Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопросы эффективного использования местных видов возобновляемого топлива в водогрейных котлах коммунальных котельных

Р.Л. Исьемин

А.Т. Зорин

А.А. Симонов

Экономическая целесообразность

Рост цен на традиционные энергоносители (газ, мазут) заставляет многие предприятия коммунальной энергетики реконструировать действующие или строить новые котельные для использования местных видов возобновляемого топлива (древесных отходов: кора, щепа, опилки, опил, рейка и т.п.; сельскохозяйственных отходов: солома, лузга подсолнечника, гречихи, проса; торфа и торфоугольных брикетов). Однако высказывается мнение [1], что использование многих из перечисленных выше отходов, вместо природного газа, в коммунальной энергетике экономически неоправданно: стоимость тепловой энергии, полученной при сжигании этих отходов, в 3 раза превосходит стоимость тепловой энергии, полученной при сжигании природного газа; при заготовке отходов используется ручной труд; сжигание отходов загрязняет окружающую среду. Эти возражения, на наш взгляд, справедливы, однако, только в том случае, когда не создана эффективная технологическая цепочка от заготовки до сжигания местной биомассы. энергоноситель котельная топливо

В Советском Союзе топки для сжигания древесных отходов и фрезерного торфа были разработаны в довоенные и первые послевоенные годы (топки Шершнева, Макарьева, Померанцева, топка для неколотых поленьев влажных дров Сильницкого и др.). Причем в топках Шершнева и Макарьева впервые был применен метод рециркуляции топлива и продуктов сгорания в топочной камере, что позволило отказаться от тщательного и равномерного помола топлива перед сжиганием. Однако эти топки имели громоздкую конструкцию и могли быть установлены только под котлами с относительно большой производительностью. В свою очередь, топки Померанцева были взрывоопасны при использовании сухой биомассы и работали с большими присосами воздуха, что снижало эффективность работы котлов в целом. Надо отметить, что перед разработчиками указанных выше топок в большей степени ставилась задача утилизации биомассы. Вопросы экономической эффективности котлов, работающих на биомассе, также, как и вопросы экономически эффективной заготовки и хранения топлива, на том этапе развития котельной техники были вторичными. Но эти вопросы становятся в наши дни определяющими, в связи с такими серьезными недостатками большинства видов биомассы, как низкая насыпная плотность и высокая влажность.

Топливо высокой влажности

Характерной особенностью древесных отходов является их высокая гигроскопичность, которая определяющим образом влияет на теплоценность (теплотворную способность) отходов и эффективность их использования как топлива. На рис. 1 представлено влияние относительного влагосодержания (количество влаги, отнесенное к массе влажной древесины) на теплоценность отходов различных пород древесины. Из графика следует, что при увеличении влажности отходов уменьшение низшей теплотворной способности топлива становится все более существенным.

С учетом такой зависимости теплоценности древесины и древесных отходов от влажности может быть предложено два варианта использования их как топлива. В первом варианте возможно прямое сжигание древесных отходов высокой влажности. Так, например, компания "Uniconfort" (Италия) выпускает котлы пяти модификаций, позволяющие, в зависимости от типа котла, сжигать древесные отходы абсолютной влажностью до 50, 60, 80 и 120% (в расчете на сухую основу). Котлы, в которых сжигается высоковлажное топливо, оборудуются наклонно-переталкивающей решеткой и сложной системой подачи первичного воздуха, обеспечивающей необходимую подсушку топлива перед сжиганием. Такой же топкой оборудуются и котлы, которые производит компания ООО "Ковровские котлы" (г. Ковров, Владимирская обл.). Топка этих котлов имеет мощную кирпичную футеровку, аккумулирующую тепло и обеспечивающую воспламенение влажного топлива. Кроме того, горячие топочные газы проходят над поверхностью влажного топлива, подсушивая его. Из вышеизложенного видно, что данный вариант использования древесных отходов требует значительного усложнения конструкции котла, увеличение мощности системы топливоподачи, что неизбежно ведет к увеличению стоимости котельной установки в целом.

Другой вариант использования влажных древесных отходов предполагает строительство для них промежуточного склада, где та же щепа за 6-8 недель в результате естественных процессов, протекающих в бурте щепы, подсушивается до влажности 25-35%. Причем скорость просушки исключает процесс гниения, а невысокая температура, образующаяся во влажном бурте (50-55 ОС), исключает возможность самовозгорания. На рис. 2 представлен внешний вид таких топливных складов. Склад представляет собой навес со стенами, которые немного не доходят до крыши, давая выход влаге, выделяющейся при сушке древесных отходов.

В России, применительно к коммунальным котельным на древесных отходах, принадлежащим одной организации, в каждом городе и поселке может быть организован центральный промежуточный склад для подсушки щепы, что позволит резко снизить капитальные затраты на приобретаемое котельное оборудование и эксплуатационные расходы.

Механизация топливного склада

Для подачи к котлам древесных отходов (щепы, опилок) многие котлостроительные фирмы, в т.ч. российские, выпускают механизированные топливные склады. Так, например, ООО "Союз" (п. Глебово, Ковровский район, Владимирская обл.) выпускает оборудование для организации механизированного топливного склада объемом до 600 м 3. При этом склад должен располагаться в непосредственной близости от энергетической установки, иметь проем для въезда погрузчика либо транспортной тележки. Транспортировка топлива осуществляется за счет возвратно-поступательного движения штанги со скребками. Набор скребковых штанг-толкателей образуют основание ("живое дно") накопительного бункера склада, обеспечивающее разгрузку и дозированную выдачу сыпучего топлива на устройство подачи (конвейер, скребковый транспортер, шнек). Наполнение топливного склада производится из специального механизированного топливоприемника. Топливо загружается в приемник с автомобильного транспорта и подается на скребковый транспортер. Приемник, также как и топливный склад, организован по принципу "живое дно" и приводится в движение гидроцилиндрами. Для защиты оборудования топливоприемник оборудован крышкой, приводимой в действие гидравликой. Управление всей приводной частью приемника производится с пульта управления.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что такая конструкция склада является сложной и дорогостоящей. Кроме того, выход из строя любого из приводов толкателей блокирует работу топливного склада и котельной в целом.

В качестве альтернативного варианта может быть использована система топливоподачи на основе суставчатой фрезы (рис. 3), разработанной специалистами компании "Heizomat Gerаtebau - Energiesysteme GmbH" еще в 1983 г. Шнековая система доставки топлива состоит из многоколенчатой фрезы, редуктора с червячной передачей, верхнего защитного диска и открытой части шнекового канала. Вращение шнека, подсоединенного к редуктору фрезы посредством шестеренчатой и червячной передач, передается валу фрезы, при этом усилие на валу достигает 5 тыс. Н/м. Редуктор имеет трехходовую лабиринтную систему уплотнения, что полностью исключает попадание пыли и грязи в механизм и, тем самым, делает его необслуживаемым узлом с длительным периодом эксплуатации. Редуктор и вал фрезы прикрываются специальным защитным диском для предохранения от ударов и равномерного распределения нагрузки от давления столба биомассы. Фреза при вращении равномерно подгребает материал к открытой части шнекового канала. Для работы в бункере большой высоты (до 15 м) или в условиях высокой влажности материала предусмотрена коленчатая конструкция с пружинами различного диаметра, исключающая защемление и остановку вращения фрезы. Складывание одного из колен фрезы уменьшает плечо, тем самым уменьшая нагрузку. Далее биомасса при помощи шнека, изготовленного из нержавеющей стали, продвигается на участок закрытого канала, непосредственно в помещение котельной. Диаметр фрезы рассчитывается в зависимости от размеров бункера и может достигать 7 м.

Легко видеть, что предложенная система топливоподачи проще системы "живое дно", кроме того, такая фреза может быть установлена для каждого котла в котельной. Выход из строя фрезы у какого-либо из котлов в котельной не останавливает работу котельной в целом, т.е. надежность системы теплоснабжения повышается. Система топливоподачи может быть пригодна при сжигании древесной щепы, опилок, стружки, лузги подсолнечника, проса, риса, а также гранул (пеллет), изготовленных из этих сельскохозяйственных отходов, и других видов биотоплива.

Золоудаление

Обычно считается, что биомасса содержит небольшое количество золы (в сравнении с углем), причем эта зола имеет высокую температуру плавления (за исключением золы соломы) и представляет собой мелкодисперсный порошок. Поэтому котлы, работающие в системах отопления и промышленного пароснабжения, оборудуются, как правило, колосниковой решеткой. Через щели этой решетки зола проваливается в золовой бункер, откуда периодически удаляется вручную или с помощью шнекового транспортера. Однако в действительности биотопливо может содержать различного рода включения, например, землю, песок и т.п., что может привести к образованию крупных шлаковых агломератов в топке котла. Поэтому, биотопливные котлы мощностью более 300 кВт должны, на наш взгляд, быть оборудованы системой удаления шлаковых агломератов из топки.

Существует решение этой проблемы, предложенное упомянутой выше немецкой фирмой, которое заключается в следующем (см. рис. 4). В нижней части жаровой трубы расположена бесконечная цепь с перпендикулярно прикрепленными к ней скребками. С помощью этих скребков осуществляется перемещение топлива вдоль топки котла и удаление золы и шлака из топки в специальный бункер. Как показывает опыт работы таких котлов, возможно удаление шлаковых агломератов большого размера, а также посторонних несгоревших предметов без остановки работы котла на очистку топки. Цепь изготовлена из жаростойкой нержавеющей стали с малым коэффициентом линейного расширения, что снижает вероятность ее провисания и соскакивания с направляющих. Решен также вопрос с отложениями золы и на конвективных поверхностях нагрева котла, интенсивный рост которых наблюдается при работе котла на пониженных мощностях и при сжигании древесных отходов хвойных пород (хотя, по нашим наблюдениям за работой котлов фирмы "Uniconfort", такие отложения могут возникать и от сжигания отходов лиственных пород). В дымогарных трубах котлов вставлены вращающиеся шнеки (вирбуляторы), которые приводятся в движение от общего привода (рис. 5). Шнеки вращаются не постоянно, а только в определенные промежутки времени. Применение вирбуляторов не только препятствует росту отложений золы на конвективных поверхностях нагрева котлов, но и интенсифицирует конвективный теплообмен, что обеспечивает поддержание температуры уходящих дымовых газов на уровне 150-205 ОС.

Заключение

Современная технологическая цепочка от заготовки биомассы до ее эффективного сжигания предполагает минимальное использование ручного труда и максимально эффективное использование теплогенерирующего оборудования. Однако исключение любого звена из этой цепочки, например, исключение стадии подсушки заготовленной щепы на промежуточном складе, приводит к резкому ухудшению экономических показателей, к тому же производительность котлов может снизиться на 20-25%.

Безусловно, создание такой технологической цепочки требует больших капитальных вложений и возможно, что с учетом амортизационных отчислений, даже при заявленном сроке службы оборудования - 20 лет, стоимость тепловой энергии на биомассе будет выше, чем при использовании природного газа в текущих ценах. Однако надо помнить, что Правительство РФ опубликовало планы повышения цены на природный газ к 2011 г. до европейского уровня. Согласно расчетам Федеральной службы по тарифам РФ цена на 1000 м 3 природного газа составит: для Центрального федерального округа -4692 руб. (ныне 1427 руб.), для Поволжского -4338 руб. (1320 руб.), для Южного - 4896 руб. (1489 руб.), для Северо-Западного - 4543 руб. (1382 руб.) и т.д. [2]. Трехкратное повышение цены на природный газ безусловно сделает использование местных видов возобновляемого топлива более выгодным. Кроме того, деньги, вложенные на закупку местного топлива, остаются в местном бюджете, а не выводятся за пределы региона. Более того, считается, что каждые 10 тыс. МВт.ч тепловой энергии, произведенной с использованием местных видов биотоплива, создают одно новое рабочее место на заготовке биотоплива вне котельной, что очень важно для депрессивных сельских регионов, где это биотопливо и должно в первую очередь использоваться.

Литература

1. Беляев Н.М. Большие проблемы малых котельных // Новости теплоснабжения. 2008. № 2. С.27-28.

2. Цены на газ вырастут втрое // Газета "Ведомости". 7 сентября 2007 г. № 168.

Размещено на Allbest.ru