Прямое сжигание биомассы в специальных промышленных котельных установках

Принципиальная схема НТВ-метода сжигания биомассы наглядно иллюстрируется рис. 3.14.

Рис. 3.14. Принципиальная схема НТВ-метода сжигания растительной биомассы: 1 - бункер топлива; 2 - питатель; 3 - топка; 4 - воздухоподогреватель; 5 - удаление золы, шлака, не сжигаемых примесей; 6 - горелка; 7 - ламинарная часть факела; 8 - турбулентная часть факела; 9 - подача топлива; 10 - горячий воздух; 11 - зола

На основе НТВ-метода разработан и испытан в условиях промышленной эксплуатации на лигнине (растительной биомассе - отходах Кедайского биохимзавода) паровой котел мощностью 40 Мвт. Метод НТВ опробован в опытно-промышленных условиях при сжигании отходов переработки древесины, гидролизного лигнина и других видах биомассы при их максимальной влажности 60 и более (до 70) %.

Проведенные испытания подтвердили достоинства внедренного метода: простоту обслуживания и реализации, возможность внедрения с минимальными переделками на действующих топках с факельным сжиганием или сжиганием в слое, самоочистку конвективных поверхностей нагрева, высокую надежность и взрывобезопасность, низкие эксплуатационные затраты, уменьшение на 40 % выбросов в атмосферу оксидов азота (благодаря глубокому снижению температуры в топке и возможности осуществления стадийности в подводе окислителя).

При сжигании биомассы с влажностью более 60 % осуществляется использование мазута (или газа) для подсветки факела.

6. Примеры некоторых конструкций котлов и технологий ТЭС зарубежных изготовителей 45-47, 50-51

6.1 Энергоустановка Алхомене с многотопливным котлом (Д = 700 т/ч)

Значительный интерес представляет введенная в 2002 г. крупнейшая в мире энергоустановка по сжиганию биотоплива в Алхомене (Финляндия) 45. Общая электрическая мощность установки при работе в конденсационном режиме составляет 240 МВт. В случае эксплуатации в комбинированном режиме с отбором пара на производство (100 МВт) и в систему теплоснабжения (60 МВт) максимальная электрическая мощность составляет 205 МВт.

Главной целью реализации проекта было доказать принципиальную возможность применения многотопливной технологии при совместном сжигании биомассы и органического топлива с высокой эффективностью и низкими выбросами вредных веществ в окружающую среду.

В топливном балансе установки доля древесной массы (древесных отходов, коры и других побочных продуктов производства комплекса бумажных и лесопильных заводов, вблизи которых построена энергоустановка) составляет 35…50 %, доля торфа - 45…55 %, предусмотрено также использование небольшого количества (до 10 %) битуминозного угля и мазута в качестве резервного топлива и в процессе растопок. Общая характеристика сжигаемых топлив приведена в табл. 3.18. Ежегодно предполагается сжигать 150…200 тыс. м³ древесных отходов. При этом проектные значения выбросов оксидов азота составят 100 мг/Мдж, серы (SO₂) 50 мг/МДж, золовых частиц 30 мг/м³ (при нормальных условиях).

Таблица 3.18 Характеристика топлива, сжигаемого на ТЭС «Алхомене» (Финляндия)

Главный элемент всей установки - многотопливный паровой котел с топкой циркулирующего кипящего слоя (рис. 3.15). Он изготовлен и поставлен фирмой Финляндии «Квернер Полпинг». Конструкция его, предназначенная для совместного сжигания биомассы, торфа и угля, уникальна. Впервые в мире в одном таком крупном котле сжигается топливо с таким широким диапазоном рабочих свойств (теплота сгорания, влажность и др.). Для компенсации большой разницы в объемах продуктов сгорания при работе на угле используется рециркуляция дымовых газов. Паропроизводительность котла по свежему пару 194 кг/с (700 т/ч) с параметрами за котлом 16,5 МПа и 545 С. Близкие показатели по промперегреву 179 кг/с (645 т/ч), 4,0 МПа и 545 С. Тепловая мощность котла 550 МВт. Размеры топки составляют 8,52440,5 при площади поперечного сечения более 200 м². Масса элементов под давлением 3000 т, общая длина труб 270 км. Для циркуляции золы в циркулирующем кипящем слое используется три пароохладительных циклона диаметром 9,0 м. Поверхность охлаждения (нагрева) циклонов служит первой ступенью пароперегревателя свежего пара. Этим обеспечивается минимальная разность температур между топкой и циклонами. Применение циклонов с паровым охлаждением (в отличие от циклонов с водяным охлаждением) - один из первых в мировой практике случаев создания котлов подобного типа.

Котел оборудован четырьмя независимыми линиями топливоподачи. Полная нагрузка котла может быть обеспечена при работе трех линий, что увеличивает надежность топливоснабжения и всего процесса генерации пара в целом . Для подогрева, необходимого для горения воздуха, используется РВП. Он изготовлен и поставлен фирмой Хоуден Пауэр (Великобритания). Его поверхность нагрева составляет 37768 м², а общая масса 260 т. Основное достоинство РВП - достижение более высокой эффективности работы котла при умеренном аэродинамическом сопротивлении как по воздушной, так и по газовой сторонам. (В случае применения трубчатого ВЗП оно было бы в два раза выше при более низкой выходной температуре воздуха.) Для снижения перетоков используются модернизированные эффективные уплотнения. Для уменьшения низкотемпературной коррозии «холодного» конца используются элементы с эмалевым покрытием. Для очистки поверхности РВП от золовых загрязнений используются комбинированные системы, состоящие из обдувочных аппаратов и устройств водяной обмывки. Котел оборудован двумя вентиляторами первичного воздуха аксиального типа и двумя вентиляторами первичного воздуха радиального типа. Аксиальные (осевые) выполнены одноступенчатыми с диаметром крыльчатки 1938 мм; мощность электродвигателя 1500 КВт, частота вращения 1490 об/мин.

Вследствие более высокого сопротивления газового тракта аксиальные (осевые) дымососы выполнены двухступенчатыми с диаметром крыльчатки 2438 мм. Мощность двигателя 1600 КВт, частота вращения 990 об/мин. Снижение образования NО_х обеспечивается применением ступенчатого подвода воздуха. Для уменьшения выбросов SO₂ в топку вводится известняк, причем при сжигании угля и торфа его вводится больше, с увеличением доли сжигания древесных отходов количество вводимого известняка снижается. Ввод известняка осуществляется пневматическим способом.

Рис. 3.1 Котельная установка с циркулирующим кипящим слоем: 1 - паровой барабан; 2 - внутритопочный радиационный пароперегреватель; 3 - пароохлаждаемые циклоны; 4 - ступени пароперегревателя свежего пара; 5 - ступени промежуточного пароперегревателя; 6 - экономайзеры; 7 - регенеративный вращающийся воздухоподогреватель; 8 - дутьевые вентиляторы; 9 - топка

Для более глубокой денитрификации продуктов сгорания используется система селективного некаталитического восстановления (СНКВ). При достижении определенной концентрации NO (50 мг/МДж) в циклоны впрыскивается аммиак. Предусмотрена также подача его непосредственно в топку. От золы дымовые газы очищаются в четырехпольном электрофильтре.

При изготовлении котла использовались различные конструктивные материалы - от углеродистой до аустенитной нержавеющей стали марки Х10СчМоVNb91. Общая стоимость сооружения энергоустановки (блока) 240 МВт Алхомене (г. Пиетареари) примерно 1 млрд финских марок (170 млн евро) с долей финской стороны около 70 %. Удельные капитальные затраты составили ориентировочно 760 евро/квт. Проект был поддержан программой «Терми», выполняемой в рамках Евросоюза.

Трехцилиндровая паровая турбина изготовлена российско-финским консорциумом ЛМЗ-Энергико (С-Петербург-Хельсинки). Российской стороной изготовлены ЦСД и ЦНД, а также конденсатор, длина последних лопаток ЦНД достигает 1200 мм.; ЦВД поставлен фирмой Сименс, выступившей в качестве субподрядчика ЛМЗ; финская сторона поставила конденсатные насосы, циркуляционные насосы, часть подогревателей и другое вспомогательное оборудование; давление в конденсаторе, охлаждаемом морской водой, 0,002 МПа; расход воды 7,5 м³/с; конденсатор выполнен из титановых трубок общей длиной 270 км; генератор с водородным охлаждением Австрийской поставки фирмы V.A. Tech Hydro мощностью 306 МВт, V = 15,75 кВ, n = 3000 об/мин; коэффициент мощности 0,85).

6.2 Котлы с циркулирующим кипящим слоем фирмы «Такума» для сжигания отходов бумажного производства

Тенденции развития котлов малой мощности иностранными производителями в основном связаны с использованием циркулирующего кипящего слоя как способа сжигания твердого топлива.

Технологический процесс, осуществляемый в котле, показан на рис. 3.16. Из него видно, что сжигание жидких отходов весьма сложный технологический процесс. Некоторые из элементов этого технологического процесса могут быть использованы при разработке котлов малой мощности:

- использование генераторов, работающих на жидком топливе для подогрева воздуха;

- установка вынесенных воздухоподогревателей;

- использование плотных дозаторов для исключения подсоса воздуха под золоулавливающими устройствами и т.п.

Рис. 3.16. Технологическая схема сжигания отходов бумажного производства

На рис. 3.17 изображен паровой котел малой мощности для сжигания твердого топлива в кипящем слое той же фирмы «Такума». Как и в предыдущем случае, используется генератор для дополнительного подогрева воздуха. На рисунке не показано, но, вероятно, из камеры под испарителем организован возврат недогоревших частиц топлива обратно в слой.

На рис. 3.18 показан более мощный котел производительностью 43 т/ч при выработке пара 62 кгс/см² и t_пе = 460 С и сжигании гранулированных отходов.

Как и в предыдущем случае, в нем не предусматривается специальных устройств для улавливания недогоревших частиц. Это осуществляется за счет гравитационного эффекта при снижении температуры и скоростей газов в районе пароперегревателя и испарителя. Возврат частиц топлива осуществляется через дозатор под бункером с помощью вторичного воздуха. Экономайзер и воздухоподогреватель вынесены, и работают в слабозапыленном газовом потоке после санитарных золоуловителей.

Рис. 3.17. Паровой котел малой мощности фирмы «Такума»

Рис. 3.18. Котел производительностью 43 т/ч для сжигания твердого топлива в кипящем слое (фирма «Такума»). Продольный разрез

Рис. 3.19. Технологическая схема котла с ЦКС

На рис. 3.20 показан компактный сепаратор, являющийся неотъемлемой частью топочной камеры и камеры охлаждения, которые выполнены из газоплотных панелей. Такое решение и для котлов малой мощности (в случае возможности реализации) было бы весьма полезным.

Рис. 3.20. Внутритопочный сепаратор фирмы «Foster-Wheeler» для котлов с ЦКС

6.3 Перспективы использования биомассы в развитых странах мира 45-60

Растительная биомасса в силу таких своих основных качеств, как возобновляемость данного вида топлива, его экологическая чистота в сравнении с другими видами топлива, отсутствие воздействия на баланс свободного углерода в атмосфере, ведущего к развитию «парникового» эффекта, считается одним из наиболее «благородных» видов топлива и рассматривается во многих странах как перспективный источник энергии на ближайшее будущее.

В большинстве развитых стран имеются долгосрочные программы по биоэнергетике. Так, в Финляндии, занимающей ведущее место в области изучения и использования биотоплива, соответствующие исследования ведутся с 1980 г. С 1993 г. функционирует программа BIOENERGIA. Указанная программа включает 60 проектов. Основные направления исследований, предусмотренные программой, включают в себя: газификацию и сжигание; схемы и оборудование небольших электростанций; сушка под давлением; производство древесных топлив; торфопроизводство; экономика и экология биотоплив.

В настоящее время (на 2000 г.) Финляндия за счет леса и торфа удовлетворяет около 14 % энергетических потребностей. При этом в энергетических целях используется 4,5 млн м³ древесины, а доступные неиспользуемые пока лесные ресурсы составляют: древесные отходы - 67 %; торф - 28 %; технологическая щепа - 5 %.

В Швеции более 14 % всей энергии вырабатывается на биомассе. В США мощность энергетических установок, работающих на биомассе, достигает 9000 МВт.

В конце 1990 г. создана программа сотрудничества по энергетическому использованию биомассы «ЛЕБЕН» (LEBEN-LARGE EUROPEAN BIOMASS ENERGE NETWORK). Она включает более 16 проектов для стран ЕС. Ее конечной целью является доведение проектов до стадии промышленных технологий 26.

Бюджет Министерства энергетики США также предусматривает выделение крупных сумм на развитие технологий использования биомассы.

Для прямого сжигания биотоплива за рубежом используются и развиваются различные модификации слоевого сжигания, сжигания в пузырьковом и циркулирующем кипящем слое. При этом основное внимание уделяется очистке газовых выбросов.

Межнациональная компания Ahlstrom, являющаяся крупнейшим в мире производителем многотопливных котлов, допускающих сжигание древесины (40 % мирового рынка), к началу 1994 г. поставила 70 котлов стационарного кипящего слоя тепловой мощностью от 5 до 200 МВт, 120 котлов с циркулирующим кипящим слоем общей тепловой мощностью 12500 МВт, максимальная мощность изготовленного котла 250 МВт; предлагается изготовление котлов мощностью до 400 МВт 5-7. Слоевые методы сжигания биомассы, в том числе бытовых отходов и соломы, развиваются датской фирмой Volund.

Ведущие котлостроительные фирмы применяют высокотемпературную и низкотемпературную очистку газов, двухступенчатое сжигание, дожигание уноса, введение присадков. Фактическое содержание NО_х достигает 56 мг/МДж при гарантированных значениях 140…170 мг/МВт. Котлы для сжигания биомассы пользуются спросом на мировом рынке.

Более 10 лет эксплуатируется в США (штат Вермонт) электростанция мощностью 50 МВт, работающая на биомассе, состоящей на 80 % из древесины от санитарных рубок и отходов лесозаготовок и на 20 % - из отходов переработки древесины. Однако при средней мощности электростанций с биоэнергетическими установками 20 МВт и их эффективном кпд 25 % себестоимость электроэнергии составляет 6,5…8,0 центов/кВтч. В то же время приемлемая себестоимость электроэнергии составляет 4,5…5,5 центов/кВтч, что требует иметь эффективного кпд установки не менее 35…40 %.

Такое повышение эффективного кпд требует замены прямого сжигания и паросилового цикла (на установках малой производительности) более совершенными технологиями, включающими термическую газификацию. В связи с этим в США, Канаде, Финляндии, Австрии были построены газогенераторы различных типов для замены прямого сжигания в установках, работающих по паросиловым циклам. Были предложены и нашли поддержку интегрированные газификационные циклы (IGCC), являющиеся различными модификациями отечественного парогазового цикла с внутрицикловой газификацией. Основные проблемы, возникающие при реализации такого цикла, связаны с очисткой генераторного газа и работоспособностью проточной части газовых турбин на продуктах сгорания генераторного газа. При этом становится целесообразным осуществление процесса генерации газа под давлением. Программы по реализации (IGCC) проводились в США (IGT), Финляндии (Tampella, VTT), Швеции (TPS). Такой цикл в диапазоне мощностей 50…150 МВт позволяет получить эффективный кпд, равный 45…50 %, и коэффициент использования топлива 90 %. При этом выбросы в атмосферу на 20…50 % ниже, чем при традиционных методах сжигания. В табл. 3.19 приведены обобщенные значения тепловой эффективности установок различной мощности, работающих по различным термодинамическим циклам 6, 7, 8, 26.

Таблица 3.19 Эффективность энергоустановок при работе на биомассе

Датская фирма Volund совместно с DTY и RISO разработала газогенератор слоевого типа. Для очистки газа используется горячий циклон, керамические фильтры, каталитические и крекинговые (температура 400 С) системы. Газификации подвергается солома и бытовые отходы. В установках малой мощности фирма использует разработанные в Австрии керамические теплообменники для отвода тепла в цикл ГТУ.

В США запланирован комплекс программ по созданию интегрированных систем производства топливной биомассы и систем ее переработки в энергетическое топливо, куда входят: газогенераторы, газовые турбины, системы прямого сжигания, пиролиз, производство этанола в процессе брожения и ферментации, топливные ячейки. Характерными для ориентации западных фирм по использованию растительной биомассы для установок малой и средней производительности являются газогенераторные технологии на биомассе, преимущество которых перед технологиями прямого сжигания заключается в существенно меньшем загрязнении окружающей среды и повышении эффективности использования биомассы.

В зависимости от типа применяемого теплового двигателя существенно меняются требования к степени очистки генераторного газа:

џ при сжигании газа в топках котлов очистки газа не требуется, следует только предельно сокращать газовые коммуникации (из-за опасности осмоления газопроводов);

џ подготовка газа для сжигания в дизеле заключается в отделении твердых частиц, низкокипящих смол и охлаждении.

Применяемые обращенные процессы газификации позволяют в значительной степени решить возникающие при этом проблемы 10, 26.

Наиболее жесткие требования к очистке газа предъявляются при использовании его в газовых турбинах.

Основными газогенераторными технологиями при этом являются: атмосферная газификация - для использования в схемах паросиловых и дизельных электростанций; газификация под давлением - для использования в парогазовых и газотурбинных электростанциях.

Проблемами в развитии газогенераторных технологий остаются вопросы тонкой очистки генераторного газа. Для энергетических установок малой мощности (5…10 МВт) базовым решением является работа по циклу Дизеля, в перспективе - газовые турбины и двигатели Стирлинга. Для больших мощностей - комбинированный парогазовый и паросиловой циклы. Максимальная электрическая мощность биотопливных установок ограничивается доступностью топлива (его транспортировка на расстояние более 100…150 км нерентабельна) и не превышает 50…100 МВт.

6.4 Пример биомассовой мини-ТЭЦ, пущенной в эксплуатацию в Германии 46

В декабре 2002 г. в Гроссатингене (Германия) компанией SFR GmbH из Саарбрюкена была официально пущена в эксплуатацию первая из пяти больших биомассовых ТЭЦ, предназначенных для работы на старой древесине. Стоимость проекта, который инвестировала компания SFR GmbH, составил 15 млн евро.

Основное оборудование ТЭЦ - биомассовый паровой котел и паровая турбина электрической мощностью 5,1 МВт, которая вырабатывает 40800 МВтч электроэнергии в год, поступающей в сеть г. Аугсбург. Паровой котел производит 21,5 т/ч свежего пара, который должен в будущем полезно использоваться потребителями близлежащего промышленного региона.

Поставляются на ТЭЦ ежегодно 40 000 т старой древесины класса В1 (естественной выдержки или исключительно механически переработанной, не загрязненной посторонними веществами) и класса В2 (склеенной, слоеной, лакированной или иначе обработанной без галогеноорганических соединений и без защитных средств, а также старой древесины с галогеноорганическими соединениями, но без средств защиты древесины).

Поставляемая древесина должна иметь максимальную влажность 30 %, размеры кусков 50х50х300мм и среднее значение теплоты сгорания 13200 кДж/кг. Ее складируют в два бункера вместимостью по 1500 м³ (примерно по 375 т), что соответствует ее трехдневному расходу. Из бункеров по подающему желобу древесина поступает в топку парового котла, обмурованную трехслойной шамотной кладкой. В колосниковой топке с внутренней денитрификацией по некаталитическому способу (SNCR) древесина горит при температуре от 850 до 1000 С.

В качестве парового использован водотрубный котел, разработанный австрийской компанией Josef Bertsch GmbH & Co из Блуденца. Дымовые газы движутся из топки вверх, и в водотрубном котле генерируется пар с параметрами 4,7 МПа, 430 С, который поступает в паровую турбину, изготовленную компанией Ecol. Spol (Брно, Чешская республика).

В соответствии с федеральными нормами по охране окружающей среды 17 BimschV на ТЭЦ смонтирована трехступенчатая газоочистная установка. Она рассчитана на расход 55 000 м³/ч дымовых газов из котла с температурой 150 С и работает по способу сухой сорбции.

На рис. 3.21 приведена схема газоочистной установки, разработанной австрийской кампанией Schench JmH из Аурольцмюнстера.

Установка включает в себя компоненты циклонной установки, реактор летучей золы, импульсный рукавный фильтр, бункер аддитива

Рис. 3.21. Схема газоочистной установки парового котла, работающего на древесной биомассе: 1 - дымовые газы из топки; 2 - двойной циклонный осадитель; 3 - подача аддитива из бункера; 4 - рециркуляция дымовых газов; 5 - байпасная система; 6 - линия неочищенных газов; 7 - рукавный фильтр; 8 - ковшовый элеватор; 9 - бункер остаточных веществ; 10 - рециркуляционный сборник; 11 - бункер остатков; 12 - дымосос; 13 - инжектор для рециркуляции; 14 - реактор

с дозированием сорбента, рециркуляционный дымосос и бункер остаточной золы. Первая ступень с двойным циклоном служит для предварительного осаждения летучей золы, а также для защиты подключенного последовательно с ним импульсного рукавного фильтра.

После предварительного осаждения летучей золы неочищенный газовый поток поступает в реактор для дозированного смешивания с адсорбентом (гидроокисью кальция или пудлинговым коксом) и связывания вредных веществ (HF, HCl, SO₂), а также органических и неорганических элементов (например, диоксинов, фуранов, ртути, мышьяка) по принципу сухой сорбции. Так как определенная доля вредных фракций (HF, HCl) после добавки адсорбента будет связана уже во второй ступени, осаждение названных вредных веществ происходит в фильтре (третья ступень) в фильтрующем слое постоянной толщины.

Для повышения осаждаемости импульсной фильтрующей установки последняя выполнена четырехкамерной с возможностью переключения осадительных камер. Для оптимального использования адсорбента в ходе эксплуатации после очистки фильтра он снова подается в газовый поток на входе в фильтр. Повторное использование этого аддитива осуществляется с помощью специального дозирующего сборника, из которого он регулируемым шнеком подводится в линию неочищенного газа.

Степень осаждения в очищаемом газе контролируется непрерывно с помощью системы эмиссионного мониторинга, причем сигнал по очистке газа от HCl непрерывно поступает на регулятор дозирования абсорбента.

Размещено на Allbest.ru