Термическая утилизация ТБО

Уже несколько десятилетий научная (а точнее – околонаучная или даже псевдонаучная) общественность нашей страны обсуждает этот вопрос. При том, что количество заводов по термической утилизации отходов можно пересчитать по пальцам. А отходы все это время благополучно вывозятся на полигоны и, в не меньшем количестве, - на несанкционированные свалки.

За рубежом вопрос давно закрыт и среди различных способов утилизации ТБО сжигание с выработкой тепловой и электрической энергии является приоритетным. Проблема с вредными выбросами (кислые газы, тяжелые металлы, диоксины и фураны) решается частично путем организации топочного процесса, а в основном – установкой за котлом специализированного газоочистного оборудования.

Расчетные программы

Расчеты на прочность – программный комплекс Пассат для расчета сосудов под давлением. Теплотехнические расчеты – программный комплекс Boiler Designer.

Кипящий слой как наиболее универсальный способ сжигания.

По нашему мнению, эффективно и с высокой эксплуатационной надежностью сжигать попеременно в одной топке самые разные топлива невозможно. Топлива отличаются по влажности, зольности, реакционной способности, содержанию вредных и способствующих шлакованию и наружным отложениям элементов (Cl, K, Na и др.). Все эти отличия должны быть учтены в конструкции топочного устройства и теплообменных поверхностей, оборудования шлакозолоудаления и газоочистки.

Наиболее универсальным способом сжигания является традиционный кипящий слой, обеспечивающий эффективное сжигание широкой гаммы топлив режимными методами: изменением доли первичного воздуха, его температуры, изменением высоты слоя, вводом газов рециркуляции и др. Однако и эти способы имеют ограничения. С их помощью невозможно поддержание требуемого теплового баланса кипящего слоя при переходе от сжигания высоковлажных топлив с низкой теплотой сгорания (торф, древесные отходы естесственной влажности) к сжиганию высококалорийных топлив (каменный уголь, пеллеты), без размещения при этом в зоне кипящего слоя дополнительных теплоотводящих поверхностей. По нашему мнению, возможно обеспечить совместное (попеременное) сжигание в одной топке кипящего слоя топлив с отличием теплоты сгорания в пределах 2000 ккал/кг, при этом важно, чтобы эти топлива не отличались сильно по реакционной способности (выход летучих Vdaf=±20%).

       Сжигание ТБО требует специальных мероприятий и дополнительного оборудования с целью снижения выбросов диоксинов и фуранов, а также исключения высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева.

О вертикальной и горизонтальной компоновке

В горизонтальных газотрубных котлах-утилизаторах проще решаются вопросы сепарации пара – путем размещения сепарационных устройств в выделенном в верхней части барабана паровом пространстве. При вертикальной компоновке необходимо предусматривать выносной барабан-паросборник. Ошибка при выборе диаметра и трассировки пароотводящих и водоопускных труб может привести к запариванию верхней трубной доски.

В горизонтальных котлах шлам откладывается на нижней образующей барабана, откуда его можно эффективно удалять при периодической продувке. В вертикальных котлах шлам оседает на нижней трубной доске, его удалению препятствуют трубы. В связи с этим, в условиях ненадежного охлаждения нижней трубной доски, мы считаем в принципе недопустимым подачу горячих газов снизу.

Однако у вертикальной компоновки имеется преимущество в случае подачи в котел сильно запыленных газов, т.к. вертикальное расположение труб существенно затрудняет процесс образования отложений на них с газовой стороны. Применение газотрубных котлов-утилизаторов вертикального типа может быть также целесообразно при имеющихся габаритных ограничениях.

Преимущества и недостатки технологии ВТКС

Отрицательное. Преимущества технологии ВТКС реализуются при сжигании углей. В первую очередь имеется в виду возможность селективного удаления золы (благодаря эффекту Годеля), что позволяет существенно снизить потери с мех.недожогом.

Данная проблема гораздо менее актуальна при сжигании малозольных древесных отходов. В то же время высокие скорости, характерные для ВТКС, будут способствовать выносу из слоя мелких недогоревших частиц древесного топлива, отличающихся повышенной парусностью. Малая зольность древесного топлива и интенсивное дутье не способствуют образованию стабильного слоя шлака, защищающего решетку от перегрева.

При сжигании влажного топлива температура слоя падает и устойчивость процесса нарушается, что подтверждается опытным сжиганием в топках ВТКС древесных отходов с влажностью более 40%. Допустимый вариант – совместное сжигание с углем.

Кипящий слой

По сути отличий нет. К вашему списку можно добавить также топки ТНУ (топки для низкосортных углей) – первые устройства подобного типа, выпуск которых был серийно налажен еще в СССР на Кусинском литейно-машиностроительном заводе. Все эти топки предназначены для работы по технологии сжигания Игнифлюид (Ignifluid), разработанной инж.Годелем во Франции в 50-х годах 20-го века. Строго говоря, это даже не кипящий слой, таким как его понимают за рубежом – сжигание топлива в слое инертного материала на неподвижной решетке. Однако в нашей стране прижился термин "высокотемпературный" кипящий слой, в отличие от классического пузырькового, который у нас часто называют "низкотемпературным".

Что такое торф

Формально – нет, так как это не полностью разложившийся биологический материал, образующийся в болотах в течение сотен лет и в большинстве справочников торф все же относят к ископаемым топливам. По своим же физико-химическим характеристикам он очень близок к древесному топливу. Здесь принципиальный момент в том, что биотоплива признаны возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) и экологически нейтральными в отношении выбросов СО_² , и во многих странах на государственном уровне осуществляются меры по стимуляции их использования. В России эти механизмы не слишком активно действуют (мягко говоря), поэтому практической ценности вопрос "чем считать торф" не имеет.

О специальной литературе

Отечественных источников мало, пожалуй можно выделить "Энергетическое использование древесных отходов", С.И.Головков, И.Ф.Коперин, В.И.Найденов. Книга не новая, но понятно написана, хорошо структурирована и информативна. Больше предназначена не для теоретиков, а для практиков. Если вы владеете английским, поищите "The Handbook of Biomass Combustion and Co-Firing", Sjaak van Loo and Jaap Koppejan. Всеобъемлющий труд 2008 г. издания, в нем можно найти любую информацию по данной теме.

Внедрения кипящего слоя в России и за рубежом

Толчком для активного внедрения кипящего слоя в развитых странах послужило ужесточение экологических норм по газообразным выбросам в 70 – 90-х годах прошлого века. В этом вопросе кипящий слой выигрывает и у слоевого, и у пылевидного сжигания. Причина – пониженная температура горения (850±50°С), которая является оптимальной для связывания серы из SO₂ путем добавления в топку известняка. В результате получается безвредное вещество – гипс СаSO₄. Кроме того, двухступенчатое сжигание и малые избытки воздуха способствуют снижению выбросов NO_x. В России проблема выбросов SO₂ не стоит так остро, потому что большинство углей основных бассейнов (Кузнецкого, Канско-Ачинского) имеют низкое содержание серы - менее 0,5%. Да и в целом природоохранное законодательство не стимулирует жестко переход на новые технологии.