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. Вместе с этим 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.
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 в п. Катунино с тремя водогрейными котлоагрегатами мощностью по 4 МВт фирмы Polytechnik, работающими на древесных гранулах.
Здание котельной (размер 30,0 × 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. Далее 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, имеющий систему защиты от обратного возгорания топлива (система срабатывает при повышении температуры поверхности шнека более 65оС).
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 70оС. 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.
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 котлоагрегата фирмы Polytechnik Luft- und Feuerunqstechnik GmbH, оборудованные индивидуальными дымовыми трубами высотой 28 м и диаметром 0,63 м.
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 110оС.
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 100/80о С.
Нагрев сетевой воды второго контура (70/95оС) 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 950оС), в которой разворачиваются и проходят по дымогарным трубам первого хода (194 шт.). В поворотной камере у задней стены котлоагрегата они разворачиваются на 180о и проходят по дымогарным трубам второго хода (168 шт.), двигаясь к фронтовой стенке. Суммарная поверхность нагрева котла составляет 245 м2.
Котлы фирмы Polytechnik оснащены 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.
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.
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.
Таким образом, 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.
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
