Polytechnik: на пути к экологически чистой энергетике

Развитие современной цивилизации ведет к все более возрастающему потреблению энергии: по прогнозам аналитиков, к 2020 году ее потребление в мире составит около 6•10⁸ ТДж. С ростом энергопотребления обостряются мировые проблемы, обусловленные ограниченными запасами ископаемого топлива, неравномерностью их распределения по регионам мира и ухудшением экологического состояния планеты.

Возобновляемые источники энергии, важнейшим из которых является энергия, аккумулированная в растительности, могут сыграть существенную роль в решении энергетических проблем.

Успешное использование отходов, образующихся на предприятиях лесопромышленного комплекса при заготовке, обработке и переработке древесного сырья, возможно только на основе надежного и отвечающего современным требованиям теплогенерирующего и вспомогательного оборудования, предназначенного для работы на этом виде низкокачественного топлива.

В Архангельской области, особенно богатой древесными отходами, оборудование фирмы Polytechnik Luft und Feuerungstechnik GmbH появилось в 2004 году. Это водогрейная котельная с двумя котлами мощностью по 2,5 МВт, смонтированная на Цигломенском участке ЗАО «Лесозавод 25». Высокие эколого­-экономические показатели оборудования Polytechnik позволили расширить рамки сотрудничества, следующим этапом которого стало строительство ТЭЦ с двумя паровыми котлоагрегатами по 7,5 МВт и турбиной мощностью 2,2 МВт. Энергообследования установленных котлоагрегатов показали, что у них самые высокие эколого­-экономические показатели из всех теплогенерирующих установок нашего региона, работающих на древесном топливе, в составе которого доминирует кора.

Расширение и развитие энергетического комплекса ЗАО «Лесозавод 25» и строительство цеха по производству древесных гранул стали продолжением политики формирования внутреннего рынка гранул, и наиболее важным шагом в этом направлении было строительство и запуск в эксплуатацию котельной с тремя водогрейными котлоагрегатами мощностью по 4 МВт фирмы Polytechnik, работающими на древесных гранулах.

Здание котельной (размер 30,0 Ч 20,0 м) оборудовано системой топливоподачи. Для обеспечения эксплуатационного запаса топлива рядом с котельной смонтирован вертикальный цилиндрический резервуар вместимостью 209 м³. Древесные гранулы поступают в приемный топливный бункер, из которого разгрузочным шнеком подаются на элеватор.

Элеватор производительностью 200 м³/ч рабочей шириной 0,5 м обеспечивает загрузку гранул в резервуар, уровень заполнения которого контролируется датчиком, а сброс избыточного давления воздуха осуществляется с помощью специального клапана. Стенки резервуара изготовлены из оцинкованных стальных модулей, для его обслуживания смонтированы лестницы. Нижняя часть резервуара выполнена в виде конусной системы выгрузки и оборудована шестилопастным питателем, с помощью которого гранулы поступают в промежуточную емкость, степень заполнения которой контролируется оптическим датчиком. Дальше с помощью транспортного шнека гранулы направляются в помещение котельной, где разделительным шнеком распределяются по трем котлам.

В системе подачи топлива каждого котла установлен лопастной дозатор с оснащенной оптическими датчиками промежуточной емкостью, из которой гранулы поступают на шнековый питатель, лопасти которого выполнены из износостойкого материала. Шнековый питатель каждого котла имеет систему защиты от обратного возгорания топлива, которая срабатывает при повышении температуры поверхности шнека более 65^оС.

Питатель котлоагрегата подает гранулы в профилированную подовую область топки, встроенную в конструкцию наклонно­-переталкивающей решетки, где через зазоры колосников, выполненных из жаропрочного материала с содержанием хрома более 30%, проходит первичный воздух, пронизывающий слой топлива.

Топка оборудована наклонно­-переталкивающей колосниковой решеткой HVR, состоящей из 14 рядов колосников, из них пять рядов, расположенных в первой зоне, имеют по восемь колосников, так как центральную часть занимает профилированная полость горелочного устройства со шнековой подачей топлива. Остальные девять рядов наклонно­-переталкивающей решетки имеют по 29 колосников. Над последним рядом колосников и поперечным шнеком, удаляющим очаговые остатки, поступающие с решетки и из­-под нее, на задней стене сделан выступ арочного типа из огнеупорных материалов.

Рама колосниковой решетки имеет систему охлаждения, в которую с помощью циркуляционного насоса производительностью 15 м³/ч подается вода температурой не менее 70^о С. В обмуровке боковых стен топочной камеры над колосниковой решеткой организованы четыре «фотобарьера» для контроля высоты слоя топлива на ней.

Под колосниковой решеткой с помощью перегородок организованы три зоны с индивидуальным подводом в них с одной стороны - первичного воздуха, а с другой - рециркулирующих продуктов сгорания после основного дымососа. При этом во все зоны подается воздух, забираемый из помещения котельной.

Котлоагрегат оборудован двумя линиями рециркуляции, в каждую из них с помощью индивидуального дымососа рециркуляции RRV с частотным преобразователем направляются отработанные газы, забираемые из газохода после основного дымососа. Под колосниковую решетку газы рециркуляции подаются позонно с помощью дымососа с электроприводом мощностью 3 кВт.

Воздух на вторичное дутье забирается из помещения котельной и с помощью вентилятора рассредоточенно вводится в топочную камеру через сопла цилиндрической формы. Вторичный воздух обеспечивает дожигание горючих компонентов топлива, позволяет минимизировать образование оксидов азота и определяет уровень концентрации кислорода в дымовых газах на выходе из котла.

Над наклонно­-переталкивающей решеткой производится ввод газов рециркуляции через сопла цилиндрической формы с помощью индивидуального дымососа.

Мелкодисперсная зола, просыпающаяся через зазоры колосников, с помощью толкающей штанги перемещается к поперечному транспортеру, а крупнодисперсная зола и шлак поступают на него непосредственно с колосниковой решетки.

Стены топочной камеры выполнены из жароупорного шамотного кирпича, для увеличения времени пребывания дымовых газов в ней установлен один промежуточный свод. В обмуровке топки предусмотрены температурные швы, обеспечивающие компенсацию температурных расширений шамота в процессе растопки котла. Температурный уровень обмуровки топочной камеры контролируется с помощью термопар в трех точках по ходу движения продуктов сгорания. Четвертая термопара размещена перед входом дымовых газов в поворотную камеру котла и обеспечивает контроль температуры продуктов сгорания на выходе из камеры догорания.

Для сжигания гранулированного древесного топлива в котельной п. Катунино установлены три австрийских водогрейных котло­-агрегата фирмы Polytechnik Luft und Feuerunqstechnik GmbH, оборудованные индивидуальными дымовыми трубами высотой 28 м и диаметром 0,63 м. Котельная оснащена автоматической системой управления всеми процессами технологической схемы.

Номинальная мощность котлоагрегатов при работе на древесных гранулах составляет 4,0 МВт. Котлы рассчитаны на выработку горячей воды давлением не более 6 бар и температурой до 110^оС.

Водяной объем котлоагрегата - 7,05 м³. У котлов два контура, при этом в первом c помощью насоса производительностью 135 м³/ч циркулирует химически очищенная вода. Система водоподготовки включает: установки GENO-mat FE-Z для удаления железа и марганца; установки умягчения воды GENO-mat duo WF и дозирующие установки GENODOS. Расчетный температурный режим для рабочей среды первого контура составляет 100/80°С.

Нагрев сетевой воды второго контура (70/95°С) осуществляется с помощью двух пластинчатых теплообменников. На обратной линии теплосети установлены (параллельно) три циркуляционных насоса и один подпиточный насос.

В топочных камерах котлоагрегатов реализована трехступенчатая схема сжигания топлива, для дополнительного снижения выбросов оксидов азота и продления жизненного цикла колосников и обмуровки они оборудованы двумя системами рециркуляции продуктов сгорания. Изменением расхода рециркулирующих газов обеспечивается поддержание оптимальной температуры в топочной камере. Все тягодутьевые установки котлоагрегатов имеют частотное регулирование производительности.

Котлоагрегаты оборудованы двухходовыми дымогарными газоводяными теплообменниками, расположенными горизонтально, вдоль продольной оси, непосредственно над камерами догорания. Продукты сгорания, совершив два хода в каналах топочной камеры, поступают в поворотную камеру (максимальная температура на входе составляет 950°С), в которой разворачиваются и проходят по дымогарным трубам первого хода (194 шт.). В поворотной камере у задней стены котлоагрегата они разворачиваются на 180^о и проходят по дымогарным трубам второго хода (168 шт.), двигаясь к фронтовой стенке. Суммарная поверхность нагрева котла составляет 245 м².

Котлы фирмы Polytechnik оборудованы необходимыми средствами безопасности, обеспечивающими их защиту от закипания рабочей среды, и предохранительными клапанами. Система автоматического регулирования обеспечивает: требуемое соотношение «топливо - воздух», заданный уровень разрежения в топке и концентрации кислорода в продуктах сгорания, поддержание температуры воды на выходе из котла в соответствии с установленной.

Каждый котел оборудован комплексным щитом управления с автоматическими предохранителями и автоматикой управления, обеспечивающим визуализацию параметров работы всех трактов. Система автоматики предусматривает пять ступеней регулирования нагрузки котла и предполагает ее постепенное изменение от 1­-й к 5­-й и наоборот.

После газоводяного теплообменника котла дымовые газы поступают в мультициклон, где очищаются от твердых частиц, которые поступают в сборный контейнер, герметично фиксируемый к выпускному патрубку золоуловителя.

Для очистки от золовых частиц внутренних поверхностей дымогарных труб, котлоагрегат оборудован системой пневмообдувки. Эта система состоит из баллона со сжатым воздухом, поступающим к группе клапанов, управляемых электронным модулем. Каждый котел оснащен 44 клапанами, которые по очереди автоматически открываются, обеспечивая очистку определенной группы труб поверхности нагрева.

Для комплексной оценки эффективности работы установленного оборудования в апреле 2012 года было проведено энергетическое обследование. В ходе него было проведено десять опытов при различных режимах работы котлоагрегатов № 2 и 3 и один балансовый опыт на котле № 1. При проведении обследования в топки котлов подавались древесные гранулы с ЗАО «Лесозавод 25», качественные показатели которых соответствовали требованиям международных стандартов. Влажность древесных гранул на рабочую массу при проведении энергетического обследования составляла W_t^r = 5,82...6,83 %; зольность А^r = 0,62...0,64 %; а низшая теплотворная способность Q^r_i = 17,23...17,46 МДж/кг. Механическая прочность гранул имела довольно высокие значения (DU = 98,47%). Таким образом, теплотехнические, гранулометрические и прочностные характеристики сжигаемых гранул являются приемлемыми для котлоагрегатов с топочными камерами данного типа и удовлетворяют всем требованиям европейских стандартов.

При выполнении работ по комплексному энергетическому обследованию были проведены:

●  осмотр оборудования котельной и изучение технической документации;

●  тарировка газоходов и воздуховодов;

●  проверка показаний штатных КИП по разрежению в топках котлов, температуре газов перед золоуловителями, содержанию кислорода в продуктах сгорания за котлом;

●  проверка аэродинамической плотности золоуловителей;

●  исследование эффективности работы золоуловителей;

●  исследование теплотехнических и гранулометрических характеристик топлива и очаговых остатков;

●  балансовые опыты;

●  анализ технико­-экономических и экологических характеристик работы котлов.

Балансовые опыты проводились в соответствии с требованиями, предъявляемыми к промышленно­-эксплуатационным испытаниям второй категории сложности. При исследовании состава продуктов сгорания использовался газоанализатор Testo­-350XL. Для определения расходов дымовых газов использовалась пневмометрическая трубка системы ВТИ и микроманометр цифрового типа Соmark. Расход воздуха определялся с помощью прецизионного прибора Testo­-435.

Теплотехнический анализ древесных гранул проводился установками лаборатории комплексного термического анализа топлива и калориметра IKA C2000 basic Version 2.

Механическая прочность и истираемость гранулированного топлива определялись в соответствии со стандартом EN 15210­-1 с использованием портативного тестера NHP 100 фирмы Holmen (лигнотестера).

Исследование гранулометрического состава топлива и очаговых остатков проводилось с помощью анализаторов «029» и ВС 1С­-15­-01. Температура наружных поверхностей основного и вспомогательного оборудования котлов определялась пирометром. Обработка экспериментальных данных по исследованию работы котлоагрегатов проводилась многомодульным программно­-методическом комплексом.

Балансовые опыты на котлоагрегатах № 2 и 3 были проведены в диапазоне нагрузок от 42 до 90% от номинальной, при этом температура воды на выходе из котлов изменялась в диапазоне t_в = 65,5...77,0°С. Диапазон возможного изменения нагрузки котлов был ограничен потребностями в тепловой энергии объектов п. Катунино. Полный расход древесных гранул в исследованном диапазоне нагрузок на котлах № 2 и 3 составлял 0,412...0,843 т/ч.

Таблица. Результаты испытаний котлоагрегатов, п. Катунино

Результаты балансовых опытов показали, что конструкция котло­агрегатов и система автоматического регулирования режимов их работы обеспечивают высокую полноту выгорания монооксида углерода даже при повышенных коэффициентах избытка воздуха в топочных камерах. Концентрация угарного газа составляла К_СО = 9...270 мг/нм³ (при К_O2 = 6%), а потери теплоты с химическим недожогом топлива изменялись в диапазоне q₃ = 0...0,16%. КПД брутто составил: η_ка = 86,7...89,6% для котлоагрегата № 3 и η_ка = 89,00...89,82% для котла № 2 (см. табл.).

Температура воды на входе в котлоагрегаты № 2 и 3 была стабильной и составляла t_пв = 58,2...60°С, что позволяло обеспечить достаточно глубокое охлаждение дымовых газов, так, температура продуктов сгорания перед золоуловителями в исследованном диапазоне нагрузок составляла 130,3...188,4^оС.

Температура обмуровки топочных камер при проведении обследования не превышала 701^о С, при этом наблюдался рост температуры по ходу газов (от 1­-й термопары к 3­-й). Температура продуктов сгорания на выходе из камеры догорания котла № 3 составляла 825...870^оС, а у котлоагрегата № 2 - 872...896^оС, что существенно ниже допустимой.

Анализ уровня скоростей газового потока в газоводяном теплообменнике котла показал, что средняя скорость газа в исследованном диапазоне нагрузок при совершении I хода составляла 7,14...14,88 м/с; при совершении II хода снижалась до 5,1...10,85 м/с. При расчете скорости продуктов сгорания снижение их температурного уровня рассчитывалось пропорционально поверхности нагрева I и II ходов. Более высокие значения скорости продуктов сгорания характерны для котла № 2.

Суммарное сопротивление котло­агрегата с газоводяным теплообменником изменялось в диапазоне: 300...787 Па - для котла № 2 и 130...430 Па - для котлоагрегата № 3. Более высокое сопротивление газового тракта котла № 2 объясняется большей нагрузкой и долей рециркуляции продуктов сгорания.

Исследования гранулометрического состава летучей золы, уловленной в золоуловителях, показали, что у нее высокая степень полидисперсности гранулометрического состава (n = 0,66...0,681) и она относится к тонкодисперсным материалам (b = 0,1153...0,0837). В летучей золе преобладает фракция с размером частиц менее 45 мкм, на которую приходится более 72% (по массе) для котла № 3 и более 63% - для котлоагрегата № 2.

У очаговых остатков, отобранных из сборных бункеров, установленных за колосниковыми решетками, был полидисперсный гранулометрический состав (n = 1,426...1,797) значительно большей крупности (b = 0,0000286...0,000129), чем у летучей золы. При этом в их составе преобладают фракции с размером частиц 125 < δ < 500 мкм, на которые приходится 73,59% по массе в котле № 3 и 70,65% - в котлоагрегате № 2. У очаговых остатков с колосниковой решетки котлоагрегата № 2 более мелкофракционный состав.

При отборе запыленного потока из газоходов до золоуловителя и перед дымовой трубой использовались стандартные фильтровальные патроны. Отбор запыленного потока проводился при изокинетических условиях, при этом использовались данные предварительно проведенных тарировок. Время отбора в каждом сечении составляло 20 минут. Для измерения и регулирования расхода, отбираемых продуктов сгорания применялось аспирационное устройство типа ПУ­-4Э. Выполненные исследования позволили определить степень очистки дымовых газов при их прохождении через золоуловитель и систему отбора газов в линии рециркуляции.

Максимальная суммарная степень очистки продуктов сгорания была получена для котла № 3 и составила 79,84%. Для котлоагрегата № 2 суммарная степень очистки дымовых газов составила 79,45%. Наличие в золе большого количества мелких фракций с размером частиц менее 45 мкм позволяет сделать вывод о высокой сепарационной способности элементов газовых трактов котлов.

Анализ условий тепловой работы котлоагрегатов № 2 и 3 показал, что потери теплоты с уходящими газами изменялись в диапазоне q₂ = 5,94...8,49%. Однако есть резерв для дальнейшего уменьшения данных потерь за счет дополнительной настройки системы автоматики и снижения коэффициента избытка воздуха и доли рециркуляции газов в топочные камеры.

Потери теплоты с механической неполнотой сгорания составили q₄ = 0,16...0,18%; а с физической теплотой шлака - q₆ ≤ 0,02%. Низкий уровень потерь с механической неполнотой сгорания объясняется наличием системы позонного распределения воздуха, ступенчатой схемы подачи окислителя, повышенной сепарационной способностью топочной камеры и низкой зольностью древесных гранул в период проведения обследования. Эти факторы обеспечили высокую полноту выгорания углеродной основы топлива (С^г_шл = 12,00...13,71 %, С^г_ун = 11,28...11,96 %).

Конструкция наклонной переталкивающей решетки, а также системы охлаждения ее рамы обеспечила отсутствие шлаковых наростов и надежную работу установки шлакоудаления. У полученного шлака был полифракционный мелкодисперсный гранулометрический состав.

Высокое качество обмуровочных и теплоизоляционных материалов, а также наличие охлаждаемых каналов позволили обеспечить для исследованного диапазона нагрузок невысокие потери теплоты от наружного охлаждения (см. табл.). Организация полезного использования теплоты, полученной воздухом в каналах охлаждения обмуровки, позволила повысить КПД брутто данных котлов не менее чем на 1,3%.

КПД брутто котлоагрегатов изменялся в диапазоне от 86,25 до 89,60% при нагрузках 42...90% от номинальной. Удельный расход условного топлива на выработку 1 ГДж составил 38,05...39,53 кг у.т./ГДж, а эмиссии вредных веществ: Э_СО = 4...76 мг/МДж и Э_NOх = 81...112 мг/МДж.

Энергетическое обследование показало, что дополнительная настройка системы автоматического регулирования котлов № 1-3 для реализации в полном объеме преимуществ ступенчатой схемы сжигания позволит повысить КПД брутто до значений, характерных для мазутных котлоагрегатов, находящихся в хорошем техническом состоянии.

Запуск в эксплуатацию в п. Катунино котельной с тремя водогрейными котлоагрегатами мощностью по 4 МВт фирмы Polytechnik, работающими на древесных гранулах, явился не только важным шагом в формировании внутреннего рынка облагороженного биотоплива, но и позволил внести значительный вклад в снижение техногенного воздействия объектов энергетики на окружающую среду за счет вывода из эксплуатации старой мазутной котельной.

Комплекс исследований, выполненных на котлоагрегатах фирмы Polytechnik, показал, что эти котлы позволили получить наименьшие  эмиссии оксидов азота и монооксида углерода из всех теплогенерирующих установок региона, работающих на биотопливе.

В. К. Любов,
заведующий кафедрой ПТЭ Северного (Арктического)
федерального университета имени М. В. Ломоносова,
д-р техн. наук, профессор,
зам. директора по научной работе Института
энергетики и транспорта САФУ