Биоэнергетика – перспективное направление развития лесных регионов
На предприятиях ЛПК Архангельской области, богатой лесными ресурсами (и древесными отходами, образующимися при лесозаготовке, деревообработке и деревопереработке), оборудование фирмы Polytechnik Luft- und Feuerungstechnik GmbH используется с 2004 года. Тогда на Цигломенском участке ЗАО «Лесозавод 25» была смонтирована водогрейная котельная с двумя котлами мощностью 2,5 МВт каждый. Сегодня мы расскажем о том, как развивалось сотрудничество архангельского предприятия с этой известной австрийской компанией, что стало импульсом к развитию биоэнергетики в регионе.
Polytechnik. Котельные на древесном топливе
Результаты энергетических обследований и анализ работы утилизационно-энергетических котлоагрегатов PR-2500 в период суровой и затяжной зимы 2005-2006 годов, выполненные сотрудниками кафедры теплоэнергетики и теплотехники УНЦЭИ САФУ совместно с инженерами Лесозавода 25, позволили сделать вывод о том, что на тот момент у этого оборудования были самые высокие технико-экономические и экологические характеристики из всех теплогенерирующих установок Архангельской области, работавших на кородревесном топливе, и что энергоустановки компании Polytechnik могут не только в течение длительного периода обеспечивать номинальную мощность, но и в случае необходимости достичь производительности выше номинальной.
На основании выводов о высоких характеристиках оборудования Polytechnik руководство Лесозавода 25 приняло решение расширить рамки сотрудничества с австрийским производителем, следующим этапом которого стал ввод в эксплуатацию в 2008 году мини-ТЭЦ с двумя паровыми котлоагрегатами PRD-7500 мощностью 7,5 МВт каждый и противодавленческой турбиной типа GT 580-4 мощностью 2,2 МВт.
Использование древесных отходов, образующихся на предприятиях ЛПК, в качестве топлива для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, позволяет значительно снизить энергозависимость предприятий (а иногда и регионов) от поставок энергии и углеводородных видов топлива из других регионов.
Положительные результаты инновационного развития энергетического комплекса ЗАО «Лесозавод 25» и строительство цеха по производству древесных гранул дали импульс к развитию биоэнергетики в Архангельской области и положили начало формированию рынка биотоплива в регионе. Важным шагом в этом направлении явилось строительство в пос. Катунино и ввод в эксплуатацию в 2010 году котельной с тремя водогрейными котлоагрегатами Polytechnik типа PR мощностью 4 МВт каждый, работающими на древесных гранулах, что позволило отказаться от использования мазута в качестве топлива для котельной в этом поселке. Поставку оборудования и пусконаладочные работы осуществила компания Polytechnik.
По итогам пяти отопительных сезонов (2010-2015 годы) оборудование котельной, работавшей на древесных гранулах, показало себя с наилучшей стороны, отработав без сбоев, стабильно обеспечивая теплом потребителей. Энергообследование установленных котлоагрегатов показало, что оборудование обеспечивало минимальные значения эмиссии оксидов азота и монооксида углерода из всех теплогенерирующих установок региона, работавших на биотопливе.
В настоящее время на Цигломенском участке ЗАО «Лесозавод 25» реализован очередной, самый масштабный и дорогостоящий этап программы комплексного использования древесного сырья. Введена в эксплуатацию ТЭЦ-2, оборудованная двумя паровыми котлоагрегатами Polytechnik модель РRD-9500 общей мощностью 9,5 МВт и противодавленческой турбиной типа GET 420-5 мощностью 3,3 МВт.
Номинальная паропроизводительность каждого котлоагрегата составляет 12,5 т/ч. В топочных камерах котлов реализована трехступенчатая схема сжигания топлива. С целью дополнительного снижения выбросов оксидов азота и регулирования температурного уровня в топке они оборудованы двумя системами рециркуляции продуктов сгорания и дополнительными дымососами. Все тягодутьевые установки котлоагрегатов оснащены системой частотного регулирования производительности.
В 2014 году сотрудниками кафедры теплоэнергетики и теплотехники УНЦЭИ САФУ совместно с инженерами Лесозавода 25 было выполнено энергетическое обследование основного и вспомогательного оборудования теплогенерирующих установок ТЭЦ-2 ЗАО «Лесозавод 25».
Балансовые опыты на котлоагрегатах № 1 и 2 были проведены в диапазоне нагрузок от 78 до 91,1% от номинальной, причем в топки котлов подавались несортированные древесные отходы, в составе которых преобладала кора - ее доля в биотопливе составляла от 54 до 77%. Во всех опытах у сжигаемого кородревесного топлива была высокая степень неоднородности гранулометрического состава. Влажность древесного топлива на рабочую массу составляла Wtr = 57,22-60,55%; зольность Аr = 0,53-0,79 %; а низшая теплотворная способность Qri = 6,478-7,224 МДж/кг.
Балансовые опыты проводились в соответствии с требованиями, предъявляемыми к промышленно-эксплуатационным испытаниям третьей категории сложности.
Температура и давление перегретого пара на выходе из котлов изменялись в диапазоне: tпп = 413-425 оС, Рпп = 2,25...2,35 МПа; т. е. зафиксированы значения, близкие к нормативным. Пароохладитель во всех режимах находился в работе, снижение температуры пара после него составляло 28-46оС. Температура газов до пароперегревателей изменялась в диапазоне 543-574оС, после них - 344-360оС.
Диапазон возможного изменения нагрузки котлов был органичен технологическими потребностями Цигломенского участка ЗАО «Лесозавод 25». Полный расход древесного топлива в исследованном диапазоне нагрузок на один котел составлял 4,85-5,22 т/ч, теплонапряжение зеркала горения изменялось в диапазоне 440,0-517,7 кВт/м2, что аналогично параметрам котлоагрегатов PRD-7500 ТЭЦ-1.
Система автоматического регулирования режимов работы котлоагрегатов обеспечивала расход организованно подаваемого воздуха, близкий к оптимальному (αорг = 1,35-1,43).
Проведенные исследования показали, что при сжигании кородревесного топлива с относительной влажностью до 60% и эффективном использовании всей площади наклонно-переталкивающей колосниковой решетки обеспечивается высокий уровень выгорания оксида углерода и его концентрация не превышает 670 мг/нм3 при КO2 = 6%. Потери тепла с химическим недожогом топлива в исследованном диапазоне нагрузок составили: q3 = 0,00-0,30%.
При проведении энергетического обследования температура воды на входе в экономайзеры котлоагрегатов была стабильной и составляла tпв = 105,7-108оС, что позволило обеспечить ее дегазацию и довольно глубокое охлаждение дымовых газов. Температура продуктов сгорания после водяных экономайзеров составляла 172-195оС.
Конструкция двухходового по газам воздухоподогревателя позволила обеспечить подогрев первичного воздуха до 146оС, при этом через воздухоподогреватель проходило 37-45% общего количества организованно подаваемого воздуха. Продукты сгорания при омывании поверхности нагрева воздухоподогревателя охлаждались до 160оС.
Для определения запыленности дымовых газов в газоходах, идущих к дымовым трубам, и эффективности работы золоуловителей использовались два метода: внутренней и внешней фильтрации. Концентрации твердой фазы в продуктах сгорания, идущих к дымовым трубам, составили: 89,8 мг/нм3 для котлоагрегата № 1 при нагрузке 80% от номинальной и 97,06 мг/нм3 для котла № 2 при нагрузке 78,6% от номинальной. Выполненные исследования позволили определить значения суммарной степени очистки дымовых газов при их прохождении через золоуловитель и воздухоподогреватель, которая, при разрежении в топке котла 98 Па, составила 90,0%.
Анализ условий тепловой работы котлоагрегатов показал, что потери тепла с уходящими газами изменялись от 10,26 до 11,44%. Умеренный уровень этих потерь объясняется небольшими значениями коэффициента избытка воздуха в уходящих газах αух= 1,53-1,62.
Потери тепла с механической неполнотой сгорания составили q4 = 0,17-0,27%. Низкий уровень этих потерь объясняется наличием системы позонного распределения воздуха и ступенчатой схемы подачи окислителя, повышенной сепарационной способностью топочной камеры и умеренной зольностью древесного топлива в период проведения обследования. Названные факторы обеспечили высокую полноту выгорания углеродной основы топлива. Содержание горючих веществ в шлаке и летучей золе составили: Сгшл = 5,4-9,2%, Сгун = 4,6-8,5%.
Потери с физической теплотой шлака на обследованных котлах не превышали q6 ≤ 0,05%. Потери тепла в окружающую среду, полученные на основе замера температуры его ограждающих конструкций и температуры окружающей среды, составили q5 = 1,54-1,79%.
При проведении балансовых опытов КПД брутто котлоагрегатов изменялся в диапазоне от 86,18 до 87,86%, а удельный расход условного топлива на выработку 1 Гкал - 162,6-165,8 кг у. т.
Отмечены низкие значения эмиссии оксидов азота - от 0,057 до 0,071 г/МДж, что объясняется умеренными избытками воздуха в топочных камерах котлоагрегатов и наличием 3-ступенчатой схемы сжигания.
Диапазон изменения эмиссий оксида углерода при проведении балансовых опытов составил 4,0-311,0 мг/МДж, причем верхняя граница указанного диапазона имела место при сжигании кородревесного топлива с высокой влажностью (Wtr = 60,55%).
Реализация проекта по энергетическому использованию древесных отходов для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии позволила значительно снизить уровень загрязнения окружающей среды, а также обеспечить потребности завода в электрической энергии на 65-70% и на 100% - в тепловой (при полной загрузке цехов предприятия и работе производства по выпуску гранул).
Энергообследование показало, что у котлоагрегатов PRD-9500 довольно высокие технико-экономические и экологические характеристики, а также есть резерв для повышения КПД, снижения эмиссии оксида углерода и частиц сажи путем дополнительной настройки системы автоматического регулирования.
Виктор ЛЮБОВ,
директор УНЦЭИ САФУ, зав. кафедрой теплоэнергетики и теплотехники,
д-р техн. наук, проф.
