Низкотемпературное сжигание топлива

Автор статьи:
Наука и новые технологии Александр МАШТАКОВ, Александр СИДОРОВ

Одним из путей оздоровления энергетики, в том числе коммунальной и промышленной, является вовлечение в топливный баланс альтернативных топлив.

В послевоенные годы бурное развитие добычи угля, нефти и газа практически полностью вытеснило торф, растительные, древесные и другие горючие отходы из теплового баланса в СССР. Это было связано как с трудностью организации крупнотоннажного производства и заготовки этих топлив, так и с большими проблемами организации их эффективного сжигания. За рубежом эти виды топлив широко применялись и применяются сейчас, особенно в коммунальной и малой теплоэнергетике. Их использование часто дотируется государством, например путем организации рубок ухода в лесничествах с производством дешевой щепы и при организации других природоохранных мероприятий.

Вступление России в полосу кризисов, в том числе энергетического,создало предпосылки для развития коммунальной и малой энергетики на базе использования дешевых и легкодоступных низкосортных местных топлив и горючих отходов.

Обычно доля топлива в стоимости отпускаемого тепла составляет 40‑60%. Поэтому переход от использования дорогих энергетических углей, газа и мазута к бесплатным горючим отходам и дешевым местным топливам дает существенные выгоды. Кроме того, применение своих топлив, разработка торфяников и местных месторождений низкосортных углей хотя и потребует затрат на ведение этих работ, но в целом скажется положительно благодаря открытию новых рабочих мест в удаленных регионах. К тому же сжигание отходов, т. е. огневое обезвреживание горючих отходов, – это наиболее простой и эффективный способ кардинального решения проблемы защиты окружающей среды от загрязнений. Сжигание отходов позволяет существенно поднять экономическую устойчивость и рентабельность предприятия еще и за счет исключения затрат на экологические штрафы, на вывоз отходов,мусора и на содержание предприятием пожароопасных свалок отходов.


Низкосортное топливо будет гореть


Основным препятствием перехода на сжигание местных низкосортных углей, торфа, растительных и древесных отходов является сложность организации устойчивого топочного процесса. Самым простым по технологии является способ слоевого сжигания на колосниковых решетках. Однако отходы и местные угли, как правило, в таких топках не горят.Многолетний опыт показывает, что практически все имеющиеся типовые топки и котлы не приспособлены для сжигания древесных отходов, торфа и низкокачественных топлив типа переувлажненных бурых и других сортов местных углей. Поэтому для перевода котельных на сжигание нетрадиционных топлив требуются новые топочные устройства и новые технологии сжигания.

За рубежом после энергетического кризиса 1970‑80‑х годов экономические и экологические соображения, принимаемые во внимание при проектировании и эксплуатации котельно‑топочной техники, стали определяющими. При этом главным направлением улучшения технико-экономических и экологических показателей котельных установок стало развитие топок кипящего слоя с низкой температурой сжигания.

Топочные процессы с использованием низкотемпературного кипящего слоя или сильно загруженных инертными частицами (золой) циркулирующих потоков создают многократное увеличение тепловой инерции топки за счет введения частиц. Это стабилизирует топочный процесс, обеспечивает его изотермичность и позволяет осуществлять сжигание при относительно низкой температуре, порядка 800‑1000 °С.


Экология и эффективность


Эффективность низкотемпературного сжигания объясняется принципиальной возможностью снижения вредных выбросов в дымовых газах по сравнению с широко применяемыми высокотемпературными процессами горения. При этом удовлетворяются жесткие санитарные нормы по оксидам серы и азота без применения дорогостоящих схем газоочистки.

Отечественный опыт и зарубежная практика показывают, что топки кипящего слоя соответствуют постоянно ужесточающимся и расширяющимся по номенклатуре ограничениям на выбросы широкого круга вредных веществ. Количество образующихся органических соединений типа угарного газа,бензапиренов, диоксинов и др. уменьшается благодаря равномерному и высокоэффективному перемешиванию и выжиганию в топочном объеме. Помимо этого, при пониженной температуре топочного процесса возгонка минеральной части (золы) топлива минимальна и, следовательно, минимальны загрязнения поверхностей нагрева, а оксиды серы и «кислые соединения» других элементов типа хлора и фтора могут подавляться золой или серопоглотителями, – например дробленым известняком.Изотермичность и хорошее перемешивание в топке обеспечивают низкую (меньше нескольких процентов) концентрацию горючих в золе. Такие топочные процессы характеризуются, во‑первых, высокой степенью выгорания горючих и, соответственно, малыми потерями угля, а во‑вторых –позволяют сжигать различные горючие отходы и самые низкосортные топлива.При слоевом сжигании углей, даже энергетических, котельный шлак содержит до 70‑80 % горючих и может успешно сжигаться в топках кипящего слоя.


«Всеядные» котлы

В настоящее время все более отчетливо выявляются реальные пути преодоления кризиса теплоснабжения, наполовину обусловленного неэффективным и расточительным использованием топливных ресурсов и пренебрежением собственными резервами. Применение дешевых местных углей, древесных отходов, отходов зернопереработки, торфа, гидролизного лигнина, отходов углеобогащения и других отходов, зачастую имеющих «отрицательную» стоимость, позволяет решить или хотя бы снять остроту экономических вопросов жилищно-коммунальных и промышленных предприятий, а также значительно снизить себестоимость вырабатываемого тепла. В качестве примера можно привести Теплоозерский цементный завод, где в 1998 г. запущен котел ТП-35У с топкой низкотемпературного кипящего слоя, работающий на местных бурых углях, – и была снята проблема мазута.Такой же способ сжигания применен на котлах КЕ-10 в п. Чегдомын, ДКВр-20 в г. Бикине и КЕ-25 в г. Хоре (Хабаровский край). Проведены успешные реконструкции котла ТС-35 на Читинской ТЭЦ-2, котлов КВТС-20, ДКВр-10, ДКВр-20 в г. Лесосибирске, котла ДКВр-20 на бурых углях в г.Красноярске.Котлы с топками кипящего слоя обладают уникальной «всеядностью» к топливам, отличными показателями по выбросам оксидов серы и азота, высоким коэффициентом полезного действия и особенно перспективны при переходе на сжигание высокозольных переувлажненных углей, а также древесных и других горючих отходов. Результаты испытаний котлов теплопроизводительностью от 2,2 до 22,9 Гкал/ч с топками кипящего слоя при сжигании различных топлив показали,что КПД реконструированных котлов достаточно высок. Лишь в случае опытного сжигания отсева антрацита АСШ из‑за значительного (~9 %) механического недожога КПД котлов КВ‑1,6 и Ке-6,5 не превысил 77,5 %. Но в дальнейшем были разработаны проекты котлов для сжигания АСШ с КПД не ниже 82 %.

В настоящее время НИЦ ПО «Бийскэнергомаш» для котлов производительностью выше 20 Гкал/ч использует более совершенную технологию, приближающуюся по своим параметрам к циркулирующему кипящему слою. Такая технология была применена при реконструкции котлов ТС-35У ст. № 7 и 8 Читинской ТЭЦ-2. Выбранная инженерами конфигурация топки и система вторичного дутья позволили:

– улучшить выжиг топлива (механический недожог не превышает 2,5 %) без применения дорогостоящих систем возврата-уноса, применяемых на котлах с циркулирующим кипящим слоем; КПД котла на номинальной нагрузке составил при этом 86,0 %;

– в два раза снизить выбросы оксидов азота, концентрация которых на реконструированном котле не превышает 200 мг/м3;

– устранить потери тепла с химическим недожогом.

В результате удалось получить более надежный и управляемый котел с КПД брутто не менее чем на 4 % выше, чем до реконструкции.


Сжигание в вихре


Не менее перспективной является технология сжигания топлив в низкотемпературном вихре. Она применима для обычных энергетических и местных углей, а также древесных и растительных отходов. По стабильности горения, глубине выгорания топлива и экологическим показателям котлы с низкотемпературным вихревым сжиганием приближаются к характеристикам котлов с топками кипящего слоя.На вихревой способ сжигания переведено три котла ЭЧМ-60 производительностью 60 Гкал/ч в котельной ЖКХ г. Междуреченска Кемеровской области. Реконструкция позволила отказаться от подсветки факела мазутом. А до реконструкции около 30% нагрузки котлов обеспечивалось сжиганием мазута. Эта же технология использована в котлах КЕ-4 и КЕ-6,5 для сжигания подсолнечной лузги в г. Барнауле.

В Абазинском лесокомбинате в Хакасии работа одного котла КВ‑1,6‑95ВД с вихревой топкой на древесных отходах за один отопительный сезон дала экономию средств на оплату централизованного теплоснабжения от ТЭЦ, достаточную для покрытия затрат по строительству и оснащению собственной котельной.

Приведенный перечень примеров является далеко не полным и касается лишь так называемых «особых» котлов. Экономические проекты, основанные на использовании таких котлов, чрезвычайно выгодны. Срок окупаемости вложенных средств составляет от 3 месяцев до 1,5 лет в зависимости от конкретных условий.

Необходимо также отметить, что типовое котельное оборудование можно использовать с не меньшей выгодой. Не секрет, что в силу монопольно высоких тарифов на отпускаемые энергоносители многие руководители предприятий желают «отсоединиться» от ТЭЦ. Экономия в этом случае получается весьма значительной. К примеру, собственная котельная,состоящая из трех котлов типа ДЕ-25, построенная в одном из опустевших производственных цехов завода «Трансмаш» в г. Барнауле, окупилась за шесть месяцев.

Серийное типовое оборудование может быть адаптировано к местным топливам и условиям выработки и потребления энергии. Им могут комплектоваться ТЭЦ малой мощности с турбинами до 12,5 МВт для покрытия собственных потребностей в электроэнергии, технологическом паре и отоплении. Выгодным мероприятием для теплопроизводящих предприятий является замена устаревшего, изношенного парка котлов, зачастую изготовленных полукустарным способом, на современное высокоэффективное оборудование.При этом снижается расход угля, повышается надежность работы, улучшаются экологические показатели котельной и условия труда персонала.

304