Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравнительный анализ двух проектов STEM перевода котельных в Ленинградской области на сжигание древесных отходов

Обеспечение экологической безопасности энергетических установок является сегодня одной из важнейших проблем. При производстве электрической и тепловой энергии в атмосферу выбрасываются газообразные загрязнители, наиболее опасными из которых являются оксиды азота, серы и углерода. Выбросы не только ухудшают состояние окружающей среды, но и изменяют радиационный (тепловой) баланс Земли, влияют на состояние защитного озонового слоя и, в конечном итоге, это может привести к изменению климата не только в региональном, но и в глобальном масштабе. Этим вопросам были посвящены международные конференции ООН: Стокгольм-72; Рио-де-Жанейро-92; Киото-97. Важнейшим моментом считается снижение выбросов С02 для уменьшения «парникового эффекта» и реализация пунктов Киотского протокола.

Постоянный рост цен на газообразное топливо и мазут (рис. 1), с учетом того, что в ближайшее время они достигнут мирового уровня, а также ограниченность запасов этих топлив по сравнению с твердым топливом, приводит к необходимости более широкого использования в энергетике твердых топлив. Относительно низкие цены в России на газ (~370 руб./1000 м3 12 USD/1000 м3), по-видимому, не сохранятся достаточно долго и в скором времени достигнут уровня мировых (более 80 USD/1000 м3). Возобновляемость древесного топлива и относительно низкая стоимость древесных отходов (100...120 руб./пл. м3) делает их использование особенно перспективным. экологический безопасность энергетический

Проведем анализ двух проектов перевода котлов на древесные отходы: котельной Лисинского лесхоза-техникума (ЛЛТ) и котельной в п. Белоостров (под Санкт-Петербургом). Проекты осуществлены в рамках программы STEM «Природосберегающие энергетические системы в странах Балтики и Восточной Европы», направленной на энергосбережение, уменьшение выбросов оксидов серы, азота, углерода и улучшения в целом окружающей среды (1).

В котельной ЛЛТ до реконструкции были установлены четыре котла, мощностью 0,8 МВт каждый. Три котла сжигали мазут Киришского нефтеперерабатывающего комбината (Wr=3,0%, Sr= 1,4%, Qri=39,8 МДж/кг) и один котел работал на дровах. По проекту STEM шведской фирмой НОТАВ в котельной смонтирована установка с водогрейным котлом Multimiser 20 Danstoker мощностью 2 МВт (Р=0,4 МПа), оборудованным предтопком с наклонно-переталкивающей решеткой Optimal (F=3,94 м2), (схематически установка показана на рис. 2). Котел имеет замкнутый циркуляционный контур с промежуточным пластинчатым теплообменником «Cetepac CP 500» (Швеция), мощностью 2 МВт, который нагревает сетевую воду до 114 °С. Установка имеет крытый склад топлива на 200 м3. Подача топлива со склада, сжигание топлива, отвод газов, шлака и золы - полностью автоматизированы. Регулирование осуществляет САУ фирмы Siemens. Автоматическое поддержание концентрации О2 на выходе из котла обеспечивается регулированием расхода вторичного воздуха - изменением числа оборотов двигателя вентилятора вторичного воздуха. Система подготовки топлива к сжиганию (измельчение древесины до размера не более 40...50 мм) включает в себя рубительную машину S-1100 S производства Russo-Balt V.Z. (Латвия), которая находится за пределами котельной.

Первичный воздух забирается из помещения котельной и подается под решетку (Т25 °С). Вторичный воздух засасывается вентилятором через щель между наружной обшивкой и обмуровкой предтопка, где нагревается примерно до 50 °С и подается в надслоевое пространство через расположенные на боковых стенах сопла (10 штук с каждой стороны). В качестве топлива используются древесные отходы ЛЛТ (древесная щепа, кора, опилки) с Wr=25...55 %, Qri = 7...11,3 МДж/кг; содержание опилок - до 30 %.

Анализ стоимости основных элементов установки (табл. 1) показал, что наиболее дорогими элементами являются: оборудование склада топлива с конвейером (23%); предтопок с решеткой (18 %); котел (17 %). По затратам STEM, стоимость 1 МВт установленной мощности котельной ЛЛТ составила 170 тыс. USD*, что несколько выше, чем для аналогичных проектов в прибалтийских странах - 110...145 тыс. USD/МВт*. Следует отметить, что такая стоимость является достаточно высокой для России.

При сравнении цены на основной элемент установки - водогрейный котел (табл. 2) - можно отметить, что при покупке его у отечественных производителей стоимость установки может быть существенно снижена. Системы автоматического регулирования, системы подачи топлива пока еще целесообразно покупать за рубежом.

Таблица 1. Стоимость отдельных элементов оборудования котельной установки.

Таблица 2. Сравнение стоимости котлов

Второй проект STEM - перевод угольной котельной в п. Белоостров на сжигание древесного топлива. В котельной установлены четыре чугунных секционных котла «Тула-3» с номинальной суммарной мощностью 2 МВт. Котлы были оборудованы колосниковыми решетками с ручным обслуживанием, имеют трехходовое движение газов, боковые стены выполнены кирпичными с множеством неплотностей. (С 1985 года котлы «Тула-3» сняты с производства как устаревшие.) До модернизации котлы сжигали интинский уголь (Wr=10,8 % , Ar=24,9 %, Sr=0,38 %, Qri=4517 ккал/кг). Модернизации подверглись три котла (№№ 1, 2, 3). Котел № 4 реконструкции не подвергался, используется в качестве резервного - в периоды проведения профилактических и ремонтных работ на котлах №№ 1-3. В качестве топлива для котла № 4 используются или уголь, или отходы деревообработки (размер кусков до 500 мм).

Модернизация котлов №№ 1-3 заключалась в следующем: монтаж шнековых питателей древесной щепы с нижней выдачей топлива на середину решетки; установка новых вентиляторов первичного и вторичного воздуха и дымососов; монтаж шнекового транспортера древесной щепы от склада топлива к котлам; строительство склада древесной щепы (размеры в плане - 5,5х12 м, объем - Vсклада~200 м3) с 4-мя механическими толкателями (по 9 скребков на каждом); установка дополнительного транспортера и рубительной машины; установка новых систем КИП и автоматики (САУ) фирмы Siemens. Регулировка расходов первичного и вторичного воздуха осуществляется вручную изменением степени закрытия поворотных заслонок на всасе вентиляторов. Зола из топки удаляется вручную во время останова котла с периодичностью 1 раз в неделю. В основном древесное топливо для котлов поставляется Рощинским лесхозом (Qri=1820 ккал/кг) и, частично, - ЛЛТ. Дополнительно утилизируются (сжигаются) отходы мебельного производства (крупнофракционные опилки, ~50 пл. м3 в месяц), расположенного по соседству с территорией котельной.

Для определения фактических технико-экономических и экологических показателей работы котельных ЛЛТ и п. Белоостров нами были проведены экспресс-испытания на различных режимах, отличавшихся: тепловой мощностью котла; коэффициентом избытка воздуха; соотношением расходов первичного и вторичного воздуха. Измерения на котлах проводились газоанализатором ЕЕЕ-96001, который определял концентрации СО, CO2, О2, NO, NO2, SO2 и H2S, температуру уходящих газов (Tух), потери тепла и КПД (с записью на компьютере). На основании этих данных (с внесением необходимых поправок) и анализу сжигаемого топлива рассчитывались характеристики работы котлов (табл. 3).

Обработка собранных данных показала, что число часов работы и средняя и максимальная эксплуатационные нагрузки котлов составляют: в ЛЛТ - 5400 часов при Nср=65 % (Nmax=80 %); в п. Белоостров - 6800 часов при Nср=80% (Nmax=100%).

Таблица 3. Усредненные результаты испытаний котлов Multimiser 20 Danstoker и «Тула-3» при Nном

* - приведено к б=1,4 и 101,3 кПа.

Из таблицы 3 видно, что концентрации вредных веществ в уходящих газах котлов находятся на приемлемом уровне и удовлетворяют требованиям по охране окружающей среды. Котлы «Тула-3» имеют достаточно высокие выбросы СО.

Анализ записей на компьютере показал, что при работе котлов на древесных отходах, даже котлов с наклонно-переталкивающей решеткой (Multimiser 20 ЛЛТ), есть значительные пульсации концентраций СО (с кратковременным увеличением до 400...500 мг/м3) (рис. 3).

Это можно объяснить неравномерной раздачей первичного воздуха по колосниковой решетке, например, при перемещении колосников.

Для повышения КПД котла целесообразно устанавливать отключаемый водяной экономайзер или воздухоподогреватель, которые позволят понизить температуру уходящих газов от 220...250 °С до 160...180 °С (минимум по температуре «точки росы») и увеличить КПД котла до 90 %.

Анализ экспериментальных данных показал рост содержания NO2 (от 130 до 160 мг/нм3) в продуктах сгорания древесного топлива от нагрузки котла (рис. 4). Эта зависимость для котла Multimiser 20 Danstoker для нашего случая в диапазоне нагрузок (0,4...1,0) N/Nном имеет линейный характер и может быть описана выражением:

N02 = 35·(N/Nном) +119, мг/нм3.

Анализ процесса образования оксидов азота по методике (2) для слоевого сжигания древесного топлива показал, что возможно образование как «термических» (до 40%), так и «топливных» (до 60%) оксидов азота. Для уменьшения генерации NOx целесообразно вести процесс горения с минимально допустимыми (по образованию СО, H2S) значениями коэффициента избытка воздуха: слоя=0,5...0,7; вт.возд.=0,6...0,8. Целесообразна также подача третичного воздуха - тр.возд. до 0,1.

В зонах, обедненных кислородом - в слое и в надслойном пространстве, возможно разложение оксидов азота в следующих итоговых гомогенных и гетерогенных реакциях:

2NO+2CO=N2+2CО2, 2C+2NO=2СО+N2.

Последняя реакция протекает на коксовых частицах. Для расчета процесса разложения оксидов азота на коксе примем константу скорости реакции по данным Tang Biguang и Kazutomo Ohtake:

k=1,18104exp(-145000/RT).

Расчетная оценка показала, что доля разложившихся по этой реакции оксидов азота может составить до 30% от общего количества образовавшихся NО, что представляет собой достаточно значительную величину, которая должна быть учтена при анализе.

Оценка эколого-экономической эффективности работы котла ЛЛТ проводилась за отопительный период 2000 года. За это время котел проработал 5160 часов и сжег (по показаниям САУ) 2683 пл. м3 древесных отходов. Примем средние характеристики древесных отходов следующими: Wr =40 %, Ar=0,6 %, Sr=0,018 %, Nr=0,4 %, Qri=10,22 МДж/кг, =0,314 т/нас. м3=0,785 т/пл. м3. Динамика расхода древесного топлива по месяцам показана на рис. 5.

Количество произведенной тепловой энергии за 2000 год по данным теплового счетчика составило 3870,716 Гкал.

Оценка сравнительной эффективности использования древесного топлива вместо мазута (газа или каменного угля) приведена в таблице 4. Таким образом за рассматриваемый период сжигание древесных отходов позволило ЛЛТ сэкономить (при стоимости мазута на 1.02.2001 - 2500 руб./т) 1083700 руб. (что при курсе 28,87 руб./USD эквивалентно 37537,2 USD). При замене мазута на древесное топливо для ЛЛТ за отопительный период 2000 года снизились выбросы в атмосферу: оксидов серы на 14,3 т; диоксида азота на 3,4 т; двуокиси углерода на 1654 т.

Таблица 4. Сравнительная эффективность сжигания древесных отходов в котельной ЛЛТ

При расчетах использовались следующие исходные данные:

· характеристики топлива: мазут (Qri=39,8 МДж/кг, Sr=1,4 %, Ar=0,1 %; природный газ Qdi =37,46 МДж/м3, CH4=89,7 %, H2S=0 %; интинский уголь, Qri =17,6... 18,8 МДж/кг, Sr=0,38...2,6 %, Ar =25,4 %;

· стоимость выбросов вредных веществ принята по европейским данным: - 44 USD за 1 тонну СО2; 5,5 USD за 1 кг NО2; 4,1 USD за 1 кг SO2;

· выбросы СО2 при сжигании древесного топлива можно считать равными нулю, т.к. они компенсируются СО2, поглощенным ранее при росте деревьев.

· курс ЦБ РФ 28,87 руб. за 1 USD (на 12.04.2001 г.)

Если принять стоимость вредных выбросов по европейским данным, то дополнительный экономический эффект (без учета выбросов золы) составит значительную сумму - 5419397 руб. Следует учесть так же положительный эффект для окружающей среды за счет использования древесных отходов санитарных рубок и чисток леса.

Оценка сроков окупаемости проектов показала, что замещение мазута древесным топливом и снижение выбросов в атмосферу вредных веществ покрывают затраты на модернизацию котельной за период ~ 4,5...5 лет при условии эксплуатации котельной установки на нагрузке, близкой к номинальной.

Выводы

1. Сравнительный анализ цен на рынке топлива, «возобновляемость» древесного топлива, относительно низкая стоимость древесных отходов, уменьшенный выброс вредных веществ при сжигании показывает перспективность перевода котельных, сжигающих мазут и каменный уголь, на сжигание древесных отходов для производства тепловой энергии.

2. Снижение выбросов (в пересчете на 10000 МВтч тепловой энергии) для котельной ЛЛТ составляет: по оксидам азота - 6,44 т; по оксидам серы - 27,57 т ; по двуокиси углерода-3180 т.

3. В «экологичеких» проектах STEMa заложен высокий уровень механизации и автоматизации процессов транспортировки и сжигания древесных отходов, что является чрезвычайно важным для российской малой энергетики. Однако стоимость 1 МВт установленной мощности в проектах STEM довольно высока - 145...170 тыс. USD. Целесообразно в подобных проектах, для уменьшения стоимости установок, применять элементы российского производства: котлы, воздухоподогреватели, экономайзеры, тягодутьевые машины. Системы подачи топлива, устройства для сжигания, системы автоматики, по-видимому, пока еще целесообразно приобретать за рубежом.

4. Анализ показал, что перевод котельных на сжигание древесного топлива является рентабельным - срок окупаемости проекта ~ 4,5...5 лет.

Литература

1. А.А.Тринченко, С.М.Шестаков, Д.А.Алексашкин, Н.В.Сметанин. Экономическая эффективность перевода котельной Лисинского лесхоза-техникума с мазута на древесные отходы // XXVIII неделя науки СПбГТУ. Ч 1: Материалы межвуз. науч. конференции. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. - С. 150-151.

2. В.Р.Котлер. Оксиды азота в дымовых газах котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 144.

Размещено на Allbest.ru