Совместное сжигание бурого и каменного угля с биомассой
Использование топливных гранул на электростанциях
В Европе и Северной Америке на теплоэлектростанциях, где основным видом топлива является уголь, в последние годы все чаще используют для совместного сжигания биомассу, в основном древесные топливные гранулы (пеллеты). В связи с этим рынок промышленных пеллет в Европе вырос за прошлый год более чем на 30%.
Проблемы использования
Несмотря на низкую стоимость угля в сравнении с природным газом и печным топливом (мазутом) даже в пересчете на 1 кВт•ч выработанной энергии, при использовании угля в качестве топлива для выработки энергии существует немало проблем. Основная из них - высокий уровень выбросов от сжигания - газообразных и твердых (золы). В большинстве стран действуют жесткие требования к уровню выбросов, допустимых при сжигании угля. В странах ЕС применяются жесткие штрафные санкции к ТЭЦ, превышающим нормы (вплоть до 50 евро за каждый выработанный мегаватт электроэнергии в час). Выход из этой ситуации - использование различных фильтров (например, электрофильтров) в газоходах котлов либо сжигание угля в виде водоугольных суспензий (водоугольное топливо). В последнем случае из-за низкой температуры горения угля существенно (до 70 %) снижаются выбросы оксидов NOx. Зола, которая образуется при сжигании угля, в ряде случаев может быть использована в строительной индустрии. Здесь также есть проблема удаление золы происходит в большинстве случаев методом гидрозолоудаления, что затрудняет ее погрузку для транспортировки и дальнейшего использования.
Одной из современных технологий, обеспечивающих значительное сокращение выбросов, является совместное сжигание углей и твердых видов топлива из растительной биомассы (древесные гранулы и брикеты, агрогранулы и брикеты из отходов АПК, например, из соломы, лузги подсолнечника и других культур).
Опыт Западной Европы
Есть два основных принципа использования промышленных пеллет для производства энергии: либо ТЭЦ полностью переводят на пеллеты в качестве единственного вида топлива (в этом случае говорят о так называемом моносжигании), либо пеллеты используются как дополнительное топливо.
На ТЭЦ, где пеллеты или другая биомасса сжигаются совместно с основным видом топлива (в основном с углем), - это называется Co-Firing, т. е. совместным сжиганием. При примешивании регенеративного топлива из биомассы к основному снижаются выбросы углекислого газа, серы и оксидов азота. Так как при совместном сжигании можно всегда без проблем отказаться от использования биомассы и возвратиться к сжиганию только угля, переход на эту технологию не содержит особого риска для собственников ТЭЦ.
Технические решения
Существует несколько способов совместного сжигания угля и биомассы (в частности, пеллет): прямое совместное сжигание, непрямое совместное сжигание, параллельное сжигание.
Прямое совместное сжигание означает одновременную подготовку, измельчение и подачу угля и биомассы в котел. Непрямое совместное сжигание включает раздельную подготовку угля и измельчение биомассы. Параллельное совместное сжигание подразумевает сжигание угля и биомассы в отдельных котлах.
Существует также метод газификации, его суть в первоначальной газификации биомассы и подаче в котел генераторного газа (этот вариант подходит для использования сырья с большой влажностью, например, для древесной щепы).
При модернизации оборудования электростанций для совместного сжигания решается ряд технических вопросов, основные из которых: чем следует дооборудовать котлы, как осуществлять подготовку и подачу биомассы в котел.
В современных ТЭЦ (мощностью от 200 до 1000 MВт), как правило, применяется метод пылевого сжигания. Для совместного пылевого сжигания специальная установка измельчает пеллеты и уголь в мелкую сухую массу и смешивает их.
При прямом сжигании такая масса с помощью пневматики из установки для измельчения подается прямо в котел. Помимо промышленных пеллет из древесины, используются также другие виды биомассы - как пеллетированные, так и в непереработанном виде (например, тюкованная солома).
Эффективное сжигание
При рассмотрении перспектив использования твердого топлива, в частности, для энергоблоков нового поколения, одним из основных вопросов является его эффективное сжигание. Под последним в первую очередь понимается выполнение двух требований: сжигание должно быть полным, то есть экономичным, и оно не должно приводить к высоким выбросам вредных веществ (в первую очередь оксидов серы и азота). Длительное время для сжигания использовался и продолжает использоваться так называемый факельный метод, при котором смесь мелкоразмолотого угля и горячего воздуха непрерывно подается в зону горения, поддерживая горящий факел, являющийся источником лучистой и тепловой энергии для нагрева рабочего тела. Для выполнения указанных выше требований разработан и внедрен в практику целый ряд режимных и конструктивных мероприятий, которые, тем не менее, не могут решить проблему в полной мере. Поэтому последние 15 лет ведутся поиски экологически чистых технологий сжигания широкой гаммы твердого топлива, особенно энергетического твердого топлива низкого качества и биомассы при совместном сжигании. В числе таких технологий технология сжигания твердых видов топлива в циркулирующем кипящем слое при атмосферном давлении.
Котлы с циркулирующим кипящим слоем
Огромный интерес представляет использование на ТЭЦ оборудования, предназначенного для сжигания твердого топлива в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). Теоретической основой функционирования котлов с ЦКС является представление о кипящем слое. Если в некоторой камере установить решетку, на которую поместить слой угля, и к решетке подать в небольшом количестве воздух, то после предварительного разогрева слоя начнется горение топлива с поверхности с выделением газообразных продуктов сгорания. При восполнении сгорающего топлива на решетке будет поддерживаться горящий фиксированный слой, то есть будет осуществляться так называемое слоевое сжигание твердого топлива. Если увеличивать подачу воздуха под решетку, то частицы топлива, находящегося на решетке, окажутся под сильным напором воздуха, который будет противодействовать силе тяжести, действующей на каждую частицу топлива. При определенной скорости воздуха частицы топлива окажутся во взвешенном состоянии в подъемном потоке воздуха, а толщина горящего слоя увеличится.
При возрастании скорости воздуха в слое появятся отдельные пузыри воздуха, и толщина слоя еще увеличится. Этот так называемый пузырьковый кипящий слой ведет себя так, как ведет себя кипящая жидкость, отсюда и название метода: сжигание в кипящем слое.
При еще большем напоре воздуха подъемная сила, действующая на частицы топлива, оказывается настолько большой, что эти частицы не успевают сгорать и вырываются из кипящего слоя. При дальнейшем увеличении расхода воздуха видимый слой исчезает и во всем объеме камеры происходит горение скопления частиц топлива с интенсивным перемешиванием. Большее количество частиц топлива не успевает сгореть и выносится из камеры. На их пути устанавливают циклон - цилиндрический сосуд, в котором продукты сгорания отделяются от несгоревших частиц. Продукты сгорания направляются во вторую часть котла - конвективную шахту для нагрева рабочего тела (воды и пара), а несгоревшие частицы движутся в закрученном потоке, отбрасываются к стенкам, падают вниз и снова направляются в камеру горения. Это и есть циркулирующий кипящий слой. Главная его особенность состоит в том, что объем циркулирующего материала в сотни раз превышает объем подаваемого в камеру воздуха.
Имеется целый ряд схем, реализующих технологию ЦКС. Рассмотрим одну из них. Уголь из бункера направляется на воздухораспределительную решетку топки, под которую для горения подается горячий воздух. На нее же из другого бункера поступает известняк, который вступает в химическую реакцию с серой, связывает ее и в дальнейшем вместе с сухой золой отводится из котла. Таким образом исключается попадание серы в дымовые газы и затем в воздушный бассейн. Образующийся кипящий слой передает часть своей теплоты рабочему телу, движущемуся в экранах, которыми облицованы стены топки. Из верхней части топки смесь продуктов сгорания и частиц топлива, не сгоревших в кипящем слое, направляется в циклон, где происходит отделение частиц несгоревшего топлива от продуктов сгорания. Несгоревшие горячие частицы смешиваются с частицами свежего топлива, и эта смесь поступает в горящий кипящий слой топки. Продукты сгорания направляются в конвективную шахту, в которой расположены другие поверхности нагрева рабочего тела: конвективный первичный и промежуточный пароперегреватели, экономайзер, воздухонагреватель. На выходе из конвективной шахты из продуктов сгорания удаляется летучая зола, и затем они поступают в электрофильтры для удаления остатков летучей золы, после чего направляются в дымовую трубу для рассеивания в верхних слоях атмосферы.
Одна из основных идей, реализуемых в котлах с ЦКС, состоит в том, что температура кипящего слоя невысока - 820-900 °С. При такой температуре образование окислов азота идет очень медленно. Заметим, что в факельных пылеугольных топках температура горения достигает 2000 °С. В свою очередь, низкая температура горения обеспечивается большими размерами частиц угля (от 2 до 25 мм) и их разобщенностью в кипящем слое, в отличие от процесса пылеугольного сжигания, при котором размер пылевых частиц - примерно
200 мкм.
Другая важная идея - многократная циркуляция горячей смеси золы, известняка и сравнительно небольшого количества подводимого свежего топлива. Это обеспечивает не только хорошую сероочистку продуктов сгорания, но и существенно интенсифицирует процесс сжигания. У технологии сжигания в котлах с ЦКС имеется ряд важных преимуществ по сравнению с широко применяемым традиционным факельным сжиганием. Она обеспечивает:
- эффективное сжигание низкокалорийных, высокозольных видов топлива, а также топлива с малым выходом летучих, что определяется стабильной температурой в топке, длительным временем нахождения коксозольного остатка в реакционной зоне. В результате достигается значительная экономия вспомогательного топлива, так как исключается подсветка мазутом или газом;
- возможность сжигания топлива различного качества в одном и том же котле;
- возможность использования упрощенной схемы подготовки топлива;
- отсутствие необходимости в пылеприготовительном оборудовании;
- высокие динамические характеристики,
- быстрый пуск котла из «горячего» состояния;
- эффективное (более 90%) связывание оксидов серы путем относительно дешевого способа подачи известняка в топку при оптимальной температуре слоя около 870 °С и длительном времени нахождения частиц известняка в реакционной зоне;
- низкие выбросы оксидов азота (менее 200-300 мг/нм3) без использования специальных средств азотоочистки, которые обусловлены низкой и стабильной температурой слоя и надслоевого пространства при организации ступенчатого подвода воздуха;
- возможность использования низкосортного топлива (зольностью до 65%), например отходов углеобогащения;
- эффективная работа котлоагрегата в широком диапазоне нагрузки (от 20 до 100%) установленной мощности оборудования;
- соблюдение жестких требований по выбросам вредных веществ в окружающую среду.
Технология кипящего слоя в энергетических установках (установках тепловой мощностью 50 МВт и более) стала широко использоваться с середины 70-х годов прошлого века в результате ужесточающихся норм вредных выбросов.
Необходимо отметить, что в последнее время в Западной Европе, особенно в Скандинавских странах, все активнее используются разные виды биомассы для получения тепла и энергии. Наиболее перспективной считается технология кипящего и циркулирующего слоя при совместном сжигании биомассы, а также промышленных и муниципальных отходов в смеси с углем. Это позволяет эффективно утилизировать используемые отходы и снизить нагрузку на окружающую среду. Немаловажным является также то обстоятельство, что в этом случае можно не использовать добавки инертного материала (используется зола угля) и уменьшить расход известняка при том же содержании серы в угле (за счет разбавления дымовых газов).
Развитие мировой энергетики сегодня происходит на фоне изменения топливно-энергетического баланса в сторону угольной составляющей и совместного сжигания угля и биомассы. В связи с этим все актуальнее становится широкое использование чистых угольных технологий. Одной из таких технологий является способ сжигания горючих материалов в кипящем слое. Применительно к углю способ позволяет эффективно и экологически безопасно сжигать угли разного качества, в том числе низкосортные, и отходы углеобогащения. Технология привлекательна также возможностью создания компактного топочного оборудования и автоматизации топочного процесса. Вместе с тем эффективность сжигания угля в кипящем слое зависит от выполнения определенных требований к топливу и самому процессу. К таким требованиям относятся, например, сортировка угля, стабильность свойств и расхода при подаче в топку, равномерность подачи угля на площадку слоя, параметры ведения топочного процесса - температура слоя, скорость псевдоожижения, давление в топке. В связи с этим актуальным становится совместное сжигание угля и древесных топливных гранул (пеллет), которые полностью отвечают вышеизложенным требованиям к качеству топлива при сжигании в кипящем слое.
Кроме отмеченных выше достоинств котлов с ЦКС, можно отметить и ряд других. В таких котлах эффективно сжигаются некачественные виды топлива: угли с высоким содержанием породы, которые в ЦКС играют роль циркулирующего наполнителя слоя; угли с высоким содержанием золы и влаги, а также трудно зажигаемые виды топлива (с малым выходом легковоспламеняющихся летучих газов). Перед подачей в топку ЦКС топливо не требует мелкого размола (достаточно дробления), что исключает необходимость угольных мельниц и улучшает экологическую обстановку на ТЭС. Отсутствие отдельных серо- и азотоочистки (в котлах с ЦКС они органически включены в процесс горения) обеспечивает компактность этих котлов, что весьма удобно для реконструкции действующих ТЭС. Вместе с тем по сравнению с пылеугольными котлами у котлов с ЦКС более сложная конструкция, они больше подвержены процессам разрушения (эрозии поверхностей нагрева запыленным потоком), у них повышенный расход электроэнергии на привод высоконапорных вентиляторов для подачи воздуха в зону горения и создания кипящего слоя. Технико-экономические оценки показывают, что себестоимость электроэнергии, вырабатываемой с помощью котлов с ЦКС в энергоблоках 150-200 МВт, а также уровень капитальных затрат, затрат на топливо, обслуживание и ремонт - на уровне аналогичных показателей для пылеугольных котлов с сероочисткой. Как показывает мировой опыт, затраты на ремонт и обслуживание котлов с ЦКС и вспомогательных систем, как правило, ниже, чем затраты на ремонт и сервис котлов факельного сжигания с азото- и сероочисткой. Область применения котлов с ЦКС - сжигание низкосортных твердых видов топлива при паропроизводительности до 250 т/ч как на новых ТЭС, так и на станциях, проходящих модернизацию. В мировой практике нашли широкое применение котлы с топкой кипящего слоя разной мощности. Сейчас в разных странах эксплуатируются более 200 энергетических котлов с ЦКС (в том числе действует энергоблок мощностью 250 МВт) для сжигания каменных и бурых углей разных месторождений.
В настоящее время ввиду изменений в топливной конъюнктуре и повышения требований к выбросам с продуктами сгорания интерес к использованию таких котлов растет.
Сергей ПЕРЕДЕРИЙ,
компания Eko Holz-und Pellethandel GmbH, Германия
