Насос к80 65 160 технические характеристики. Габаритно-присоединительные размеры в сборе с двигателем

Для каждого вида топлива существует своя технология сжигания, обоснованная, как технически, так и экономически. Топливную гранулу можно сжигать на различном оборудовании. Однако максимальной эффективности можно добиться лишь с помощью котлов и горелок, специально для этого предназначенных.

Процесс получения тепловой энергии из гранул можно назвать горением только с большой натяжкой, т.к. гранулы не горят в прямом смысле этого слова, а тлеют. При этом котел, исчерпав топливо в контейнере, может продолжать снабжение теплом в течение 24 часов за счет малой скорости протекания процесса.

В Европе больше половины котлов на древесных гранулах имеют среднюю мощность от 100 кВт до 1 МВт. Обычно такие печи устанавливаются в больших частных домах, школах, на небольших предприятиях.

Кроме котельных на пеллетах, существуют также камины на гранулах и брикетах. Подобные камины работают не как котлы, а 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 и горелки для переоборудования жидкотопливных котлов под гранулу, и котельное оборудование большой мощности, и промышленные парогенераторы на биотопливе, и маломощные автоматизированные котлы для частных домов, и комнатные камины для сжигания топливной гранулы. Большая часть оборудования импортируется. Однако и целый ряд отечественных предприятий предлагает оборудование, предназначенное для сжигания пеллет.

Кстати, первые котлы на биотопливе появились вообще в России. До 60-х годов ХХ века в СССР было разработано и смонтировано немало таких котлов. Однако задача тогда ставилась иная: «утилизировать отходы». На Западе была другая цель: добиться максимального КПД для того, чтобы снизить себестоимость производимой энергии, поэтому европейцы пошли дальше россиян в изучении нюансов сжигания биотоплива. Например, при сжигании хвои и ряда других элементов образуется едкий натр или гидрат окиси натрия. Минеральные соли, которые образуются в результате этой реакции губительно влияют на стальные котлы, но сегодня уже есть технологии, позволяющие нейтрализовать подобные вредные эффекты.

Для каждого вида биотоплива существует своя специальная и специфическая технология. Котельные, предназначенные для биомассы влажностью менее 30%, не будут эффективны ни для сжигания влажного биотоплива с содержание воды около 50%, ни для рафинированного биотоплива. Влажное сырье не будет гореть из-за того, что ему необходима очень высокая температура внутри котла. Древесные гранулы (рафинированное биотопливо) будут сгорать в таком котел, но при этом потеряют экономическую целесообразность, поскольку стоимость котла на гранулах ниже, чем на влажной или сухой (до 35%) биомассе - опилках, щепе и т.д.

В настоящее время в Европе разработан достаточно широкий ряд типов котлов на биотопливе:

Котлы на прессованом биотопливе - гранулах и брикетах,

Котлы на сухом биотопливе (влажность до 30%),

Котлы на влажном биотопливе (влажность до 55%),

Котлы для сжигания торфа и смесей из торфа,

Котлы для сжигания коры и смесей из коры,

Котлы для сжигания другого органического сырья.

В зависимости от характеристик котлы ориентируются на разные сегменты рынка: от частных потребителей до крупных предприятиях и муниципальных котельных.

Топливные брикеты

В основе технологии производства топливных брикетов лежит процесс прессования шнеком агро-отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и др.) и мелко измельченных отходов древесины (опилок) под высоким давлением, а в ряде случаев и при нагревании от 250 до 350 С°. Получаемые топливные брикеты не включают в себя никаких связующих веществ, кроме одного натурального -- лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. При использовании агросырья возможно добавление связующих элементов. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится более прочной, что немаловажно для транспортировки брикет.

Сырьем для производства брикетов является тот же материал, что и для изготовления гранул - опилки различных пород древесины, щепа, лузга подсолнечника, гречихи, солома и многие другие растительные отходы. Технология производства брикетов схожа с технологией гранулирования, но более простая.Брикеты бывают разных форм - в виде кирпича, цилиндра или шестигранника с отверстием внутри. Стандартных размеров у данной продукции нет.

Основным фактором, определяющим механическую прочность, водостойкость и калорийность брикета, являются его плотность. Чем плотнее брикет, тем выше показатели его качества. Чем ниже плотность брикетов, тем меньше их калорийность. Например, при плотности брикета 650-750 кг/м3 калорийность брикетов равна 12-14 МДж/кг; при плотности 1200-1300 кг/м3 -- 25-31 МДж/кг.

Качество брикетов в значительной мере зависит от влажности исходной смеси. Различают оптимальную и критическую влажности. Оптимальная влажность составляет 4-10 %, при ней достигаются наилучшие механические характеристики брикетов (следует учитывать, что для некоторых видов сырья верхним пределом влажности является 6-8%). Критической называется влажность, при которой возможно образование брикетов, но в нем появляются трещины -- таким образом, брикет товарного вида не имеет. Критическая влажность находится в пределах 10-15 %. При более высокой влажности полученный брикет будет «разорван» внутренним давлением влаги, возникающем при сжатии измельченной массы.

Существует 3 основных типа топливных брикетов. Они отличаются по форме, которая зависит от метода производства. «В народе» прижилось три названия, которые произошли из имен компаний, выпускающих оборудование для производства того или иного брикета. Таким образом, выделяют брикеты RUF, брикеты NESTRO и брикеты Pini-Kay. Однако, кроме упомянутых производителей брикетирующего оборудования, существуют и другие фирмы -- например C.F.Nielsen (Дания), UPM (Литва), Bogma (Швеция), Pawert-SPM AG (Швейцария), DI-PIU (Италия).

Брикеты подразделяются по двум принципам:

Первое - по сырью, из которого они изготовлены. Здесь выделяют: брикеты из древесных отходов (стружка и опил без коры, отходы с корой, кора, отходы производства МДФ, шлифпыль, отходы фанерных производств, лигнин, брикеты из сельскохозяйственных отходов); брикеты из агробиомассы (солома, шелуха подсолнечника, шелуха злаковых, отходы хлопка, сено, камыш); брикеты из прочих материалов (бумага, картон, целлюлоза, полимеры, торф).

Второе -- по способу прессования и форме. Брикеты бывают трех видов: цилиндрические, экструдерные и в виде кирпичика.

Цилиндрические брикеты

Этот вид брикетов получается путём прессования на оборудовании ударно-механического типа. Они имеют бесконечную длину, и могут быть разделены как на шайбы, так и на поленья. Имеют очень высокую плотность, пользуются большой популярностью в Европе.

Такие брикеты могут иметь не только круглую, но и квадратную или восьмиугольную форму, иметь или не иметь отверстие. Вид брикета заказывает покупатель, он зависит от того, какие формы больше популярны в каждой отдельно взятой стране. Данные брикеты охотно покупают такие страны, как Германия, Дания, Великобритания, Норвегия, Швеция, Италия. На внутреннем рынке, чаще всего используют кусковые брикеты, изготовленные по данной технологии, в качестве топлива для твёрдотопливных котлов.

Экструдерные брикеты

Эти брикеты обязательно имеют отверстие внутри и обожженную верхнюю поверхность.

В основе экструзивной технологии производства брикетов лежит процесс прессования шнеком под высоким давлением при нагревании от 250 до 350 С°. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится прочной, что немаловажно для транспортировки брикета.

Такие брикеты закладываются вручную в топку котла или в печку, они пользуются спросом в Прибалтике и на внутреннем рынке России.

Брикеты в виде кирпичика

Эта продукция имеет вид прямоугольного параллелепипеда со скошенными углами. Такой брикет получается путём гидравлического прессования, и его размеры зависят от рыхлости сырья, из которого он произведён и давления, которое на него оказано. Они хорошо используются на внутреннем рынке, и также отлично покупаются во все европейские страны.

Технология

Процесс брикетирования - это процесс сжатия материала под высоким давлением, с выделением температуры от силы трения. За счет данного воздействия в древесине происходит выделение лигнина, который является связующим веществом для формирования брикета. Для брикетов не из древесного сырья, могут применяться экологически чистые добавки (не более 2%). При производстве данной продукции следует обратить особое внимание на влагу - очень важный параметр, влияющий на плотность брикета. В случае превышения 14% влажности сырья брикет разваливается на произвольные куски из-за избытка влаги.

Объем брикета составляет 1/10 от объёма затраченного на его производство сырья, что дает значительную экономию при транспортировке и хранении биотоплива.

Для производства древесных брикетов применяют поршневые и шнековые прессы, сырье - опилки и стружки. Перед прессованием материалдополнительно измельчают и подсушивают (влажность не должна превышать 12 - 14%).

Поршневой пресс работает циклически - при каждом ходе поршня продавливают определенное количество материала через коническое сопло, на брикетах четко различимы соответствующие цик-лам слои. В приводе всегда применя-ется маховик, позволяющий выровнять нагрузку двигателя. Износ поршня неве-лик, поскольку относительное переме-щение между прессуемым материалом и поршнем мало, быстро изнашивается сопло. Поршневые прессы относительно дешевы и поэтому широко распространены.

Шнековый пресс легче поршневого, поскольку отсутствуют массивные поршни и маховики. Продукция выходит непрерывно, поэтому ее можно разрезать на нужные куски. Плотность выше, чем у поршневых прессов. Шнековые прессы менее шумные, благодаря отсутствию ударных нагрузок. К недостаткам можно отнести больший расход энергии и быстрый износ шнека.

Топливные брикеты имеют широкое применение и могут использоваться для всех видов топок, котлов центрального отопления и пр. Большим достоинством брикетов является постоянство температуры при горении на протяжении 4 и более часов.

Вывод

У использования биомассы в качестве топлива есть свои преграды. Как и в случае с ископаемым топливом, сжигание вызывает образование CO2. Однако ископаемое топливо выделяет CO2 миллионы лет, создавая избыток CO2 в атмосфере. В противоположность CO2, выделяемый биомассой при сжигании, поглощается растениями. Биотопливо считается "углеродно нейтральным".

В биологическом уравнении ископаемые виды топлива все еще играют ключевую роль. Они используются на всех этапах получения биомассы: выращивании растений, их сборе, доставке и обработке. Биомасса не станет углеродно нейтральной до тех пор, пока на всех этапах не будет использоваться возобновляемое топливо. Когда это произойдет - загадка для всех. Пока биотопливо позволяет сократить выбросы CO2, так как в процессе использования биомассы в атмосферу выбрасывается меньше СО2. Однако в будущем биомассы могут заменить нефть, газ и уголь во многих областях. Правительства различных стран будут финансировать исследования в области разивития биотоплива. Среди вещей, которые предстоит усовершенствовать, - фабрики по очистке биомассы. Такие фабрики будут принимать различные виды биотоплива и создавать постоянный запас для использования в различных областяж промышленности. На одной из рафинадных фабрик в качестве основы для ферментации используются сахар в виде целлюлозы и лигнин из растений, в результате получается этанол. В качестве биотоплива может использоваться дерево и различные виды трав. На других рафинадных заводах для стандартизации биомассы используется термохимический подход, превращающий массу в более эффективные жидкость или газ.Исследователи видят будущее биомассы в замене нефти, как источника многих химикатов, используемых в современном мире. Вещи из пластика, краски и клеи можно производить не из нефтепродуктов, а из биомассы.

Список литературы

ГОСТ 12.1.007-76. ССТБ. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.

ГОСТ 12.1.005-88. ССТБ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

Грачева И. М., Кривова А. Ю. Технология ферментних препаратов. – 3-е изд., пре раб. и доп. М.: Изд-во „Элеватор“, 2000, - 512 с.

Губський Ю. І. Біологічна хімія: Підручник. – Київ-Тернопіль: Укрмедкнига, 2000. – 508 с.

Домарецький В. А., Остапчук М. В., Українець А. І. Технологія харчових продуктів: Підручник / За ред. д-ра техн. наук, проф. А. І. Українця. – К.: НУХТ, 2003. – 572 с.

Егорова Т. А. Основы биотехнологии: Учеб. Пособия для выш. пед. учеб. заведений / Т. А. Егорова, С. М. Клунова, Е. Л. Живухина. – М.: Издательский центр „Академия“, 2003. – 208 с.

Економіка підприємства / Навч. посібник / За ред. А. В. Шегди: К.: Знання. – 2005. – 431 с.

Економіка підприємства: Підручник / За аг. ред. С. Ф. Покропивного. – Вид. 2-ге, перероб. та доп. – К.: КНЕУ,2000. – 258 с.

Желєзна Т. А. Стан розвитку та перспективи виробництва і застосування рідких палив з біомаси. Частина 1 // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2004. - №2. – с. 3-8

Желєзна Т. А. Стан розвитку та перспективи виробництва і застосування рідких палив з біомаси. Частина 2 // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2004. - №3. – с. 3-8

Жеребцов Н. А. и др. Ферменты: их роль в технологии пищевых продуктов / Н. А. Жеребцов, О. С. Корнеева, Е. Д. Фараджева: Учеб. пос. – Воронеж: изд-во Воронежского гос. ун-та, 1999. – 120 с.

Зайцев Н. Л. – Экономика промышленного предприятия. – М.: Инфа, 1996. – 284 с.

Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Химия, 1982. – (серия „Химическая кибернетика“) 288 с.

Захаров Л. Н. Техника безопасности в химической лаборатории. – Л.: Химия, 1991. – 336 с.

Каминский С. Л., Смирнов К. М., Жуков В. Ч.,Краснощеков В. А. Средства индивидуальной защиты. Справ. изд. – Л.: Химия, 1989. – 400 с.

Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование и системный анализ биохимических производств. – М.: Лесн. пром-сть, 1985. – 280 с.

С помощью тепла сжигаемой биомассы:

- приготовляют пищу, обогревают жилище , почти половина населения планеты использует древесину и другие виды биотоплива для при-готовления пищи и других домашних нужд. Средний уровень потребле-ния топлива составляет примерно 0,5…1 кг сухой биомассы на человека в сутки (10…20 МДж/сут, что соответствует примерно 150 Вт);

- сушкатехническихкультур (копра, какао, кофе, чай, фрукты) для обеспечения их сохранности обычно сопровождается сжиганием древесины или отходов от переработки самих культур либо использованием излишков тепла от производства электроэнергии.

- сжиганиеотходов – рациональный способ использования биотоплива, находящегося вблизи от места потребления энергии. Сжигание в эффективных печах позволяет получать потоки чистых горячих выхлопных газов при температуре около 1000 °С, которые могут быть приведены к требуемой температуре за счет подмешивания холодного воздуха.

- производствотеплаиэлектроэнергии. Пар для обеспечения производства обычно получают, сжигая различные отходы биомассы в топках паровых котлов. В качестве примера рассмотрим ТЭЦ, работающую на биомассе с органическим циклом Ранкина (ОЦР), Адмонт. В 1999 г. установка комбинированного производства тепловой и электрической энергии (ТЭЦ) на биомассе с ОЦР была введена в экс-плуатацию на деревообрабатывающем заводе «STIA» в Адмонте (Австрия). В качестве топлива используются опилки и древесные отходы, не подвергавшиеся химической обработке.

Спиртовая ферментация (брожение)

Методыполученияспирта. Этиловый спирт (этанол) С2Н5ОН в естественных условиях образуется из сахаров соответствующими мик-роорганизмами в кислой среде, рН – от 4 до 5. Подобный процесс спир-товой ферментации во всем мире используют для получения питьевого спирта. Наиболее часто используемые микроорганизмы – дрожжи вида Saccharomyces cere-visiae – погибают при концентрации спирта выше 10 , поэтому для повышения концентрации используют перегонку или фракционирование. После перегонки (дистилляции) получается кипя-щая при постоянной температуре смесь: 95 % этанола и 5 % воды.

Необходимую тепловую энергию можно получить, сжигая остающиеся отходы биомассы.

Производство этанола из различных культур в порядке возрастания трудностей переработки.

1. Непосредственно из сахарного тростника.

2. Из сахарной свеклы вначале получают сахар для сбраживания, но свекла не дает достаточного количества отходов для получения тепла. Из-за этого этанол дорожает.

3. Из растительного крахмала, например, из злаковых или манио-ка; крахмал можно также подвергнуть гидролизу на сахар. Это основ-ной энергоаккумулирующий углевод растений.

4. Из целлюлозы, которая содержит до 40 % всей сухой биомассы и потенциально является обширным возобновляемым источником энер-гии. Имеет полимерную структуру связей молекул глюкозы. В основе промышленного процесса лежит использование измельченной древесной массы или старых газет.

Использованиеэтанолавкачестветоплива. Жидкие топлива чрезвычайно важны из-за удобства использования и хорошего управления сгоранием в двигателях. Можно вводить в несколько переделанные бензиновые двигатели прямо 95%-й этанол, а можно подавать в обычный двигатель смесь из 100%-го этанола (обезвоженный) с бензином в соотношении 1:10.

В другом варианте смешивают бензин с обезвоженным этанолом (20 % по объему) и используют эту смесь (газохол) в обычных бензиновых двигателях.

Газохол в настоящее время – обычное топливо в Бразилии (этанол там получают из сахарного тростника и маниока), используют его и в США (этанол из кукурузы). Важная особенность этанола – способность выдерживать ударные нагрузки без взрыва, из-за этого он гораздо предпочтительнее добавок из тетраэтилсвинца, вызывающего серьезные за-грязнения атмосферы. Превосходные свойства этанола как горючего обеспечивают двигателям 20%-е увеличение мощности по сравнению с чистым бензином. Массовая плотность и теплотворная способность этанола ниже, чем бензина, соответственно теплота сгорания (24 МДж/м3) на 40 ниже, чем бензина (39 МДж/м3). Однако лучшее горение этанола компенсирует это уменьшение теплотворной способности.

Стоимость этанола сильно зависит от местных условий и цен, устанавливаемых для альтернативных видов топлива. Чрезвычайно важна политика правительств в этой области. Обычно при благоприятных обстоятельствах цена этанола в качестве топлива может быть сравнима с ценой бензина (в ценах 1984 г.)

А.Э. Карапетов, генеральный директор,
ООО «ИЦ КотлоПроект», г. Санкт-Петербург

В статье представлен анализ конструктивных схем котлов и способов сжигания биотоплива, а также рассмотрены типичные ошибки, допускаемые при эксплуатации таких котлов.

Стадии горения биотоплива

Сжигание - это сложный процесс, который состоит из последовательно протекающих гомогенных и гетерогенных реакций. В основном сжигание происходит в три стадии: сушка, выход и горение летучих, сгорание твердого углерода (коксового остатка). Время, необходимое для каждой из этих реакций, зависит от характеристики топлива, его фракционного состава, от температуры, от условий сжигания. Опытное сжигание частицы малого размера показывает отчетливое разделение по времени между фазами горения летучих и коксового остатка. Для более крупных частиц эти фазы накладываются одна на другую, однако даже в топках для сжигания дров можно наблюдать достаточно отчетливое разделение фаз горения .

При некоторых способах сжигания, например, на движущейся решетке, эти последовательные реакции протекают одновременно в разных зонах топочной камеры котла, что позволяет существенно оптимизировать процесс горения, естественно, при условии правильной конструктивной схемы котла. Кроме того, разделение стадий позволяет достичь существенного улучшения экологических показателей установки в целом. Для сжигания в кипящем слое, наоборот, характерно одновременное протекание всех трех стадий процесса в одном объеме, причем в условиях интенсивного перемешивания. Благодаря этому тепло, выделяющееся при сгорании летучих и коксового остатка, быстро и эффективно передается частицам свежего материала и расходуется на испарение влаги и выделение летучих.

Условия эффективного сжигания

В англоязычной литературе по сжиганию биотоплива можно часто встретить термин «Three T"s» - Temperature, Time, Turbulence («Три Т» - температура, время, турбулентность или перемешивание). Эти «Three T"s», три условия, должны быть обеспечены для достижения полного и высокоэффективного сжигания. Основные инструменты для выполнения условий следующие:

■ правильно выбранные для используемого способа сжигания величины теплонапряжений топочного объема и зеркала горения;

■ конфигурация топочной камеры, обеспечивающая, при необходимости, отжим горячих продуктов сгорания к участку, на который подается свежее топливо, исключающая наличие застойных зон и т.д.;

■ размещение теплоотводящих поверхностей в камерах сжигания и дожигания с учетом характеристик, в первую очередь, влажности сжигаемого топлива;

■ как можно более равномерная подача топлива, исключающая разовые загрузки больших порций топлива;

■ равномерное распределение слоя топлива на решетке (для слоевого сжигания), поддержание необходимой высоты слоя, обеспечение перемешивания и, при необходимости, шурования слоя;

■ организация воздушного дутья, обеспечивающая равномерное поле температур по объему и сечению топочной камеры;

■ обеспечение оперативного контроля за ключевыми параметрами (температурой газов в зонах сжигания, дожигания, на выходе из топочной камеры; содержанием О 2 и СО в уходящих из котла газах);

■ с целью возможности экстренного воздействия на температурный уровень в топке котла - организация рециркуляции дымовых газов (как вариант - впрыска пара) в различные зоны сжигания.

В отмечается, что смешение топочных газов с воздухом следует считать основным фактором, ограничивающим качество сжигания биотоплива, в то время как обеспечение необходимой температуры и времени пребывания в камере сжигания может быть достигнуто без особых проблем.

Схема подвода воздуха в топку

Важнейшим параметром, определяющим процесс сжигания биотоплива, является избыток воздуха α (в англоязычной литературе используется символ λ), представляющий собой отношение количества подаваемого в конкретную зону горения воздуха к теоретически необходимому. В котлах на биотопливе со слоевыми топками и топками кипящего слоя традиционной является ступенчатая схема подвода воздуха в топку. При этой схеме часть воздуха (наддув, первичный воздух) подается под решетку, а часть в зону над решеткой, возможно в несколько ярусов (дожиг - вторичный и третичный воздух). Подобная схема призвана обеспечить качественное перемешивание (turbulence) вдуваемого воздуха с продуктами газификации и неполного сгорания, поднимающихся с решетки. В этом случае достижима работа котла с невысокими значениями общего избытка воздуха в покидающих котел дымовых газах, что существенно снижает величину тепловых потерь с уходящими газами (см. рис. 1).

При ступенчатой подаче воздуха можно говорить о разделении топочной камеры котла на две зоны: камеру сжигания и камеру дожигания. Эти зоны могут просто располагаться одна над другой, как это принято в котлах с кипящим слоем, или быть разделенными конструктивно, в этом случае для камеры сжигания часто используется термин «предтопок». В камеру сжигания подается все топливо и часть воздуха, так называемого «наддувного» или первичного, который вводится под слой топлива снизу (под решетку). В камере сжигания осуществляется подготовка топлива (испарение влаги, выделение летучих) и его частичное сжигание. При сжигании влажного топлива требуется значительное количество тепловой энергии, необходимое для испарения влаги, поэтому в камере сжигания, как правило, не размещают теплоотводящие поверхности нагрева. Ввод «дожигового» вторичного воздуха осуществляется в верхней части камеры сжигания или на входе в камеру дожигания. Иногда, для более равномерной подачи, по ходу газов в камере сжигания организуют третичное дутье. Камеры дожигания целесообразно выполнять экранированными.

Ступенчатое сжигание, при котором в камере сжигания поддерживается восстановительная атмосфера и обеспечивается минимальный избыток воздуха на выходе, является эффективным первичным способом снижения NO х без специальных (или вторичных) мероприятий. Ступенчатое сжигание позволяет достичь снижения NO х примерно на 50% для топлива с низким содержанием азота и примерно на 80% для топлива с высоким содержанием азота ). Однако для реализации этого потенциала снижения должен быть выполнен ряд условий, α именно:

■ поддержание коэффициента избытка первичного воздуха α перв порядка 0,7 (см. рис. 2);

■ поддержание температуры в восстановительной зоне не более 1150 О С;

■ обеспечение времени пребывания газов в восстановительной зоне не менее 0,5 с.

Температурный уровень в камере сжигания как функция доли первичного воздуха

Основная цель ступенчатой подачи воздуха - избежать пиков температур в топочной камере и, особенно, в камере (зоне) сжигания. С одной стороны, температура в камере сжигания должна быть достаточно высокой для обеспечения нормальной скорости протекания реакций окисления, но при этом, с другой стороны, высокие температуры являются причиной ряда серьезных проблем:

■ шлакование вследствие подплавления золы топлива, что может привести к ухудшению условий горения, проблемам с оборудованием шла- козолоудаления, а для топок с кипящим слоем - к нарушению процесса «кипения» и останову котла;

■ разрушение обмуровки, повреждение колосниковой решетки (пережог колосников);

■ рост выбросов NO x .

Для разных способов сжигания критические значения температур отличаются. Для слоевого сжигания значение лежит в пределах 10501150 О С (в камере сжигания), а для кипящего слоя составляет около 900 О С, что обусловлено склонностью инертного материала слоя (песка) к образованию агломератов. Температуру в экранированной камере дожигания желательно поддерживать на уровне не выше 1200 О С.

При отсутствии теплоотводящих поверхностей нагрева в камере сжигания процессы, которые в ней протекают, можно с некоторой долей условности признать адиабатическими. В этом случае температура в камере сжигания зависит от двух факторов - влажности топлива и избытка воздуха. На рис. 3 эти зависимости представлены графически.

Из графика видно, что поддержание докритического диапазона температур в камере сжигания возможно или при работе с большими избытками воздуха, или в режиме ниже стехиометрического. Некоторые негативные последствия больших избытков воздуха рассматривались выше, к ним можно добавить еще повышенный вынос частиц топлива из слоя и, соответственно, большие величины потерь с механическим недожогом в уносе, а также увеличение электропотребления за счет избыточного расхода наддувного воздуха.

Таким образом, для поддержания оптимальных температур в камере сжигания избыток воздуха в ней следует поддерживать ниже стехиометрического, причем коэффициент избытка первичного воздуха α перв тем ниже, чем меньше влажность подаваемого топлива. Очевидно, что при сжигании сухого биотоплива, по мере исчерпания потенциала снижения температуры за счет снижения α перв, имеет смысл рассматривать вопрос о размещении теплоотводящих поверхностей и в камере сжигания. Для топок с кипящим слоем пороговое значение влажности - около 40%, для слоевого сжигания - 30%.

При сжигании биотоплива с более традиционными величинами влажности Wp,=45-55% (что справедливо в отношении древесных отходов) можно рекомендовать следующие значения α перв:

■ для сжигания в кипящем слое α перв =0,4-0,55 (при этом температура в слое - 850 О С) ;

■ для сжигания на движущихся решетках α перв =0,7 (при этом температура в камере сжигания - 1150 О С) .

Вопрос обеспечения эффективности подачи вторичного воздуха

Вторичное дутье обеспечивает подвод окислителя к выходящим из камеры сжигания продуктам неполного сгорания топлива, а также к выносимым из слоя мелким частицам недогоревшего топлива (недожога). Об эффективности вторичного дутья можно судить, с одной стороны, по содержанию СО в уходящих газах и содержанию остаточного углерода в уносе и, с другой стороны, - по общему избытку воздуха в уходящих газах. Чем меньше значения всех этих параметров, тем более эффективна система вторичного воздуха. Основные факторы, влияющие на эффективность:

■ объем камеры дожигания, обеспечивающий необходимое время пребывания газов и частиц в зоне высоких температур;

■ температура в камере дожигания, обеспечивающая нормальную скорость протекания реакций окисления;

■ «аэродинамика» камеры дожигания. Под этим термином следует понимать совокупность геометрической конфигурации камеры дожигания, расположения в ней сопел вторичного воздуха, дальнобойность выходящих из них струй.

Собственно, правильная организация вторичного дутья - это организация такой аэродинамики камеры дожигания, при которой:

■ обеспечивается хорошее перемешивание продуктов сгорания с воздухом;

■ отсутствуют застойные зоны;

■ обеспечивается равномерное поле температур;

■ поддерживается минимальный избыток воздуха на выходе.

Необходимо иметь в виду, что ключевую роль в процессе перемешивания играет не сама скорость, а мощность (или дальнобойность) струи, которая зависит не только от скорости, но и от выходного диаметра сопла. Таким образом, одинаковую мощность струи можно получить при снижении скорости и увеличении диаметра, снижая при этом энергозатраты на создание напора воздуха перед соплом. Очевидно, что должен существовать определенный нижний порог скорости выхода струи из сопла, после которого система теряет эффективность. По данным для котлов со слоевыми топками, приведенным в , нижняя граница скорости вторичного воздуха лежит в диапазоне 30-40 м/с.

Отдельный аспект - снижение скорости выхода воздуха из сопел и, соответственно, дальнобойности струй при работе котла на пониженных нагрузках. Для того, чтобы избежать этого, применяют следующие решения:

■ использование сопел с переменным сечением, что допускает плавное регулирование площадью выходного сечения;

■ изменение количества сопел путем отключения с помощью шиберов, при этом осуществляется дискретное регулирование общей площадью выходного сечения.

Следует признать, что данные решения актуальны для достаточно крупных котлов, единичная тепловая мощность которых превышает 20 МВт. Для котлов меньшей мощности, которые в основном и используются для сжигания биотоплива, вполне допустима работа на пониженной нагрузке с увеличенными избытками воздуха.

Характерные ошибки при эксплуатации котлов на биотопливе

В данном подразделе хотелось бы остановиться не на анализе многочисленных конструктивных схем котлов и способов сжигания биотоплива, а на типичных ошибках, допускаемых при эксплуатации этих котлов. В принципе, ключевая ошибка - это нарушение корректного воздушного баланса, а именно - работа с повышенными избытками воздуха, причем в основном за счет избыточного первичного дутья. Основная причина, по которой персонал осознанно идет на увеличение расхода воздуха под решетку, - это желание снизить температуру в камере сжигания, чтобы свести к минимуму опасность разрушения обмуровки и выхода из строя колосников (применительно к движущимся решеткам) или образования спеков и агломератов в инертном материале (применительно к кипящему слою). Страх (порой иррациональный) перед газификационным режимом, при котором возможны хлопки и взрывы в топочной камере, объясняет другую характерную ошибку эксплуатации - работу с завышенным разрежением в топке котла, порой до 100-150 Па. При этом персонал, как правило, настороженно относится к вторичному дутью и старается по возможности его не использовать.

Оба фактора вместе приводят к тому, что содержание кислорода в уходящих газах зачастую достигает, а порой и превышает 10% (α>2). В результате:

■ КПД котла снижается на 4-5% за счет увеличения потерь с уходящими газами по сравнению с нормальной эксплуатацией при α=1,4-1,5;

■ из слоя топлива (неподвижного или кипящего) выносится большое количество частиц, которые не успевают догореть в топочной камере, что приводит к росту потерь с механическим недожогом до значения q 4 =3-4%, в то время как вполне достижимы значения q 4 =0,5-1,5%;

■ повышенный унос и недожог в уносе способствуют резкому росту образования прочных наружных отложений в конвективных поверхностях нагрева котлов.

Данные заключения базируются на опыте автора, полученном при сдаче в эксплуатацию, проведении режимно-наладочных испытаний и участии в разборе аварий котлов на биотопливе, в основном при использовании технологии сжигания в кипящем слое и на наклонно-переталкивающей решетке. Например, грубые нарушения воздушного режима работы котла КВ-Р-11,63-150, реконструированного для сжигания сланца в кипящем слое (сланец, конечно, не является биотопливом, но близок к нему по своей реакционной способности), стали причиной аварии, которая развивалась по следующему алгоритму: постепенное забивание первого по ходу газов конвективного пакета привело к уменьшению сечения для прохода газов, скорости в оставшемся сечении многократно выросли, вследствие эрозионного износа в нескольких трубах образовались свищи и в результате произошла цементация отложений практически по всей поверхности пакета .

Следствием неудовлетворительной работы котлов типа КВД-1,2М, установленных в котельной в пос. Ляскеля (Республика Карелия) и сжигающих древесные отходы влажностью 50-55%, был, помимо чрезвычайно низкого КПД (менее 70%) и серьезного недобора мощности, большой унос из котла недогоревших частиц, которые выносились из дымовой трубы и осаждались на прилегающей к котельной территории. В результате обследования (время проведения - 2007 г.) были выявлены причины как конструктивного плана - недостаточный объем топочной камеры, неудачное расположение сопел вторичного воздуха, недостаточная поверхность нагрева, неработоспособная золоулавливающая установка, так и режимного плана - работа с избытками воздуха в уходящих газах α=2,1- 2,6, разрежение за котлом 210-240 Па.

Другой пример: при проведении в 2014 г. режимной наладки водогрейного котла КВм-3,0 Д тепловой мощностью 3 МВт удалось достичь ощутимого увеличения КПД котла (на 5-7%) практически только за счет оптимизации воздушного режима. В котле сжигались мелко фракционные отходы повышенной сухости (W t r <15%) на наклонно-переталкивающей решетке. В данном случае конструкция котла была лишена недостатков, за исключением не совсем продуманной системы подвода вторичного воздуха. Перед началом наладочных испытаний котел эксплуатировался с сильно завышенным первичным дутьем (т.е. при высоких значениях α перв), вследствие чего топливо выгорало (и частично выносилось), не достигая последних рядов колосников решетки, т.е. почти вся зола покидала котел с уносом, разрежение поддерживалось в диапазоне 80-100 Па, температура газов в камере сжигания (неэкранированной) не превышала 750 О С, избыток воздуха в уходящих газах достигал α=2. Путем перенастройки воздушного режима в сторону значительного сокращения первичного дутья и снижения разрежения в топке до 40-50 Па удалось достичь:

■ равномерного распределения и горения топлива по всей длине решетки;

■ снижения доли золы уноса с почти 100% до значения 55%, при этом содержание горючих в шлаке не превышало 7,2%;

■ температуры газов в камере сжигания около 880 О С;

■ коэффициента избытка воздуха в уходящих газах α=1,36.

Характеристики котла после проведения режимной наладки приведены в таблице.

Достаточно большие величины содержания горючих в уносе и СО в дымовых газах объясняются уже упоминавшейся неудовлетворительной работой системы вторичного воздуха, не обеспечивающей эффективного перемешивания («turbulence») дожигового воздуха с продуктами сгорания.

Заключение

Каким же образом донести до эксплуатационного персонала информацию о корректных методах управления котлами на биотопливе, позволяющих раскрыть все возможности оборудования? Как заменить устоявшиеся, пришедшие из опыта эксплуатации старых угольных котлов, в которых порой вовсе отсутствовало вторичное дутье, понятия о безопасной и экономичной работе? Известно, что далеко не во всех котельных небольшой мощности имеются профессионально выполненные режимные карты, а там, где они есть, не всегда следят за соблюдением режимов.

Представляется, что наиболее действенный путь решения данной проблемы - это минимизация воздействия человеческого фактора на процесс управления работой котла, т.е. глубокая степень автоматизации процесса сжигания. Данный подход успешно реализуется на котлах средней мощности, в качестве примера можно привести паровые котлы с кипящим слоем для сжигания древесных отходов, в разработке проектов которых автору довелось принимать участие. Воздушный режим у этих котлов поддерживается следующим образом: расход первичного воздуха жестко связан с подачей топлива, а вентилятором вторичного воздуха управляет регулятор по содержанию кислорода в уходящих газах. Данная схема позволяет поддерживать работу с минимальными избытками воздуха, реальные значения содержания кислорода в газах за котлом О 2 =3-5% (рис. 4).

Рис. 4. Дисплей пульта управления котла КЕ-25-24-350, реконструированного для сжигания древесных отходов в кипящем слое. Объект - Вилейская мини-ТЭЦ, г. Вилейка, Республика Беларусь. Регулятор поддерживает содержание кислорода в газах за котлом (перед стальным экономайзером) О 2 =3%.

Понятно, что оснащение развитой системой автоматизации установок малой мощности существенно повлияет на их стоимость, однако надо понимать, что это удорожание будет скомпенсировано более высоким КПД. Во всяком случае, по этому пути - полной автоматизации котлов на биотопливе даже малой мощности -

идут ведущие зарубежные поставщики оборудования. Помимо датчиков кислорода, установки оснащаются датчиками замера СО в уходящих газах, что позволяет снижать избытки воздуха до уровня газовых котлов .

Литература

1. Nussbaumer, Thomas. Combustion and Co-combustion of Biomass: Fundamentals, Technologies, and Primary Measures for Emission Reduction. Energy & Fuels. Т. 17. 2003.

2. Sjaak Van Loo, Jaap Koppejan. The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. London: EARTHSCAN, 2008.

3. В.Н. Шемякин, А.Э. Карапетов, С.В. Крылов. Опыт практического внедрения технологии кипящего слоя в промышленной и коммунальной энергетике. Труды ЦКТИ. ОАО «НПО ЦКТИ», 2009, 298 с.

4. Ницкевич Е.А. Проектирование котельных агрегатов. М.: Государственное энергетическое издательство, 1951.

5. Александров В.Г. Паровые котлы малой и средней мощности. Л.: Энергия, 1972.

6. Иванов Ю.В. Эффективное сжигание надслойных горючих газов в топках. Таллин: Эстонское государственное издательство, 1959.

Последнее время во всем мире и, особенно - в Европе огромными темпами растет потребление биотоплива. Соответственно, разработано значительное количество различных способов его сжигания. Эти способы отличаются как по виду используемого биотоплива, так и принципам его сжигания. Для возможности сравнивания технологий сжигания биотоплива между собой и осуществления осознанного выбора наиболее подходящей для каждого конкретного случая применения, - сначала эти технологии нужно классифицировать. Для упрощения систематизации технологий сжигания биотоплива мы рассмотрим только самые распространенные из них. Классифицировать технологии будем по влажности и степени подготовленности топлива к сжиганию. Это вызвано, прежде всего, тем, что для сжигания биотоплива различной влажности необходима разная температура и количество дутьевого воздуха, и, как следствие, необходимо применение топок различных конструкций. Внутри каждой категории при классифицировании будем рассматривать наиболее популярные технологические решения.

Таким образом, все технологии сжигания твердого биотоплива в зависимости от влажности и степени подготовленности топлива к сжиганию можно разделить на 3 основные категории:
- технологии сжигания рафинированного биотоплива;
- технологии сжигания сухого неподготовленного биотоплива;
- технологии сжигания влажного биотоплива.

До описания технологий сжигания твердого биотоплива необходимо определиться с формулировками деления его на категории:

Рафинированное биотопливо.
К этой категории относятся уже широко известные топливные гранулы и брикеты, немного менее известные разновидности топливных брикетов - топливные шайбы и четвертаки, пока малоизвестные торрефикаты (торрефицированные гранулы и щепа) и, конечно же, - пыль (биотопливо, измельченное до размеров долей миллиметра). Основные отличительные характеристики этой категории: минимальная влажность (как правило, - не более 10%), минимальная зольность (обычно - до 2%) и стандартизированные размеры частиц топлива.

Сухое неподготовленное биотопливо.
К этой категории относится биотопливо с влажностью до 30%. Это отходы столярного производства (сухие опилки и стружки), отходы сушки зерна, солома, лузга подсолнечника, риса и т.п. Зольность и размер частиц топлива в этой категории не стандартизированы, но разброс этих параметров незначителен.

Влажное биотопливо.
К этой категории относится топливо с влажностью 31 … 55%. Это влажные древесные отходы (опилки, щепа), торф, подстилочный помет и навоз, лигнин и т.п. Это самые трудносжигаемые виды топлива, чаще всего - с высокой зольностью и большим разбросом размеров частиц сырья.

Также необходимо указать 3 основных способа сжигания твердых топлив по отношению к подводимому для сжигания воздуху:

Технологии сжигания сухого неподготовленного биотоплива.

Сухое неподготовленное биотопливо - это мелкофракционное биотопливо с влажностью до 30%.
К этой категории относятся: отходы столярного производства (сухие опилки и стружки), отходы сушки зерна, измельченная солома, лузга подсолнечника, риса и т.п.

Большая часть подвидов такого топлива имеет очень высокую летучесть, поэтому наиболее эффективной технологией сжигания таких топлив будет и . При этом также нельзя забывать об особых видах топлив с высокой зольностью и спекаемостью золы, для которых оптимальными будут или на .

Технологии сжигания влажного биотоплива

Влажное неподготовленное твердое биотопливо - это мелкофракционное или кусковое топливо с влажностью 31 … 55%. К этой категории относятся: отходы лесопиления (влажные опилки), щепа, торф, подстилочный помет и навоз, лигнин и т.п.

Это наиболее трудносжигаемые виды топлива. Процесс сжигания должен начинаться с подсушки топлива, поэтому наиболее подходящими технологиями для этих видов топлива будут: , .