Оценка доли зеленой энергии и сжигании биомассы в вихревых топках
Оценка доли зеленой энергии и сжигании биомассы в вихревых топках

Не смотря на низкую стоимость угля в сравнении с природным газом, при его сжигании образуются в больших количествах твердые и газообразные выбросы. В большинстве стран действуют жесткие требования к уровню выбросов, допустимых при сжигании угля. В странах ЕС применяются жесткие штрафные санкции к ТЭЦ, превышающим нормы (вплоть до 50 евро за каждый выработанный мегаватт электроэнергии в час). Выход из этой ситуации - использование различных фильтров (например, электрофильтров) и каталитических систем, которые весьма дороги. Зола, которая образуется при сжигании угля, в ряде случаев может быть использована в строительной индустрии. Здесь также есть проблема, удаление золы происходит в большинстве случаев методом гидрозолоудаления, что затрудняет ее погрузку для транспортировки и дальнейшего использования.

Одной из современных технологий, обеспечивающих значительное сокращение выбросов, является совместное сжигание углей и твердых видов топлива из растительной биомассы (древесины, отходов АПК, соломы, лузги подсолнечника и других культур). Вовлечение растительных отходов в топливный баланс имеет несколько аспектов [1]. При этом оценка доли «зеленой» энергии при совместном сжигании биомассы с энергетическим топливом относится к числу наиболее важных, так как связана с её оплатой. Так в странах ЕС стоимость «зеленой» энергии примерно в три раза выше цены энергии, полученной традиционно, с использованием не возобновляемого ископаемого топлива.

Использование биомассы и растительных отходов в топливном балансе предприятий и хозяйств стран ЕС дотируется, так как данная технология является СО2 нейтральной и снижает выбросы золы и вредных оксидов, NOx и SO2. В итоге биомасса снижает парниковый эффект, а так же способствует улучшению экологической обстановки и экономии энергетического топлива.

Наиболее эффективно и с малыми затратами возможно использование биотоплив в существующих котлах, совместно с расчетным топливом: углем и возможно природным газом и жидким топливом Типично можно подать и без заметных нарушений существующего топочного процесса использовать незначительную долю биомассы [1, 2], в несколько процентов.

В связи с низкой насыпной плотностью и калорийностью, объем, и массовый расход подаваемой биомассы при этом может превышать характеристики потока основного топлива, и её учет может представлять значительные трудности. Кроме того, влажность Wri, являющаяся балластной составляющей, особенно высока её доля в составе растительных отходах, до 70-75%, может существенно обесценить качество биотоплива, рис.1, его теплоту сгорания Qрн в сравнении с теплотой сгорания сухой массы Qсн:

Qрн=Qсн(100 – Wр)/100 – 25,2Wр, кДж/кг, (1)

или Qрн=Qсн(100 – Wр)/100 – 6Wр, ккал/кг. &nb

article-4.jpg

Рис.1. Влияние влажности древесных отходов на их низшую теплоту сгорания.

Таким образом, замена даже небольшой доли энергетических ресурсов биомассой связана с необходимостью переработки и контроля по объёму (массе) влажности и теплоте сгорания больших потоков отходов. Например, для замены 1т.у.т. (одна тонна условного топлива, эквивалентна 7Гкал тепла) требуется 4,26т опилок с влажностью Wр=50% или примерно V=12,2м3 при их насыпной плотности rнас»350кг/м3.

Для решения указанной проблемы, определения доли тепла вносимой в топочный процесс биомассой предлагается использовать типовой контроль продуктов сгорания. Предложение основывается на использовании параметра b, введенного ранее Хазмаляном Д.М. [2] для характеристики свойств топлив. Коэффициент b зависит только от элементного химического состава топлива и является важной его характеристикой.

Физический смысл коэффициента b в том, что он показывает отношение расхода кислорода воздуха на окисление свободного водорода топлива (то есть водорода топлива Нр, за исключением его части связанной с кислородом топлива Ор) к расходу кислорода ушедшего на образование трехатомных газов, СО2 и SО2 при полном сгорании топлива.

article-4-1.jpg

Рис.2.Зависимость значения коэффициента b от доли D древесного топлива b2=0,03 при совместном сжигании с бурым углем b1=0,073.

article-4-2.jpg

Рис.3.Зависимость значения коэффициента b от доли древесного топлива D при совместном сжигании c газом.



Энергетическое топливо, например, уголь, природный газ, поставляемое на станцию или котельную всегда известно по месторождению и имеет определенный усредненный элементный состав. Типично, для угля коэффициент b может принимать значение от 0,073 до 0,143. Природные газы состоят преимущественно из метана. Метан имеет коэффициент b= 0,788. Для мазута и дизельного топлива b= 0,3. Древесина и растительные отходы в значительной мере переокислены и хотя имеют схожий элементарный состав коэффициент b для них мал и заметно отличается, b=0,03-0,031. Для каждого конкретного топлива коэффициент b может быть уточнен. Используя эти значения для основного b1 и биотоплива b2, можно в зависимости от доли биотоплива D вычислить параметр и для смеси топлив, На рис.2 и 3 для примера приведены графики в вариантах сжигания древесного топлива с углем и природным газом..

С другой стороны поэлементный состав топлива детерминирует состав образующихся при сгорании топлива дымовых газов и может быть определен и восстановлен на основе типового анализа состава дымовых газов: СО2 – углекислый газ, RO2=CO2+SO2 – двухатомные газы, СО – угарный газ, О2 – кислород.. На сегодня для мониторинга выбросов в ТЭЦ и котельных в них устанавливаются на каждом из котлов системы газового и теплофизического анализа отходящих дымовых газов. При помощи данных, получаемых от этих систем не трудно определить температуру, температуру точки росы, давление, состав газов и рассчитать, обратная задача, коэффициент b для используемого топлива или смеси топлив в каждый момент реального времени по выражению:

Сопоставляя значения b, полученные по элементному составу каждого вида топлива в смеси, b1, b2, b3 и т.д. и вычисленные по газовому анализу bсм можно определить пропорциональное соотношение топлив в смеси. Наиболее просты вычисления для доли D биотоплива с характеристикой b2 в бинарной смеси с использованием графиков, типа приведенных на рис. 2 и 3.

Более полно и подробно эффект применения биомассы должен определяться не только на основе обработки текущего газового анализа. Предлагается путем использования соответствующего программного обеспечения с помощью компьютера щита управления ТЭЦ или котельной эффект применения биомассы оценивать комплексно, с учетом вредных выбросов, нагрузки котла, температуры и потерь тепла в уходящих дымовых газах и недожога топлива, химического q3 и механического q4.

Примером типовой специализированной котельной техники, предназначенной для совместного сжигания биомассы и энергетического топлива являются многотопливные котлы КЕ-МТ с типоразмерным рядом по паропроизводительности от 2,5 до 25 т/час производства Бийского котельного завода. Эти котлы могут сжигать влажную щепу совместно с углем, мазутом и газом. К сожалению эти разработки 50-70 годов прошлого века в значительной мере устарели.

В заключении рассмотрим имеющийся у нас опыт использования вихревых топок «Торнадо» [3] для древесного топлива и отходов деревопереработки на примере России и Республики Беларусь. В РБ существует программа перехода на древесное топливо с целью замещения им дорогостоящего на сегодня природного газа. Древесное топливо заготавливается в значительных объёмах и учитывается, сжигается преимущественно в реконструированных газовых и мазутных котлах типа ДЕ, КВГМ и ДКВР ГМ в виде щепы. В РФ преимущественно утилизируются лузга и древесные отходы, в том числе лигнин, которые быстро накапливаются, гниют, самовоспламеняются и представляют значительную пожарную и экологическую угрозу. Использование такого сырья в качестве топлива имеет минимальные затраты на доставку и обычно учитывается оценочно, по экономии энергоресурсов.

Из-за типично высокой влажности, 50-60%, минеральных примесей (песок, глина и т.д.) и коры в древесных отходах данный они имеют низкое качество. В обоих случаях для сжигания и огневой утилизации необходимы специальные топочные устройства. Вихревая технология «Торнадо», развиваемая в «НПО ПроЭнергоМаш» может успешно использоваться путем встраивания вихревых топок в топочный объем существующих типовых котлов.

Например, «ПроЭнергоМаш» были разработаны и реализованыпроекты реконструкции котлов ДКВр-4ГМ (2 шт., с. Межречье, РБ) ДЕ-6,5ГМ (2 шт., с. Полесье, РБ), ДКВр-6,5-13ПМ (Чунский ЛПК, РФ), ДЕ-10-14 ГМ (2 шт., г.Браслав и г.Ганцевичи, РБ), КВ-ГМ 10-150 (г.Миоры, РБ), КЕ-10 (2 шт., г.Вологда, РФ). Реконструированные котлы сжигают щепу и кородревесные отходы и могут использовать уголь в качестве резервного топлива.

article-4-3.jpg

Рис.4. Склад кородревесных отходов

Помимо модернизации котлов, котельные дополнены складами топлива (рис.4) системами топливоподачи, золоулавливания и золоудаления.

За счет глубокого выжигания предлагаемый топочный процесс обеспечивает повышенную экономичность и высокие экологические показатели котла. Объединение слоевого и факельного сжигания обеспечивает взаимное поддержание горения и однородное заполнение топки факелом. Для сравнения соседние котлы аналогичной мощности, с типовой топкой системы Померанцева, установленные ранее, и неоднократно модернизированные силами обслуживающего персонала, несли в лучшем случае половину нагрузки даже на специально отсортированном топливе.

Ранее для утилизации КДО в промышленных масштабах использовались котлы КМ-75-39-440, которые на сегодня устарели физически и морально и не производятся. энергетических котлах. На сегодня специализированные для огневой утилизации КДО, а имеющиеся. С другой стороны ТЭЦ ЦБК, промышленные и городские ТЭЦ с пылеугольными котлами могут быть переведены на совместное сжигание КДО с частичной заменой отходами угля.

Например, сейчас выполнен и реализуется проект вовлечения в топливный баланс одной из ТЭЦ потока КДО с сопутствующим разрешением имеющихся экологических проблем региона и экономией затрат на закупку угля путем перевода типового котла БКЗ-75-39-440Ф на совместное низкотемпературное вихревое сжигание КДО, до 35% по теплу и размолотого угля.

Котел реконструирован с установкой дожигателей шлака и сопел нижнего дутья под холодной воронкой котла и в совокупности с подготовкой КДО к сжиганию, обеспечивает полное выжигание горючих как из мелких летучих частиц, так и из крупных частиц, выпадающих из вихря. Реконструкция решает имеющиеся проблемы недожога и холодной воронки котла БКЗ-75-39-440Ф, реконструированного ранее на ТЭЦ Селенгинского целлюлозно картонного комбината. Для подготовки, сушки КДО, используются отработанные дымовые газа или горячий воздух поступающие из котла. Слад с суточным запасом подготовленного топлива объёмом 300куб.м. выполнен в виде двух силосов С1 (рис.5). Сырье загружается из бункера БП30 конвейером КЛ23, сортируется дисковой сортировкой ДС25. Крупные фракции дробятся рубильной машиной РМ26. Далее поток КДО питателями ШП7, ШП8, ШП9 и ШП12 с частотными приводами загружается в систему, сушится и подается на накопление суточного запаса в силосы С1 или непосредственно по линии ПТ2 через горелки совместно с угольной пылью в вихревую топку реконструированного котла. Подача нижнего дутья приводит к формированию вихревой аэродинамики в топочном объеме и существенно повышает надежность воспламенения и устойчивость топочного процесса, что позволяет замещать значительную долю угля, до 35% по теплу, на КДО.

article-4-4.jpg

Рис.5 Вид на расположение оборудования модернизации котла БКЗ-75



При работе котла регулируется подача угля, используется существующая штатная система управления с дополнениями. Она поддерживает постоянное давление пара в барабане котла, поддерживает требуемую паропроизводительность котла, оптимальное соотношение подачи дутья и топлива; обеспечивает блокировки и защиты.

Литература
Пугач Л.И., Серант Ф.А., СерантД.Ф. Нетрадиционная энергетика - возобновляемые источники, использование биомассы, термохимическая подготовка, экологические аспекты. //Изд-воНГТУ. Новосибирск, 2006. -347с.
Хазмалян Д.М. Об основном уравнении горения. Доклады МЭИ. М:.Изд.МЭИ, 1967.
Пузырев Е.М., Афанасьеа К.С., Голубев В.А., Пузырев М.Е. Жуков Е.Б. Применение вихревых топок «Торнадо» для перевода котлов на использование растительных и кородревесных отходов. Сб. докл. V Научно-практическая конференция «Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы», Т.1. Челябинск, 2011г.

  RSS каналы
Подпишитесь на наш RSS канал

Последние новости

ЧПТУП «Летерм» г.Минск Тел/факс: (017) 503-30-61 Карта сайта