Биотопливо и слоевое сжигание

Анализ последних тенденций в промышленной энергетике США и европейских стран показывает, что владельцы многих промышленных предприятий, а также муниципалитеты и крупные торгово-развлекательные центры все чаще стараются обеспечить свои потребности в тепловой и электрической энергии путем сооружения новых или реконструкции действующих котлов с частичным переводом их на сжигание биотоплива.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Причина такого решения – не только экономия затрат на топливо (стоимость природного газа в Европе уже приближается к 500 евро за 1000 м³), но и необходимость снижать выбросы в атмосферу тепличного газа (СО₂). Дело в том, что сжигание биотоплива (древесных и растительных отходов) не оказывает влияния на баланс СО₂ в атмосфере: в отличие от природного газа, жидкого топлива и угля при использовании биотоплива в атмосферу поступает столько же СО₂, сколько было поглощено из атмосферы в процессе образования этого топлива. Кроме того, топливо из растительной массы не содержит серы.
Таким образом, снижение затрат на топливо и одновременное решение важной экологической проблемы явились причиной значительного роста производства тепловой и электрической энергии из разнообразных видов биомассы. Важнейшую роль в этом сегменте играют растительные отходы, образующиеся при рубке леса, а также при его дальнейшей переработке. Значительную долю пригодной к использованию биомассы составляют отходы растениеводства: солома, костра, лузга, стебли некоторых растений и др. В таблице  приведены основные энергетические характеристики древесного топлива.

Древесные отходы начинают накапливаться еще в процессе лесозаготовок и лесопереработки. По приблизительным оценкам количество древесных отходов колеблется от 9 до 89 т сухой массы на 1 га леса.
В лесопильном производстве почти 50 % древесины превращаются в отходы, а на деревообрабатывающих и мебельных предприятиях еще около 50 % пиломатериалов переходит в отходы.
Простое складирование огромного количества древесных отходов вызывает серьезное загрязнение воздуха, воды и почвы. Поэтому вопрос утилизации опасных отходов и вовлечение их в хозяйственный оборот давно привлекает внимание специалистов-технологов всех отраслей.
Предшествующий опыт показывает, что наиболее перспективными методами решения этой проблемы являются термические процессы и технологии, разработанные на их основе.
Для сжигания древесных отходов используют обычно топки слоевого сжигания, а в некоторых случаях (для сжигания переработанной определенным образом древесины) – топки кипящего слоя.
Одно из перспективных направлений повышения энергетической ценности древесных отходов, в том числе и коры, – брикетирование, состоящее в сушке, измельчении, смешении со связующим веществом и прессовании брикетов. Полученные брикеты имеют ряд важных преимуществ по сравнению с исходной древесиной: они требуют меньше места для хранения, их теплота сгорания достигает 17 МДж/кг (~4060 ккал/кг), они отличаются малой зольностью и отсутствием при горении вредных веществ и запаха. В США и Канаде такие топливные брикеты пользуются большим спросом в качестве топлива для каминов.
В Европе (главным образом – в странах Скандинавии) сжигание брикетов в котлах с механическими решетками используется, как правило, для экономии природного газа или жидкого топлива. Примером успешного перехода с жидкого топлива на сжигание биомассы является котельная больничного комплекса в г. Йончёпинг (Швеция). В старой котельной был установлен новый котел со слоевым сжиганием мощностью 2,5 МВт. Топливом для нового котла служили брикеты из опилок, коры, стружек и торфа. Это топливо было сравнительно сухим (влажность не превышала 5–10 %), а его теплота сгорания достигала 4300 ккал/м³ (18 МДж/м³). Брикеты поступали в котельную в специальных контейнерах.
Имеющаяся котельная на жидком топливе была сохранена как резервная и для покрытия пиков нагрузки. Суммарная потребность больничного комплекса в тепле, включая горячее водоснабжение, составляла примерно 7740 Гкал (9000 МВт•ч). Большая часть этой нагрузки (до 85 %) обеспечивалась за счет сжигания брикетов, однако в зимние пики, а также в жаркое время года, когда нагрузка снижалась до 0,2 МВт, приходилось использовать жидкое топливо.
Эксплуатация обновленной котельной показала, что среднегодовой КПД всей системы, включая подземную теплосеть, составляет 80 %. Важным достижением, кроме снижения затрат на топливо, явилось повышение уровня обеспеченности энергоносителем за счет использования местного сырья и рост региональной занятости населения, связанной с заготовкой и обработкой топлива.
Существенным достижением является также снижение выбросов в атмосферу таких загрязнителей, как SO2 и СО2. При работе котельной на малосернистом жидком топливе годовые выбросы сернистого ангидрида составляли 1905 кг. В результате сжигания брикетов в атмосферу выбрасывается только 650 кг SO₂ и еще 285 кг – от сжигания жидкого топлива (при пиковой нагрузке в холодные дни).
Выбросы СО₂ при работе на жидком топливе составляли 2935 т/год. Сжигание биотоплива не добавляет в атмосферу диоксид углерода, вызывающий парниковый эффект. И только сжигание небольшого количества жидкого топлива приводит к выбросам 440 т СО₂, что составляет лишь 15 % от прежних выбросов.
Что касается оксидов азота, то их количество несколько возросло, т.к. при сжигании твердого топлива образование NOx оказалось выше, чем при сжигании жидкого топлива.
Удачным примером одновременного решения нескольких проблем является промышленная ТЭЦ Grayling в штате Мичиган (США). Общая мощность ТЭЦ – 34 МВт. Производительность котла составляет 143 т/ч при параметрах пара 8,9 МПа, 510 °С. Проектный расход условного топлива на выработку электроэнергии составляет 490 г.у.т./кВт•ч. Топливная смесь на 15–20 % состоит из опилок и стружки, получаемых с расположенной рядом лесопилки, на 15–20 % – из древесной щепы, доставляемой с ближайших деревообрабатывающих предприятий, и на 30 % – из обрезков, которыми снабжает ТЭЦ близлежащая бумажная фабрика. Остальная часть топлива формируется за счет отходов древесины, образующихся в результате прореживания местных лесных массивов.
Влажность подаваемой в топку топливной смеси составляет в среднем 40–45 %, но в сырую погоду может достигать и 50 %. В используемом топливе содержание частиц размером менее 6,3 мм достигает 40–50 %. При влажности 48 % теплота сгорания топлива составляет 10,47 МДж/кг (2500 ккал/кг). Слоевая топка имеет нижнюю подачу топлива, но для сжигания тонких фракций почти 60 % воздуха подается в объем топки над решеткой и только 40 % – под решетку. Воздух, подаваемый над решеткой, вводится на четырех уровнях через переднюю и на трех уровнях – через заднюю стенку топки. Летучая зола за котлом улавливается в трехпольном электрофильтре, а затем используется вместо извести для повышения pH почв сельскохозяйственных угодий.
Еще один пример использования биотоплива в США – ТЭЦ Вудленд (Woodland, штат Калифорния). Мощность ТЭЦ – 25 МВт. Котел с циркулирующим кипящим слоем имеет производительность 113,4 т/ч при давлении пара 6,45 МПа и температуре 482 °С. В котле можно сжигать различные виды отходов деревообрабатывающего и сельскохозяйственного производств, включая скорлупу миндального и грецкого орехов, персиковые и оливковые косточки, солому, рисовую шелуху, а также отходы, образующиеся при обрезке виноградников. Различные виды биотоплив смешиваются для достижения относительно однородной массы с теплотой сгорания выше 16,28 МДж/кг (3890 ккал/кг). Численность штатного персонала электростанции составляет 23 человека.
ТЭЦ работает достаточно надежно, хотя сжигание больших объемов сельскохозяйственных отходов приводит к износу огнеупоров в циклонах золоулавливания. Дополнительные трудности связаны с тем, что объемы поставляемых на ТЭС отходов сельскохозяйственного производства меняются в зависимости от времени года. Запуск энергоблока из холодного состояния занимает от 12 до 14 часов (при этом используются две газовые горелки: одна для подогрева воздуха, другая – для самой топки).
В Великобритании производство энергии из биомассы в общем объеме генерации уже составляет 3,8 %. Показатели обещают расти и впредь, поскольку, согласно планам Европейского Союза, к 2020 г. доля возобновляемых источников энергии должна увеличиться до 20 %, а биоэнергия, предположительно, составит две трети всей энергии, получаемой от возобновляемых источников.
Примером электростанции, успешно сжигающей уголь и древесные брикеты, является ТЭЦ Slought Trading Estate на юге Великобритании. В 1991 г. на этой ТЭЦ были установлены два котла с ЦКС паропроизводительностью 180 т/ч на параметры пара 8,7 МПа и 509 °С. ТЭЦ поставляет потребителям тепловую (500 МВт) и электрическую (90 МВт) энергию. Коэффициент использования тепла топлива (в расчете на высшую теплоту сгорания) составляет 86 %.
В котле сжигается уголь с теплотой сгорания Q^r_i=27 МДж/кг (6440 ккал/кг) и брикеты с Q^r_i=18 МДж/кг (4300 ккал/кг), которые получают из отходов, образующихся при производстве бумаги и картона. Доля угля должна быть не менее 60 %. Топка котла с кипящим слоем имеет 3 зоны, отличающиеся размером поперечного сечения. В третьей зоне при температуре 900 °С происходит дожигание продуктов неполного горения, после чего газы и материал слоя попадают в циклоны. Уходящие дымовые газы с температурой 140 °С очищаются в тканевом фильтре и затем поступают в дымовую трубу высотой 104 м. Содержание серы в угле – 0,7 %, в брикетах – 0,15 %, поэтому для обеспечения норм по выбросам SO₂ в слой добавляют около 1 т известняка в сутки. Выбросы NO_x оказываются достаточно низкими и не требуют специальных устройств для очистки дымовых газов.
Многолетний опыт успешной эксплуатации за рубежом котлов с механическими решетками и с кипящим слоем при совместном сжигании угля и промышленных отходов свидетельствует о перспективности этого направления и для российских энергетиков. Особенно выгодным может оказаться совместное сжигание твердого топлива и древесных отходов для Северо Запада, Сибири и богатых лесом Приморских регионов. Снижение затрат на достаточно дорогой уголь будет сопровождаться уменьшением ущерба для окружающей среды и сокращением выбросов тепличного газа.

В. Котлер, к. т. н., И. Рыжий
Журнал «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ» №5 (10), 2011

 

вернуться назад

Читайте также:

Воздушное отопление загородного дома

Мини-ТЭЦ на доступном топливе

Тепло от кондиционера

«Нехимические» методы обработки воды