Для котлов меньшей мощности (<30 МВт) затруднительно организовать сжигание твердого топлива по НТВ-технологии. Для диапазона мощностей 4-30 МВт целесообразно применить высокотемпературный циркулирующий кипящий слой (ВЦКС), который является аналогом технологии «Ignifluid» (Франция). ВЦКС - относительно новый для России метод сжигания топлива.

Как правило, при эксплуатации слоевых котлов обнаруживаются существенные недостатки:

¦низкая надежность колосникового полотна вследствие провала топлива под решетку;

¦кратерное горение топлива, что приводит к повышенному избытку воздуха на выходе из топки а_т=1,4-1,5;

¦увеличенная потеря тепла от механического недожога (q₄=6-10%);

¦пониженный КПД (70-80%);

¦ограничение теплопроизводительности слоя и котла, и др.

Проблемы усугубляются при сжигании непроектных, низкокачественных углей местных месторождений, которые составляют основу топливного баланса малой энергетики [3].

Рассмотрим применение ВЦКС на примере котла КЕ-25-14С ст. № 2, установленного в котельной ООО «Крастяжмашэнерго». По техническому заданию были определены следующие цели модернизации котла при применении ВЦКС-технологии:

¦увеличение межремонтного цикла и удешевление ремонта решетки;

¦обеспечение возможности сжигать угли различных марок;

¦расширение диапазона работы (30-120%);

¦повышение КПД котла;

¦уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу;

¦максимально возможное сохранение существующего вспомогательного оборудования и минимальный объем работ по реконструкции котла.

Следует отметить, что технология ВЦКС сохраняет все основные достоинства кипящего слоя (КС). При этом ширина решетки уменьшается в 4-5 раз, над ней организуется кипящий слой горящего топлива. Допустимо применение решетки ВЦКС прямого и обратного хода.

Для модернизации котла была использована решетка прямого хода (рис. 2).

Колосниковое полотно решетки по ширине сужено с 2500 до 510 мм и наклонено под углом 8^О. Топливом для котла служит ирша-бородинский бурый уголь. Двухступенчатое сжигание топлива по технологии ВЦКС осуществляется в кипящем слое (на узкой решетке) и в надслоевом пространстве, в циркулирующем кипящем слое. Решетка ВЦКС предназначена для образования кипящего слоя. Она распределяет первичный воздух по семи зонам кипящего слоя (в зависимости от характеристик топлива) и удаляет очаговые остатки в систему шлакоудаления. Кипящий слой образуется из частиц угля, кокса и золы без использования инертного материала. Первичный воздух нагревается в воздухоподогревателе примерно до 180 ^ОС и его доля составляет около 60-65% от общего расхода воздуха. Дожигание частиц топлива и продуктов неполного горения происходит в струях вторичного холодного воздуха (острое дутье), направленных со стороны боковых экранов. Для подачи вторичного воздуха устанавливается новый вентилятор. За топкой образована осадительная камера, в которой улавливается часть топлива и золы и направляется обратно в топку (в надслойное пространство), через новую систему возврата уноса. Тем самым организуется дополнительная (вторая) зона циркуляции топлива.

Реконструкция топочной камеры включает в себя:

¦демонтаж нижней части фронтового экрана и установку вместо него новой, удлиненной трубной системы;

¦установку измененного заднего экрана с организацией за ним камеры осаждения;

¦установку двух продольных панелей охлаждения решетки ВЦКС, выполненных из наклонных труб 076x8 мм, включенных в контур циркуляции заднего экрана котла.

Предварительного разогрева слоя не требуется, котел, работающий по технологии ВЦКС, разжигают так же, как обычный слоевой котел. Эксплуатация и обслуживание топки в целом не слишком отличается от тех, что выполняются для обычных слоевых топок, что способствует быстрому освоению новой технологии персоналом котельной.

По нашим расчетам, КПД котла увеличится от 70-80 до 85,5-87%. Это происходит за счет улучшения выгорания топлива при организации двухступенчатого сжигания и возврата уноса, что значительно снижает потери тепла от механического недожога (q₄<3,5%), и снижения потерь тепла с уходящими газами до q₂=7,6% (понижение температуры уходящих газов до 147 ^ОС). Срок окупаемости проекта составляет менее трех лет.

Рабочий проект модернизации котла КЕ-25- 14С по технологии ВЦКС выполнен ЗАО «Невэнергопром» в 2010 г., а в 2013 г. заканчивается монтаж узлов котла.

Топки ВКЦС можно с успехом применять для сжигания разнообразных местных твердых видов топлива, включая биотопливо, как раздельно, так и в смеси.

Топки для сжигания биотоплива

В настоящее время технология сжигания биотоплива достаточно отработана на отечественных и зарубежных установках. В зависимости от характеристик биотоплива (влажности, гранулометрического состава и стоимости) применяются различные топочные устройства:

¦скоростные топки Померанцева;

¦слоевые топки с механическими решетками;

¦топки с кипящим слоем;

¦газогенераторные установки и т.д.

Все они имеют те или иные преимущества и недостатки. В состав оборудования входит отечественная или импортная система автоматического управления (САУ). При переменной влажности древесных отходов (W_r=30-60%) гораздо лучше показали себя топки с наклонно-переталкивающими решетками зарубежного производства с тепловым напряжением зеркала горения около 500-700 кВт/м². Выбросы оксидов азота (в пересчете на NO₂) в атмосферу при этом составляют 130-160 мг/нм³.

На рис. 3 изображена схема модернизированного котла КЕ-10-14 с наклонно-переталкивающей решеткой для сжигания древесных отходов. Проект котла выполнен зарубежной фирмой Tamult (Эстония) для котельной Ильинского лесозавода (Карелия) [4]. Наклонно-переталкивающая решетка со свободно-залегающим слоем имеет тепловое напряжение 500-700 кВт/м². Процессы подачи топлива, горения топлива на решетке, удаления шлака и золы, поддержания требуемого избытка воздуха полностью автоматизированы. Общий воздух разделен на первичный воздух, подаваемый под решетку (60%, в четыре зоны), и вторичный, вводимый в виде струй острого дутья в топочный объем. Первичный воздух нагревается в воздухоподогревателе до 130-170 ^ОС, вторичный подается в топку холодным, новым отдельным вентилятором. Для лучшего воспламенения и сжигания влажного топлива над задней частью решетки выполнен кирпичный зажигательный свод. Котел оборудован водяным экономайзером и воздухоподогревателем. Этот проект был реализован уже более 10 лет назад и показал неплохие результаты. При номинальной нагрузке на древесных отходах влажностью около 55% (иногда до 60%) КПД брутто котла составил 88-90%. Мазут полностью исключен из топливного баланса котла. Капитальные затраты на модернизацию котла составили примерно 50 долл. США/кВт, а срок окупаемости составил около 5 лет. Значительно снижены выбросы вредных веществ в атмосферу.

На рис. 4 представлена схема парового котла КЕ-10-14, скомпонованного с топкой скоростного горения профессора В.В. Померанцева, широко применяемой до настоящего времени. Топливо (как правило, древесные отходы) подается под собственным весом по каскадно-лотковому рукаву в зону горения. Первичный воздух прижимает топливо к «зажимающей» решетке, выполненной из ошипованных труб фронтового экрана котла.

Тепловое напряжение решетки этой конструкции может достигать 1500-4000 кВт/м² (у обычных слоевых котлов - 500 кВт/м²), что значительно сокращает зону горения. Вторичный воздух вводится в объем топки в качестве острого дутья. Топка несложна в изготовлении, проста в управлении и поэтому имеет минимальную цену. Как правило, котел дополнительно оборудован воздухоподогревателем (для подогрева воздуха при сжигании влажного топлива). КПД котла при сжигании влажных древесных отходов достигает 86-89%, что считается вполне удовлетворительным.

В последнее время бурно развивается рынок производства и потребления «искусственного» биотоплива - древесных пеллет. Они изготавливаются из древесных отходов (или древесины, или иных растительных отходов) путем измельчения, сушки и последующего прессования. В результате получаются сухие прессованные цилиндры (Pellets) диаметром от 10 до 100 мм (по требованию заказчика) и длиной от 20 до 100 мм. Они имеют стабильные характеристики, высокую теплоту сгорания (около 20 МДж/кг), практически не содержат серы, имеют малое содержание золы «2%), но относительно дороги. Пеллеты можно долго хранить и легко транспортировать на большие расстояния. Сжигание их не представляет значительных трудностей и может быть организовано в вышеперечисленных топочных устройствах. Однако, в России пеллеты не нашли пока должного применения вследствие их дороговизны. В настоящее время пеллеты в основном изготавливаются мелкими фирмами и поставляются в Западную Европу, что приносит хороший и устойчивый доход.

Выводы