Партнеры журнала:

Тема номера: Котельные на биотопливе

Экономика использования биотоплива

В мире сейчас функционируют две принципиально различные стратегии развития биоэнергетической отрасли с фокусом на древесные виды топлива. Так, например, в Швеции в последние годы внимание фокусируется на производстве облагороженного прессованного биотоплива − гранул и брикетов, где сырьем служат «хорошие» отходы лесопиления. Следовательно, предпочтение отдается развитию высокоавтоматизированного и предназначенного для сжигания гомогенного древесного топлива теплоэнергетического оборудования. В Финляндии, напротив, акцент ставится на максимальное использование низкокачественных лесных и древесных отходов − щепы, опила, коры, верхушек деревьев, хвои, тонких деревьев от раннего прореживания и т. д. − в качестве топлива, поэтому ведутся разработки технологий для сжигания сложно сгораемых видов топлива, например технологии кипящего слоя (fluidized bed combustion technology) и т. д. В этой статье мы обсудим методику принятия оптимальных решений при выборе топлива.

Априори невозможно утверждать, что все действующие котельные и ТЭЦ будет выгодно перевести, скажем, на топливные гранулы или щепу. Решение об использовании того или иного вида биотоплива следует принимать с учетом целого ряда факторов, таких как:

  • соотношение затрат на закупку различных видов топлива;
  • трудоемкость эксплуатации котельной или ТЭЦ при использовании различных видов топлива;
  • величина капиталовложений в реконструкцию мощностей;
  • риски, связанные с использованием того или иного вида топлива.

Топливная составляющая себестоимости тепловой или электрической энергии, то есть фактические затраты на приобретение топлива, используемого для получения единицы энергии, при использовании биотоплива чаще всего не может быть оценена так же легко и однозначно, как при использовании традиционных энергоносителей. Если при использовании природного газа, угля, мазута или дизельного топлива мы, как правило, можем принять за основу существующую рыночную цену топлива с доставкой и прогноз её изменения в будущем, то получить рыночную цену биотоплива часто оказывается не так просто. Дело в том, что в России на сегодняшний день не существует развитого однородного рынка биотоплива.

Собственное сырье

Если рассматривать возможность использования собственного сырья для обеспечения топливом котельной, например принадлежащей лесоперерабатывающему производству, то при расчете стоимости топлива следует принять во внимание следующие моменты:

  • затраты на доставку и хранение топлива, а также его подготовку к сжиганию (например, измельчение, брикетирование или гранулирование), включая труд, стоимость эксплуатации транспорта, амортизацию оборудования и т. д.;
  • альтернативную стоимость сырья, то есть потенциальный финансовый результат, который можно было бы получить при выборе другого варианта утилизации сырья. Причем, если сырье может быть продано, его альтернативная стоимость будет соответствовать прибыли от его продажи, если же сырье вывозится на свалку, то его альтернативная стоимость будет отрицательной и равной затратам на вывоз и утилизацию.

Покупное сырье

При оценке топливной составляющей рассматривается биомасса, приобретаемая у сторонних поставщиков, расположенных в непосредственной близости от котельной или ТЭЦ. Следует обратить внимание на:

  • фактическую цену сырья с доставкой;
  • затраты на хранение и подготовку топлива;
  • соотношение спроса и предложения на рынке выбранного сырья на текущий момент и ближайшую перспективу;
  • альтернативные возможности использования сырья, существующие для поставщиков.
Таблица 1. Ориентировочные данные о топливной составляющей
себестоимости тепловой энергии при использовании различных
видов топлива без учета КПД установок

Таблица 1. Ориентировочные данные о топливной составляющей себестоимости тепловой энергии при использовании различных видов топлива без учета КПД установок

Таблица 2. Потребительские характеристики различных видов
топлива

Посмотреть в PDF-версии журнала. Таблица 2. Потребительские характеристики различных видов топлива

При любых обстоятельствах полученные результаты необходимо сравнить с сопоставимыми показателями стоимости других видов топлива (с учетом затрат на доставку, хранение и подготовку).

В таблице 1 приведены средние для европейской части России цены на различные виды топлива. Нужно отметить, что КПД котельных установок разных моделей могут значительно различаться. Сопоставлять экономические показатели получения энергии на основе одной лишь топливной составляющей некорректно. В расчет необходимо принять целый ряд факторов, которые будут оказывать влияние на фактическую себестоимость энергии.

Если сравнивать использование в качестве биотоплива щепы, опила и гранул, то можно отметить, что главной отличительной особенностью этих двух видов топлива является трудоемкость эксплуатации необработанных древесных отходов. В Финляндии активно проводятся исследования и разрабатываются различные программы с целью снижения расходов на производство и транспортировку лесной и промышленной щепы.

В развитых странах развитие рынка биоэнергетики стимулируется посредством системы налогообложения и специальных инвестиционных программ, а участники энергетического рынка на основе экономики сами определяют, какой вид биотоплива использовать. В нашей же стране часто приходится выбирать биотопливо только по критерию доступности в той или иной местности.

Выбор котельных

Надо заметить, что тип биотоплива во многом определяет конструкцию и характеристики установок для его утилизации. Для сжигания топлива могут использоваться различные технологии:

  • неподвижная решетка;
  • подвижная механическая горизонтальная решетка;
  • неподвижная или подвижная конусообразная решетка;
  • наклонно-переталкивающая ре-шетка;
  • скоростная топка ЦКТИ системы Померанцева с «зажатым слоем»;
  • топки с кипящим слоем, в том числе с высокотемпературным циркулирующим кипящим слоем (ВЦКС);
  • низкотемпературная вихревая топка (НТВ-технология);
  • вихревая топка;
  • противопоточный или прямоточный газогенератор.

Процесс горения топлива на решетке может быть разделен на четыре, зависящих от температуры стадии:

  • сушка, она происходит при температуре до 200°С;
  • выход летучих веществ при 200–600°С;
  • воспламенение газообразных горючих веществ (начинается около поверхности горящих частиц слоя) при температуре более 200°С;
  • горение коксового остатка (углерода) (начинается в горящем слое при температуре 800°С).

Для обеспечения хорошего результата горения важно, чтобы топливо в топке находилось во всех вышеуказанных фазах. Это достигается постоянной подачей топлива и правильно рассчитанной подачей воздуха. Рассмотрим более подробно технологии сжигания топлива, реализованные в различных топочных устройствах.

Скоростные топки Померанцева

Наибольшее распространение в России получили скоростные топки профессора В. В. Померанцева с «зажатым слоем». При этой технологии слой топлива воздушным дутьем прижимается к «зажимающей» решетке, за счет чего повышается его аэродинамическая устойчивость. Решетку, как правило, выполняют из труб фронтового экрана, иногда из кирпича. Топка с «зажатым слоем» компактна, имеет высокое тепловое напряжение зеркала горения (qF = 1500–2500 кВт / м2) и малую площадь решетки, проста в изготовлении и эксплуатации.

Паровые котлы с естественной циркуляцией Е-2,5–1,4Д (КЕ-2,5-14-О), Е-4-1,4Д (КЕ-4-14-О), Е-6,5–1,4Д (КЕ-6,5-14 МТ-О) и Е-10-1,4Д (КЕ-10-14 МТ-О) Бийского котельного завода (БиКЗ), укомплектованные этими решетками, предназначены для выработки насыщенного или перегретого пара, используемого для технологических нужд предприятий лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Эти котлы наиболее эффективны при сжигании щепы влажностью 35–55% без примесей мазута или газа. При использовании более влажной древесины необходимо добавление одного из этих видов топлива, объем которого не должен превышать 30% от объема сжигаемых древесных отходов.

Потери тепла от механической неполноты горения для этих топок составляют от 2 до 4%.

Топки с механическими решетками

Установки с механическими колосниковыми решетками наиболее дорогостоящие. При переменной влажности древесных отходов 30–60% хорошие показатели демонстрируют топки с наклонно-переталкивающей решеткой зарубежного производства, например фирм Saxlund, Tamult, «Комконт». Наклонно-переталкивающая решетка состоит из чередующихся рядов неподвижных и подвижных колосников из жаропрочного и износоустойчивого материала (чугуна или стали), приводимых в движение гидравлической системой. Благодаря возвратно-поступательному движению колосников осуществляется шуровка отходов и их перемещение по решетке. Шлак из топки удаляется механически. Первичный воздух для сушки и горения отходов подается снизу через отверстия в колосниках, вторичный − в надслойное пространство. Реже при сжигании отходов применяются цепные решетки. Область применения этой технологии − высоковлажные отходы (до 55% влажности) со значительной долей крупных фракций, которые не могут быть термически переработаны в других типах топочных устройств. Помимо высоких затрат на изготовление переталкивающих решеток и гидропривода, такие установки более сложны и дороги в эксплуатации и ремонте. Потери тепла от механической неполноты горения в этих топках при налаженной работе составляют 1–3%.

Существует множество зарубежных фирм, выпускающих механические решетки, из российских компаний можно назвать: «Комконт», «КОМПТ», «Энергомет», «Балткотломаш» и другие.

Топки с неподвижными решетками

Сжигание в топке на неподвижных колосниках − наиболее распространенный способ переработки древесных отходов в установках малой мощности (от 20 кВт до 1 МВт). Колосниковое полотно в таких топочных устройствах, как правило, разделено на две секции: наклонную для сушки древесных отходов и горизонтальную, на которой осуществляется собственно сжигание. При меньшей по сравнению с механическими решетками стоимости данные установки позволяют сжигать как мелкофракционные, так и кусковые отходы. При невысокой влажности отходов такая конструкция обеспечивает приемлемую эффективность сжигания. КПД таких топок гораздо ниже, чем у механических. Как правило, выгрузка золы из подобных топок осуществляется вручную. Потери тепла от механической неполноты горения в этих топках при налаженной работе составляют 3–5%, велик также избыток воздуха. Можно назвать ряд отечественных фирм, которые выпускают топки с неподвижными колосниками: «Стройдеталь», «Сорок второй трест», «Союз», «Белкотломаш», «Комконт» и другие.

Вихревые топки

Вихревая технология, как правило, требует наименьших затрат на изготовление топочных устройств. Мелкофракционное топливо (опилки, стружка, щепа, кора) подается в топочную камеру в виде аэросмеси. Такая технология имеет множество преимуществ по сравнению с обычными топками, но она пригодна только для сравнительно больших котлов. Кроме того, она не подходит для сжигания кусковых отходов размером более 30 мм. Для её применения в условиях деревообрабатывающего комбината необходимо измельчение всех кусковых отходов. Потери тепла от механической неполноты горения для вихревых установок составляют 0,5–2%. Эти топки обычно представляют собой единое целое с котлом и могут быть заказаны на котельных заводах по специальному проекту, разработанному с участием одной из фирм: БиКЗ, «НТВ-энерго», «Политехэнерго» и других.

Топки с кипящим слоем

Топочное устройство с псевдоожиженным (кипящим) слоем обеспечивает сгорание опилок, стружки, щепы и коры в слое инертного материала (песка), под который подается струя воздуха. Такие устройства имеют наиболее высокие экологические характеристики по сравнению с другими типами топок. Но они требуют более равномерного гранулометрического состава топлива. Кроме того, применяемые в них воздухораспределительные решетки имеют большое аэродинамическое сопротивление, что требует установки довольно дорогостоящих специальных воздуходувок.

Технология ВЦКС, разработанная французскими специалистами, модифицирована рядом российских фирм, которые получили соответствующие патенты. Она обладает рядом дополнительных преимуществ:

  • для образования кипящего слоя не требуется специального инертного материала для формирования слоя, что позволяет снизить высоту плотного слоя до 300–400 мм, благодаря чему не требуется применение высоконапорного вентилятора;
  • циркуляция материала слоя обеспечивается без применения «горячих» циклонов;
  • розжиг топки с технологией ВЦКС может осуществляться аналогично розжигу обычного слоевого котла без применения пусковых газо‑мазутных горелок и резервного топлива;
  • в зависимости от вида и качества топлива, а также особенностей компоновки штатного оборудования решетка ВЦКС может быть установлена как в варианте с прямым, так и с обратным ходом.

Принцип действия топки, изготовленной по технологии ВЦКС, заключается в следующем: цепная колосниковая решетка резко сужается (до 0,5 м), и на ней образуется кипящий слой. Выше решетки топочная камера расширяется, что заставляет частицы топлива образовывать внутритопочную циркуляцию. Дополнительно на топку установлена осадительная камера для выноса несгоревшего топлива, из которой уловленное топливо возвращается в надслойное пространство, то есть возникает дополнительный контур циркуляции частиц. Потери тепла от механической неполноты горения в этих топках при налаженной работе составляют 3–5%. Можно назвать ряд отечественных фирм, которые выпускают проекты котлов с топками кипящего слоя: «Белэнергомаш», «Балткотломаш», «Инэко», «Петрокотел» и другие.

Оборудование для сжигания пеллет

Сжигание древесных топливных гранул (ДТГ) − пеллет или брикетов согласно справочнику «Древесная топливная гранула в России и СНГ» − можно осуществлять на различном оборудовании. Однако максимальной эффективности можно добиться лишь с помощью котлов и горелок, специально предназначенных для этого вида топлива. Для малых установок процесс получения тепловой энергии из гранул происходит при относительно низкой температуре. При этом котел (печь), исчерпав топливо в контейнере, может продолжать снабжение теплом помещения в течение 24 часов за счет малой скорости протекания процесса. В Европе более половины котлов на древесных пеллетах имеют среднюю мощность от 0,1 до 1 МВт. Обычно такие котлы устанавливаются в больших частных домах, школах, на небольших предприятиях. Кроме котельных на пеллетах, существуют также камины на гранулах и брикетах. Подобные камины работают как воздухонагреватели, поэтому не требуют системы трубопроводов. Чаще они используются (как и традиционные камины) в качестве дополнительного средства обогрева. На сегодняшний день на рынках стран СНГ представлены котлы и горелки для переоборудования жидкотопливных котлов под гранулу. Кроме этого, представлено котельное оборудование большой мощности (паровые и водогрейные котлы) для сжигания брикетов, маломощные автоматизированные котлы для частных домов и комнатные камины для сжигания топливной гранулы.

Благодаря низкой влажности древесных гранул (около 10%), они обладают высокой теплотой сгорания − 4,8–4,9 МВт·ч / т.

Древесные пеллеты можно сжигать по различным технологиям. Наиболее развитой технологией является сжигание на специальных горелках, что позволяет полностью автоматизировать теплоэнергетическую установку мощностью от 10–40 кВт до 10–20 МВт. КПД этих установок может достигать 80–85%. Для установок большей мощности гранулы измельчаются в тонкодисперсный порошок, который сжигается в камерных топках по аналогии с технологией сжигания угля, при этом КПД повышается до 85–90%.

Установка для сжигания гранул состоит из следующих основных компонентов:

  • склада топлива или бункера;
  • конвейера подачи топлива из бункера на горелку;
  • горелки для сжигания пеллет;
  • собственно котла или нагрева-теля.

Подача топлива со склада к котлу может быть осуществлена с помощью шнекового транспортера. Выделение летучих газов обычно происходит в устье горелки с коэффициентом подачи воздуха меньше единицы. Затем продукты неполного горения дожигаются в топочном объеме.

М. В. ТРЕПОВ, начальник конструкторского отдела ООО «Балткотломаш»,
С. М. ШЕСТАКОВ, проф., д. т. н.