Слоевое сжигание биотоплива. Обзор технологий

Из известных на сегодня способов энергетического использования разных видов биотоплива сжигание в неподвижном слое (англ. fixed bed combustion*) наиболее распространено применительно к единичным мощностям, характерным для предприятий промышленной и коммунальной энергетики (от 500 кВт до 50 МВт.)

Технологии сжигания в кипящем или псевдоожиженном слое (англ. fluidized bed combustion) и в пылевидном состоянии (англ. pulverized combustion; используется также термин «камерное сжигание») применяются реже, в основном ближе к верхней границе указанного диапазона мощностей. Наиболее современную и эффективную технологию - циркулирующий кипящий слой (англ. circulating fluidized bed) используют, как правило, при сжигании топлива в мощных энергетических котлах.

Рассмотрим основные способы слоевого сжигания биотоплива, а также некоторые топочные устройства, в которых осуществляется синтез слоевого и вихревого сжигания. В нашем обзоре не учитываются установки для отопления частных домов или коттеджей (например, при помощи пеллетных горелок), а также топки с ручной подачей топлива как морально устаревшие и экологически небезопасные. Топочные устройства, в работе которых используется принцип слоевого сжигания, - это обычно топки, оборудованные решетками, и топки с нижней подачей. Первичный воздух проходит через неподвижный слой топлива, которое сушится, а в результате горения из него выделяются летучие вещества и сжигается коксовый остаток. Образующиеся горючие газы дожигаются над решеткой после ввода вторичного воздуха, зачастую в зоне сжигания, конструктивно отделенной от слоя топлива (в камере дожигания).

Топки для биотоплива, оборудованные решетками

Известно несколько типов решеток, использующихся в конструкциях слоевых топок. Это неподвижные решетки, решетки с качающимися (опрокидывающимися) колосниками, переталкивающие решетки (наклонные и горизонтальные), решетки в виде бесконечного полотна (ленточные, чешуйчатые цепные), вращающиеся и вибрационные решетки. У каждого способа сжигания есть свои плюсы и минусы, которые проявляются при сжигании разных видов топлива, поэтому выбор следует делать после серьезного анализа, с учетом характеристик топлива и условий эксплуатации установки.

В целом топки, оборудованные решетками, подходят для сжигания биотоплива высокой влажности, разного фракционного состава (с ограничением по объему мелких пылевых частиц) и высокой зольности. Допускается сжигание смеси нескольких видов топлива, однако смешение топлива древесного происхождения с соломой, лузгой, шелухой и прочим может вызывать серьезные проблемы ввиду разного поведения этих видов топлива в процессе сжигания, что обусловлено низкой влажностью и низкой температурой плавления золы соломы и других сельскохозяйственных отходов. В этом случае необходимо обеспечить равномерное распределение состава смеси по сечению решетки.

Современные топки состоят из четырех основных узлов: системы подачи топлива, решетки с приводом, системы ввода вторичного воздуха в дожиговую камеру и системы выгрузки золошлаковых отходов.

Для качественного сжигания требуется обеспечить равномерное распределение топлива и слоя шлака по всему сечению решетки. Это важно с точки зрения оптимальной подачи первичного воздуха к разным зонам решетки. Неравномерный, некорректный подвод первичного воздуха может быть причиной зашлаковки, повышенного уноса мелких частиц золы и топлива и роста избыточного объема воздуха, необходимого для полного сжигания топлива. Следует также не допускать режим так называемого «кратерного» горения, когда воздух прорывается через небольшие участки решетки, по сути, не принимая участия в горении, что приводит к росту потерь как со шлаком, так и с уносом. Возникновению подобного режима способствует нарушение равномерности слоя шлака и очаговых остатков на решетке.

Рис. 1. Обобщенная схема горения биотоплива на решетке

Средства для достижения качественного сжигания: гибкая система управления движением решетки, контроль уровня шлака и очаговых остатков (например, с помощью инфракрасных датчиков) и регулирование (желательно частотное) первичного воздуха, подаваемого к разным зонам решетки - для обеспечения его оптимального объема, требуемого для зон сушки, выделения летучих и дожигания коксового остатка. Развитая система подвода первичного воздуха позволяет также достичь глубины регулирования в диапазоне 25-100% номинальной нагрузки с сохранением восстановительной атмосферы в камере сжигания, что важно с точки зрения сокращения выбросов NO_x. Обобщенная схема горения биотоплива на решетке представлена на рис. 1.

Еще одним важным аспектом технологии сжигания на решетке является организация ступенчатого сжигания путем разделения топочной камеры на камеру сжигания и камеру дожигания, что позволяет исключить негативное влияние струй вторичного воздуха на процессы, протекающие на решетке, и разделить зоны газификации и окисления. Качественное перемешивание воздуха с продуктами сгорания в (первичной) камере сжигания ограничивается требованием сохранения «спокойного» слоя очаговых остатков на решетке. Окончательное перемешивание воздуха и продуктов горения должно происходить в камере дожигания и обеспечиваться геометрией этой камеры и отрегулированной скоростью вторичного воздуха на выходе из сопел. Применяемые технические решения: сужение окна выхода газов или организация вихревого потока на выходе из камеры сжигания, как, например, в котле для сжигания овсяной лузги, в котором на выходе газов из камеры сжигания организован вертикальный циклон.

Рис. 2. Схемы слоевого сжигания (слева направо): противоточная,
прямоточная, перекрестная

Существуют три схемы слоевого сжигания на решетке в зависимости от взаимного направления движения топлива и продуктов сгорания (рис. 2).

Противоточная схема является наиболее подходящей для сжигания топлива, характеризующегося высокой влажностью и низкой теплотой сгорания. Горячие топочные газы, отжимаемые к фронтовой стене сводом, проходят над поверхностью свежего топлива, благодаря чему конвективная составляющая теплообмена дополняет радиационную, что обеспечивает ускорение испарения влаги и выхода летучих. Этот метод требует эффективного перемешивания топочного газа со вторичным воздухом (турбулизации) для предотвращения образования устойчивых (условно ламинарных) потоков, обогащенных несгоревшими газами.

Сжигание топлива по прямоточной схеме применяется при сжигании сухого топлива, такого как древесные отходы или солома, либо в установках с предварительным подогревом первичного воздуха. При использовании этого метода увеличивается продолжительность пребывания в камере сгорания несгоревших газов, выделившихся из слоя топлива и их контакта со слоем топлива в задней части колосниковой решетки, что способствует сокращению выбросов NO_x. Недостатком прямоточной схемы сжигания является повышенный унос частиц золы и топлива с решетки.

Перекрестная схема, представляющая собой сочетание прямоточной и противоточной схем, чаще всего применяется в установках с вертикальными вторичными топочными камерами.

Для поддержания оптимального диапазона температуры в топочной камере практикуется рециркуляция дымовых газов и/или экранирование стен теплоотводящими поверхностями. Экранирование предпочтительнее, так как позволяет не увеличивать объем дымовых газов и препятствует образованию шлаковых наростов на стенах камеры сгорания. При сжигании влажного топлива обмуровка служит аккумулятором тепла, что позволяет нивелировать колебания влажности топлива и температуры в камере, обеспечивая условия для стабильного дожигания продуктов неполного сгорания. У рециркуляции дымовых газов есть свои плюсы, в частности, она может способствовать лучшему перемешиванию воздуха с продуктами сгорания. Дымовые газы на рециркуляцию следует отбирать после санитарной ступени очистки. Если отбор осуществляется после дымососа, то возрастает расход газов через дымосос, которого можно избежать в случае отбора перед дымососом, но следует учесть, что при этом вентилятор для нагнетания газов рециркуляции должен создавать высокий напор для преодоления разрежения в основном тракте дымовых газов. Еще одним достоинством рециркуляции дымовых газов можно считать возможность плавного регулирования температуры в топочной камере.

Применение водоохлаждаемых решеток позволяет увеличить период межремонтной эксплуатации и сократить число проблем с подплавлением золы и зашлаковкой, что особенно актуально при сжигании разных сельскохозяйственных отходов.

Решетки в виде бесконечного полотна

В литературе на русском языке подобные решетки чаще называют по типу тягового органа: ленточными, цепными - или по типу применяемых колосников: чешуйчатыми. В англоязычной литературе применяется термин travelling grate. Принцип сжигания на решетках в виде бесконечного полотна широко известен и распространен в нашей стране, используется в основном для сжигания углей. За рубежом, в первую очередь в США, решетки подобного типа применяют и для сжигания биотоплива, в основном на предприятиях целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности. Котлы с решетками (как правило, обратного хода) успешно конкурируют с котлами кипящего слоя в диапазоне мощностей от 20 до 250 т/ч, в них по большей части сжигают кородревесные отходы, часто в смеси с углем.

В числе достоинств решеток в виде бесконечного полотна можно отметить одинаковые условия сжигания для таких разных видов топлива, как щепа и пеллеты, а также низкие значения пылевых выбросов благодаря тому, что слой золошлаковых отходов не испытывает механических или аэродинамических возмущений. Немаловажно удобство обслуживания подобного оборудования, в частности, замена колосника не вызывает проблем.

Имеются и недостатки. В неподвижном слое топлива затруднен доступ воздуха к каждой частице, проблема становится критической при подаче топлива с большим разбросом по фракционному составу, вследствие чего на решетке образуются завалы и имеет место крайне неравномерное распределение первичного воздуха. Проблему минимизирует применение решеток обратного хода с забрасывателями (роторными, пневматическими), что позволяет равномерно распределить топливо по решетке, однако заброс топлива способствует более интенсивному выносу из слоя мелких частиц топлива и золы.

На примере схемы сжигания кородревесных отходов на чешуйчатой решетке обратного хода парового котла средней мощности (производитель - фирма Jansen Inc., США) показаны характерные проблемы при сжигании кородревесных отходов (рис. 3). Справедливости ради следует признать, что некоторые из этих проблем свойственны не только процессам сжигания в топках с решетками в виде бесконечного полотна, но и многим технологиям сжигания биотоплива.

Переталкивающие решетки

Рис. 4. Наклонно-переталкивающая решетка

Переталкивающие решетки (англ. reciprocating grate) могут быть наклонными и горизонтальными. Наибольшее распространение получили наклонно-переталкивающие решетки, которые состоят из последовательных рядов неподвижных и движущихся колосников (рис. 4).

Движущиеся колосники совершают возвратно-поступательные движения, что обеспечивает перемещение топлива вдоль решетки. Частицы горящего топлива перемешиваются со свежими частицами топлива, поверхность слоя топлива, обращенная к топочному пространству, обновляется, достигается равномерное распределение слоя топлива по длине решетки. Обычно решетка разделена на несколько секций колосников с независимыми приводами, что позволяет перемещать топливо с разной скоростью, соответственно стадии горения: сушке, выделению летучих и дожиганию коксового остатка. Также по зонам - отдельно под каждую секцию колосников - подается первичный воздух, что позволяет сжигать на наклонно-переталкивающих решетках разные виды биотоплива. Колосники, охлаждаемые только первичным воздухом, который проходит через боковые каналы между колосниками, применяются при сжигании влажного топлива: коры, опилок, щепы. Для сухого биотоплива или для топлива с пониженной температурой плавления золы имеет смысл рассмотреть вариант применения водоохлаждаемых колосников.

Рис. 5. Современный котел малой мощности с наклонно-переталкивающей решеткой, оснащенный системой инфракрасного контроля уровня топлива на решетке, позонной подачей первичного воздуха, системой рециркуляции дымовых газов (I – камера сжигания, II – камера дожигания)


Рис. 6. Процесс сжигания на горизонтально-переталкивающей решетке. Зоны горения (справа налево от подачи топлива): сушка, выделение летучих, дожигание коксового остатка

Алгоритм управления частотой включения разных секций решетки довольно сложен. Следует избегать образования завалов и пустот на решетке, а также слишком быстрого перемещения топлива к зольнику, которое приводит к существенному росту потерь с недожогом в шлаке. Критерием корректной работы колосниковых секций может служить равномерность заполнения решетки слоем топлива. Оптимальным вариантом организации контроля процесса и управления перемещения топлива по решетке может быть оснащение топочного устройства инфракрасными датчиками, следящими за уровнем топлива над каждой секцией решетки, как показано на рис. 5.

Горизонтально-переталкивающие решетки (ГПР) обеспечивают сжигание топлива в горизонтальном слое. Перемещение топлива осуществляется благодаря специальной диагональной позиции колосников. Схематично процесс сжигания на горизонтально-переталкивающей решетке показан на рис. 6. Достоинством этой технологии можно считать возможность контроля перемещения топлива вследствие силы тяжести. Кроме того, поскольку необходимое «толкающее» усилие на колосниках горизонтально-переталкивающих решеток выше, чем на колосниках наклонно-переталкивающих решеток, слой топлива на решетке распределяется более равномерно (вследствие эффекта «подпрессовки»), что снижает риск зашлаковки из-за зон с повышенной температурой. Наконец, топки с горизонтально-переталкивающими решетками компактнее, чем топки наклонно-переталкивающих решеток. Недостатком ГПР, причем серьезным, является высокая степень провала топлива через колосники, ухудшающая показатели надежности решетки.

В Западной Европе способ сжигания биотоплива на наклонно-переталкивающих решетках преобладает в сегменте котлов малой и средней мощности (3-15 МВт). Эта технология всесторонне отработана; узлы и механизмы систем подачи топлива, выгрузки золы, решеток - оптимизированы с точки зрения применяемых материалов и конструкторских решений. Для обеспечения как можно более высокой степени выгорания топлива при минимальном избытке воздуха в уходящих газах применяются весьма сложные схемы подвода воздуха для дожигания. В числе зарубежных производителей котлов и топок с наклонно-переталкивающими решетками для сжигания биотоплива можно отметить поставщиков из Скандинавских стран, а также фирмы Polytechnik (Австрия) и Vyncke (Бельгия). Из российских производителей следует выделить ООО «Ковровские котлы», на котором налажено производство качественного оборудования для сжигания сухого и влажного древесного топлива, торфа и растительных отходов в паровых и водогрейных котлах с диапазоном мощности от 300 КВт до 10 МВт.

Мнение автора о качестве продукции ООО «Ковровские котлы» базируется в том числе и на собственном опыте, полученном при наладочных испытаниях водогрейного котла КВм-3,0 Д, который оборудован наклонно-переталкивающей решеткой. В подобном котле сжигалось нерасчетное, сложное для слоевых топок топливо: мелкофракционные отходы повышенной сухости. После корректировки воздушного режима были достигнуты впечатляющие результаты работы котла: степень выгорания топлива - выше 99%, избыток воздуха перед дымососом - менее 1,4, КПД котла брутто - 87,7%.

Заслуживает внимания новая серия паровых котлов производительностью от 2 до 10 т пара в час с наклонно-переталкивающей решеткой. Конвективная часть выполнена в виде двухходового (по газам) дымогарного барабана, топочная камера экранирована водотрубными экранами, причем степень экранирования может варьировать в зависимости от влажности сжигаемого биотоплива. Разработка проекта котла выполнена ООО «ИЦ КотлоПроект».

Вибрационные решетки

Рис. 7. Вибрационная решетка фирмы Babcock & Wilcox Vоlund A/S, Дания

Вибрационная решетка состоит из установленного на пружинных опорах наклонного экрана из плавниковых труб (рис. 7). Топливо может подаваться шнековыми питателями, гидравлическими толкателями или роторно-пневматическими забрасывателями. Перемещение топлива и очаговых остатков по решетке обеспечивается за счет работы двух и более вибраторов. Первичный воздух подается снизу, для его прохода через решетку в плавниках между трубами имеются отверстия.

Вибраторы включаются периодически на короткое время, благодаря чему затрудняется образование крупных шлаковых агломератов. Вибрационные решетки находят применение при сжигании видов топлива, которые склонны к подплавлению и зашлаковке (соломы, отходов сельского хозяйства). Недостатком этой технологии являются большие уносы золы (вследствие вибраций); повышенный выброс СО (вследствие периодических возмущений слоя топлива из-за вибрации); повышенный недожог в шлаке (из-за затрудненного контроля перемещения топлива и очаговых остатков).

Вращающиеся решетки

Рис. 8. Вращающаяся решетка с нижней подачей топлива

Сжигание топлива на вращающейся решетке с нижней подачей топлива - современная технология сжигания, разработанная финской фирмой Wärtsilä Biopower Oy. Решетка представляет собой конус, образованный рядом кольцевых колосниковых секций, уровень которых понижается от центра к периферии (рис. 8). Секции вращаются в противоположных направлениях, благодаря чему происходит интенсивное перемешивание свежего и горящего топлива. Это позволяет сжигать на решетках такого типа топливо очень высокой влажности - до 65% (кора, опилки, щепа). Первичный воздух подается снизу под колосниковые секции, продукты неполного сгорания дожигаются после ввода вторичного воздуха в вертикальной или горизонтальной камере дожигания, отделенной от камеры сжигания. Топливо подается в центр конуса снизу при помощи шнекового питателя, почти как в топках с нижней подачей. Размер куска топлива не должен превышать 50 мм. Топливо движется от центра к периферии решетки и сбрасывается в заполненный водой зольный канал.

В топках с вращающимися решетками возможно сжигание смеси твердого топлива с биологическим илом. Недостатками подобных решеток можно признать их сложность и высокую цену.

Шахтные топки

Рис. 9. Котел Е-75-40 с шахтной топкой для сжигания влажных кородревесных отходов:
1 – подача воздуха под горизонтальную цепную решетку;
2 – цепная чешуйчатая решетка; 
3 – подача воздуха под наклонную решетку;
4 – наклонная колосниковая решетка;
5 – предтопок; 6 – экранные трубы;
7 – топочная камера котла; 8 – пароперегреватель;
9 – дробеочистка; 10 – секции экономайзера;
11 – пакеты воздухоподогревателя  

Топки с неподвижной решеткой и горизонтальным или вертикальным слоем топлива предназначены в основном для сжигания дров в котлах малой мощности. Подобные устройства следует признать давно устаревшими, по этой причине в настоящей статье ограничимся лишь их упоминанием. Способ сжигания на неподвижной наклонной решетке (англ. stationary sloping grate) получил широкое распространение в России при сжигании мелкофракционных древесных отходов. Подобные топочные устройства, более известные как шахтные топки, применялись с котлами малой и средней мощности, в том числе и с многотопливным паровым котлом Е-75-40 (КМ-75-40) производства Белгородского котельного завода (рис. 9). Эти котлы в основном устанавливались на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности и предназначались для сжигания влажных кородревесных отходов совместно с газом, мазутом или каменным углем. В котлах вырабатывался пар с параметрами: р = 40 кгс/см², t = 440 °C; заявленная паропроизводительность составляла 50 т/ч при сжигании отходов и 75 т/ч при совместной работе с газомазутными или пылеугольными горелками, установленными на боковых стенах топочной камеры. Топка котла оборудована неподвижной наклонной трубной решеткой, покрытой чугунными колосниками и движущейся горизонтальной цепной решеткой с чешуйчатыми колосниками. Влажные отходы подаются на наклонную решетку, по мере схода вниз они подсушиваются и возгораются, дожигание происходит на горизонтальной решетке, которая также сбрасывает шлак и очаговые остатки в систему шлакозолоудаления.

Несмотря на то что в целом котлы КМ-75-40 справлялись с проблемой утилизации образующихся на ЦБК влажных отходов, их работа характеризовалась низкой эффективностью и недобором мощности. Наличие в предтопке значительного объема топлива затрудняло регулирование процесса горения. В результате почти на всех ЦБК была проведена реконструкция котлов названного типа с заменой шахтной топки топкой кипящего слоя. Одна из первых подобных реконструкций была выполнена на Кондопожском ЦБК силами финской компании Outokumpu Oy.

Топки скоростного горения

Сжигание в зажатом слое (в топке скоростного горения системы Померанцева) является уникальной отечественной разработкой, в свое время позволившей совершить прорыв в сжигании древесного топлива. Эта технология была создана в 1940-х годах: между опускной шахтой топлива и топочной камерой котла устанавливается вертикальная зажимающая решетка, представляющая собой экран с ошипованными трубами. Воздух на горение подается в нижнюю часть топливной шахты.

Зажимающая решетка препятствует выносу частиц топлива в топочную камеру, благодаря чему можно применить интенсивное дутье и достичь высокого теплонапряжения зеркала горения (до 4 млн Ккал/м²·ч) и эффективного выгорания топлива. Топки скоростного горения отличаются малыми габаритами и очень низкой металлоемкостью, что в первую очередь и определило их широкое распространение.

Помимо достоинств (отсутствия движущихся частей в топке, простоты эксплуатации), у топок Померанцева есть ряд недостатков, не позволяющих им конкурировать на равных с современными топочными устройствами для сжигания биотоплива. Прежде всего это высокая чувствительность к изменению характеристик подаваемого топлива (влажности, фракционного состава), подверженность зажимающей решетки шлакованию, необходимость регулярной чистки (как правило, вручную) пола предтопка и топочной камеры, неудовлетворительные экологические показатели. Серьезной проблемой при эксплуатации котлов с топками Померанцева является зависание топлива в опускной шахте, которое приводит к его возгоранию в топливных рукавах.

Тем не менее на ОАО «Бийский котельный завод» и по сегодняшний день ведется серийный выпуск котлов типа КЕ-МТ с топками скоростного горения типоразмерного ряда производительностью пара от 4 до 25 т/ч.

Кроме того, на базе топки скоростного горения создаются оригинальные разработки, которые позволяют совмещать эту технологию сжигания с другими. В частности, тот же Бийский котельный завод комплектует паровые котлы мощностью от 2,5 до 25 т/ч топочными устройствами для сжигания древесных отходов, представляющими собой симбиоз зажимающей решетки и топки с шурующей планкой (серия ОГМВ). Топочные устройства, выпускаемые ООО «Союз», позволяют совмещать технологии сжигания в ретортной топке и в зажатом слое.

Компанией ООО «НТВ-Энерго» для сжигания крупноизмельченных древесных отходов (щепы, коры и опилок) в котлах мощностью до 15 МВт разработана слоевихревая топка. Ее конструкция представляет собой сочетание модифицированной слоевой топки скоростного горения с обращенным дутьем и вихревой камеры догорания. Выгорание основной массы щепы происходит в слое топлива. Выносимые из слоя недогоревшие частицы топлива попадают в вихревую зону, где циркулируют до полного выгорания. В результате создаются благоприятные условия для сжигания смеси коры, щепы и опилок широкого гранулометрического диапазона при минимальных потерях с недожогом топлива.

Совмещение разных хорошо известных технологий (порой не предназначенных для сжигания биотоплива), конечно, имеет право на существование, но только при условии, что используются не недостатки, а преимущества этих технологий, что удается не всегда.

Топки для сжигания топлива низкого качества

Рис. 10. Общий вид топки Martin с возвратно-поступательными колосниками

Одна из оптимальных технологий сжигания топлива низкого качества - на наклонной решетке на основе принципа возвратно-поступательного движения колосников. Эта технология используется в широко известных топках немецкой фирмы Martin GmbH, которые водят в состав энергетических установок для сжигания твердых бытовых отходов (ТБО).

Топка Martin представляет собой переталкивающую решетку с возвратно-поступательными колосниками (другое название - обратно-переталкивающая решетка, англ. reverse acting grate), наклоненную в ту сторону, куда движется топливо, и состоящую из рядов колосников, образующих ступени (рис. 10). Как и в традиционных наклонно-переталкивающих решетках, подвижные и неподвижные ряды колосников чередуются. Движение колосников приводит к перемещению слоя топлива в направлении, противоположном наклону решетки. Подвижные колосники оказывают на материал, перемещающийся в ту сторону топки, где идет разгрузка шлака, обратно-переталкивающее действие, что позволяет подавать 15-20% горящей массы отходов навстречу движущемуся слою и создавать очаги нижнего зажигания. При подобной схеме частицы топлива циркулируют по сложным петлеобразным траекториям, непрерывно перемещаясь относительно друг друга. Такой характер движения обеспечивает усиленное механическое перемешивание частиц, что позволяет сравнивать процесс с перемешиванием в кипящем слое. В результате можно использовать обратно-переталкивающие решетки при сжигании видов топлива, забалластированных золой и склонных к озолению или зашлакованию частиц.

Однако названные достоинства обеспечиваются за счет значительного усложнения устройства; при подобном способе шурования колосники оказываются в высокотемпературных условиях, что требует применения специальных материалов (жаропрочной хромистой стали, состав которой разработан фирмой Martin). По актуальным данным фирмы Martin, решетка может стабильно работать при температуре процесса, иногда превышающей 1000 °С. Боковые поверхности колосников отшлифованы и с помощью специального устройства прижаты друг к другу, так что образуют монолитное полотно (узкие щели для подачи первичного воздуха предусмотрены в головной части как подвижных, так и неподвижных колосников). Срок службы колосников - 5-6 лет. Неудивительно, что стоимость топок с возвратно-поступательными колосниками весьма высока, а это препятствует их широкому применению в промышленной и коммунальной энергетике.

В ООО «ИЦ КотлоПроект» разработано оригинальное топочное устройство - топка с обратно-переталкивающей решеткой с шурующими планками. Основы конструктивной схемы этого топочного устройства:

• решетка наклонная, с несколькими ступенями с переменным углом наклона, по которым совершают возвратно-поступательные движения шурующие планки. Углы наклона граней планок выполнены таким образом, чтобы перемещать топливо наверх, в направлении, противоположном сходу топлива, вследствие наклона решетки. У решетки несколько независимых зон для подачи воздуха;
• подача топлива на решетку осуществляется с помощью независимого от привода планок механизма - гидравлического толкателя или шнекового питателя. Обязательное условие: обеспечение герметичности зоны горения и тракта топливоподачи;
• у планок независимые гидравлические приводы. При большом числе ступеней возможно подключение двух соседних планок к одному приводу;
• решетка трубная водоохлаждаемая, по возможности включена в контур циркуляции котла. Шурующие планки также водоохлаждаемые, соединение осуществляется при помощи гибких шлангов (рукавов).

Подобная топка предназначена для компоновки с котлами, печами, установками термического обезвреживания разных низкосортных отходов. Тепловая мощность топки ограничена 10 МВт.

Топки с нижней подачей

Рис. 11. Топка с нижней подачей для сжигания сухого топлива:
1 – шнековый питатель, 2 – зона нижнего горения, 3 – первичный воздух, 4 – вторичный воздух, 5 – камера дожигания, 6 – теплообменник, 7 – циклон, 8 – механизм удаления золы

Топки с нижней подачей (англ. underfeed stokers), также называемые ретортными, относятся к недорогим и довольно простым в управлении устройствам для реализации способа сжигания подготовленных мелкофракционных видов биотоплива в котельных установках небольшой единичной мощности - до 6 МВт. Топливо подается в камеру сжигания снизу при помощи шнекового конвейера и распределяется по решетке от центра к периферии. Решетки могут быть плоскими или с наклонными стенками, что способствует перемещению топлива от места его выдавливания в центре решетки к ее периферии. Первичный воздух подается под решетку, вторичный - над слоем горящего топлива, как правило, в точке перехода из камеры сжигания в камеру дожигания.

На рис. 11 представлена схема топок с нижней подачей для сжигания сухого биотоплива (пеллет). Недостатком топок этого типа является проблемная организация системы удаления шлака и очаговых остатков, в связи с чем они не находят применения при сжигании высокозольных видов биотоплива, таких как кора, солома, отходы обработки сельскохозяйственных культур. К достоинствам можно отнести простоту управления и хорошие характеристики маневренности этих топок, так как масса топлива, находящегося в зоне горения, невелика (по сравнению с другими топками для слоевого сжигания). В России получили распространение котлы с ретортными топками латвийской фирмы АО «Комфортс» (серия АК, тепловая мощность от 150 до 1500 кВт), однако в актуальные рекламные материалы компании ретортные топки не включены, и топочные устройства представлены лишь топками с наклонными подвижными колосниками, то есть наклонно-переталкивающими решетками.

Кучевое сжигание

Таблица. Сравнительные характеристики технологий сжигания
биотоплива разных видов




Рис. 12. Кучевая топка с нижней подачей: 1 – шнек для подачи топлива; 2 – подвод первичного воздуха; 3 – колосниковая решетка; 4 – тангенциальный подвод вторичного воздуха; 5 – циклонная камера


Рис. 13. Бетонная реторта теплогенератора производства ГК «АСТЕК» с отверстиями для подвода первичного воздуха

Этот способ сжигания довольно прост, его принцип - поверхностное горение слоя кучи топлива, у которой форма конуса. Механизм образования кучи может быть разным, в зависимости от способа подачи топлива в топку. Один из вариантов - подача снизу с помощью шнекового конвейера (рис. 12), в принципе, его можно рассматривать как разновидность топки с нижней подачей при условии организации камеры дожигания в виде вертикального циклона с тангенциальным подводом воздуха. Аналогичное техническое решение реализуется ГК «АСТЕК» (г. Колпино, Санкт-Петербург) при производстве теплогенераторов, работающих на древесных отходах. Теплогенераторы выпускаются для комбинации с сушильными комплексами и котлами (см. рис. 13), причем их нижняя часть выполняется не в виде колосниковой решетки, а в виде бетонной реторты, в которую замурованы трубки для подвода первичного воздуха. В обоих случаях серьезной проблемой при эксплуатации является удаление шлака и очаговых остатков. В теплогенераторах ГК «АСТЕК» эта процедура требует остановки работы котла.

Похожее техническое решение использовано и в котлах серии КВД, выпускаемых ООО СМУ «Спецмонтаж», г. Тверь. Шнек подает топливо в нижнюю часть топочной воронки, имеющей вид перевернутого усеченного конуса. Боковые стенки конуса выложены шамотным кирпичом, в них на некоторой высоте от подовой решетки расположен по периметру ряд воздушных сопел. Первичный воздух подается под подовую решетку и к соплам. Вторичный воздух подается тангенциально в цилиндрическую часть топки, выше места перехода в нее топочной воронки.

Другой вариант способа подачи топлива - сверху, непосредственно на кучу топлива в виде конуса - реализуется американской фирмой Wellons Inc. (см. рис. 14). Вторичный воздух подается тангенциально в несколько ярусов, куча образуется на решетке, под которую подается небольшой объем первичного воздуха и через которую осуществляется выгрузка очаговых остатков. Интересным решением является объединение нескольких топочных ячеек под одним котлом довольно большой мощности - 50 т/ч и выше (рис. 15). Подобное решение позволяет обеспечить необходимую площадь поверхностного горения, а также эксплуатационную надежность всей системы.

Сигарные топки

Топки подобного типа были разработаны в Дании, где довольно широко применяются, в основном для сжигания соломы. Тюки соломы направляются гидравлическим толкателем через подающий тоннель на водоохлаждаемую подвижную решетку. Схематично процесс сжигания в сигарной топке показан на рис. 16. Процесс подачи топлива можно с некоторым допущением признать непрерывным. Газификация топлива начинается перед его попаданием в камеру сжигания, сжигание коксового остатка завершается на решетке. Контроль температуры на решетке и в камере сжигания чрезвычайно важен ввиду склонности топлива к подплавлению и образованию шлака, а также из-за высокой адиабатической температуры вследствие низкой влажности топлива. Температура в камере сжигания не должна превышать 900 °С, поэтому активно используется экранирование стен топочной камеры и рециркуляция дымовых газов. Повышенное содержание щелочных металлов в золе, а также высокая парусность и вынос частиц топлива и золы способствуют интенсивному образованию отложений на конвективных поверхностях нагрева, поэтому котлы должны быть оборудованы эффективными средствами очистки.

Рис. 15. Организация нескольких ячеек из кучевых топок производства фирмы Wellons Inc. под котлом большой мощности

Рис. 14. Кучевая топка фирмы Wellons Inc.

Рис. 16. Сигарная топка

До внедрения сигарных топок для сжигания тюков соломы использовались топки с периодической загрузкой, эксплуатация которых вызывала серьезные затруднения из-за пиков температуры и выбросов СО в процессе воспламенения и сгорания очередной порции топлива. В таблице представлены достоинства и недостатки технологий сжигания разных видов биотоплива. Технологии кипящего слоя и пылевидного сжигания в статье не описаны, но в таблице приведены сведения и по ним.

Для технологий кипящего и циркулирующего слоя, в отличие от слоевого сжигания, характерны пониженные выбросы СО и NO_x, что можно объяснить более однородными и хорошо контролируемыми условиями сжигания. В свою очередь технология слоевого сжигания по сравнению с технологиями КС и ЦКС обеспечивает меньший объем твердых пылевых выбросов и пониженное содержание горючих в уносе.

Артур КАРАПЕТОВ