Эффективные технологии сжигания различных видов топлива и отходов производства
Заказать звонок
Нажимая Отправить, вы даёте согласие на обработку персональных данных в соответствии с политикой конфиденциальности и принимаете условия пользовательского соглашения.
Сегодня на предприятиях (рис.1) образуются многотоннажные потоки отходов деревопереработки, лузги, растительных и других отходов. Горы отходов быстро накапливаются, гниют, самовоспламеняются и представляют значительную пожарную и экологическую угрозу. Они могут рассматриваться как топливо. Работа типовых котельных так же типично сопряжена с перерасходом угля и значительными затратами на ремонт и обслуживание котлов.
.jpg)
Фото. 1. Отвал древесных отходов (КДО)
Главной проблемой является низкая эффективность работы топок. Зачастую, фото. 2, трудно отличить по объёму и внешнему виду исходный уголь и шлак, выгружаемый из котла. Типовые, в том числе механизированные, топки рассчитаны на сжигание отсеянного угля классов «Орех и Мелкий» с размером фракций 25-50 и 13-25мм. В котельные же обычно закупается дешевый, мелкий уголь класса «Штыб», насыщенный пылевыми фракциями.
Фото. 2. Исходный уголь и гора выгруженного из котла шлака мало отличаются.
Значительны проблемы при сжигании низко реакционных переизмельченных углей типа антрацита и Т, по существу углесодержащих отходов и особенно в широко распространенных котлах с ручными топками. На фото .3 показана типичная картина дымовой трубы работающей котельной – мощного источника загрязнений. Интенсивные, коптящие выбросы из дымовых труб явно указывают на значительный механический и химический недожог и соответственно плохую организацию топочного процесса в типовых топках и котлах. Некачественное топливо и устаревшая конструкция топок приводят к существенным экологическим проблемам и перерасходу средств. Соответственно здесь требуется разработка нового типа топок, котлов и котельно-топочной техники.
Вообще уголь относится к трудносжигаемым топливам, и при производстве энергии постоянно дискутируется один вопрос: стоит ли сохранять уголь в качестве источника энергии. Среди не возобновляемых видов топлива наибольший запас на планете и широчайшее использование имеет именно уголь. По оценкам специалистов сейчас около 40-45% электроэнергии производится с использованием угля. Несмотря на претензии, выдвигаемые экологами, позиции угля в мировом энергетическом балансе укрепляются.
Немаловажно, что уголь абсолютно безопасен при транспортировке любым транспортом. Общество подчас не отдает себе отчета в том, какова же на самом деле роль угля в мировой энергетике. Мировое производство угля за последние 20 лет возросло более чем на 30%. Огромное значение для мировой энергетики уголь имеет благодаря широкой распространенности, доступности, очень большим запасам на земном шаре и относительно низкой цене. Важным аспектом при принятии решения - на каком виде топлива работать- является стоимость производства единицы тепла. За последние годы цена угля наиболее стабильна, в то время как цены на остальные энергоносители постоянно растут.
Что же ограничивает его применение в энергетике? Возвращение надлежащих позиций угля в энергетическом хозяйстве возможно лишь в том случае, когда его использование приведено в соответствии современным требованиям:
Суммируя вышесказанное, следует отметить, что уголь может быть топливом и экономичным, и экологичным. Наше недовольство работой угольных котлов вызывает отнюдь не сам уголь, как источник всех бед, а его неправильное использование.
Например, Кемеровская область, являясь наиболее развитой зоной тяжелой промышленности, занимает особое место в России. С одной стороны это высокий промышленный потенциал и большое потребление энергоносителей и прежде всего углей. С другой стороны – это основной поставщик высококачественных углей, в том числе заграницу. И в-третьих – это источник мощных потоков углесодержащих отходов (пресскек, шламы и др.) и обладатель огромных запасов низкосортных углей местных месторождений. При этом наиболее перспективными следует считать подходы, позволяющие высвободить качественные угли, путем их замены на местные топлива и углесодержащие отходы. Вовлечение в топливный баланс предприятий Кемеровской области местных топлив и углесодержащих отходов позволит решить не только задачи экономии собственных средств на закупку угля и повысит доходность за счет больших внешних продаж качественного продукта, но и позволит существенно уменьшить загрязнения территории области отходами.
Таким образом, ставится задача: с одной стороны обеспечить более эффективное сжигание углей и углесодержащих отходов, а с другой стороны вовлечение в топливный баланс предприятий горючих отходов, прежде всего древесных и растительного типа, как наиболее массовых. Это позволяет уменьшить или исключить покупку высококачественных, дорогих энергоносителей – природного газа, жидкого и твердого топлива и существенно повысить рентабельность предприятий переработчиков.
Например, для предприятий по переработке древесины, зерна, маслозаводов, птицеферм и др., возможно, полностью базировать энергетику на собственных горючих отходах, уменьшить загрязнение окружающей среды, исключить экологические штрафы и расходы на вывоз и содержание свалок. Кроме того, растительные отходы являются биотопливом, они относятся к возобновляемым источникам энергии и СО2 нейтральны, не создают парникового эффекта. Поэтому в ЕС и даже на Украине законодательно (и будем надеяться, скоро будет и у нас) мини-ТЭЦ на биотопливе дотируются (цена закупки этой «зеленой» электроэнергии примерно в три раза дороже, чем тариф для ТЭЦ на энергетических топливах) и получили наиболее ускоренное распространение в последние годы. Использование такого сырья в качестве топлива имеет минимальные затраты на доставку и другие преимущества.
Их недостатки. Из-за типично высокой влажности, свыше 50-60%, минеральных примесей (песок, глина и т.д.) и коры в древесных отходах данный вид топлива имеет низкое качество и для его сжигания необходимы специальные топочные устройства.
Обзор существующих конструкций котлов показал, что сжигание в вихревых топочных камерах является наиболее перспективным направлением утилизации отходов, как низкокачественных углей и углесодержащих отходов, так и отходов растительного типа. Вихревая технология «Торнадо», развиваемая в «ПроЭнергоМаш» является практически универсальной. Кроме того она позволяет и может использоваться путем встраивания вихревых топок в топочный объем существующих котлов. При этом специалисты компании «ПроЭнергоМаш» на основе натурного и численного моделирования разработали критерии обеспечения устойчивости вихревых структур в камерах отличных от круглой формы, т.е. с минимумом переделки топочного объёма и камер сгорания.
При сравнении топок «Торнадо» для сжигания отходов, передовой технологии с топкой низкотемпературного кипящего слоя и типовой схемы сжигания в топке скоростного горения ПМ можно указать следующее. Типовая схема сжигания ПМ (топка Померанцева В.В.) в зажатом слое хорошо известна и широко применяется. Её главные недостатки: нестабильность движения слоя, резкая переменность и малая величина полезной нагрузки, большие затраты ручного труда, большой недожог топлива, особенно при наличии мелких включений (стружка, опилки, пыль шлифования), пониженный КПД.
Топки кипящего слоя (КС) при обученном, опытном и грамотном персонале имеют хорошие показатели. Главная проблема эксплуатации КС – локальный перегрев слоя или залегание частиц слоя и последующее спекание слоя в глыбы, особенно на каменном угле. При работе на древесных отходах требуется постоянная замена песка, заполнителя кипящего слоя, мелкие частицы не удерживаются в слое; слой переохлаждается и создается повышенный недожог, поверхности нагрева котельного пучка быстро заносятся натрубными отложениями золы. Пылевые фракции угля так же не удерживаются в топках КС, они формируют не менее интенсивный унос, фото.3, чем типовые слоевые топки.
Топки «Торнадо», отличительной особенностью которых является наличие на выходе пережима с газовыпускным окном, надежно удерживающие летучие частицы в топке, позволяют обеспечить не только простоту эксплуатации. К их достоинствам так же относится:
1. Высокий КПД и экономичность предлагаемой технологии.
2. Высокие экологические показатели.
3. Возможность сжигания измельченных горючих отходов.
Техническое перевооружение котельных с введением современных технологий позволит снизить недожог топлива, уменьшить экологическую нагрузку на города и территории и обеспечить экономию затрат:
В настоящем сообщении рассматривается возможность и обоснование технического перевооружения котельных с переводом котлов на более эффективное, экономичное и экологически более чистое вихревое сжигание в топках «Торнадо». Технология «Торнадо» была разработана и запатентована, специалистами компании «ПроЭнергоМаш» и появилась как ответ на неудачное применение в Донбассе и Кузбассе для сжигания каменного угля технологии кипящего слоя. Вихревая технология предлагается для поставки новых и модернизации существующего котельного парка. Схема сравнительно проста и высокоэффективна.
Низкотемпературная вихревая технология сжигания реализует практически доступным механизированным способом автоматизированное совместное слоевое и факельно-вихревое сжигание. Топки не требуют сложной системы приготовления топлива, достаточно дробилки, обеспечивающей фракцию топлива на входе в топку не крупнее 10-25 мм или закупать дешевые отсевы мелкого угля. Таким образом, топка «Торнадо» решает одну из главных задач – позволяет использовать напрямую имеющиеся переизмельченные угли, в том числе каменные и измельченные древесные отходы.
Наш подход основывается на разработке для каждого вида котлов и топлива индивидуальных топочных устройств вихревого типа, встраиваемых в новые или типовые котлы и применим практически для любого вида топлива. На сегодня по нашим проектам произведено и реконструировано более сотни котлов мощностью от 2,5 до 75т/час. При необходимости проектируются и производятся водогрейные и паровые котлы собственной конструкции мощностью от 1,2 до 11,6 (23)МВт для сжигания измельченного угля и различных отходов.
Фото 4 Моделирование удержания легких частиц
Фото 5 Формирование аэродинамической обстановки в 3D-модели «Торнадо»
В «ПроЭнергоМаш» разработаны схемы математического моделирования аэродинамической обстановки и программы расчета котлов с вихревым сжиганием. Моделирование аэродинамической обстановки, фото.4, рис.5 применяемое при выполнении проектов, в значительной мере позволяет принять обоснованные технические решения, снизить риск ошибок. В качестве примера на рис. 5 показаны рассчитанные поля скоростей в вихревой топке.
Применение для сжигания угля
Наиболее привлекательным для Заказчиков явилось отсутствие заметных выбросов из дымовой трубы, что явно указывало на хорошее качество топочного процесса. При этом опыт эксплуатации построенных в 2006-2009г котельных ш. Большевик, ш. Южная и ш. Красногорская подтвердил правильность их выбора, фото 6 – 8. Наиболее заметные на фото 8 выбросы котельной ш. Красногорская представлены преимущественно безвредным паром влаги топлива и видны из-за сильного мороза.
Схема сжигания универсальна и применима практически для любого типа топлива: угля, лузги, древесных и других растительных отходов. Естественно, для каждого вида топлива и мощности котла топка выполняется по индивидуальному проекту. Например, топки для каменных, бурых углей и углей разных марок могут иметь заметные конструктивные различия, вызванные в первую очередь учетом таких свойств, как влажность, калорийность и характеристики его золы. Так топки «Торнадо» и, собственно, котлоагрегат для угля и водоугольного топлива на его основе имеют принципиальные отличия.
Фото 6 –Котельная ш. Большевик
Система подачи дожигающего острого дутья обеспечивает низкие выбросы оксидов (СО, NOх, SO2 – зависит от состава золы) в атмосферу, низкий химический и механический недожог и соответственно высокий КПД выжигания горючего, экономию топлива.
Крупные фракции топлива сжигаются в слое на механизированной водоохлаждаемой решетке. Дожигательные решетки просты в эксплуатации, надежны в работе и обеспечивают:
Активная вихревая аэродинамика топочного объёма обеспечивает:
Котлы, оборудованные вихревыми топками, механизированы, имеют малые габариты, надежны, обладают более высокими экологическими показателями по выбросам NOx и СО в атмосферу. Горение в вихре гарантирует лучшее удержание и выгорание мелких частиц, безшлаковочную работу топочных экранов и конвективных поверхностей нагрева. Указанные преимущества топок «Торнадо» предопределяют выбор способа сжигания при строительстве новых котельных и при реконструкции существующих.
При работе котла дробленый уголь, рисовая лузга, древесное топливо – опилки, щепа, кородревесные отходы, пыль шлифования и др., с требуемым расходом подается в топку и сгорает в вихре. Зола и шлак оседают и удаляются из топки «Торнадо» автоматически выгружателями шлака. Продукты сгорания догорают в вихре, затем дымовые газы охлаждаются в котельном пучке, воздухоподогревателе и экономайзере, очищаются в золоуловителе от золы и дымососом через дымовую трубу сбрасываются в атмосферу.
Например, реконструированные котлы ДКВр-20-13ШпВТ, переведенные с мазута на уголь, уголь измельчается дробилкой, несут отопительную и технологическую нагрузку с октября 2005г. Котлы быстро растапливаются и легко управляются. Износа поверхностей нагрева в вихревой топке не отмечается. Котлы работают без дымления. Выбросы из дымовой трубы практически не видны даже вблизи.
По замерам «Центра лабораторного анализа и технических измерений по Алтайскому краю» Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 06 июня 2006г. определено:
По всем выбросам вредных веществ превышений нормы нет, экологические показатели котла гораздо лучше нормируемых значений. Основная часть золы до 95% выгружается в виде шлака, что существенно разгружает дымоходы, золоуловители и устройства выгрузки золы. Содержание горючих в шлаке около 1,5%, шлак белого цвета. Выгорание топлива практически полное, что недостижимо в применяемых слоевых топках. Объём выгружаемого шлака за счет малого содержания недожога снижается в несколько раз.
Следует отметить компактность котлов «ПроЭнергоМаш», и компоновки котлоагрегатов благодаря высокоэффективным батарейным циклонам с рециркуляцией.
Рис 7. Сравнение габаритов котлоагрегатов фирмы «Замер», мощностью 2 МВт (фоновый рисунок) и компании «ПроЭнергоМаш» с котлом КВ-7-115ШпВт в 3,5 раз большей мощностью (7МВт, поболее толстыми линиями).
В последнее время в России появляются дорогостоящие угольные котлы зарубежного производства. Они оснащены более эффективными топками, чем отечественные типовые. Например, котлы с польскими топками «Заммер». На рис. 9 более толстыми линиями показан наш котлоагрегат с котлом котла КВ-7-115ШпВТ мощностью 7МВт и котлоагрегат KWZ – 2000, мощностью 2МВт. Видно, что и при меньшей мощности в 2 МВт, польский котлоагрегат заметно более громоздок. В существующую строительную часть можно установить более мощный котлоагрегат с котлом КВ –ШпВТ.
Применение для сжигания отходов растительного типа
Для сжигания лузги и растительных отходов реконструировано и смонтировано значительное количество котлов. Из последних в «ПроЭнергоМаш», 2010г, были разработаны и реализованы проекты реконструкции котлов ДКВр-6,5-13ПМ, ДЕ-10-14 ГМ, КВ-ГМ-10-150. Важно, что конструкция топок «Торнадо» позволяет решить столь трудную задачу как перевод газовых котлов с природного газа на твердое топливо и тем более низкокачественное. Именно благодаря компактности топок «Торнадо» газовые котлы ДЕ-10-14ГМ и КВ-ГМ 10-150 были переведены по республиканской программе Республики Беларусь с природного газа на местные твердые топлива: торф, щепу и древесные отходы. Помимо модернизации котлов котельные дополнены складами топлива, системами топливоподачи, золоулавливания и золоудаления. Оборудование преимущественно производства ООО НПО «ПроЭнергоМаш». Всего в республике Беларусь переведено нами с газа и мазута на щепу и торф 7 котлов. На сегодня все котлы в работе, включая ДКВр-4-13ДВО, 2 шт., с Межлесье и ДЕ-6,5-14ДВО, 2 шт., с Полесье. КПД котельных агрегатов от 79,4 до 85,7 в зависимости от характеристик топлива и настройки распределения дутья.
В 2010г. для сжигания КДО и торфа была разработана конструкция наклонно переталкивающей топки (НПР). Топка была установлена в котле ДКВр-6,5-13НПР, г.Чуна, вместо топки скоростного горения типа ПМ. Применение НПР охлаждаемой конструкции позволило обеспечить глубокое выгорание смерзшихся, полифракционных (0-200мм, преобладает мелочь) древесных отходов повышенной влажности (55-60%) в стесненном объеме типового котла ДКВр-6,5. При этом котел удалось вывести на номинальную паровую нагрузку, 6-6,5т/час не смотря на уличные температуры до -50°С.
Рис.8. Линии тока в модели вихревой топки. Реконструкция газового котла ДЕ-10-14ДВО с переводом его на торф
Рис.9. Поле давления в модели вихревой топки. Реконструкция газового котла КВ-ГМ 10-150ДВО. Перевод с природного газа на щепу.
После пусконаладочных работ при работе на древесной щепе и смеси щепы и торфа температура в топке практически достигла проектных значений. Котлы быстро выходят на режим, удалось добиться устойчивого горения и работы котлов в автоматическом режиме.
Горение топлива равномерное по всему слою. Наличие устойчивого вихря, расположенного над колосниковой решеткой, и организация системы движения потоков высокотемпературных топочных газов к зоне термической подготовки высоковлажного топлива, а также наличие системы предварительного подогрева воздуха в воздухоподогревателе значительно повысили надежность и экономичность работы котлов, даже при сжигании топлива, содержащего смерзшиеся включения. Центробежные силы инерции, возникающие при вращении потока, вызывают сепарацию горящих топливных частиц в зону начального участка слоя свежего топлива на решетке, создавая очаги горения. Конструкции решеток и системы раздачи дутья обеспечивали надежный безшлаковочный режим работы топок.
Для сравнения аналогичные соседние котлы с типовой топкой системы Померанцева, установленные ранее, и неоднократно модернизированные силами обслуживающего персонала, несли в лучшем случае половину нагрузки даже на специально отсортированном топливе. Подача в них не отсортированного топлива с большим включением мелкой фракции приводила к потере проницаемости зажатого слоя вплоть до остановки котлов.
Традиционно значительное внимание в «ПроЭнергоМаш» уделяется утилизации кородревесных отходов (КДО) в энергетических котлах. На сегодня специализированные для огневой утилизации КДО котлы КМ-75-39-440 не производятся, а имеющиеся устарели физически и морально. С другой стороны ТЭЦ ЦБК, промышленные и городские ТЭЦ с пылеугольными котлами могут быть переведены на совместное сжигание КДО с частичной заменой угля. Например, сейчас выполнен и реализуется проект вовлечения в топливный баланс одной из ТЭЦ потока до 30куб.м./час КДО с сопутствующим разрешением имеющихся экологических проблем региона и экономией затрат на закупку угля путем реконструкции типового котла БКЗ-75-39-440Ф.
В целом касаясь техники и программы «ПроЭнергоМаш» разработки топок для утилизации КДО и использования торфа можно сделать положительные выводы. Все котлы и реконструкции работоспособны. Накоплен значительный практический опыт.
