Важная информация о котельных, работающих на биотопливе. Система дымовых газов

Автоматизированные котельные на биотопливе

Котельная на биотопливе предназначена для получения тепловой энергии путем сжигания биотоплива и передачи ее потребителю посредством нагретого теплоносителя с целью отопления жилых и производственных зданий, а также технологических помещений с температурой теплоносителя 95–115 о С. Комплекс котельной представляет логическую систему взаимосвязей обеспечения и доставки биотоплива к зданию самой котельной, хранения и подачи биотоплива, его сжигания и получения тепловой энергии.

Котельная на биотопливе, принципиальный состав оборудования:

система приемки, складирования и подачи биотоплива (топливный приемник, загрузчик, топливный склад);
система сжигания биотоплива с производством тепловой энергии (водогрейный биотопливный котел, или несколько котлов);
система аспирации дымовых газов (золоуловители циклонного или кассетного типа с дымососом, дымоходы, боровные части, дымовые трубы);
система золоудаления (устанавливается как опция на котлы на биотопливе с высоким процентом зольности);
система контроля и управления (система автоматического регулирования дозирования подачи топлива и управления процессами оптимального горения и теплообмена в котле).

В обеспечение технологичности изготовления, сокращения объема монтажных работ, повышения уровня ремонтопригодности и удобства обслуживания, оборудование котельной сгруппировано в модули:

Котельная на биотопливе, основные модули:

1 - приемно-выгрузочный модуль для приемки биотоплива из самосвального автотранспорта и выгрузки на перегрузочный транспортер;

2 - накопительно-выгрузочный модуль для накопления необходимого объема топлива, обеспечивающего бесперебойную работу котельной с номинальной мощностью в течение 4-5 суток, и дозированной выгрузки биотоплива на транспортеры, подающие топливо в топку котлов;

3 - водогрейные котлы работающие на биотопливе, и обеспечивающие производство тепловой энергии в форме нагретой до 95-105 о С воды;

4 - система контроля и автоматизированного управления, обеспечивающая текущий контроль и регулирование параметров котельной: разрежение в топочном объеме котла; надлежащее качество сжигания топлива; теплопроизводительность котлов.

Котельная на биотопливе. Функциональная схема.

Доставка биотоплива к котельной осуществляется автотранспортом с использованием самосвальных прицепов, обеспечивающих как боковую так и заднюю выгрузку топлива в механизированный приемник. Механизированный приемник имеет защитную откидывающуюся крышку. Открытие крышки перед загрузкой топлива осуществляется механическим приводом. Загруженное в приемник топливо перемещается при помощи подвижных стокеров на наклонный скребковый транспортер, который поднимает топливо к оперативному бункеру-дозатору далее шнековым транспортером в котлы на биотопливе. Управление работой транспортеров и приемника производится с пульта управления в автоматическом режиме. Управление производительностью выгрузки подаваемого в котел биотоплива осуществляется изменением периода возвратно-поступательного движения стокерных толкателей задаваемого автоматической системой управления котла. Поддержание требуемой теплопроизводительности котла обеспечивается в автоматическом режиме системой управления по заданной температуре в прямой линии первого контура изменением производительности выгрузки топливного склада. В системе управления котельной предусмотрена защита от перегрузок оборудования и блокировка аварийных режимов работы при повышении предельных значений температуры в топке, температуры воды в прямой линии, при падении давления воды в системе ниже предельно допустимого значения.

Основное оборудование котельной (механизированный топливный склад, средства подачи топлива - скребковые и шнековые транспортеры, водогрейные котлы на биотопливе) располагается в быстровозводимом неутепленном здании ангарного типа. Дополнительное оборудование котельной (насосно-распределительные станции, средства контроля и автоматического управления, система водоподготовки, мембранные и расширительные баки, запорно-регулирующая арматура и прочие теплотехнические узлы и агрегаты) размещаются в отдельных отапливаемых помещениях операторской и машинном отделении.

В качестве биотоплива используются возобновляемые энергетические ресурсы, такие как торф (кусковой и фрезерный), отходы лесопиления (кора, щепа, опилки). Фракция топлива ограничена размерами 50х50х5 мм. Подготовка топлива по фракционности производится при помощи роторных дробилок или молотковых дробилок.

Котел на биотопливе способен использовать древесные отходы с высокой относительной влажностью без предварительной просушки. Влажность топлива может достигать 55%.

Трубная обвязка котельной.

Виды доступного биотоплива

Любой человек может заготовить на зиму материал, которым будет отапливать помещения:

неделовые брёвна лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий;
различные древесные отходы: ветки, сучья, верхушки, снятая кора после машинной обработки стволов, заготовки, которые сочли за брак, доски с дефектами, остатки плотницких работ, горбыли;
обломки стволов, которым не нашли применения, части упавших деревьев. А также корни, пни, поросль и кустарники, подлежащие обрезке и вырубке. Например, вблизи линий электропередач, связи, трубопроводов, вдоль автомагистралей;
засохшие растения целиком или частично: стебли подсолнечника, камыша, ботва картофеля, солома;
торфяные брикеты;
пеллеты, изготовленные из прессованных древесных и растительных отходов.

Разные отопительные материалы отличаются энергоэффективностью. Чтобы определить, какой из них будет выделять больше теплоты, следует изучить их состав.

Сравним продуктивность

Любые материалы, которые относятся к биотопливу, имеют в своём составе:

воду;
смолу;
горючее вещество.

Процентное соотношение компонентов обусловливает его свойства, способность выделять определённое количество теплоты. Этим материалы отличаются между собой. Содержание влаги может варьироваться в зависимости от способа хранения, обработки. Влажность в процентном соотношении может быть завышена, если биотопливо плохо поддаётся сушке. Это отразится на горючих свойствах материала.

Влажность стволов деревьев после срубки может составлять 60%. Для высушивания её выдерживают два, а то и три месяца под открытым небом. Если погода будет солнечная, без осадков, да ещё с небольшим ветром, то влажность лесозаготовок составит 40–45%. Искусственная сушка на производственных участках или складах позволяет добиться содержания влаги в пределах 15–20%. Если сравнивать торф с другими видами биотоплива (древесиной, растительными остатками), то можно отметить повышенное содержание золы и сернистых веществ, которые источают неприятный запах при горении.

Котлы, работающие на жидком топливе

Если сравнивать оборудование, работающее на дизельном топливе и твёрдом биотопливе, то можно отметить, что ассортимент обоих вариантов довольно широк. Найти поставщиков агрегатов любого вида не проблема для заинтересованного покупателя. К тому же на рынке представлены как российские, так и зарубежные производители. Котлы можно купить любой мощности, и таким образом отапливать большие площади. Если производительности одного котла недостаточно, можно обустроить котельную из нескольких одновременно работающих агрегатов.

Пользователи ставят вопрос о системе хранения и автоматизированной подаче топлива. Это давно перестало быть проблемой. Разработаны схемы передачи из бункеров, сберегающих как дизель, так и биотопливо в котлах, которые горят непрерывно. Процесс механизирован и автоматизирован, не требует частого контроля и постоянного присутствия оператора. Стоимость системы для подачи твёрдого биотоплива дороже, чем для котельных на газу или жидком топливе. Несложно определить, будет ли выгодно её устанавливать.

Расходы на эксплуатацию

Сравнивая энергоэффективность двух котельных одинаковой мощности, равной 2 МВт, одна из которых будет отапливаться дизелем, а вторая - твёрдым топливом, нужно рассчитать стоимость горючего:

Дизельный котёл потребляет 180 л/час, таким образом, расход за сезон составит 450 000 литров. Учитывая стоимость дизтоплива, расходы составят 13,5 млн рублей. Котёл потребляет ещё электроэнергию для работы горелки. Стоимость за 6 месяцев отопительного периода при цене 5 руб. за кВт/ч - 100 000 руб. Итоговая сумма: 13 600 000 руб.
Если в качестве топлива использовать щепу, то при потреблении около 4 м 3 /час за сезон расходы составят 3 850 000 руб.
Пеллеты и брикеты обойдутся дороже. Расход - 430 кг за час при цене 6 руб. за кг, отопление будет стоить 6 450 000 руб. за сезон. Нужно добавить расходы за электроэнергию, которая потребляется горелкой. Её мощность 15 кВт, поэтому придётся оплатить ещё 375 000 руб.

Можно посчитать, сколько нужно заплатить за газ при заданной потребляемой мощности. Расход газа котлом составляет 240 м 3 /час. Возьмём средний тариф топлива - 5 руб./м 3 . Тогда общая стоимость отопления за период 6 месяцев составит 300 000 руб.

Выводы делайте сами.

Затраты на капитальное строительство

Минимум в 5 миллионов рублей обойдётся газификация объекта - это официальные данные, которые включают стоимость разработки проекта и подключение. На деле всё выглядит иначе. Оплачивать приходится непредвиденные расходы, потраченная сумма обычно удваивается к моменту окончания работ. Можно привести пример, когда расчётная сумма по проекту газификации объекта (технические данные: котельная нагрузкой 1,5 МВт) в Московской области составила 82 млн рублей. Владелец отказался от реализации.

Стоимость оборудования для газовой и дизельной котельной приблизительно одинакова. Но следует учесть, что необходим бункер для хранения топлива. Его цена приблизительно 1 млн рублей.

Твердотопливные агрегаты, горелки и бункеры обойдутся значительно дороже двух предыдущих вариантов. Однако стоимость биотоплива быстро окупит все расходы. Поэтому на данный момент наиболее выгодно оборудовать котельную, работающую на данном материале. Следует отметить, что горение биотоплива самое экологичное, оно меньше загрязняет окружающую среду. В помещении не будет угольной пыли и посторонних запахов, которые обычно присутствуют при использовании дизтоплива.

Сложившаяся на сегодняшний день обстановка в ряде регионов — резкое повышение тарифов на тепловую энергию и другие энергетические ресурсы, заставляет задуматься о путях снижения затрат. Одним из реальных инструментов снижения затрат на выработку тепловой энергии может быть использование в качестве топлива — биотоплива. В этом случае отпадает необходимость дорогостоящей доставки, например, угля из регионов Сибири, а это более 1000 рублей на 1 тонну перевозимого в Северо-Западный регион топлива, что удорожает стоимость угля по отношению к месту его добычи более чем в 2 раза.

Стоимость энергии

Сравним стоимость выработки тепловой энергии на различных видах топлива в Северо-Западном регионе. Для выработки 1 Гкал тепла необходимо примерно 130 м3 природного газа, его цена с учетом последнего повышения на начало 2010 г. составляет около 4000 руб. за 1000 м3, таким образом, в стоимости 1 Гкал топливная составляющая около 520 руб.

Цена на уголь по различным потребителям в Ленинградской области колеблется от 2500 до 3700 руб. за тонну. В стоимости 1 Гкал топливная составляющая соответственно (при учете того, что КПД энергоустановки принимается 80%, а реально на небольших КПД находится на уровне не более 50 — 65 %) будет колебаться от 575 до 850 руб.

Мазут стоит 12000 руб. за тонну, в стоимости 1 Гкал топливная составляющая 1350 руб.

При сжигании древесных пеллет (реальная теплотворная способность нами взята 3800 ккал, максимум 4000 ккал), их расход на выработку 1 Гкал составляет около 300 кг. При КПД установки 84% и цене 3800 руб. за тонну (это минимальная цена по которой нам удастся покупать пеллеты для отопления нашего завода), топливная составляющая в стоимости 1 Гкал составляет 1440 руб.

На сегодняшний день, по данным ООО «Теплосервис» г. Приозерска Ленобласти, цена топливной щепы в случае ее приготовления на месте из бревен, не относящихся к деловой древесине, имеет следующую структуру. Стоимость 1 м3 круглого леса дровяного от 500 до 1000 руб. (цена зависит от региона и поставщика), рубка щепы около 170 руб. за один плотный кубометр. Соответственно, цена топлива в 1 Гкал будет составлять от 420 до 730 руб. при влажности щепы до 55% и КПД котла 80%. По нашим данным, собранным в Новгородской области, средняя цена за плотный кубометр щепы составляет около 1000 руб. Соответственно, топливная составляющая в 1 Гкал в этом случае будет равна 625 руб.

Преимущества щепы и гранул

К сожалению, в России ни в одном регионе не производится специальная заготовка топливной щепы для нужд жилищно-коммунального хозяйства — как, например, в Финляндии, где создана целая производственная отрасль. Тем не менее, даже при таком разбросе в ценах можно с уверенностью сказать, что щепа вполне конкурентоспособна по сравнению с углем и имеет безусловное преимущество перед мазутом. В сравнении с газом, если учесть повышение цены газа на 16% последовательно в 2011 и 2012 гг. и при условии хорошей организации централизованных заготовок щепы, конкурентоспособность также будет налицо. Объем капитальных затрат на строительство котельных на газообразном топливе кажется на первый взгляд значительно меньшим, чем такие же затраты применительно к твердым видам топлива. Однако при этом умалчивается о необходимости строительства подводящих газопроводов, а их стоимость необходимо учитывать в экономических расчетах. Умалчивается об этом потому, что строительство газопроводов ведется за счет Газпрома. Но деньги, и большие, реально затрачиваются.

Пеллеты по цене топливной составляющей в 1 Гкал не очень выгодны. Все же необходимо отметить ряд преимуществ, по которым строительство таких источников теплоснабжения весьма целесообразно. Применение пеллет как топлива позволяет исключить постоянное присутствие обслуживаемого персонала (периодический осмотр оборудования, приемка пеллет), что существенно снижает затраты на обслуживание котельной. Повышается качество отпускаемого продукта, достигается стабилизация температуры воды отпускаемой потребителю по заданному графику в зависимости от температуры наружного воздуха. А при небольших тепловых нагрузках 50-500 кВт отсутствие сменного персонала в котельной будет снижать стоимость 1 Гкал в несколько раз.

Дополнительно необходимо отметить, что ряд регионов очень заинтересован в производстве пеллет из соломы, лузги и других отходов переработки сельского хозяйства. Цена на такие пеллеты, по нашим сведениям (мы сейчас покупаем пеллеты из лузги по цене около 2000 руб. за тонну для испытаний наших котлов), практически вдвое ниже, чем на дровяные пеллеты а это уже 720 руб. стоимости топлива в 1 Гкал вырабатываемого тепла против 1440 руб., рассчитанных для дровяных пеллет.

Таким образом, биотопливо по экономическим показателям на сегодняшний день вполне конкурентоспособно. Остается преодолеть одно серьезное препятствие на пути строительства котельных на биотопливе — отсутствие инвестора. Экономическая целесообразность уже есть, остается получить гарантии.

Согласно закону 131 («Об общих принципах организации местного самоуправления»), сегодня все вопросы жилищно-коммунального комплекса должны решаться на местах в муниципальных образованиях. Однако очевидно, что сельское поселение не обладает достаточным ресурсом для обеспечения гарантий таких значительных инвестиций, то же касается и районных администраций.

Остается субъект федерации. Здесь же можно столкнуться с совершенно разными подходами к решению этой проблемы. Некоторые субъекты федерации, ссылаясь на 131-й закон, не хотят даже разговаривать на эту тему — это, мол, полномочия 1-го уровня, когда «рванет», тогда об этом и подумаем. При этом ведутся совершенно абстрактные разговоры о какой-то коммерческой привлекательности в области строительства таких котельных, что является неправдой, при отсутствии, строго говоря, возможности получения (особо отмечаю реального получения) инвестиционной надбавки к тарифу за тепло. Поясню. Инвестор вкладывает деньги, строит котельную, подписывает инвестиционный договор, где учтена инвестиционная надбавка и оговорен период окупаемости проекта, а затем не получает в нормальном режиме ни самого тарифа, ни тем более инвестиционной надбавки. При этом остановить котельную нельзя: тут же в дело вмешивается прокуратура, слышатся окрики со стороны, не платящей администрации об отсутствии социальной ответственности. И спросить не с кого, поскольку нет реального гаранта, способного в случае невыплат ответить по обязательствам или призвать неплательщика к выполнению своих обязательств. В такой бизнес никто не хочет идти и не пойдет.

В некоторых субъектах федерации — таких, как Кировская область, Новгородская область, с которыми мы сталкивались, вопрос выдачи гарантий для взятия кредитов под строительство котельных принимается к рассмотрению как возможный вариант решения замены устаревших котельных. Но в целом, пожалуй (и это видно из публикаций в открытой печати), каких-то более или менее масштабных программ не видно. Иными словами, все, как в добрые старые времена: с жаром говорим о потерях в сетях (до 40%), о низком КПД котельных (доходит до нижнего предела 45%) и т. п., но ничего не делаем.

Сроки окупаемости

Еще раз подчеркнем экономическая целесообразность, окупаемость проектов просматривается. На сегодняшний день строительство сельских котельных в комплексе с тепловыми сетями окупится примерно за 8 — 10 лет, причем этот срок реален для объектов с тепловой нагрузкой от 2 до 7 МВт. Если нагрузка превышает 7 МВт, срок окупаемости значительно сокращается.

Для котельных мощностью менее 2 МВт необходима программа со специальным участием субъектов Федерации — поскольку срок окупаемости таких котельных уходит за 10 лет, и разговаривать с инвестором становится трудно.

Здесь необходимо участие и поддержка государства в виде определенных преференций для участников проекта, например в виде субсидирования процентной ставки, либо прямого участия субъектов Федерации в финансировании, конечно же, при условии окупаемости проекта, хотя и с несколько увеличенным сроком окупаемости.

Другой вариант включать в качестве добавки объекты с большим сроком окупаемости в эффективную программу, удлиняя ее, но незначительно.

Потери тепла

На сегодняшний день всеми признается, что потери при выработке тепла и по пути его доставки к конечному потребителю достигает 40 — 50 %, т. е. мы отапливаем «улицу» и сжигаем ценного невосстанавливаемого органического топлива почти вдвое больше требуемого.

Экономические предпосылки для перехода на возобновляемые виды топлива реально уже существуют. Сравнительные расчеты по стоимости топливной составляющей в 1 Гкал мы проводили исходя из КПД при сжигании угля и мазута по ГОСТу, т. е. более 80%, а не из тех реалий, которые существуют и описаны выше. Это делает еще более привлекательной идею перевода котельных на биотопливо в результате реализации неизбежной реконструкции устаревшей котельной техники. Однако ситуация, сложившаяся в коммунальном хозяйстве, не меняется: нет не то что ажиотажа, но даже и видимого движения в направлении модернизации. Это напоминает схему неполучения лицензии на эксплуатацию систем теплоснабжения — вам не выдадут лицензию, потому что у вас нет в эксплуатации газовой котельной, а котельную в эксплуатацию не дадут, потому что нет лицензии; такой ребус не разрешим. В общем, при наличии со всех сторон объективных предпосылок и целесообразности реконструкции и модернизации коммунальных котельных с переводом на биотопливо движения в этом направлении нет. Причина состоит в том, что нет того механизма, который бы запустил этот процесс, отсутствуют деньги. Без четких гарантий возврата денег их никто не даст. А тот, кто может дать гарантии и наладить контроль возврата денег через тарифную составляющую, ничего не делает под прикрытием 131-го закона. Мы все видим и горячо обсуждаем, как это делается на практике: если где-то уже не может работать котельная, и зимой она останавливается вовсе, там осуществляется ремонт в виде латания дыр, либо производят частичную замену оборудования. В отдельных случаях осуществляется модернизация.

Таким образом, мы наблюдаем все-таки отдельные, весьма скудные, ростки нового в коммунальной отопительной технике. По этой причине у нас совсем немного предприятий, производящих котельную технику, которая работает на твердом топливе, включая биотопливо. В Финляндии таких производителей более 40, у нас на Северо-Западе «два с половиной», т. е. спрос порождает предложение.

В настоящее время более остро встает проблема поиска отличных от традиционных источников энергии. Запасы традиционных энергоносителей конечны и недешевы, поэтому предпочтение все чаще отдается возобновляемым источникам энергии. Человечество уже использует потенциал воды, ветра, Солнца, но также одним из возобновляемых источников топлива являются продукты жизнедеятельности самого человечества.

Специалисты Турбопар уже более 6-ти лет успешно занимаются проблемами утилизации отходов птицеводства, животноводства и в целом сельского хозяйства.

1. Виды биотоплива.

Под биотопливом понимается топливо, получаемое путем переработки побочных продуктов животного или растительного происхождения (биомассы). Это и древесина (щепа), и солома, и жмыхи, и лузга масличных культур, и продукты жизнедеятельности домашних животных и самого человека. И этот источник энергоресурсов будет существовать, пока будет существовать человек и наша планета.
Различные виды биотоплива имеют разный энергетический потенциал и, соответственно, требуют различного подхода к извлечению этого потенциала.

2. Методы использования биотоплива (подготовка к использованию в котельной для последующей подачи в котлы).

Существуют различные технологии по использованию биотоплива и приготовлению из него конечного продукта для подачи в топку котла. И подбор конкретной технологии к определенному виду биотоплива зависит от условий Заказчика. Ранее мы рассмотрели вопросы использование щепы , в данном разделе осветим вопросы утилизации других видов биотоплива, а также биоотходов.

В зависимости от влажности исходного топлива, его свойств и происхождения выделяют такие технологии как прямое сжигание, газификацию, либо получение биогаза. Так при влажности исходного топлива более 50%, как правило, целесообразнее использовать технологию получения биогаза, при влажности меньше 50% методы прямого сжигания топлива либо газификацию топлива.
Остановимся на общем описании каждого из указанных методов.

Метод с получением биогаза. Сущность данного метода заключается в следующем: биотопливо (биомасса) загружается в биореакторы, где происходит процесс брожения, в ходе которого метановые бактерии вырабатывают собственно первичный биогаз. Требования к данной технологии очень высоки, любое нарушение технологии либо температурных ре
жимов может привести к гибели бактерий, и соответственно к остановке биореактора, для его очистки.

Минусами данного метода являются как дополнительные затраты на увеличение влажности исходного биотоплива (в зависимости от времени года до 92-94%) и подогрев добавляемой воды (если технология применяется в регионах с холодными периодами года), так и довольно долгий срок приготовления непосредственно топлива – биогаза. Также надо учитывать, что при данной технологии общая масса исходного сырья уменьшается на 3-5%, т.е. как способ, в том числе и утилизации отходов, такая технология малоприменима (хотя продукт после брожения в некоторых случаях можно использовать как удобрение). Однако в то же время стоит отметить и такие несомненные плюсы данной технологии, как:
- высокая калорийность получаемого топлива (по характеристикам биогаз наиболее приближен к природному газу),
- использование полученного биогаза для различных нужд, в том числе для получения биотоплива для автомобилей,
- существенная экономия на процессе получения энергии, если влажность исходного топлива высока (от 65%).

Особняком в этой технологии стоит утилизация куриного помета кур-несушек, влажность которого может достигать 90 % и более. Это связанно в первую очередь с высоким содержанием азота в данном виде топлива, что приводит при применении данной технологии к образованию большого количества азотистой воды, которая требует дорогостоящих решений по утилизации.

Метод газификации. Метод основан на получение генераторного газа. Данная технология применяется при влажности топлива до 50% (даже если производители подобного оборудования и декларируют влажность выше, надо учесть, что они не обманывают, они просто говорят о влажности исходного топлива. В газификатор поступает брикет с максимальной влажностью 50%).
Данная технология требует брикетирования, в отличие от технологии, основанной на биогазе (при биогазовой технологии можно ограничиться участком приема топлива и смешения, после чего полученная первичная масса загружается в биореактор). Таким образом, в процессе появляются дополнительные электрические затраты на этот узел. Следует отметить также и требования по зольности исходного топлива, которая не должна превышать 40 % (максимально достижимое значение в ходе экспериментов на сегодняшний день 45% зольности). Связано это требование с тем, что эти технологии основаны на горении с ограниченной подачей воздуха. Топливо с высокой зольностью не будет иметь стабильного горения. Кроме того, потребуются значительные затраты для поддержания этого процесса. Также отметим, что получаемый газ имеет более низкие качественные характеристики в сравнении с биогазом (так калорийность и теплота сгорания генераторного газа может быть в 3-5 раз ниже биогаза). К тому же, если получившийся газ планируется подавать в ГПА, то требуется дополнительная система очистки газа от продуктов горения, а также камера охлаждения. Также следует учесть, что в настоящее время в основном эта технология развита на экспериментальном уровне, по крайней мере, на территории стран СНГ, и существуют сильные ограничения по возможному количеству перерабатываемой биомассы.

Данные технологии имеют и свои уникальные по сравнению с другими методами преимущества. Одно из основных достоинств данной технологии – она применима практически к любому виду топлива. При помощи данной технологии генераторный либо пиролизный газ можно получить не только из биомассы, но и из ТБО (твердо-бытовых отходов), продуктов нефтепереработки (пластмассы, полиэтилен и пр.). Данная технология наиболее стабильна и контролируема. Конечный продукт (генераторный газ) стабилен по составу. По капиталовложениям данный вариант сопоставим с методом прямого сжигания. Происходит значительная утилизация отходов, что тоже дает несомненный плюс данной технологии, также как и то, что продуктами горения при данной технологии являются (при утилизации именно биомассы) высококачественные удобрения. Заметим, что затрачиваемое время на получение конечного продукта в виде генераторного газа значительно ниже, чем при биогазовом методе (при биогазе время получения биогаза в зависимости от типа применяемого первоначального биотоплива может доходить до 12-14 дней), и зависит от мощности брикетера, времени на сушку и времени на газификацию. Напоследок отметим, что при данном методе также отсутствуют вредные выбросы в атмосферу.
Полученный генераторный газ подают в стандартные газовые котлы (паровые либо водогрейные), но с переработанными под генераторный газ горелками.

Метод прямого сжигания. Как понятно из названия, суть метода – прямое сжигание биотоплива. При данном методе ключевое значение имеет даже не котельное оборудование, а метод топливоподготовки, хотя существует связь между топливоподготовкой и планируемым способом сжигания (цепная решетка, вихрь, кипящий слой и т.д.).
Данная технология требует низкой влажности топлива (45% и ниже), также как и предыдущий метод чувствительна к зольности первичной биомассы. К тому же в зависимости от типа топлива может меняться и сам состав оборудования, причем радикально, как пример, от брикетеров до дробилок. Также не стоит забывать, что в классическом исполнении этой технологии при сжигании есть проблема выбросов дымовых газов, температурой порой до 250 0С, что естественно не способствует экологической обстановке вокруг комплекса мини-ТЭЦ. При этом система требует довольно дорогих систем фильтрации, чтобы уменьшить выбросы в атмосферу вредных веществ.
Данная технология является наиболее отработанной, хотя в современном мире с помощью этой технологии пытаются утилизировать все больше видов биотоплива. Технология востребована при переводе котельной в мини-ТЭЦ на местные виды топлива, что позволяет существенно уменьшить первоначальные капитальные вложения (надо понимать, что речь идет о твердотопливных котлах).
Может возникнуть вопрос, а какой же метод применим при влажности исходной биомассы 50-65%? И однозначный ответ не будет дан, так как это то пограничное значение, при котором все покажет экономический расчет и сравнение технологий.

Специалисты ТУРБОПАР выполняют:

1. Анализ существующего топлива.

2. Выбор наиболее эффективного сжигания топлива.

3. Эффект утилизации.
Что же дает использование биотоплива?
Конечно, самый главный эффект использования данного топлива заключен в существенной экономии денежных средств.
Но также немаловажным является тот момент, что в отличие от классических видов энергоресурсов (таких как уголь, газ, мазут), биотопливо возобновляемо. Данный вид топлива не исчерпаем. Рано или поздно человечество будет вынуждено получать энергию именно при помощи возобновляемых источников топлива.

Необходимо отметить, что биотопливом зачастую являются отходы, утилизация которых стоит достаточно дорого, да и что скрывать, данные отходы наносят вред окружающей среде. Таким образом, при использовании биотоплива, помимо экономии на электрической и тепловой энергии за счет собственной выработки, происходит существенная экономия на утилизации отходов, в том числе сельскохозяйственных, происходит экономия на площадях, ранее отводимых под хранение отходов перед их отправкой на утилизацию, поддержание экологии (экономия хотя бы на экологических штрафах).

Итак, подведём итог и выделим плюсы использования биотоплива:
1. Биотопливо возобновляемо.
2. Себестоимость биотоплива существенно ниже, нежели стоимость классического топлива.
3. Исходя из пункта 2 существенно ниже и стоимость получаемой тепловой и электрической энергий.
4. В качестве источников топлива можно рассматривать различные отходы, такие как солома, лузга масличных культур, отходы переработки сахара (жом, ботва), навоз/помет и многие другие отходы животного и растительного происхождения.
5. Конечным продуктом котельных и мини-ТЭЦ на биотопливе является не только тепловая и электрическая энергии. Очень часто отходы самих котельных и мини-ТЭЦ на биотопливе можно использовать в дальнейшем (удобрения, побочные продукты в виде химических соединений, строительная отрасль и т.д.).
6. Улучшение экологической обстановки.
7. Экономия, и очень часто существенная, на утилизации отходов, таких как навоз/помет, лузга масличных и т.д.

Описание котельной на биотопливе.

В данном разделе представлено описание нескольких котельных, учитывая способ приготовления конечного топлива.

Котельная на биогазе.

Как отмечалось выше, в основу положено приготовление биогаза с последующим его использованием.
Укрупненный состав оборудования такой котельной: площадка приема топлива, оборудование смешения биотоплива, биореакторы, система подачи топлива в биореакторы, системы очистки биогаза (если требуется). Далее в зависимости от целей котельной можно установить классический газовый котел (водогрейный либо паровой). При необходимости выработки электрической энергии в дополнение к тепловой возможна установка либо ГПА, либо газовой турбины, либо паровой турбины. После газовой турбины устанавливается котел-утилизатор.
Такую котельную можно поставить, в том числе и возле очистных сооружений , для утилизации иловых накоплений.

Котельная на генераторном газе.

Укрупненный состав такой котельной: площадка приема исходного топлива, оборудование смешения, оборудование сушки, брикетеры, газогенераторная установка. Полученный генераторный газ далее отправляется либо на котел газовый (водогрейный либо паровой) с адаптированными под этот газ горелками, либо на ГПА (в случае ГПА требуется система очистки генераторного газа). Реализованными на данный момент в странах СНГ являются проекты только на основе получения пиролиза при переработке древесной щепы.

Котельная с применением прямого сжигания.

Состав данной котельной может варьироваться в зависимости от вида биотоплива, планируемого к сжиганию.
Так, например, при утилизации лузги масличных культур укрупненный состав оборудования может состоять из: площадки приема биотоплива, транспортеров топлива, бункеров дозаторов топлива и самих котлов (водогрейных либо паровых). При необходимости смешения нескольких видов лузги либо добавления в лузгу других видов растительных отходов устанавливается оборудование смешения, сушки и брикетирования.
Далее приведен пример работы Турбопар, разработка предпроектного исследования утилизации куриного помета на Украине в 2010году.

Как выбиралась утилизация куриного помета. Краткое описание проекта.

Заказчиком была поставлена следующая задача: крупной птицефабрике требовалось утилизировать до 200 тонн подстилочного помета в день, с получением тепловой и электрической энергии. Работа мини-ТЭЦ круглосуточная и круглогодичная.
На территории стран СНГ подобных проектов нет. Наиболее узким местом в данном проекте является обработка исходной биомассы (подстилочного помета), поскольку ее влажность колеблется в зависимости от поры года. Сам по себе вид топлива, получаемый из данной биомассы, обладает средней теплотой сгорания и содержит много вредных веществ. Были рассмотрены различные варианты приготовления топлива для последующей подачи в котел – от прямой подачи в топку до пылевого метода сжигания (превращение исходного топлива в мелкодисперсную пыль, обладающую более высокими свойствами горения, с последующей подачей этого пылевидного топлива в специальные топки в котлах). В итоге предварительно был принят вариант следующего вида:
- устанавливается хранилище первичного топлива с запасом топлива на 7 дней беспрерывной работы ТЭЦ,
- после этого устанавливается оборудование смешения с другими видами биотоплива,
- оборудование сушки,
- измельчения до необходимых размеров частиц
- и подача в бункеры-дозаторы перед котлами.
Далее осуществляется подача из бункеров-дозаторов непосредственно в паровые котлы.
После котлов устанавливается одна или две паровые турбины конденсационного типа с регулируемыми оборами пара. Пар из отборов отправляется на собственные нужды котельной (на участок сушки топлива), и птицекомплекса.
Электрическая энергия используется на собственные нужды птицекомбината. Остатки неиспользованной электрической энергии передаются в общегосударственную электрическую сеть.
Также данная мини-ТЭЦ помимо электрической и тепловой энергий побочным продуктом будет давать высококачественное удобрение (зола - продукт горения биомассы), которое будет использоваться либо для собственных нужд, либо реализовываться на рынке удобрений (предусмотрен участок пакетирования удобрений).
Здесь намеренно не раскрывается способы утилизации дымовых газов мини-ТЭЦ и детального описания систем оборудования. Скажем только, что при реализации проекта предприятие вырабатывать в сутки около 144 МВт электрической энергии, столько же тепловой. Срок окупаемости данного проекта с учетом всех вложений составит три года. Выполняется архитектурная часть проекта Утилизация куриного помета.

паровые котлы, водогрейные котлы, проектирование очистных сооружений

Если вы выбираете оборудование для котельной на биотопливе, то главным критерием должен стать тот фактор, какое из видов биотоплива является наиболее доступным для вашего предприятия. Если вы, например, владелец лесопилки и имеете большое количество опилок и древесной щепы, то вам необходимо приобрести оборудование для сжигания влажного топлива. Если же вы директор мебельной фабрики, то, скорее всего, отходами производства вашей компании будет сухая щепа, что позволит применять биокотельные для сухого топлива. В этом случае возрастает экономия энергии в процессе сгорания, что приводит к более высокой эффективности процесса. Это позволяет говорить о преимуществах использования просушенных опилок и стружки. Если же у вас имеется или вы намерены приобрести установку для изготовления пеллет, то в этом случае вы сможете применять оборудование для сжигания облагороженного биотоплива − самый высокотехнологичный способ производства энергии из биомассы.

Как правило, различают три типа оборудования: для сжигания облагороженного биотоплива с влажностью 5-15%; для сухого топлива с влажностью 15-35%; для влажного топлива с влажностью 35-60%.

Нужно отметить, что чем выше влажность топлива, тем дороже обходится производство тепла, тем больше котел, топка, мощность вентиляторов, склад для хранения топлива, риск смерзания и т. д. Кроме влажности определяющими характеристиками топлива при выборе оборудования являются форма и зольность.

Оборудование для сжигания биотоплива состоит из ряда компонентов, которые могут быть сгруппированы следующим образом:

система складирования и подачи топлива;
система сжигания;
система дымовых газов;
система золоудаления;
система регулирования и контроля.

Типичная установка для сжигания щепы представлена на рис. 1.

Существует несколько способов складирования и подачи топлива. Ниже описывается один из них, показавший себя наиболее приемлемым при сжигании щепы.

Топливный склад

Конструкция и размеры топливного склада должны соответствовать типу топлива, размеру котельной, условиям поставки топлива и времени работы котельной. Комбинация наружного склада с запасом топлива примерно на неделю работы котельной с небольшим складом с автоматической подачей, рассчитанным примерно на 48 часов работы, − наиболее часто встречающееся решение.

Наружный склад, обслуживаемый тракторами, строится на асфальтовой или бетонной площадке. С целью защиты от попадания пыли за пределы склада он ограждается забором либо возводится полностью крытым. Такой тип склада очень рентабелен, а возможность применения тракторов снижает затраты по его обслуживанию и обеспечивает бесперебойную работу.

Подача топлива на склад может быть решена в разных вариантах. Для этого могут быть использованы самые различные виды машин. Исключение составляют склады с недостаточно высокой крышей, что препятствует использованию транспортных средств с верхней загрузкой. Существует множество различных транспортных средств, так что выбрать оптимальное решение нелегко.

Как правило, автоматический склад соединен с главным складом и обслуживается тракторами или, в отдельных случаях, тельферами с манипулятором. Если позволяет пространство, можно разгружать щепу прямо на автоматический склад. Для того чтобы упростить загрузку, автоматический склад не имеет ворот, и, поскольку ширина скребкового транспортера около 5 м, тракторы могут наезжать на толкатели. Высота загрузки топлива в автоматическом складе ограничена примерно 3 м и зависит от мощности гидравлической системы.

Подача топлива

1. Гидравлическая станция
2. Упорная балка цилиндров
3. Гидравлические цилиндры
4. Толкатели
5. Вал-разрыхлитель
6. Приемный канал
7. Выгружной шнек
8. Привод шнека

Для подачи топлива с автоматического склада используются шнековые и скребковые транспортеры. В последние годы предпочтение отдается скребковым транспортерам, поскольку они более прочны и менее чувствительны к качеству топлива. К тому же они позволяют изменять направление скребкового конвейера, что уменьшает количество необходимых трансмиссий и приводов.

Склады, снабженные донными гидравлическими штанговыми толкателями, являются наилучшим решением и используются в большинстве случаев. Толкатели двигаются вперед или назад по полу склада в зависимости от положения гидравлического привода. Когда толкатель доходит до конечного положения, давление возрастает и переключает привод на обратное направление.

Толкатель подает топливо на вал-разрыхлитель (установлен в конце автоматического склада), служащий для выравнивания топлива и особенно необходимый в случаях смерзания топлива. Вал также выполняет функцию управления загрузкой шнекового конвейера, выгружающего топливо со склада. Это происходит с помощью устройства, отключающего или запускающего штанговые толкатели. Система конвейеров подает топливо в промежуточный бункер, расположенный над топкой или перед топкой. Этот бункер выполняет три функции:

обеспечивает равномерную подачу топлива на решетку толкателем;
служит «воздушным замком», препятствующим обратному возгоранию;
предотвращает присосы воздуха и обеспечивает возможность правильного регулирования процесса горения.

Топливный бункер снабжен в верхней части заслонкой, которая при прекращении подачи топлива закрывается.

Сжигание щепы

Выбор подходящего оборудования в принципе зависит от того, сухую или влажную щепу предполагается сжигать. Если щепа влажная, предпочтительно остановиться на конструкции котла с предтопком, имеющего тяжелую обмуровку без или с небольшими поверхностями нагрева, чтобы обеспечить достаточно высокую температуру для полноценного сжигания. Причина заключается в том, что при сжигании влажного топлива образуется много газов и требуется больше тепла, чтобы испарить содержащееся в топливе большое количество влаги. Топочные газы не должны вступать в контакт с поверхностями нагрева до того, как их горючая составляющая не выгорела полностью. Если этого не происходит, то конечным продуктом будет являться не СО 2 , а промежуточный продукт − СО. Когда газы полностью сгорели, они отдают тепло охлаждаемым водой поверхностям нагрева котла.

Если щепа сухая, то температура горения может быть слишком высокой. Это, помимо нежелательных выбросов NO 2 , может привести к серьезным повреждениям обмуровки, в большинстве случаев не приспособленной к температурам свыше 1300°С. Поэтому при сжигании сухого топлива в топке должны иметься охлаждаемые поверхности для отбора излишнего тепла.

Граница между сухим и влажным топливом лежит в районе 30% влажности. Обычно указывается и высшая граница влажности − 55%. Если влажность топлива выше, очень трудно достичь хорошего сгорания и обеспечить достаточную мощность «нормального», не приспособленного для сжигания топлива такой степени влажности оборудования.

На рис. 3 схематически показано, как влияет на оборудование влажность топлива.

Загрузка топки и решетки

Загрузка топки может происходить различными способами: либо с помощью шнека, либо толкателя (стокера). Последнее решение является преобладающим. Стокер представляет собой гидравлический скребок, расположенный на дне топливного бункера и подающий топливо на решетку. Стокер может считаться первой подвижной ступенью решетки. В зависимости от размеров топки предусматривают один или несколько стокеров. При мощности котла в 4 МВт стокеров обычно два.

В установках мощностью от 2 до 20 МВт чаще всего используются колосниковые решетки. На решетке происходят следующие процессы:

прогрев и сушка топлива, происходящая в верхней части;
выход летучих веществ, горючих газов (СО, Н 2 , СН4, которые затем сгорают);
горение коксового остатка (углерода).

Решетки чаще всего бывают наклонными и подвижными, чтобы обеспечить достаточное и контролируемое передвижение топлива в топке. Подвижная решетка, как показывает опыт, препятствует также спеканию золы в большие, мешающие нормальному процессу горения комки. Решетка состоит из нескольких секций. Каждая вторая секция может двигаться вперед и назад, проталкивая топливо. Подвижность достигается с помощью гидравлического привода. При большем количестве топлива частота движений решетки увеличивается. Балки, на которых крепятся элементы решетки, часто имеют водяное охлаждение, в то время как секции решетки охлаждаются первичным воздухом.

Воздух

Воздух, необходимый для сжигания топлива, делится на первичный и вторичный. Первичный воздух подается под решетку и предназначен главным образом для сушки и газификации топлива, а также для сжигания той части топлива, которая не газифицируется.

Первичный воздух подается в несколько зон под подвижной решеткой. Зон этих как минимум две, а в установке мощностью 4 МВт их обычно три, а иногда и четыре. Каждая зона имеет свою заслонку и снабжается воздухом от вентилятора первичного воздуха.

Вторичный воздух подается отдельным вентилятором, часто с регулируемым числом оборотов. Воздух должен подаваться с большой скоростью через регулируемые сопла так, чтобы обеспечить хорошее смешивание газов и воздуха.

Третичный воздух − это тоже вторичный воздух, подаваемый на выходе из топки и предназначенный для обеспечения окончательного сгорания. Источником его является чаще всего вентилятор вторичного воздуха.

Примеры топок

Существует много поставщиков такого котельного оборудования, о котором идет речь в этой статье. Шведские изготовители представляют собой самую большую группу. Среди них можно назвать KMW, Saxlund, Hotab, Järnförsen, Osby, Zander и Ingerström, TEEM. Эти производители, чьи конструкции решеток и систем подачи топлива могут заметно отличаться друг от друга, поставляют котлы как для сухого, так и для влажного топлива, причем конструкция приспосабливается к тому виду топлива, которым располагает заказчик.

Котлы

Тепло дымовых газов передается с помощью теплопередающих (конвективных) поверхностей котла посредством водотрубных, жаротрубных дымотрубных установок. Вертикальный жаротрубный котел − наиболее распространенный тип котла. Такие котлы обладают существенным преимуществом: они не занимают много места и удобны в эксплуатации, поскольку очистка проводится в вертикальном направлении снизу. Существует множество конструкций котлов. Они могут быть интегрированы с топкой или расположены рядом с ней или над ней. Котел может также стоять отдельно и соединяться с топкой через газоход.

Система дымовых газов

Система дымовых газов предназначена для отвода дымовых газов после их прохождения через котел и удаления их через дымовую трубу. Система состоит, как правило, из дымососа, системы очистки дымовых газов и газоходов. Дымосос − это очень важный, можно сказать, критический компонент оборудования. Он должен работать постоянно, поддерживая разрежение в топке. Работа дымососа регулируется различными способами: либо с помощью шибера, либо, что обычно применяется в современном оборудовании, с помощью регулятора числа оборотов, что выгоднее с точки зрения энергосбережения.

Количество дымовых газов в системе зависит от вида топлива, его влажности, температуры дымовых газов и избытка воздуха. Системы дымовых газов в небольших котельных чаще всего рассчитаны на максимальную температуру дымовых газов 250°С. Рабочая температура дымовых газов в таких установках составляет 200°С. Уменьшение коэффициента избытка воздуха с 2 (О 2 =10,7%) до 1,6 (О 2 =7,6%) снижает количество дымовых газов примерно на 20%. Уменьшение влажности с 50 до 40% снижает количество дымовых газов примерно на 7%.

В последнее время система дымовых газов часто дополняется системой так называемой рециркуляции дымовых газов. Это означает, что дымовые газы после очистки возвращаются в топку и используются в качестве воздуха для горения. В результате интенсивность горения снижается, поскольку в дымовых газах мало кислорода. Другой важный природоохранный и экономический эффект рециркуляции − снижение выбросов NO 2 .

Рециркуляция дымовых газов осуществляется с помощью отдельного вентилятора, установленного после системы очистки, который подает дымовые газы в топку, чаще всего над решеткой. Регулирование вентилятора может осуществляться как шибером, так и числом оборотов на основе показаний датчика температуры в топке. Вентилятор включается тогда, когда температура превышает, например, 1000°С. Рециркуляция дымовых газов особенно актуальна, когда ожидаются проблемы со слишком высокой температурой в топке. Такие проблемы часто возникают, если в котле используется более сухое, чем расчетное, топливо.

Очистка дымовых газов

Существует много конструкций для улавливания летучей золы. С определенной степенью упрощения можно разделить их на следующие основные типы:

динамические (инерционные) золоуловители, в которых используются гравитационные и инерционные силы, влияющие на уносимые с газом частицы;
текстильные фильтры, изготавливаемые, как правило, из волокна;
электрофильтры, в которых используются электростатические силы заряженных частиц;
водяные (мокрые) золоуловители, которые вымывают частицы водой, распыляемой в уходящих газах.

Степень очистки выражается в отношении уловленной золы к общему количеству золы до работы золоуловителя. Обычно количество золы измеряется как до, так и после золоуловителя.

Степень очистки = (Содержание золы до золоуловителя − Содержание золы после золоуловителя) : Содержание золы до золоуловителя х 100%.

Степень очистки может быть уточнена только тогда, когда известно распределение частиц золы по размерам.

Для того чтобы описать летучую золу, используются диаграммы распределения частиц по размерам, или, как их ещё называют, рассевочные кривые. Кривая выводится путем определения количества частиц разного размера при просеивании золы через проволочные сита с различным диаметром отверстий. Ту часть золы, которая не просеивается через сито, взвешивают и учитывают её процентное отношение к общему количеству просеиваемой золы.

Золоуловитель с достаточно умеренной степенью очистки может показать очень высокий коэффициент очистки, если он используется для очистки газов с высоким содержанием крупных частиц золы, скажем 5%. И все равно может оказаться, что выброс летучей золы будет выше допустимого, поскольку общее содержание золы в газах было велико.

Выбор метода очистки зависит от нескольких факторов:

свойств золы;
требований по выбросам;
характера топлива;
способа сжигания.

Прежде чем выбирать фильтр, необходимо уточнить все эти данные, иначе результат может быть обескураживающим.

Мультициклон − самый распространенный тип динамических золоуловителей. Агрегат состоит из нескольких небольших уловителей типа циклон, соединенных параллельно. Диаметр циклонов варьируется от 125 до 250 мм. Небольшие циклоны помещены в кожух, на дне которого чаще всего имеется пылевой бункер. Количество циклонов в мультициклоне может быть от 4 до 200. Мультициклоны дешевы, надежны и прекрасно выполняют свою роль при сжигании твердого топлива до тех пор, пока требования к очистке не особенно высоки, поскольку они не улавливают наиболее легкие частицы.

Лучше всего мультициклоны работают при большой и постоянной нагрузке. Для того чтобы они функционировали нормально при нагрузке около 50% от номинальной, существуют два метода. Один из них состоит в том, что уже очищенные дымовые газы вновь подают на вход мультициклона, чтобы увеличить поток газов и, соответственно, сохранить необходимую степень очистки (полнопоточное регулирование). Другой метод построен на регулировании соотношения потоков или частичном отключении фильтра. При очень больших колебаниях нагрузки мультициклоны, собственно говоря, непригодны. Впрочем, при низкой нагрузке содержание частиц в дымовых газах и так невелико.

Удаление золы не представляет трудностей. Зола или собирается в золоприемник, или удаляется шнековым либо иным транспортером. Степень очистки в циклонах составляет 85-92% и зависит от содержания тонких фракций в золе. Если допустимый уровень эмиссии летучей золы составляет 300 мг / нм3 сухого газа, то выбор мультициклона в качестве золоуловителя является наиболее целесообразным.

При сжигании щепы содержание частиц золы после мультициклона обычно составляет 160-200 мг / нм 3 газов. Мультициклоны имеют стопроцентный доступ для ремонта, поскольку оборудование состоит главным образом из листового металла.

Текстильный рукавный фильтр − общее название для целого ряда золоуловителей, в которых газ проходит через волокнистый материал и частицы золы осаждаются частично на его поверхности, частично между волокнами. В качестве фильтрующего материала используется полиамид, полиэфир, тефлон и другие. Могут использоваться как тканые, так и нетканые материалы, а также их комбинация.

Обычно поверхность фильтра имеет форму рукава, но встречаются также складчатые и плоские кассеты. Рукава натянуты на стальные каркасы и чаще всего расположены вертикально, но существуют и конструкции с горизонтальным расположением рукавов. Газы поступают в рукав, и летучая зола оседает на их внутренней поверхности в виде зольных отложений.

Регулярная очистка фильтров важна для их правильного функционирования. Существует несколько основных методов очистки: встряхивание, обратная продувка и импульсная очистка. Наиболее распространенным методом является импульсная очистка. Она происходит с помощью сжатого воздуха, подаваемого в верхний конец каждого рукава через установленный на трубе мундштук. В этих мундштуках устанавливается сопло Вентури, чтобы быстро преобразовать энергию скорости воздуха в энергию давления. Ударная волна, получаемая таким образом, используется для резкого раздувания рукава, так что зольные отложения при этом отлипают от стенки фильтра.

Такую очистку с успехом проводят на работающем котле. Под фильтрующими рукавами зола собирается в воронки. Текстильные фильтры обеспечивают очень высокую степень золоулавливания и надежны в эксплуатации, пока фильтрующие материалы не повреждены и проводится их очистка. Теплостойкость материала, из которого изготовлены фильтры, ограничивает их использование температурой 240-280°С. Высокое содержание влаги и низкая температура дымовых газов могут быть причиной конденсации в фильтрующем материале и забивания фильтра. Эта опасность особенно велика в момент запуска котла, поэтому в фильтр вмонтированы специальные петлевые трубы для подогрева, чтобы избежать конденсации. Полагается делать также байпас, так что фильтр можно отключать, если его эксплуатационные характеристики не соответствуют требуемым.

Степень очистки в фильтрах очень высока и может в зависимости от нагрузки достигать 99,9%. Сопротивление в фильтре текстильном в сравнении с электростатическими фильтрами велико и составляет при нормальных эксплуатационных условиях 1000-1500 Па.

Фильтры довольно дороги в эксплуатации, поскольку рукава необходимо менять каждые три года. Затраты зависят также и от того, какой материал используется в фильтре. Ремонтодоступность − около 98%.

В электрофильтрах частицы, уносимые с газами, ионизируются при прохождении мимо проволочных электродов (эмиссионных или коронирующих), навитых на вертикальные пластины. Осадительные электроды, выполненные в виде пластин, заземлены, и благодаря разности потенциалов между коронирующими электродами и пластинами частицы золы оседают на осадительных электродах. Как эмиссионные, так и осадительные электроды очищаются встряхивающими устройствами, приводимыми в действие электромоторами, что обеспечивает их постоянное встряхивание.

Электростатические фильтры обеспечивают очень высокую степень очистки, очень надежны, эксплуатационные затраты и затраты на их обслуживание невелики. Степень золоулавливания обычно высока, но она зависит от проводящих свойств золы и размеров частиц золы. Эффективность электростатических фильтров и их размеры в гораздо большей степени, чем у других видов фильтров, зависят от физических и химических свойств золы, и такие фильтры обычно велики и дороги. Падение давления в электростатических фильтрах мало − 100-200 Па, поскольку скорость дымовых газов в них низка. Стоимость обслуживания невелика и составляет около 1% инвестиционных затрат. Ремонтодоступность − 99%.

Конденсация дымовых газов − метод не столько их очистки, сколько утилизации тепла. Тем не менее очищающий эффект метода в отношении золы и других эмиссий весьма значителен. Система конденсации дымовых газов состоит из установки, где дымовые газы насыщаются водой в конденсаторе, в результате чего они охлаждаются. Тепло обычно используется для горячего водоснабжения или в тепловых сетях − локальных или коммунальных. Перед тем как уйти в дымовую трубу, газы обычно снова нагреваются примерно до 100°С. Иногда дымовые газы охлаждаются до очень низкой температуры в увлажнителе, где полученное тепло и влага используются для подогрева воздуха, подаваемого для сжигания топлива. При этом потоки воздуха и дымовых газов увеличиваются, но и повышается количество тепла, которое может быть утилизировано в конденсаторе.

Очистка дымовых газов частично прямая, за счет отделения частиц золы в конденсаторе, частично непрямая, зависящая от уменьшения потребления топлива при повышении КПД котла. Большое значение имеет конструкция для насыщения газов влагой. Это может быть просто канал, куда впрыскивается вода, или специально сконструированный скруббер с равномерным распределением воды в газах и продолжительным контактом газов с водой.

Конденсатор всегда сочетается с каким-либо другим оборудованием для очистки газов. Оно варьируется от случая к случаю; есть примеры, где используются мультициклоны, циклоны грубой очистки и рукавные фильтры.

Степень очистки при конденсации находится в интервале 40-90%, в зависимости от топлива и содержания золы в газах. Можно достичь снижения эмиссии до 30 мг / МДж топлива или 100-125 мг / нм3 газов. Степень очистки конденсата при конденсации дымовых газов зависит, с одной стороны, от того, какие золоуловители установлены до контактного теплообменника, с другой − от того, какое топливо используется. Обычно хороший эффект дает разделение потоков воды от скруббера и контактного теплообменника, поскольку вода в последнем намного чище.

При сжигании древесного топлива и торфа водяная очистка относительно проста. Часто проводится обычное осаждение, иногда используются флокулянты. Показатель рН регулируется так, чтобы он не превышал 6,5.

Водная фаза после очистки может использоваться вновь в качестве воды для скруббера, осадок идет в канализацию. Осадок часто используется для увлажнения золы.

В табл. 1 показаны достоинства (+) и недостатки (-) различных систем золоулавливания.

Приблизительно правило, касающееся закупочной цены мультициклонов, текстильных и электрических фильтров, таково: они соотносятся друг с другом как 1:3:4.

Как правило, для очистки дымовых газов при сжигании биотоплива достаточно мультициклона. Но в определенных случаях, в частности если котельная находится в плотно заселенном районе, требования к выбросам золы повышаются и обойтись только мультициклоном не удается. Наиболее приемлемой альтернативой в таких случаях является установка конденсатора дымовых газов после мультициклона, что в большинстве случаев и делается. Таким образом достигается более высокая степень очистки и повышается коэффициент полезного действия котельной. Как уже было сказано, в отдельных случаях КПД может превышать 100%.

Шлакоудаление

Зола, образующаяся при горении, делится на топочную и летучую. Топочная зола и шлак удаляются непосредственно из топки, в то время как летучая зола уносится дымовыми газами и улавливается оборудованием для очистки дымовых газов. В топках с подвижной решеткой большая часть золы удаляется с помощью мощного, поперечно расположенного в конце решетки шнекового транспортера или другого специального устройства. Шнек рассчитывается так, чтобы он мог справиться со спекшейся, твердой золой. Эти узлы подвергаются большим нагрузкам и должны быть защищены от слишком высокой температуры. Это означает, что надо следить, чтобы транспортер был всегда покрыт защитным слоем золы. В небольших котельных зола часто удаляется вручную. Летучая зола, составляющая лишь небольшую часть от общего количества золы, улавливается.

Мокрое шлакоудаление

При этом способе зола, как топочная, так и летучая, падает в заполненный водой желоб, откуда она транспортируется далее. В желобе, расположенном под топкой, под уровнем воды имеются «воронки» для подачи первичного воздуха в различные зоны топки. Для изготовления зольных транспортеров используется обычная сталь, поскольку зола имеет щелочную реакцию и рН воды может достигать 12. При значении рН свыше 10 ржавления не происходит. Если рН воды слишком низок, его можно корректировать с помощью гидроксида натрия.

Влажное золоудаление удобно и надежно. Исчезают проблемы с запылением или тлеющей горячей золой. При этом способе золоудаления помимо всего прочего легче герметизировать топку. Впрочем, у этого метода есть и недостатки. Износ подвижных частей в воде может быть весьма заметным и требовать больших ремонтных работ. Щелочная вода представляет собой определенный риск для здоровья персонала. К тому же такая конструкция дороже и требует большей высоты помещения котельной.

Сухое шлакоудаление

Этот способ шлакоудаления может осуществляться как вручную, так и механически или пневматически. Пневматический транспорт золы обычно применяется в котельных мощностью свыше 10 МВт, в то время как в небольших котельных преобладает механическое золоудаление. Как уже было сказано, механическое шлакоудаление происходит с помощью шнековых транспортеров, расположенных под уровнем дна топки с одной из её сторон. Этот транспортер забирает золу не только в конце решетки, но и проваливающуюся через решетку. Эта зола подается на шнек толкателями в каждой из первичных зон. На этот же шнековый транспортер подается зола после золоулавливания, например из циклонов.

Зола в конечном итоге поступает в герметичный контейнер, чтобы избежать пыли. Помимо герметичности контейнер должен быть хорошо изолирован и находиться вне помещения. Удаление золы может происходить и с помощью ленточного транспортера, но шнек предпочтительнее, поскольку он может работать при больших углах наклона.

Сухое шлакоудаление очень распространено, прежде всего, по причине его дешевизны. Недостатками сухого шлакоудаления являются пыль, а также то, что при этом бывает трудно избежать присосов воздуха в топку через шнековый транспортер.

Системы регулирования

Современные котлы, работающие на биотопливе, оснащены более или менее сложными системами регулирования, автоматизирующими эксплуатацию котла. Система регулирования должна обеспечивать работу котла в так называемом модульном режиме, что означает, что мощность котла все время регулируется так, чтобы соответствовать потребностям тепловой сети. В этом случае все котельное оборудование, по крайней мере дымососы, работает постоянно. Модульный режим тем не менее возможен только в тех случаях, когда котел работает с нагрузкой выше минимальной, которая обычно составляет около 25% максимальной мощности.

При нагрузке ниже минимальной котел работает в режиме «включен / выключен»: котел работает только часть суток, а в остальное время его останавливают. Крайне желательно, чтобы котельные на биотопливе работали в модульном режиме максимальное количество времени. Не существует единой системы регулирования для работающих на биотопливе котлов. Такие системы, изготовленные различными производителями, могут значительно отличаться. Для небольших, работающих на щепе котлов существует потребность в автоматическом управлении уровнем топлива в топливном бункере, тягой для поддержания постоянного разрежения в котле и топке, а также температурой воды на выходе из котла для поддержания соответствия мощности котла потребностям сетей.

Регулировка наличия топлива в топливном бункере важна по трем причинам: чтобы обеспечить равномерную подачу толкателем топлива на решетку; чтобы обеспечить «воздушный замок» и воспрепятствовать обратному возгоранию; чтобы воспрепятствовать неконтролируемой подаче воздуха и таким образом обеспечить хорошее управление процессом горения.

Уровень топлива в топливном бункере должен быть всегда выше минимума, чтобы не дать возможности пламени распространиться с решетки назад в бункер. Чтобы этого не произошло, в верхней части топливного бункера имеется специальная крышка (демпфер), который автоматически закрывается, если в бункере нет топлива, и препятствует распространению огня. Помимо этого имеется автоматический разбрызгиватель воды (спринклер), включающийся автоматически в тех случаях, когда температура в бункере слишком высока. В бункере установлен также температурный датчик, дающий сигнал тревоги, так что оператор котельной может включить спринклер вручную.

Минимальный уровень топлива в бункере часто регулируется с помощью инфракрасного датчика. Передатчик и приемник расположены по обе стороны, так что, когда уровень опускается до минимального, включается автоматическая подача топлива с топливного склада. Загрузка топлива останавливается либо через определенное время, либо с помощью ещё одного датчика.

Количество топлива между минимальным и максимальным уровнем зависит от размеров котла. По практическим соображениям подача топлива в бункер не должна происходить чаще, чем 10 раз в час. Поддержание разрежения в топке и в котле очень важно с точки зрения безопасности. Разрежение, задаваемое в пределах 5-10 мм водного столба, регулируется механическим шибером на дымососе или, в отдельных случаях, регулированием числа его оборотов. Кратковременное повышение давления допустимо, но только на очень короткое время − 10-15 секунд.

Регулятор мощности является наиболее важным элементом системы. Его главной задачей является обеспечение того, чтобы температура воды на выходе из котла поддерживалась на постоянном, заранее выбранном уровне, например 110°С. Для поддержания этой температуры требуется управление подачей воздуха, движением решетки и подачей топлива.

Как это в принципе происходит? Если истинное значение температуры воды ниже, чем желаемое, а сетевая нагрузка возрастает, то регулятор мощности обеспечивает следующие меры:

дается команда на увеличение оборотов вентиляторов первичного и вторичного воздуха;
дается команда на увеличение частоты движения решетки;
дается команда на более частую подачу топлива толкателем.

В результате этих мер увеличивается также подача топлива в бункер со склада, поскольку бункер опорожняется быстрее, в то же самое время дымосос увеличивает обороты вследствие увеличения количества газов. В дополнение к указанной схеме в современных котлах предусмотрено также автоматическое регулирование содержания О2 в дымовых газах. Это осуществляется с помощью отдельного регулятора на вентиляторе вторичного воздуха, который, таким образом, управляется в зависимости от нескольких параметров.

Очень важно также поддерживать на заданном уровне температуру обратной воды, которая на входе в котел никогда не должна быть ниже 70°С. Для того чтобы достичь этого, должен иметься обводной контур (байпас) с насосом, обеспечивающим подмешивание воды до нужной температуры.

Регулирование байпасом может происходить с помощью регулятора температуры или насоса с регулируемым числом оборотов. Иногда байпасом управляют вручную. Необходимые параметры устанавливаются поставщиками при запуске котельной, они же производят наладку систем регулирования. Тем не менее необходимо постоянно следить за настройкой и, возможно, корректировать её, поскольку отдельные параметры эксплуатации могут изменяться, например вид и качество топлива.

Каждая котельная должна иметь систему безопасности, обеспечивающую оповещение и остановку котла, если возникает какая-то угроза безопасности эксплуатации.

Сжигание соломы

В лесной местности целесообразно использовать древесные отходы для получения тепла, в сельскохозяйственных районах имеет смысл применять солому, лузгу и другие продукты сельского хозяйства.

Рассмотрим процесс сжигания соломы. Один из самых простых способов, который активно применяется в Европе (особенно в Дании), − сжигание целых тюков соломы. Вначале тюк соломы с помощью фронтального подъемника загружается через открытую топочную дверцу в топку, затем дверца закрывается и топливо зажигается. Воздух для горения подается сверху. Установка работает циклически.

Автоматизация сжигания соломы достигается за счет первоначального её измельчения. Возможна также непрерывная подача целых тюков соломы без предварительного измельчения.

Татьяна ШТЕРН, к. т.н., доцент