CC BY
109
УДК 628.477.6 ББК 65.28
Политикова Наталья Анатольевна
кандидат экономических наук, доцент кафедры менеджмента Курганского
государственного университета (КГУ) Таранов Алексей Степанович доктор технических наук, доцент кафедры менеджмента КГУ, Н.Я.
Шешукова, старший преподаватель кафедры менеджмента, аспирант третьего
года обучения КГУ Шешукова Наталья Яшаяевна старший преподаватель кафедры менеджмента, аспирант третьего года
обучения КГУ
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ АДАПТАЦИИ СИСТЕМ
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ К ТЕРРИТОРИАЛЬНЫМ ОСОБЕННОСТЯМ ECONOMIC SUBSTANTIATION OF ADAPTATION OF HEAT SUPPLY SYSTEMS TO TERRITORIAL CHARACTERISTICS
Аннотация. Обоснована актуальность экологической приемлемости продуцирования тепловой энергии. Рассмотрена возможность вторичного использования древесины и древесных отходов в качестве топлива для систем коммунального теплоснабжения. Приведены ожидаемые экологоэкономические эффекты.
Ключевые слова: древесные отходы, вторичные топливные ресурсы, технологический комплекс, пеллеты, измельчение, экструдирование, топливосжигающие системы.
The summary. The authors substantiate the necessity of the environmental acceptability of production of thermal energy. The possibility of recycling of wood and wood waste as fuel for district heating systems is examined. Shows the expected environmental and economic effects.
Keywords: wood waste, secondary fuel resources, technological complex, pellets, grinding, extruding, fuel-system.
Отопительные котельные являются основным производственным ядром систем теплоснабжения, поэтому технико-экономические показатели котельных во многом определяют эффективность этих систем.
Значительная часть территории Российской Федерации относится к лесной зоне [1], в которой произрастают хвойные и лиственные деревья, имеющие многообразное применение в качестве сырья для лесоперерабатывающей промышленности. Лесная растительность имеет различную степень хозяйственной полезности - от деловой, применимой в строительстве до малоценной, не представляющей интереса как сырье (мелколесье, кустарник, бурелом, топляк, горельник и т.д.). При этом указанная категория растительности, или её остатков, создает серьезные проблемы в лесовосстановлении и является фактором риска пожарной опасности территорий. Очевидно, что древесные отходы (ДО) и малоценная древесина (МД), обладая значительной теплотворной способностью и хорошей горючестью могут и должны использоваться в качестве топлива. Применение ДО в качестве топлива в системах коммунального теплоснабжения технически возможно и экономически целесообразно при условии их соответствующей модификации.
Способы сжигания древесного топлива.
В зависимости от состояния и степени подготовки древесного топлива в
современной топочной технике применяют следующие способы его сжигания [2]: слоевой, вихревой, циклонный, факельный, в кипящем слое.
Слоевой способ сжигания древесного топлива заключается в непрерывном продувании воздуха через слой топлива, находящегося в топке, в результате чего происходит процесс горения. Пространство, в котором происходит взаимодействие топлива с воздухом и продуктами сгорания называют зоной горения (активной зоной).
При вихревом способе сжигания древесного топлива в топке создается вращение частиц топлива по кольцевой или петлевой траектории, которые сгорают во взвешенном состоянии при движении газо-воздушной смеси. для
сжигания отдельных крупных частиц вихревые топки снабжаются дожигательными колосниковыми решетками. Большая скорость движения частиц топлива и их значительная поверхность создают условия для ускоренного протекания процессов нагревания, подсушивания и сгорания.
Циклонный способ сжигания древесного топлива сходен с вихревым способом. Отличие заключается в том, что топочное пространство имеет форму цилиндра, где циркуляция воздуха осуществляется вдоль внутренних стенок цилиндра.
Факельный способ сжигания пылевидного древесного топлива происходит следующим образом: смесь древесной пыли с воздухом подается через горелку (форсунку, сопло) в топочное пространство, где сгорает во взвешенном состоянии образуя факел яркого пламени. Сжигать таким образом можно только сильно измельченную древесину.
Топочные процессы с использованием низкотемпературного кипящего слоя или сильно загруженных инертными частицами (золой) циркулирующих потоков создают многократное увеличение тепловой инерции топки за счет введения частиц. Это стабилизирует топочный процесс, обеспечивает его изотермичность и позволяет осуществлять сжигание при относительно низкой температуре, порядка 800-1000 оС.
Применение дешевых древесных отходов, отходов зернопереработки, торфа, других отходов, зачастую имеющих «отрицательную» стоимость, позволяет решить или хотя бы снять остроту экономических вопросов жилищно-коммунальных и промышленных предприятий, а также значительно снизить себестоимость вырабатываемого тепла.
Котлы с топками кипящего слоя обладают уникальной «всеядностью» к топливам, отличными показателями по выбросам оксидов серы и азота, высоким коэффициентом полезного действия и особенно перспективны при переходе на сжигание древесных и других горючих отходов.
В настоящее время известно несколько десятков российских, белорусских и украинских производителей топочного оборудования для сжигания
древесных отходов, выпускающих как оборудование по собственным разработкам, так и по лицензиям известных производителей.
Однако использовать опилки непосредственно для сжигания или перерабатывать отходы в топливную щепу для целей сжигания - путь все более отвергаемый.
Дело в том, что для эффективного сжигания в котлах годится не любая щепа и отходы, а специально произведенная для этих целей. На древесном мусоре котельная работает плохо. Например, в Финляндии производством топливной щепы занимаются специальные заводы: для достижения
эффективности топливо должно быть однородным по фракции, подготовленным по влажности, а также соответствовать известным экологическим требованиям. К примеру, при сжигании хвойной коры образуется недопустимый излишек выброса в атмосферу двуокиси серы (которая в соединении с водой образует серную кислоту).
Поэтому говорить о том, что топливо для котельных на щепе является бесплатным, не приходится.
Перспективным по современным европейским показателям является перевод теплоэнергетики не на использование щепы и опилок, а на древесные топливные гранулы (пеллеты) - продукт наиболее глубокой переработки отходов древесной массы, или топливные брикеты.
Типичная лесопилка превращает около 60% древесины в доски, при этом 12% уходит в опил, 6% - концевые обрезки и 22% - горбыль и обрезки кромок. Объем сырья для брикетов (опила и стружки) на этапе деревообработки достигает 12% от исходного сырья. Одним из основных направлений утилизации древесных отходов является их использование для получения тепловой и электрической энергии. В последние годы энергетическое использование древесных отходов рассматривается как альтернатива традиционным видам топлива [3]. Это связано с тем, что древесные отходы являются СО2-нейтральными, имеют низкое содержание серы, относятся к возобновляемым источникам энергии.
Теплогенераторы, работающие на древесных отходах, могут иметь две принципиальные схемы предварительной сушки древесного топлива:
- дымовые газы попадают прямо в отделение сушки;
- дымовые газы проходят через теплообменник и в отделение сушки попадает чистый нагретый воздух.
Каждая из этих схем имеет и плюсы и минусы. При прямой подаче топочных газов в сушильное отделение между газом и опилками большая разность температур, что повышает эффективность сушки. Однако высокая температура создает опасность пожара. дымовые газы, охлаждаясь, оставляют в опилках много сажи, что повышает остаточную зольность опилок. Некоторые европейские стандарты требуют, чтобы зольность не превышала 1,0%. Использование такой схемы требует принятия серьезных мер к предотвращению возгорания опилок.
При прохождении дымовых газов через теплообменник проблема возгорания опилок практически снимается. Нет осаждения сажи. Однако температуру на входе в сушильное отделения нельзя поднять выше 150 0С. Теплогенераторов, работающих на древесных отходах и подающих воздух через теплообменник, установочной тепловой мощностью выше 500 кВт пока нет. Экономически оправданным для пеллетов является выпуск не менее 1,5 т/ч.
Рекомендации по выбору техники, принципиальных схем и решений по формированию и модификации технологических комплексов для ДО
В России многие компании осуществляют поставку и монтаж котлов на пеллетах российского производства и зарубежных аналогов. К примеру, поставкой отопительных котлов на пеллетах занимается компания «ЭкоСпецРесурс», предприятие «Гринпауэр», Украина поставляет отопительные комплексы на опилках и растительных отходах КТ-100, КТ-300, КТ-700; г Ковров Владимирской области поставляет котлы водогрейные на отходах деревообработки и подготовленном топливе «ГЕЙ3ЕР-tеrmоwооd»,
марки КВТ-300, КВТ-400, КВТ-500 и т.д. - в зависимости от необходимой мощности.
Измельчители щепы (рубительные машины) отечественного производства (поставщик - Компания «Портал-Инжиниринг»):
РМ-З, РМ-5Р, РМ-55Р, (барабанная); МРР-500, МРР-500-1, МРР-500А, МРР-500А-1 (дисковая) - для переработки древесины в технологическую и топливную щепу;
МРБР-800 - (барабанная) - для переработки отрезков древесины (откомлёвки, отторцовки) на топливную и технологическую щепу.
Сушка и измельчение биомассы в составе линии производства биотоплива (топливных брикетов, пеллет) - (поставщик-изготовитель - Псковский завод СПиКО):
Марка АСЗ-С-С 1000 , АСЗ-С-С 2000 - сырье на входе: щепа, опилки, торф, солома, другие виды биомассы. Продукт на выходе: измельченная масса, пригодная для гранулирования и брикетирования.
АС2-С-С 4000 - сушка и измельчение биомассы, в т.ч. мелкодисперсное измельчение (до 1 мкн).
Российские производители предлагают, помимо отдельного оборудования, готовые Линии для производства топливных гранул. Например, ООО «Теплопроцесс», г. Новосибирск. В состав входят: рубильная машина, барабанная сушилка, циклон-разгрузитель, шнековый транспортер, пресс-гранулятор и др. Предлагаются также Мини-заводы для производства топливных гранул (пеллет) компаний ЭЛО, ЭКОРОСС (Москва).
Пеллетные котлы, в отличие от обыкновенных угольных котлов, имеют автоматическую систему подачи топлива, они экономически выгодные и экологически чистые - выброс углекислого газа, серы и золы от 10 до 50 раз ниже, чем при сжигании традиционных видов топлива. В пеллетных котлах практически отсутствует падение КПД в процессе эксплуатации, что является основной проблемой твердотопливных котлов, т.к. происходит практически полное сгорание топлива (зольность менее 0,7%), а конструкция котла
позволяет быстро и полностью очистить загрязнённые теплопередающие поверхности.
Выбор техники и принципиальных схем зависит от вида топлива, который будет применен в каждом индивидуальном случае:
- сжигание древесных отходов без брикетирования и грануляции;
- применение брикетов и пеллетов.
К первичному топливу относится опил, стружка и др. для данного типа сжигания характерны сравнительно высокие капитальные затраты на оборудование по сжиганию топлива, а также по хранению и подаче топлива. Более широкий диапазон требований к оборудованию по подаче, хранению и сжиганию твердого топлива обуславливает более высокую стоимость такого оборудования по сравнению с мазутными и газовыми установками. Стоимость отопительной системы в значительной степени зависит от ее мощности. Поэтому, чтобы эффективно использовать оборудование в течение года, необходимо выбрать оптимальную мощность котла.
Максимальное потребление энергии приходится лишь на сравнительно короткий промежуток времени — на самые холодные зимние дни. Объем энергии, потребляемой в этот период, сравнительно невелик и составляет 1015% годового потребления. Разумнее всего производить эту энергию на ископаемом топливе.
Регулирование котла на твердом топливе ограничено определенным диапазоном мощности котла. При низкой загрузке котлы на твердом топливе работают с избытком воздуха или в режиме старт-стоп. Это влечет за собой низкий КПД. Обычно такие котлы не могут работать с нагрузкой ниже 20-25% от максимальной мощности, сохраняя при этом приемлемые эксплуатационные параметры. Поэтому большие котлы невозможно начинать эксплуатировать раньше, чем поздней осенью, и они, как правило, подлежат остановке ранней весной.
Опыт показывает, что мощность котельной на опилках или других отходах деревообработки должна составлять 50-60% максимальной мощности потребления.
При мощности в 60% от максимальной котел обеспечивает 80-85% потребности в тепле с 1 сентября по 15 мая. Если период использования котла превышает указанный интервал, то и объем производства энергии больше.
Для биотопливного котла принято отношение произведенного тепла (МВтч) к мощности (МВт) называть эквивалентом полной нагрузки в часах или временем использования. для биотопливных котельных этот эквивалент составляет 3000-5000 часов в зависимости от климатической зоны. Если годовое потребление энергии для тепловой системы известно, то легко, пользуясь этим соотношением, вычислить необходимую мощность котла.
Например, максимальная мощность для системы составляет 2000 кВт, а полная потребность в энергии — 5000 МВтч. Котел на первичном топливе выбирается так, чтобы 80% годовой потребности в энергии или 4000 МВтч вырабатывались на биотопливе. Остальные 1000 часов покрываются за счет резервного котла, критериями для выбора которого являются малые капитальные вложения, даже если цена на топливо выше. Мощность основного котла, поэтому, выбирается равной 50% максимальной загрузки, т.е.1 МВт.
Котлы на облагороженном топливе (брикеты, пеллеты) обладают более широким диапазоном регулирования нагрузки. Котлы на пеллетах можно топить при минимальной нагрузке на грани с остановом. Котлы на брикетах обычно не обладают такой гибкостью. Как правило, такие котельные на 30% дешевле, чем для сжигания первичного топлива. Это приводит к тому, что котел на облагороженном топливе часто выбирают большей мощности по отношению к максимальной потребности.
Чаще всего оправдывают себя котлы такой мощности, которая покрывает 65-70% максимальной потребности. Такие котлы покрывают 90-95% годовой потребности в энергии. Превышение этих цифр нецелесообразно, т.к. ведет к неоправданному увеличению стоимости котла из-за увеличения диапазона
регулирования ( и, конечно, мощности котла). В то же время для периода пиковых нагрузок количество печного топлива, хотя и относительно дорогого, невелико.
Например, максимальная мощность для системы составляет 2000 кВт, а
полная потребность в энергии — 5000 МВтч. для облагороженного топлива выбирается котел, покрывающий 90% годовой потребности в энергии, т.е. 4500 МВтч. Оставшиеся 500 МВтч производятся резервным котлом, как правило, на ископаемом топливе. Мощность основного котла, поэтому, выбирается равной 65% максимальной загрузки, т.е. 1,3 МВт.
Все сказанное относится, прежде всего, к проектированию новых котельных. Для конверсии существующих котельных на пеллеты, достаточно оснастить существующие котлы горелками. При этом также следует учитывать свободные площади, мощность существующих котлов, возможности заноса нового оборудования и использования существующих дымоходов. Желательно, кроме тех случаев, когда речь идет о чисто резервных котлах, не подсоединять к дымоходу больше одного котла, поскольку котлы тогда могут нарушать работу друг друга.
Важно, чтобы резервный котел подключался к системе автоматически при достижении основным котлом максимальной нагрузки. При использовании только основного котла для покрытия повышенных энергопотребностей высок риск коррозии в котле и значительного уменьшения срока эксплуатации котла.
Необходимость большого по размеру котла вместе с необходимостью приобретения оборудования для производства топлива требует капитальных затрат в 1,5-4 раза больше, чем для котлов, работающих на мазуте.
Ожидаемая эффективность сгорания (коэффициент полноты сгорания) при сжигании древесных отходов будет составлять 65-75% по сравнению с 80% при сжигания мазута и газа. Трудности автоматического сжигания, слабая реакция на пиковые потребности, необходимость удаления золы являются другими недостатками, которые нужно взвесить при проектировании котельной на древесном топливе.
Рекомендации по модернизации систем теплоснабжения с учетом программы газификации
Для перехода систем теплоснабжения на новые виды топлива необходимо провести модернизацию систем теплоснабжения. При этом подход к степени модернизации систем определяется индивидуально по каждой котельной в зависимости от технологий сгорания топлива и от вида топлива.
В ту часть тепловой системы, которая осуществляет транзит тепла к потребителям и передачу тепла в помещениях, не планируется вносить какие-либо изменения, за исключением отдельных случаев, связанных с физическим или моральным износом оборудования, или изменением системы транзита тепла из-за изменения структуры застройки жилого или производственного фонда. Это связано с тем, что замена рабочего тела, циркулирующего в системе и передающего тепло, не планируется.
Анализ котельных (котлов) для последующей модернизации:
I. По виду топлива
1. Котельные, которые работают на газовом топливе;
2. Котельные, которые работают на жидком и твердом топливах.
II. По эксплуатационным направлениям
1. Энергетические;
2. Промышленные;
3. Бытовые.
Первая группа котлов не может быть подвергнута модернизации и должна остаться без изменений. Модернизация применима только ко второй группе котлов. Переводу на топливный продукт предлагаются коммунальные теплогенераторы. При этом точно должно быть определено, под какой вид древесного топлива будет служить данный котел: щепа, брикеты или пеллеты.
Основное направление модернизации: перевод слоистых топочных систем на камерные с обеспечением горения топливного продукта в «кипящем слое».
Для пеллет возможно два вида реконструкции теплосистем:
1. Система пылеприготовления с использованием вентилятора и газовой сушки.
2. Вихревая топка с многократной тангенциальной циркуляцией 2 случаев топлива. Продукт при этом диспергируется и смешивается с воздухом (нагретым через экономайзер).
Принятие решений о модернизации теплогенерирующих систем в районах с системами газоснабжения производится индивидуально с учетом местных условий и особенностей системы теплоснабжения.
Технологические, конструктивные, энергетические, инфраструктурные решения по каждой котельной разрабатываются в проекте реконструкции или капитального строительства в соответствующих разделах проектно-сметной документации.
Обоснование потребности в машинах, оборудовании и другой технике для реализации программных мероприятий
Потребность в машинах и оборудовании основана на сумме технологий применяемых при сборе, хранении, первичной переработке древесных отходов и изготовлении из них твердого топлива. В основе технологического процесса лежит политропное превращение древесных отходов в гомогенную коллоидную систему обладающую улучшенными горючими и теплотворными свойствами по сравнению с исходными древесными отходами. Оборудование применяемое в предложенном технологическом процессе делится на:
1. Оборудование технологическое. Оборудование для первичного измельчения древесных отходов (шредеры). оборудование для вторичного измельчения древесных отходов (дезинтеграторы, мельницы). оборудование для производства гомогенной массы. оборудование для грануляции
(экструдеры). оборудование для брикетирования (шнековые прессы). холодильное оборудование. транспортные системы (автомобили, лифты,
транспортеры, нории ит. п.). козловые или мостовые краны
(грузоподъёмностью до 15т). оборудование для хранения
промежуточного полуфабриката и готового топливного продукта. погрузочно-
загрузочные устройства для загрузки/разгрузки транспортных средств.
инженерное оборудование. внутриплощадочная инженерные сети (электро- ,водо- , теплосистема и система водоотведения). система охранной и пожарной безопасности. лабораторное оборудование.
2. Оборудование и технологические системы для сбора первичных отходов. оборудование для извлечение дерева из лесных массивов (кусторезы ,трелевочные тракторы, пилы). транспортные средства (лесовозы, щеповозы, колесные тракторы, прицепы). Мобильные установки первичной переработки древесных крупных отходов (прессы для первичного измельчения древесных отходов)
Количество указанного оборудования, его технико-технологические характеристики и компоновка, условия подключения и эксплуатации
разрабатываются в отдельных проектах по созданию производства по изготовлению топлива из древесных отходов с учетом требований СНиПов, САНПиНов, НПБ и экологических норм.
Организация производства топливного продукта из древесных отходов
В зависимости от степени лесистости территории и потребляющей мощности теплогенерирующих систем целесообразны два варианта
предприятий по переработке ДО.
1. Стационарные предприятия по переработке ДО.
Подвоз древесных отходов осуществляется силами и средствами юридических и физических лиц, заинтересованных в их утилизации. Утилизация осуществляется на платной или безвозмездной основе.
2. Предприятия мобильного базирования (ФММБ).
ФММБ перемещается по районам сбора ДО по маршрутам,
обусловленным накоплением древесных отходов на концентрационных пунктах. Для оптимального использования ФММБ требуется создание единого регионального системного оператора, в обязанности которого входит:
- мониторинг древесных отходов и их сосредоточение на концентрационных пунктах;
- согласование с органами муниципального управления и хозяйствующими субъектами, занимающимися лесодобычей, времени и места разворачивания ФММБ;
- обеспечение деятельности ФММБ необходимой разрешительной документацией.
Использование переработанных ДО и МД в качестве топлива позволяет достичь следующих эколого-экономических результатов:
- Перевод системы теплоснабжения, полностью или частично, на автономное топливопотребление, которое позволяет снизить себестоимость производимой тепловой энергии.
- Создание предпосылок для повышения эффективности проведения рекреационных мероприятий и лесовосстановления в районах массовой добычи древесины, либо лесных территорий пострадавших от лесных пожаров, заболачивания.
- Снижение экологического ущерба от воздействия продуктов горения ДО на атмосферу, водные объекты, почву флору и фауну.
- Ускорение реализации проектов по благоустройству поселений, особенно сельских.
Литература.
1. Барталев С.А., Ершов Д.В., Исаев А.С. и др. Карта лесов Российской Федерации, окрашенная по преобладающим группам пород деревьев и сомкнутости древесного полога. Масштаб 1:14000000. - М., 2004.
2. Хазмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства. -М.: Энергия, 1979. -488с.
3. Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM, 2008 г. 360 с.
4. Отопительные комплексы на опилках и растительных отходах. -Электронные текстовые данные. - Режим доступа: www.greenpower.com.ua/ ^ех^р/otoplenie.html
