CC BY
49
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 662.6/9
В.К. Любое, А.Н. Попов МОДЕРНИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ КОММУНАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Рассмотрены основные результаты замены угольной котельной энергоисточником, оборудованным автоматизированными котлами, работающими на древесных гранулах.
Котел, топка, уголь, древесные гранулы, оксиды азота и углерода, потери теплоты.
The paper considers some basic results of replacing a coal boiler station with an unattended boiler as an energy source operating on wood pellets.
Boiler, furnace, coal, wood pellets, nitrogen oxides and carbon oxides, heat losses.
На жилищно-коммунальные нужды в РФ расходуется до 60 % топлива, потребляемого в стране. В обслуживании объектов коммунальной энергетики занято больше людей, чем в станционной, поэтому в устранении недостатков коммунальной и малой энергетики в целом заложен мощный резерв экономии топлива и трудовых ресурсов, а также охраны окружающей среды.
В котельной пос. Луговое установлены четыре водогрейных котла, два из них судовые жаротрубно-дымогарные. При этом № 1 (1905 г. выпуска) является двухтопочным, а № 3 (1930 г. выпуска) - одното-почным. Котлы № 2 марки 404 УТ и № 4 марки КВ 0,93 имеют слоевые топки и оборудованы индивидуальными вентиляторами для подачи воздуха в топочные камеры. Однако неудобства обслуживания данных котлов, связанные с особенностями конструктивного выполнения, ограничивают время их эксплуатации в период отопительного сезона.
В заводском исполнении судовые котлы № 1, 3 были предназначены для выработки пара. В настоящее время они переведены в водогрейный режим и работают преимущественно на длиннопламенных каменных углях. Котел № 1 оборудован двумя топками, расположенными в волнистых жаровых трубах диаметром 0 0,9 м и длиной 2,9 м. Длина дымогарных труб - 2,4 м, диаметр - 76 мм, а их общее количество - 150 шт.
Котел № 3 оборудован одной топкой, расположенной в волнистой жаровой трубе диаметром 1,04 м и длиной 3,3 м. Длина дымогарных труб - 2,9 м, диаметр - 50 мм, а их общее количество - 130 шт. Котел № 3 подключен к системе ГВС, циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью насоса К-45-30.
При проведении комплексного энергетического обследования в топки котлов подавался длиннопла-менный каменный уголь с умеренной зольностью (Аг = 22,53 %), влажностью Wtr = 13,79 % и с выходом летучих веществ V = 38,43 %. При этом низшая теплота сгорания на рабочую массу топлива составляла 2 % = 19,93 МДж/кг. Сжигаемый уголь имел полидисперсный состав (коэффициент полидисперс-
ности п = 0,812) и по крупности кусков относился к классу рядовых.
Подача воздуха под колосниковые решетки данных котлов осуществляется через дверцу за счет разрежения, создаваемого дымососом. Все теплогене-рирующие установки котельной пос. Луговое имеют объединенный газовый тракт, к которому с помощью индивидуальных газоходов, оборудованных шиберами, подключен каждый котел. В помещении котельной установлены два дымососа ДН-10 с электродвигателями мощностью 11 кВт. Продукты сгорания из газового тракта поступают в металлическую дымовую трубу высотой 25 м и диаметром 0,8 м. При проведении энергетического обследования в работе находились котлы № 1, 3 и один дымосос. Тепловая изоляция на газоходах, корпусах дымососов и газоходе за ними отсутствует, что усиливает низкотемпературную сернокислотную коррозию газоходов, дымососов, а также дымовой трубы и ухудшает условия рассеивания дымовых газов.
Подача топлива на колосниковые решетки осуществляется вручную через загрузочные дверцы с интервалом 20 - 60 мин, продолжительность которой зависит от требуемой теплопроизводительности и качества сжигаемого топлива. В топках котлов реализована схема с нижним зажиганием топлива. Периодическая ручная подача топлива вызывает циклическое изменение эколого-экономических показателей работы котлов в период между загрузками.
Тягу и подачу воздуха под колосниковые решетки котлов регулируют в зависимости от их производительности. Однако ни на одном из котлоагрегатов нет приборов контроля разрежения в топках, температуры и разрежения газов на выходе из котлов. Все это затрудняет анализ теплового режима работы котлов и исключает возможность контроля их аэродинамического сопротивления.
В процессе работы котлов слой шлака на колосниковых решетках увеличивается, что приводит к росту аэродинамического сопротивления решетки и ухудшению процессов горения. Для уменьшения сопротивления слоя шлака проводят его подрезку.
Предельная толщина шлаковой подушки перед чисткой решетки зависит от теплотехнических характеристик топлива, а также от конструкции решетки и может составлять 150 - 250 мм. Из помещения котельной шлак удаляется вручную. При проведении энергетического обследования полнота выгорания горючих веществ в шлаке была удовлетворительной (С гшл < 23,2 %).
В котельной пос. Луговое отсутствует штатная система контроля расхода теплоносителя, подаваемого в теплосеть и на ГВС. Циркуляция рабочей среды обеспечивается сетевыми насосами марки К-100-80. Подпитка теплосети и подача воды на ГВС осуществляется из водопровода с помощью насосов марки К-20-30. Система подготовки воды отсутствует, что противоречит требованиям [2]. Золоулавли-вающие установки отсутствуют, что приводит к загрязнению атмосферного воздуха твердыми частицами, в составе которых велика доля частиц с размером менее 10 мкм, наиболее опасных для здоровья человека.
При проведении энергетического обследования теплопроизводительность котлов изменялась в диапазоне 0,16 - 1,29 МВт - у первого; 0,05 - 0,85 МВт - у третьего. Рабочее давление теплоносителя на выходе из котлов составляло 0,4 - 0,42 МПа.
Анализ условий тепловой работы котлов показал, что потери теплоты с уходящими газами изменялись в пределах от 19,92 до 29,23 % - для котла № 1 (рис. 1а) и от 20,45 до 23,76 % - для котлоагрегата № 3 (рис. 1 б). Повышенные значения данных потерь объясняются высокими коэффициентами избытка воздуха и ухудшением вследствие этого условий теплообмена в элементах котлов.
Потери теплоты от механической неполноты сгорания изменялись в диапазоне д4 = 16,57 - 16,64 % -для котла № 1 и 20,16 - 20,33 % - для котлоагрегата № 3. При этом содержание горючих элементов в уносе составляло Су^ = 51,0 - 61,22 %. Повышенные значения данной потери, особенно для котла № 3, объясняются уносом мелких фракций топлива из топки.
Большие значения потерь теплоты от химической неполноты сгорания топлива (рис. 1) объясняются высокими коэффициентами избытка воздуха в топках котлов, особенно № 3, что снижает температурный уровень и скорость протекания гомогенных реакций догорания.
Периодическая ручная загрузка топлива вызывает циклическое изменение тепловых потерь и КПД котлов (рис. 1). По мере выгорания слоя топлива его сопротивление уменьшается, тепловые потери возрастают, а КПД снижается. Учитывая, что котлоагре-гаты имеют уравновешенную тягу, по мере выгорания топлива температура дымовых газов на выходе из котлов снижается, особенно сильно для котла № 3, и ее значения становятся существенно ниже, чем температура сернокислотной точки росы. Данные обстоятельства снижают межремонтный период и жизненный цикл оборудования. Значение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах в процессе
выгорания топлива возрастает, особенно сильно для котла № 3.
П, 92, 93 50
40
30
20
10
0
Я И п
/ * Л М Ч О я
/ /\ --- & ю с
у' / \
\ ч _ <'
0,25
0,5
0,75
П, 92, 93 50
40 30 20 10 0
! Период загрузки |
/
/
" / 4 »
\ У
1 \ Ч1 » к»
0,25
0,5 б
0,75
Рис. 1. Изменение КПД брутто (п) водогрейных котлов № 1 (а), № 3 (б), потерь теплоты с уходящими газами (92) и химическим недожогом (93) в период цикла между загрузками топлива:
- п;
92;
93
Таким образом, в период цикла между загрузками топлива, при отсутствии регулирования производительности дымососа, работа котлов характеризуется наличием ярко выраженных пиков в характере изменения всех составляющих теплового баланса и концентраций вредных веществ в уходящих газах.
Потери теплоты от наружного охлаждения составили 95 = 3,15 - 8,71 % - для котла № 1 и 95 = 5,36 -15,88 % - для котлоагрегата № 3. Для котла № 3 они имеют более высокие значения ввиду его меньшей мощности. При определении величины данной потери нельзя применять традиционный подход, используемый для стационарных энергетических котлоаг-регатов, ввиду наличия на судовых котлах двойной обшивки. При определении нормативных и фактических значений потери теплоты от наружного охлаждения учитывались конструктивные особенности котлов, а также реальное состояние теплоизоляции их наружной поверхности.
Потери с физической теплотой шлаков на обследованных котлах составили 96 = 0,51 %, что объясняется умеренной зольностью сжигаемого топлива.
КПД брутто котлов в период цикла между загруз-
0
1
а
0
1
ками топлива, определенный по обратному балансу, изменялся в диапазоне 14,93 - 55,51 % - для котла № 1 (рис. 1а) и 0,04 - 49,58 % - для котла № 3 (рис. 1б). При этом значение среднего КПД брутто составило = 41,5 % - у котла № 1 и = 24,5 % -у котла № 3.
Сложившиеся условия эксплуатации, конструктивные особенности газовых трактов котлов и степень их оснащения КИП, не обеспечивающие возможность индивидуальной регулировки уровня разрежения в газоходах и расхода подаваемого воздуха в топочные камеры, приводят к существенному снижению как экономических, так и экологических показателей котлов, особенно при их работе с низкими нагрузками и в период загрузки топлива.
Анализируя экологические показатели работы котлов, следует отметить, что эмиссия NOx составляла 356 - 979 мг/МДж - для котла № 1 и 401 -547 мг/МДж - для котла № 3. Эмиссия диоксида серы не превышала 1,48 г/МДж и определялась содержанием серы в сжигаемом топливе.
Диапазон изменения эмиссии оксида углерода при проведении энергетического обследования составил 155 - 10 535 мг/МДж - для котла № 1 и 664 -3654 мг/МДж - для котла № 3.
Удельный расход условного топлива на выработку 1 ГДж составил 82,15 кг - для котла № 1 и 139,16 кг - для котла № 3 (без учета собственных нужд).
Данные технико-экономические показатели получены при условии сжигания рядового высокореакционного каменного угля с умеренным содержанием мелких фракций (R6 > 78 %) и с довольно высокой теплотой сгорания. При поставке в котельную углей с более низкой теплотой сгорания, или с более высоким содержанием мелких фракций, или же с большей зольностью значения средних КПД брутто судовых водогрейных котлов снизятся, а удельные расходы топлива на выработку 1 ГДж возрастут.
По результатам энергетического обследования было принято решение о замене физически изношенной и морально устаревшей котельной новым энергоисточником. Эффективным направлением комплексного решения энергетических и экологических проблем при обеспечении отопительных потребностей является применение современных автоматизированных теплогенерирующих установок, работающих на гранулированном биотопливе. Поэтому для строительства нового энергоисточника ООО «Ар-хбиоэнерго» привлекло фирму «Hekotek», которой была смонтирована котельная, оборудованная двумя водогрейными котлами Arimax Bio Energu мощностью по 0,74 МВт. Рабочее давление теплоносителя на выходе из данных котлов не должно превышать 0,4 МПа, а температура - 115 оС. Водогрейные котлы имеют два контура, при этом в первом циркулирует химочищенная деаэрированная вода, доставляемая с ТЭЦ ЗАО «Лесозавод 25». Расчетный температурный режим для рабочей среды первого контура составляет 110/90 оС. Нагрев сетевой воды второго контура (70/90 оС) осуществляется с помощью пластинчатого теплообменника, при этом каждый котел
оборудован индивидуальным теплообменником. На обратной линии теплосети установлены (параллельно) два циркуляционных насоса производительностью до 200 м3/ч и один подпиточный насос.
Для обеспечения эксплуатационного запаса топлива рядом с котельной смонтирован вертикальный цилиндрический резервуар диаметром 5,3 м и вместимостью 184 м3. Древесные гранулы поступают в приемный топливный бункер, из которого разгрузочным шнеком подаются на элеватор. Элеватор производительностью 200 м3/ч обеспечивает загрузку гранул в резервуар, уровень заполнения которого контролируется датчиком. Нижняя часть резервуара выполнена в виде конусной системы выгрузки и оборудована лопастным питателем (дозатором), с помощью которого гранулы поступают в промежуточную емкость, степень заполнения которой контролируется оптическим датчиком. Далее транспортным шнеком гранулы направляются в помещение котельной, где разделительным шнеком распределяются на два котла.
В системе подачи топлива каждого котла установлен лопастной дозатор с промежуточной емкостью, оснащенной оптическим датчиком, из которой гранулы поступают на шнековый питатель котла, имеющий систему защиты от обратного возгорания топлива. Питатель котлоагрегата подает гранулы в профилированную подовую область топки, где через зазоры колосников, выполненных из жаропрочного чугуна с добавкой хрома, проходит первичный воздух, пронизывающий слой топлива. В надслоевую зону топки через сопла подается вторичный воздух для обеспечения догорания горючих компонент топлива.
Продукты сгорания обеспечивают нагрев котловой воды первого контура, совершая три хода в дымогарных трубах, после чего проходят очистку в мультициклоне, состоящем из шести элементов. Частицы уловленной золы собираются в бункере, герметично фиксируемом к выпускному патрубку мультициклона. Далее продукты сгорания дымососом направляются в стальную дымовую трубу 0 325 х 8 мм и высотой 9 м. Каждый котел оборудован индивидуальной дымовой трубой. Для обеспечения плавного регулирования производительности котлоагрегатов привод дымососов, шнеков и вентиляторов имеет частотное регулирование.
Котлы Arimax Bio Energu оборудованы необходимыми приборами безопасности, обеспечивающими их защиту от закипания рабочей среды, и предохранительными клапанами. Система автоматического регулирования, выполненная на базе элементов Siemens, оснащена Ethernet-модулем и GSM модемом, что дает возможность дистанционного контроля и управления ее работой.
До проведения энергетического обследования нового энергоисточника были выполнены режимно-наладочные работы, обеспечившие оптимизацию воздушного режима и условий работы газового тракта. Результаты экспериментов показали, что оптимальный диапазон изменения концентраций кислорода в продуктах сгорания на выходе из котлов составляет
5,2 - 6,7 % (при обеспечении нормативной плотности котлов).
При проведении балансовых опытов в топки котлов подавались древесные гранулы, имеющие достаточно однородный гранулометрический состав и теплотехнические характеристики (см. таблицу), приемлемые для котлов с топочными камерами данного типа. Исследование состава продуктов сгорания проводилось газоанализатором «КАСКАД-Н 512.2». Для определения расходов дымовых газов использовалась пневмометрическая трубка системы ВТИ и микроманометр Сошагк. Расход воздуха определялся с помощью прецизионного прибора «Testo-435».
Теплотехнический анализ древесных гранул проводился с помощью установок лаборатории термического анализа топлива и калориметра В-08 МА с бомбой типа 2, а исследование гранулометрического состава топлива и очаговых остатков - с помощью анализатора «029». Температуры наружных поверхностей основного и вспомогательного оборудования котлов определялись с помощью пирометра. Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью многомодульного программно-методического комплекса (ПМК) [1].
Балансовые опыты на котлах Arimax Bio Energu были проведены в диапазоне нагрузок от 28 до 100 % от номинальной. Анализ состояния газовых трактов водогрейных котлов показал, что они имеют высокую аэродинамическую плотность обмуровки; при-сосы холодного воздуха на участке газового тракта «золоуловитель - дымосос» не превышали нормативного значения. Исследования показали возможность эффективной и стабильной работы котлов при коэффициенте избытка организованно подаваемого воздуха аорг = 1,28 - 1,4.
Исследования гранулометрического состава уноса, уловленного в мультициклонах, показали, что летучая зола имеет высокую степень полидисперсности гранулометрического состава (n = 0,642 - 0,956) и относится к тонкодисперсным материалам (коэффициент, характеризующий тонкость состава, равен b = 0,0222 - 0,0974). В летучей золе преобладают фракции с размером частиц менее 50 мкм, на которые приходится более 55 % (по массе). Полученные результаты позволили сделать вывод о высокой улавливающей способности мультициклонов.
Исследования распределения горючих веществ по фракциям в летучей золе котла № 2 показали, что максимальное содержание горючих имеют частицы с размером 200 мкм и более (рис. 2а). Однако их массовая доля в летучей золе мала, поэтому определяющее влияние на величину механического недожога топлива оказывает содержание горючих веществ в частицах менее 50 мкм (рис. 2б).
Отмеченные закономерности имеют место при сжигании гранул с достаточно однородным гранулометрическим составом и небольшим содержанием пылевых частиц. Нарушение нормального технологического процесса при гранулировании древесной муки, особенно повышение ее влажности выше допустимой, приводит к низкому качеству гранул и их
последующему саморазрушению. Подача таких гранул или гранул с большим содержанием пылевых частиц в топки котлов Arimax Bio Energu может существенно снизить экономичность и надежность их работы за счет значительного роста потерь теплоты с механическим недожогом топлива. Исходя из этого, необходимо организовать входной контроль качества поступающего гранулированного топлива.
с %
50 63
100 160 200
315 400
100 160
б
Рис. 2. Содержание горючих веществ в летучей золе котла № 2:
а - пофракционное содержание горючих веществ; б - содержание горючих с учетом массовых долей различных фракций
Анализ условий тепловой работы котлоагрегатов Arimax Bio Energu показал, что потери теплоты с уходящими газами составляли q2 = 4,2 - 9,47 %, при этом с ростом нагрузки они увеличиваются. Потери теплоты с механической неполнотой сгорания имеют низкий уровень (см. таблицу), что объясняется однородностью гранулометрического состава сжигаемого топлива, а также достаточно высокими качественными показателями древесных гранул. Данные факторы обеспечили высокую полноту выгорания горючих компонент в очаговых остатках (С гшл = 10,1 -10,53 %, С гун = 17,31 - 18,27 %). Потери с физической теплотой шлака на обследованных котлах не превышали 0,03 %.
Пониженные габаритные показатели котлов Ari-max Bio Energu и достаточно высокое качество об-муровочных и теплоизоляционных материалов позволили значительно снизить потери теплоты от наружного охлаждения (см. таблицу), величина кото-
44,10
17,76
15,92
15,81
х, мкм
а
С 'ун ■ F %
10,13
2,46
1,83
0,93
1,09
1,03
0,80
х, мкм
Таблица
Результаты энергетического обследования котельной «Неко1ек»
Наименование величины Обозначение, размерность Котел № 1 Котел № 2
Опыт № 2 Опыт № 3 Опыт № 4 Опыт № 5
Теплопроизводительность б, кВт 383 449 673 740
Рабочее давление воды на выходе Рв, МПа 0,3 0,31 0,31 0,31
Температура воды на входе . оС 87,4 91,7 90,2 92,5
Температура воды на выходе . ос 101,6 108,5 103,2 106,8
Влажность гранул % 8,38 8,38
Зольность гранул А г, % 1,00 1,00
Выход летучих веществ V % 85,09 85,09
Низшая теплота сгорания б Г, МДж/кг 17,05 17,05
Расход воздуха первичного/вторичного ^пер / УВт, нм3/ч 294/220 338/256 549/394 584/407
Разрежение в топке £т, Па 90 90 50 50
Сопротивление котла Мк, Па 70 90 130 170
Температура уходящих газов V оС 154 168 201 215
Избыток воздуха в уходящих газах ^ух 1,37 1,36 1,4 1,35
Потери теплоты: - с уходящими газами - с химнедожогом - с мехнедожогом - от наружного охлаждения 42, % 9э, % 44, % 45, % 4,20 0,03 0,27 7,34 4,81 0,04 0,27 6,27 9,47 0,11 0,25 4,18 9,33 0,07 0,25 3,80
КПД котла брутто %р, % 88,13 88,59 85,96 86,52
Полный расход биотоплива В, кг/ч 92,0 107,0 165,0 180,0
Эмиссия N0* N0*, мг/МДж 108 106 109 105
Эмиссия СО СО, мг/МДж 35 42 123 77
рых определялась на основании результатов замеров температуры наружной поверхности обшивки котлов и их габаритных характеристик с учетом температуры окружающей среды.
При проведении балансовых опытов КПД брутто водогрейных котлов изменялся в диапазоне от 85,32 до 88,59 %, а удельный расход условного топлива на выработку 1 ГДж составил 39,96 - 38,5 кг (при бк = = 369 - 755 кВт).
Невысокие значения эмиссии оксидов азота (см. таблицу) объясняются умеренным уровнем максимальных температур, а также двухступенчатой схемой сжигания топлива. Диапазон изменения эмиссий оксида углерода составил 35 - 807 мг/МДж.
Результаты исследований показали, что модернизация энергоисточника позволила:
- снизить удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии более чем в 2,8 раза;
- уменьшить эмиссии оксидов азота более чем в 6 раз и оксида углерода более чем в 8 раз, снизить выбросы сернистого газа более чем на 82 т/год;
- уменьшить выбросы парниковых газов (СО2) в атмосферу более чем на 6500 т/год.
Исходя из вышеизложенного, генеральным направлением развития коммунальной энергетики является замена немеханизированных, морально и физически устаревших котлов новыми высокоэффективными автоматизированными теплогенерирующи-ми установками с преимущественным использованием местных топлив и отходов ЛПК. Современные технологии позволяют достаточно эффективно использовать древесное топливо для выработки тепловой и электрической энергии, снижая зависимость регионов от завоза ископаемых топлив и повышая надежность энергообеспечения.
Список литературы
1. Любое, В.К. Повышение эффективности энергетического использования биотоплив: учеб. пособие / В.К. Лю-бов, С.В. Любова. - Архангельск, 2010.
2. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), водогрейных котлов и водоподогревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115 оС). - М., 1993.
