных на группы.
Чаще всего биотопливо - это отходы лесной, деревоперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, а также сельскохозяйственная продукция и сельскохозяйственные отходы (солома, сено, лузга, навоз, отходы животноводства).
Значительный энергетический потенциал содержится в отходах животноводства, твердых бытовых отходах (ТБО) и отходах различных отраслей промышленности. Твердые бытовые отходы сжигаются или газифицируются на мусороперерабатывающих предприятиях. Отходы животноводства и отходы различных отраслей промышленности (навоз, жидкие бытовые стоки) перерабатываются в биогаз.
Биоэнергетика – это производство электрической и (или) тепловой энергии за счет использования энергетического потенциала биотоплива.
Таблица 3.9
Характеристика видов биотоплива
| Вид топлива | Влажн., весов.% | Зола, весов. % | Сера, весов.% | Хлор, весов.% | Теплота сгорания сух.,беззол., МДж/кг | Уд. вес, кг/м 3 | ||
| Древесное топливо | ||||||||
| Опилки, щепа, порошок | 8-60 | 0,4-0,6 | 0-0,3 | 0-0,05 | 16-18 | 200-350 | ||
| Гранулы, брикеты | 9-10 | 0,4-0,8 | 0-0,3 | 0-0,05 | 19-21 | 550-700 | ||
| Верхушки, ветки | 35-55 | 1-5 | 0,02-0,05 | 0,02-0,05 | 19-21 | 200-350 | ||
| Энергетический лес | 25-50 | 1-5 | 0,005-0,03 | 0,01-0,1 | 18-20 | 200-350 | ||
| Кора | 21-65 | 2-6 | 0-0,1 | 0-0,02 | 20-25 | 300-550 | ||
| Лиственные деревья | 20-40 | 0,3-1,7 | 0,01-0,04 | 0,005-0,06 | 19-21 | 440-580 | ||
| Сельскохозяйственное топливо | ||||||||
| Солома | 10-20 | 4-10 | 0,05-0,2 | 0,05-1,5 | 18-20 | низкий | ||
| Канареечник | 10-15 | 3-7 | 0,05-0,2 | 0,1-0,2 | 17-20 | 200-300 | ||
| Конопля | 15-75 | 1,6-6,3 | 0,03-0,07 | 0,04-0,1 | низкий | |||
| Зерновые | 2-4 | 0-0,5 | 0,02-2,3 | 17-22 | 250-390 | |||
| Шелуха зерновых | 0,2 | 0,2 | высокий | |||||
| Оливковые отходы | 0-21 | 0,4-16 | 0,01-0,3 | 0-0,4 | 19-25 | высокий | ||
| Зерна какао | 0,3 | 0,02 | ||||||
| Отходы цитрусовых | 8-10 | 4-7 | 0,2 | 0,02 | ||||
| Орехи масляных деревьев | 3,3-7,6 | 6-7 | 0,3 | 0,1 | ||||
| Топливные отходы | ||||||||
| Шлам от водоочистки | 53-77 | 35-50 | 0,2-5 | 0,05-1,5 | 15-24 | низкий | ||
| Шлам от деревообработки | 41-84 | 2-60 | 0,1-2,4 | 0,01-0,3 | 17-23 | низкий | ||
| Навоз, помет и т.п. | 4-92 | 15-42 | 0,3-1,1 | 0,6-2,4 | 19-21 | |||
| Пластмасса, картон | 10-55 | 5-13 | 0,07-0,5 | 0,01-1,5 | 18-31 | низкий | ||
| Резиновые покрышки | 0,-4,3 | 5-26 | 1,3-3,3 | 0,06-0,9 | 36-43 | высокий | ||
| Отходы кожеобра-ботки | 2,5 | 2,6 | 1,2 | |||||
| Утиль молочных пакетов | 42-64 | 10-27 | 0,03-0,2 | 0,07-0,6 | 12-20 | низкий | ||
| Животноводческое топливо | ||||||||
| Мясная и костяная мука | 0,7 | 0,5 | высокий | |||||
| Животные жиры | 0,1-0,6 | 0,1 | 0,02 | |||||
| Прочее топливо | ||||||||
| Растительные жиры | 0-1,2 | 0-0,1 | ||||||
| Талловое масло | 0,1-0,3 | 0,2-0,4 | 0,2-0,3 | |||||
| Торф | 38-58 | 2-9 | 0,1-0,5 | 0-0,1 | 19-27 | |||
| Торф (брикеты, гранулы) | 10-15 | 2-8 | 0,25 | 20-27 | ||||
Увеличение использования биотоплива способствует уменьшению потребности в ископаемых энергоносителях, к тому же, поскольку биотопливо производится на месте, цена его в меньшей степени зависит от изменений политической и экономической ситуации за рубежом или в других регионах.
В дальнейшем в случае роста цены на газ, мазут и уголь экономическая эффективность от перевода котельных на местные виды топлива будет расти, а объем потребления биотоплива будет увеличиваться.
Пример Приозерского района Ленинградской области показывает, что себестоимость производства тепла из биотоплива может быть в два раза ниже себестоимости производства тепла из традиционных видов топлива. Так, себестоимость Гкал теплоты, произведенной при сжигании биотоплива в 2006 году, составляла 450-610 рублей, а себестоимость Гкал при сжигании угля - 800 рублей, при сжигании мазута - 900 рублей.
Виды биотоплива
Твердое биотопливо - один из самых распространенных видов биотоплива. Твердое биотопливо делится на виды в зависимости от происхождения, источника сырья, степени переработки.
В зависимости от происхождения биотопливо делится на:
Древесное;
Торфяное;
Сельскохозяйственное, получаемое из сельскохозяйственных культур или отходов, образующаяся при производстве подсолнечного масла, гречки, риса, прочих круп (шелуха, лузга, солома) и др.;
Бытовое, получаемое из бытовых отходов;
Прочие виды биотоплива, получаемые в целлюлозно-бумажном и других производствах.
Древесное биотопливо
Традиционно, древесное биотопливо наиболее популярно. К достоинствам древесного биотоплива относятся:
Малая зольность(0,4-1,5 %);
Незначительное содержание серы (менее 0,05 %);
Углекислотная нейтральность;
Таблица 3.10
Теплота сгорания древесных отходов в зависимости от их влажности
| Влажность, | Высшая теплота сгорания, | Низшая теплота сгорания, | |
| % | ккал/кг | ккал/кг | MДж/кг |
| 18,67 | |||
| 16,55 | |||
| 15,49 | |||
| 12,32 | |||
| 10,20 | |||
| 8,08 | |||
| 7,02 | |||
| 5,96 | |||
| 4,90 | |||
| 3,85 |
Источниками сырья для получения древесного топлива являются:
Отходы, получаемые от деятельности лесопромышленного комплекса;
Традиционные отходы лесозаготовок, образующиеся на лесосеке (лесосечные отходы);
Первичные ресурсы от специально выращенных быстрорастущих посадок деревьев и кустарников.
Древесные топливные гранулы и брикеты
Древесные топливные гранулы (пеллеты, ДТГ) - это небольшие цилиндрические прессованные изделия из древесины диаметром 4-12 мм, длиной 20-50 мм, переработанные из высушенных остатков деревообрабатывающего и лесопильного производства: опилок, стружки, древесной муки, щепы, древесной пыли и т.д.
Гранулы могут быть также сделаны из торфа, соломы, сены, куриного помета и других видов биотоплива.
Гранулы сжигаются в котлах для получения тепловой и электрической энергии. Преимуществом использования древесных гранул перед другими видами топлива является:
· снижение вредных выбросов в атмосферу: древесное биотопливо признано СО 2 - нейтральным, т.е. при его сжигании количество выделяемого углекислого газа в атмосферу не превышает объем выбросов, который бы образовался путем естественного разложения древесины;
· большая теплотворная способность по сравнению со щепой и кусковыми отходами древесины. Теплотворная способность одного килограмма древесных гранул соответствует 0,5 литра жидкого дизельного топлива;
· низкая стоимость по сравнению с дизельным топливом и электроотоплением;
· возможность автоматизации котельных.
Качество и вид древесных гранул зависят от сырья. Корьевые (с корой или из коры) гранулы обычно бывают темного цвета, гранулы из опилок и чистых отходов ели или березы имеют белый цвет. Чаще все древесные гранулы делят на два вида, хотя в разных странах применяются различные классификации:
Высококачественные (экстра) гранулы - используют для отопления жилых домов, в небольших котлах, печах и каминах. Они, как правило, бывают белого цвета и поэтому называются «белыми», длина менее50 мм;
Промышленные гранулы - используются на больших ТЭЦ, как правило, для производства тепло-электроэнергии для населенных пунктов и/или предприятий. Промышленные пеллеты бывают обычно большего диаметра и могут содержать кору, что делает их темнее.
Древесные брикеты - это как и гранулы, прессованные изделия, но большие по размеру. Их недостаток связан со сложностью автоматизации подачи в топку. Преимущества сравнимы с древесными гранулами.
Торфяное топливо
Торф состоит, в основном, из частично разложившихся растительных остатков и гумуса. Залежи торфа возникают из остатков растений при их частичном разложении в среде с избытком воды и недостатком кислорода.
Виды торфа:
Фрезерный торф, имеет размеры менее 10 мм;
Кусковой торф, цилиндрические частицы этого торфа имеют размер более 50 мм, что зависит от типа применяемого при добыче оборудования;
Торфобрикеты, имеют такие же размеры, как и древесные брикеты;
Гранулы из торфа, по размерам не отличаются от древесных гранул.
Торфобрикеты и гранулы из торфа относятся к улучшенному топливу из торфа. В основном брикеты и гранулы из торфа производятся из фрезерного торфа.
Агрогранулы
Сельскохозяйственные гранулы или агрогранулы производят из соломы, сена, лузги подсолнечника, шелухи риса и гречихи, специально выращенной травы. Лидер по производству и использованию агрогранул - Италия.
Энергетические посадки травы для производства гранул существуют в различных странах. Траву или солому собирают с помощью специальных машин, прессующих ее в рулоны различного размера.
Кроме энергетической травы, выращивают также энергетический лес (или древесину). Энергетический лес - специально выращиваемые деревья (в основном, различные типы ивняка). Каждые четыре года деревья вырубают. Годовой урожай так же, как и у энергетической травы может составлять 7 тонн на гектар.
Получает популярность и сжигание подсолнечной лузги. По сравнению с древесиной, лузга подсолнечника имеет сравнительно высокую теплоту сгорания, относительно небольшое содержание влаги и значительную зольность.
При сжигании различного биотоплива выделяется определенный процент серы, золы и углекислого газа. Показатели для разных видов биотоплива представлены в табл. 3.11. Как видно из таблицы, гранулы из соломы и торфа имеют более высокую зольность, чем древесные гранулы или щепа.
Таблица 3.11
Сравнительные характеристики видов топлива
Жидкое биотопливо можно получать практически из любых растений: пшеницы, сахарной свеклы, рапса, древесины, отходов деревобработки и др. При переработке этого сырья получают углеводородное топливо (бензин, дизельное топливо, спирты: этанол, метанол и др. и масла) и химические побочные продукты. Чаще всего жидкое биотопливо используется в качестве моторного топлива или добавки к дизельному топливу.
Биогаз
Биогаз используют для получения тепла, электричества, а также применяют в виде моторного топлива.
Биогаз, получаемый в результате биохимической переработки из отходов животноводства, птицеводства и отчасти деревообработки и других видов отходов, обычно образуется в результате анаэробного сбраживании биомассы в биогазовых энергетических установках. В результате этого процесса органическая масса отходов определенными штаммами бактерий превращается в биогаз. Обычный состав биогаза: до 70 % метана и 30 % диоксида углерода. Кроме производства энергии, такие установки выполняют роль очистных сооружений.
В России ежегодно образуется около 60 млн.т твердых бытовых отходов; около 130 млн. т в год - отходов животноводства и птицеводства и 10 млн. т в год - осадков сточных вод. Их энергетический потенциал - 190 млн т.у.т.
Установки по газификации биомассы к настоящему времени не нашли широкого распространения ввиду высокой их стоимости.
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.
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
Почему вообще выгодно использовать биомассу в качестве топлива? Общеприняты два варианта ответа: есть причины экономические и экологические. Экология особенно важна для западных потребителей, однако в России лишь немногие "продвинутые" производители энергии, - будь то частное лицо, обогревающее свое жилище, предприятие, отапливающее свои производственные и административные помещения, или крупная муниципальная котельная, - задумываются об экологии. Очень жаль! Однако для всех потребителей очень важным является вопрос экономики. Последние расчеты и анализ цен на основные виды топлива показывают, что биомасса во многих случаях превосходит традиционные виды топлива (не только дрова или уголь, но и жидкое топливо - дизель и мазут) по экономике использования. Конечно, при этом необходимо смотреть не на цену 1 тонны топлива, а на стоимость 1 кВт энергии, произведенного при использовании этого топлива. Предлагаем Вашему вниманию сравнительную таблицу стоимости 1 кВт энергии, произведенного с использованием различных видов топлива:
Как видно, биотопливо является неплохой альтернативой для тех регионов, где существуют запасы древесины и стоимость древесных отходов не очень велика вследствие их немалого количества. Особенно выгодно устанавливать котельные на биотопливе на предприятиях лесопереработки и деревообработки. К тому же тенденции развития ТЭК России говорят о том, что цены на жидкое топливо и газ будут постоянно расти до уровня мировых. Следовательно, использование биомассы в качестве топлива становится все более актуальным и для нас с Вами.
Очень важно понимать, что для каждого вида биотоплива существует своя специальная и специфическая технология. Котельные, предназначенные для биомассы влажностью менее 30%, не будут эффективны ни для сжигания влажного биотоплива с содержанием воды около 50%, ни для рафинированного биотоплива. Влажное сырье не будет сгорать по причине того, что ему необходима очень высокая температура внутри котла, достигать которой нет смысла, если использовать более сухую биомассу. Рафинированное топливо, гранулы, сгорать в таком котле будут, но при этом потеряют экономическую целесообразность, поскольку стоимость котла на гранулах ниже, чем на влажной или сухой (до 35%) биомассе - опилках, щепе и т.д. В следующих разделах мы кратко опишем существующие технологии сжигания биотоплива различной влажности.
К слову, первые котлы на биотопливе появились в России (как и многие другие гениальные разработки). До 60-х годов прошлого столетия в СССР было разработано и смонтировано немало таких котлов. Однако тогда была другая экономическая и политическая ситуация. Поэтому и задача для конструкторов котлов ставилась другая: "Главное - Утилизировать!". Европа же успешно воспользовалась советскими разработками в этой области для решения несколько иной задачи (точнее, кардинально иной): добиться максимального КПД для того, чтобы снизить себестоимость произведенной энергии. Для этого они очень глубоко изучили природу горения различных видов биотоплива. Нюансов в сжигании биотоплива очень много. Например: в топливной щепе из верхушек деревьев хвойных пород присутствует хвоя. При сжигании хвои (в результате цепочки химических реакций) в топке образуется щелочь натрия. Что такое щелочь натрия для стальных котлов объяснять не надо. Но есть технологии, позволяющие нейтрализовать вредные эффекты - и об этом тоже знают европейские производители.
Сегодня в России, однако, появились производители котлов, которые утверждают, что могут эффективно сжигать практически любое биотопливо в котле, предназначенном для сжигания биомассы 30%-ной влажности. Однако проведенный анализ с привлечением иностранных специалистов показал, что КПД таких котлов будет крайне низок. Более того, сжигание биомассы в таких котлах противоречит самой идее использования биомассы как экологически дружественного топлива взамен вредного для окружающей среды ископаемого топлива. Вредные выбросы при неправильном сжигании биомассы велики и очень пагубно влияют на окружающую среду, людей, растительный и животный мир. На сегодняшний день российские производители и потребители мало задумываются о последствиях, а ведь они проявятся в долгосрочной перспективе - на здоровье будущих поколей. Если же говорить об экономике использования таких котлов, то ситуация довольно плачевна - низкий КПД и безмерное "пожирание" топлива ведет не к увеличению прибыли при инвестировании в такой котел, а к ее потере. Конечно, решающий аргумент производителя - стоимость конструкции; но стоит ли покупать дом, если в нем невозможно жить? В данном случае, действительно, "скупой платит дважды", если не больше!
Котельные на сыром (до 55%) и сухом (до 35%) биотопливе.
В настоящее время в Европе разработан достаточно широкий ряд и тип котлов на биотопливе: это котлы на прессованном биотопливе - гранулах и брикетах (см. п.9), а также на сухом биотопливе (влажность до 30%) и на влажном биотопливе (влажность до 55%).
Назначение таких котлов - весьма разнообразно: кроме традиционного сжигания качественного прессованного биотоплива (из хвойных пород) и некачественного прессованного биотоплива (из хвойных и лиственных пород), а также биомассы в виде щепы и опилок, разработаны котлы для сжигания торфа и смесей из торфа, для сжигания коры и смесей из коры, для сжигания другого органического сырья (в т.ч. и ТБО, мусора) и даже для утилизации плохо сгораемого сырья.
Биотопливные котлы, в зависимости от их конкретных характеристик, могут быть ориентированы на самые разные сегменты рынка: от частных лиц до муниципальных властей, предприятия, имеющие доступ к сырью или производящих сырье до предприятий-производителей и потребителей тепловой энергии.
Как уже было сказано выше, пионерами в разработке котлов на биотопливе были советские ученые, однако задачу эффективного сжигания биотоплива решили западные специалисты, прежде всего из стран Северной Европы - Швеции, Финляндии, Дании. Они взяли за основу российские разработки и довели их до совершенства. Это стоило им огромных инвестиций, специальных законов по мотивации использования биотоплива, постоянная пропаганда экологически чистого топлива. Однако и для них, как и для России, экономика первична. Любое новое оборудование, и котлы на биотопливе - не исключение, призвано решить основную задачу - заработать при замене устаревшего оборудования новым; ведь инвестиции делают для того, чтобы заработать! Инвестировать средства для замены самортизированного оборудования на новое только ради замены - аморально. Для того, чтобы заработать на производстве тепловой энергии необходимо ставить высокоэффективные котлы, с высоким КПД, при этом максимально автоматизированные, требующие минимальных затрат на обслуживание, и очень надежные. Ссылки на то, что такое оборудование нельзя ставить в леспромхозах, несостоятельны. Даже в самых глухих лесных поселках люди ездят на "иномарках" и проблем со сложным оборудованием не испытывают. Можно обучить собственный персонал или заключить договор на сервисное обслуживание.
К сожалению, российские производители пока такого оборудования для сжигания биотоплива предложить не могут. Попытки разработать самим что-то эффективное не увенчались успехом, хотя КПД декларируется на уровне 90 - 95% (про КПД можно посмотреть здесь). Почему до сих пор не получилось создать что-то эффективное? Во-первых, слабо знают теорию сжигания разных видов биотоплива. Во-вторых, во всяких разработках есть какое-то ноу-хау, которое не всегда можно увидеть.
Пример: в России до сих пор эксплуатируется очень много паровых биотопливных котлов марки Е и ДКВР с топкой Померанцева и с подсветкой, т.е. с дополнительной горелкой на мазуте или дизтопливе. Считается, что это очень эффективно. Вывод экспертов, проведших обследования таких котлов, звучит примерно так: "Это ужасающе!". И они не преувеличивают. Вот краткое описание последствий:
Таким образом, при сжигании жидкого топлива и опилок в одной камере образуется шлак, что в свою очередь может уменьшить теплоизлучение жидкого топлива. То небольшое количество тепла, которое получается в результате излучения от сжигания опилок при низкой температуре достаточно легко подсчитать.
Таким образом, вышеприведенные факты показывают, что сжигание опилок - это уничтожение опилок и энергетическая катастрофа, если сжигание происходит одновременно со сжиганием мазута.
Представленная выше информация является упрощенной, так как существует еще ряд факторов, имеющих существенное влияние при рассмотрении данной проблемы…"
Раз мы вспомнили про мазут или дизтопливо, скажем и про очевидное отличие между жидким топливом и биотопливом. Какова теплотворная способность этого топлива? Но впрочем, важна не сама величина (ккал/кг), а то, что эта величина - теплотворная способность - всегда константна. Поэтому процесс горения и проходит автоматически. А биотопливо (мы говорим здесь о непрессованной биомассе)? Эта величина почти всегда переменная. Разве можно управлять вручную управлять процессом горения в этом случае и заработать при этом на продаже тепловой энергии? Отечественные производители котлов пока не могут предложить полного комплекта автоматики и контроля за отпуском тепла и процессом горения.
Если нет такой автоматики, то о каком КПД в 90% может идти речь? И как можно говорить об экологически безвредных выбросах? Наоборот - неполное сгорание биотоплива приводит к тому, что в атмосферу попадают крайне вредные вещества, которые в долгосрочной перспективе убивают все, что растет и живет в районе такой котельной - в первую очередь это касается лесов, животных, а также будущих поколений людей.
Но и это не главное. Для эффективного горения древесины необходимо, чтобы во всем объеме топки температура была не ниже 800 оС. В предлагаемых отечественных котлах это невозможно в принципе, т.к. они конструктивно имеют топочное пространство с охлаждаемыми водой стенками, которые мешают равномерному и достаточно высокому нагреву топки. 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.
На данной странице Вы сможете ознакомится с основными свойствами технологии
сжигания различного биотоплива, в том числе гранул и брикетов.
Сжигание
биомассы. Котлы и котельные на биотопливе
Сравнение Российских и Западных Почему вообще прибыльно использовать биомассу в
качестве горючего? Приняты два варианта ответа: есть предпосылки экономические и
экологические. Экология в особенности принципна для западных потребителей, но в
Рф только немногие «продвинутые» производители энергии, — будь то
личное лицо, обогревающее свое жилище, предприятие, отапливающее свои
производственные и административные помещения, или большая городская
котельная, — задумываются о экологии. Очень жаль! Но для всех потребителей
очень принципным является вопрос экономики. Последние расчеты и анализ цен на
главные виды горючего показывают, что биомасса во практически всех вариантах превосходит
классические виды горючего (не только дрова или уголь, ну и жидкое горючее —
дизель и мазут) по экономике использования. Естественно, при всем этом необходимо
глядеть не на цена 1 тонны горючего, а на цена 1 кВт энергии,
произведенного при использовании этого горючего. Предлагаем Вашему вниманию
сравнительную таблицу цены 1 кВт энергии, произведенного с внедрением
различных видов горючего:
Как видно, биотопливо является неплохой кандидатурой для тех регионов, где
есть припасы древесной породы и цена древесных отходов не очень велика
вследствие их огромного количества. В особенности прибыльно устанавливать котельные на
биотопливе на предприятиях лесопереработки и деревообработки. К тому же
тенденции развития ТЭК Рф молвят о том, что цены на жидкое горючее и газ
будут постоянно расти до уровня глобальных. Как следует, внедрение биомассы
в качестве горючего становится все более животрепещущим и для нас с Вами.
Очень принципно обдумывать, что для каждого вида биотоплива существует своя
особенная и специфичная разработка. Котельные, предназначенные для биомассы
влажностью менее 30%, не будут эффективны ни для сжигания влажного биотоплива с
содержанием воды около 50%, ни для рафинированного биотоплива. Мокрое сырье не
будет сгорать из-за того, что ему нужна очень высокая температура
внутри котла, достигать которой нет смысла, нежели использовать более сухую
биомассу. Рафинированное горючее, гранулы, сгорать в таком котле будут, но при
этом растеряют экономическую необходимость, потому что цена котла на
гранулах ниже, чем на влажной или сухой (до 35%) биомассе — опилках, щепе и
т.д. В следующих разделах мы кратко опишем имеющиеся технологии сжигания
биотоплива различной влажности.
К слову, 1-ые котлы на биотопливе появились в Рф (как и практически все другие
наиумнейшие разработки). До 60-х годов прошедшего столетия в СССР было сотворено
и смонтировано много таких котлов. Но тогда была другая финансовая и
политическая ситуация. Поэтому и задача для конструкторов котлов ставилась
другая: «Основное — Утилизировать!». Европа же успешно воспользовалась
русскими разработками в данной области для решения несколько другой задачи
(точнее, кардинально другой): добиться большего КПД для того, чтобы снизить
себестоимость произведенной энергии. Для этого они очень глубоко изучили
природу горения различных видов биотоплива. Качеств в сжигании биотоплива очень
много. Например: в топливной щепе из верхушек деревьев хвойных пород
находится хвоя. При сжигании хвои (в конечном итоге цепочки хим реакций)
в топке возникает щелочь натрия. Что такое щелочь натрия для стальных котлов
объяснять не надо. Но есть технологии, позволяющие нейтрализовать вредные эффекты
— и о этом тоже знают европейские производители.
На данный момент в Рф, но, появились производители котлов, которые молвят,
что могут отлично сжигать практически хоть какое биотопливо в котле,
предназначенном для сжигания биомассы 30%-ной влажности. Но проведенный
анализ с привлечением зарубежных экспертов показал, что КПД таких котлов
будет очень низок. Более того, сжигание биомассы в таких котлах противоречит
самой идее использования биомассы как экологически дружеского горючего взамен
вредного для среды ископаемого горючего. Вредные выбросы при
неправильном сжигании биомассы значительны и очень плохо оказывают влияние на окружающую
среду, людей, растительный и животный мир. На сегодняшний денек российские
производители и потребители не довольно задумываются о последствиях, а ведь они
проявятся в долговременной перспективе — на здоровье будущих поколей. Нежели же
гласить о экономике использования таких котлов, то ситуация довольно плачевна
— небольшой КПД и безмерное «пожирание» горючего ведет не к увеличению
прибыли при инвестировании в такой котел, а к ее потере. Естественно, решающий
аргумент производителя — цена конструкции; но стоит брать дом, нежели
в нем нереально жить? В этом случае, взаправду, «жадный платит
дважды», нежели не больше!
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), также на сухом биотопливе (влажность до 30%) и на влажном биотопливе
(влажность до 55%).
Предназначение таких котлов —
очень многообразно: не считая обыденного сжигания качественного прессованного
биотоплива (из хвойных пород) и отвратительного прессованного биотоплива (из
хвойных и лиственных пород), 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, зависимо от их определенных черт, могут быть
нацелены на самые разные сегменты рынка: от личных лиц до городских
властей, компании, имеющие доступ к сырью или производящих сырье до
предприятий-производителей и потребителей термический энергии.
Как уже было сказано выше, пионерами в разработке котлов на биотопливе были
российские ученые, но задачу действующего сжигания биотоплива решили
западные спецы, поначалу из стран Северной Европы — Швеции,
Финляндии, Дании. Они взяли за базу российские разработки и довели их до
совершенства. Это стоило им огромных инвестиций, особенных законов по
мотивации использования биотоплива, постоянная пропаганда экологически незапятнанного
горючего. Да и для их, как и для Рф, экономика первична. Хоть какое 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 — безнравственно. Для того, чтобы
заработать на производстве термический энергии необходимо ставить
высокоэффективные котлы, с высоким КПД, при всем этом очень
автоматические, требующие малых издержек на сервис, и очень
надежные. Ссылки на то, что такое оборудование нельзя ставить в леспромхозах,
несостоятельны. Даже в самых глухих лесных поселках люди ездят на
«импортных машинах» и заморочек со сложным оборудованием не испытывают. Можно обучить
собственный персонал или заключить договор на сервисное сервис.
К огорчению, российские производители пока такого оборудования для сжигания
биотоплива предложить не могут. Пробы сделать самим что-то эффективное не
увенчались успехом, хотя КПД декларируется на уровне 90 — 95% (про КПД можно посмотреть здесь). Почему до
сих пор не вышло сделать что-то эффективное? Во-1-х, слабо знают теорию
сжигания разных видов биотоплива. Во-2-х, во всяких разработках есть
какое-то ноу-хау, которое не повсевременно можно узреть.
Пример: в Рф ранее времени 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
отлично. Вывод экспертов, проведших обследования таких котлов, звучит
примерно так: «Это ужасающе!». И они не преувеличивают. Вот куцее
описание последствий:
«Опилки содержат золу. В состав золы входят различные сплавы. Нежели эти
сплавы окажутся в среде с очень высокой температурой, то они расплавятся.
Расплавленная зола называется шлаком и делает большие «камни» в
камере сгорания. Шлак также может создаваться перед котельными трубами и
изолировать их от излучения тепла, которое производит мазутное горючее!
Таким образом, при сжигании жидкого горючего и опилок в одной камере возникает
шлак, что в свою очередь может уменьшить теплоизлучение жидкого горючего. То
малюсенькое количество тепла, которое выходит в конечном итоге излучения от
сжигания опилок при низкой температуре достаточно легко подсчитать.
Таким образом, вышеприведенные факты показывают, что сжигание опилок — это
уничтожение опилок и энергетическая катастрофа, нежели сжигание происходит сходу
со сжиганием мазута.
Представленная выше информация является облегченной, так как существует еще ряд
обстоятельств, имеющих существенное воздействие при рассмотрении данной задачи…»
Раз мы вспомнили про мазут или дизтопливо, скажем и про явное отличие меж
жидким топливом и биотопливом. Какова теплотворная способность этого горючего?
Но вообще, принципна не сама величина (ккал/кг), а то, что данная величина —
теплотворная способность — повсевременно постоянна. Поэтому процесс горения и
проходит автоматом. А биотопливо (мы говорим здесь о непрессованной
биомассе)? Данная величина фактически повсевременно переменная. Разве можно управлять вручную
управлять действием горения в этом случае и заработать при всем этом на продаже
термический энергии? Российские производители котлов пока не могут предложить
полного комплекта автоматики и контроля за отпуском тепла и действием горения.
Нежели нет такой автоматики, то о каком КПД в 90% может идти речь? И как можно
гласить о экологически безопасных выбросах? Напротив — неполное сгорание биотоплива
приводит к тому, что в атмосферу попадают очень вредные вещества, которые в
долговременной перспективе убивают все, что вырастает и живет в районе такой
котельной — поначалу это касается лесов, животных, также будущих
поколений людей.
Ну и это не основное. Для действующего горения древесной породы необходимо, чтобы во
всем объеме топки температура была не ниже 800 оС. В предлагаемых русских
котлах это нереально в принципе, т.к. они конструктивно имеют топочное
место с охлаждаемыми водой стенками, которые мешают равномерному и
достаточно высокому нагреву топки.
Поэтому пока остается брать завезенные из других государств котлы и ждать, пока продвинутые
российские производители, «ЗИОСАБ» или «РЕМЭКС» к примеру,
разработают и начнут выпуск действующих русских котлов.
Что еще принципно держать в голове покупателям котлов на биотопливе?
1. Нереально эффективное сжигание биотоплива влажность до 30% и, тем более,
выше 30% без предтопков.
2. Котлы на биотопливе отлично работают в номинальном режиме (75% — 80% мощности),
как и кар, для которого неплохим является движение на пятой передаче
при скорости 90 — 100 км/час.
3. Котлы на биотопливе имеют нижний предел горения на уровне 30% от
большей мощности. Поэтому проектировщикам принципно правильно отыскать мощность
подбираемого котла. Здесь не проходит вариант «больше — не меньше»,
потому что это событие очень оказывает влияние на КПД котла.
4. … И есть еще огромное количество других более принципных качеств …
Несколько слов о таком виде биотоплива, как дрова. В некоторых лесных регионах
замену самортизированных котлов на котлы, сжигающие дрова, построили в ранг
приоритета региональной политики в области теплоснабжения. На рынке появилось
много новейших котлов на дровах мощностью до 2 МВт и более и с заявленным КПД 70%
— 80%. А цена? … Дешевле только даром! Удивительное предложение: очень
дешевые котлы, никаких издержек на переработку дров, высокий КПД и т.д. — это то,
о чем последние 50 лет грезит вся глобальная энергетика. Необходимо срочно подавать
заявки в Нобелевский Комитет. Почему? Потому что для того, чтобы получить 2 МВт
термический энергии за 1 час, необходимо сжечь 1,5 куб.м. дров средней влажности
(30%) при КПД 80%. Представьте, что такое 1,5 куб.м. древесной породы:
Как нужно организовать горение, чтобы это количество сгорело за 1 час с КПД
80%? А за 1 денек необходимо перетаскать 36 куб.м. дров. Сколько нужно
физически массивных кочегаров на такую котельную? Сколько необходимо дров для такой
котельной на весь отопительный сезон? Тут необходимо создавать бригаду с
лесозаготовительной техникой. Сколько будет стоить горючее 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 гласили выше. Реальный КПД таких котлов не может превосходить
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 осознаете, сколько сожгли
дров в данной котельной. Теплотворная способность дров 2660 ккал/кг или 1,729
Гкал/куб.м. Можно просто сосчитать КПД:
КПД = Е / Q x V,
Где Е — количество выработанной энергии, Q — теплота сгорания горючего и V —
размер сжигаемого горючего в куб.м.
КПД будет не больше 30%! К огорчению, в таких котельных нет теплосчетчиков и
потребителям приходится оплачивать не обретенное тепло, а то количество тепа,
которое должно было получиться при КПД 80%. Интересно? Проверьте! И
подсчитайте, какова же реальная цена 1 Гкал на такой котельной.
В Европе в среднем 50% производителей брикетов и 64% производителей гранул
имеют покупателей, у каких установлены котлы средней мощности — от 100 кВт до
1 МВт. Обычно такие печи инсталлируются в больших личных домах, где живет
много семей, также в школах, на малеханьких предприятиях и в официальных
учреждениях. Достоинство котельных на гранулах по правлению с хоть какими другими
котельными в аспектах города — малюсенькое и экологически незапятнанное топливное
хозяйство, которое можно расположить даже внутри строения. Это нереально 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 специфичный продукт. Они работают не как
котлы, как воздухонагреватели, поэтому не требуют системы трубопроводов. Чаще
они употребляются (как и классические камины) в качестве доп
средства обогрева, хотя малеханького мощностью до 10 кВт стопроцентно хватит для
обогрева личного дома, нежели отлично его расположить. Основными преимуществами
каминов являются: автоматический процесс горения, легкость в использовании, малый
размер золы, регулировка тепла, быстрый нагрев воздуха в отапливаемом помещении.
Не считая того, установив такой камин Вы получаете несравнимое эстетическое
удовольствие.
В настоящее время количество продаж малых сжигателей в Европе стремительно вырастает.
Нежели в 2000 году только в Швеции было продано 6 000 сжигателей, то в 2001 году
эта цифра вырастает в той же Швеции до 12 000 штук.
86% производителей гранул и 83% производителей брикетов имеют клиентов, у каких
установлены сжигатели малой мощности. Поначалу 1990-х практически все реализации
гранул приходились на большие котельные, но на данный момент рынок сжигателей вырастает
очень быстрыми темпами.
Рисунок 1. Сжигатель гранул, установленный на прошедший котел на дизельном
горючем.
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.
пространное распространение в Рф. Их устанавливали в личных домах, коттеджах,
на малеханьких предприятиях и т.д. Срок службы самих котлов довольно большой, а
вот горелки выходят из строя быстрее. Требуется их замена, а это дорогостоящая
операция. Принятое в Европе доступное решение при переходе с дизельного
горючего на гранулы — модификация (подгонка) старого котла с дизельной горелкой
новым сжигателем для гранул (рисунок 1). Тем паче, котлы на жидком горючем
не предназначены для сжигания горючего, которое оставляет золу, поэтому в таких
варианта требуется достаточно частая чистка сжигателя для того, чтобы избежать
снижения эффективности или заполнения камеры сгорания золой. Как часто
необходимо проделывать эту ординарную операцию находится в зависимости от сезона, также от
характеристики гранул, которые употребляются (рисунок 3). Для более быстрой и
качественной очистки сжигателя от золы часто прибегают к помощи специального
вакуумного очистителя («золосос»). Другой пользующийся популярностью метод —
заправить в обыденный пылесос мешок для золы.
В настоящее время в Европе все большее распространение получают установки КПТЭ
— Комбинированное Создание Тепла и Электроэнергии, — работающие на
гранулах. Отчасти это вновь создаваемые станции централизованного
теплоснабжения поселков, микрорайонов и т.п., отчасти — модернизируемые старые
котельные, работавшие ранее на жидком горючем или угле.