Котлы на биотопливе

Специалисты ООО "ИЦ КотлоПроект" имеют 25-летний опыт работы с биотопливами и аналогичными с ними по характеристикам другими "трудными" топливами (торф, сланец). За это время с нашим участием были спроектированы, изготовлены и испытаны десятки котлов на древесных отходах в диапазоне влажности от 8 до 62%, отходах сельского хозяйства, торфе, лигнине, горючих сланцах, биологическом иле, а также их смесях с ископаемыми топливами.

Тепловая мощность установок - от водогрейного котла Q=0,5 МВт с ручной топкой для сжигания дров и торфяных брикетов до парового котла D=75 т/ч с топкой кипящего слоя.

Слоевое сжигание биотоплива

Освоенные способы сжигания:

• шахтная топка;
• наклонно-переталкивающая решетка;
• ступенчатая решетка;
• топка скоростного горения;
• высокотемпературный кипящий слой (ВТКС);
• классический низкотемпературный кипящий слой (НТКС).

Реализация проектов осуществлялась путем реконструкции существующих установок с переводом на новое топливо, другой способ сжигания, изменением мощности, а также создания новых котлов.

Что же такое биотопливо и с какими проблемами можно столкнуться при его сжигании?

К биотопливам, или топливам биологического происхождения, принято относить древесину и различные древесные отходы, сельскохозяйственные отходы, твердые бытовые отходы (ТБО), отходы животноводства и птицеводства. Часто биотопливом называют любое органическое топливо, которое не является ископаемым.

Вид биотоплива, его физические характеристики и химический состав оказывают влияние на весь процесс термической утилизации, включая подачу в топку, способ сжигания, выход газообразных и твердых загрязняющих веществ.

Характерными физико-химические характеристиками биотоплив являются высокая реакционная способность, высокая (по сравнению с углями) забалластированность кислородом, низкая зольность (за исключением ТБО, биологического ила и некоторых видов отходов животноводства и птицеводства), малый насыпной вес.

Величины выхода летучих у биотоплив существенно выше, чем у углей и достигают 86%. Благодаря этому большая часть биотоплива переходит в газовую фазу и сгорает в условиях гомогенных газовых реакций. Сгорание остаточного углерода в виде коксового остатка осуществляется в условиях гетерогенных реакций «газ (воздух) – твердое вещество». Это во многом обуславливает конструктивную схему котлов на биотопливе, топочная камера которых, как правило, разделена на две зоны – камеру сжигания и камеру дожигания, которые имеют собственные системы подвода воздуха.

В камере сжигания осуществляется подготовка топлива (испарение влаги, выход летучих), частичное сжигание летучих и дожигание коксового остатка. В камере дожигания осуществляется сгорание летучих и мелких пылевых частиц топлива.

Влажность – ключевая характеристика биотоплива. От нее зависят процесс сжигания, адиабатическая температура горения, объем продуктов сгорания. Более влажное топливо требует большего времени пребывания в топке для испарения влаги, которое предшествует выделению летучих и дожиганию коксового остатка, в связи с чем требуется больший объем топочной камеры котла. При сжигании влажных топлив камеру сжигания следует выполнять неэкранированной, так как значительная часть выделяемого тепла расходуется на испарение влаги. Для относительно сухих топлив (при Wr<30%) и камеру сжигания, и камеру дожигания предпочтительно выполнять с охлаждаемыми стенами, что позволит поддерживать безопасный с точки зрения шлакования и образования наружных отложений температурный уровень.

Зависимость адиабатической температуры сжигания           древесных отходов от абсолютной влажности и избытка воздуха

Зависимость высшей теплоты сгорания древесного топлива в МДж/кг от относительной влажности, %

 

Важной характеристикой биотоплив является состав минеральной части его золы. Основными золообразующими элементами биотоплив являются кремний, кальций, магний, калий, натрий и фосфор.

Са и Mg способствуют увеличению температуры плавления золы, К и Na – снижению. Si во взаимодействии с К и Na образует легкоплавкие силикаты в шлаке и летучей золе.

Эти процессы имеют первостепенное значение в аспекте организации топочного процесса, чтобы, с одной стороны, избежать спекание и расплавление шлака на решетке или в кипящем слое, а с другой стороны – избежать подплавления летучей золы, что приводит к образованию наружных отложений на теплообменных поверхностях и неэкранированных стенах топочной камеры.

Большинство биотоплив – это низкосортные, проблемные топлива. Характерные проблемы, возникающие при их сжигании:

Проблема	Следствие
большое количество уноса с высоким содержанием недогоревшего углерода	большие потери с мех. недожогом
затянутое горение	завышенная температура на выходе из топки, вынос языков пламени в пароперегревательные и конвективные поверхности
высокие избытки воздуха в уходящих газах	рост потерь с уходящими газами
неуправляемое горение	плюсование и хлопки в топочной камере
вялое, неустойчивое горение	низкая температура в топке, высокие потери с хим. недожогом, необходимость в подсветке качественым топливом
шлакование, образование спеков и агломератов в топке	большие потери с мех.недожогом, нарушение топочного процесса вплоть до останова котла
занос пароперегревательных и конвективных поверхностей	невыход на номинальные параметры, рост потерь с уходящими газами, рост аэродинамического сопротивления
режим работы с избытками воздуха в камере сжигания близкими к α=1	высокая температура в слое, шлакование, пережог колосников, разрушение обмуровки, повышенный выброс NOx

Причины проблем могут быть:

• конструктивные – недостаточный объем топочной камеры, недостаточная площадь зеркала горения, высокая/низкая степень экранированности, недостаточно эффективная система ввода дожигового воздуха, отсутствие подогрева воздуха, отсутствие или неэффективность системы рециркуляции дымовых газов, слишком плотные шаги в конвективных поверхностях и т.д.; 
• режимные - работа с неправильными избытками воздуха в камере сжигания, нарушение принципа ступенчатого горения, слишком высокое разрежение в топке, неправильная скорость перемещения топлива по решетке, завышенные избытки воздуха в уходящих газах и др.

Наклонно-переталкивающая решетка тепловой мощностью 4 МВт

Избежать этих проблем и обеспечить надежную и эффективную работу котлов на биотопливе можно еще на стадии принятия технических решений - разработки или выбора конструктивной схемы котла, топочного устройства, технологии сжгания. Для этого необходим учет физико-химических характеристик конкретного топлива, а также глубокое понимание основных принципов процесса сжигания биотоплив.

Специалисты ООО "ИЦ КотлоПроект" обладают достаточным опытом и научным потенциалом для решения этих вопросов. У нас имеются инновационные разработки по уменьшению уноса мелких частиц из слоя, по обеспечению эффективности вторичного дутья на пониженных нагрузках, по снижению риска шлакования и образования агломератов в слое и др. Для оптимального распределения температур по топочной камере, а также обеспечения эффективного контакта продуктов неполного сгорания с окислителем применяется метод компьютерного моделирования динамики потока (CFD - computational fluid dynamics).