Новые разработки в котельной технике

Маштаков А.Н., техн. директор ОАО Бийский котельный завод, Сидоров А.М., директор НИЦ ПО "Бийскэнергомаш", Скрябин А.А., канд.техн.наук, Пузырев Е.М., канд.техн.наук

Одним из путей оздоровления энергетики, в том числе коммунальной и промэнергетики, является вовлечение в топливный баланс альтернативных топлив.    В послевоенные годы бурное развитие добычи угля, нефти и газа практически полностью вытеснило торф, растительные, древесные и другие горючие отходы из теплового баланса в СССР. Это было связано как с труд-ностью организации крупнотоннажного производства и заготовки этих топлив, так и с большими проблемами организации их эффективного сжига-ния. За рубежом эти виды топлив широко применялись и применяются сейчас, особенно в коммунальной и малой теплоэнергетике. Их использование часто дотируется государством, например, путем организации рубок ухода в лесничествах с производством дешевой щепы и при организации других природоохранных мероприятий.    Вступление России в полосу кризисов, в том числе энергетического, создает предпосылки для развития коммунальной и малой энергетики на базе использования дешевых и легкодоступных низкосортных местных топлив и горючих отходов.    Обычно, доля топлива в стоимости отпускаемого тепла составляет 40-60 %. Поэтому переход от использования дорогих энергетических углей, газа и мазута к бесплатным горючим отходам и дешевым местным топливам дает существенные выгоды. Кроме того, применение своих топлив, разработка торфяников и местных месторождений низкосортных углей хотя и потребует затрат на ведение этих работ, но в целом также скажется положи-тельно благодаря открытию новых рабочих мест в удаленных регионах. К тому же сжигание отходов, т.е. огневое обезвреживание горючих отходов - это наиболее простой и эффективный способ кардинального решения проблемы защиты окружающей среды от загрязнений. Сжигание отходов позволяет существенно поднять экономическую устойчивость и рентабельность предприятия еще и за счет исключения затрат на экологические штрафы, на вывоз отходов, мусора и на содержание предприятием пожароопасных свалок отходов.    Основным препятствием перехода на сжигание местных низкосортных углей, торфа, растительных и древесных отходов является сложность организации устойчивого топочного процесса. Самым простым по технологии является способ слоевого сжигания на колосниковых решетках. Однако, отходы и местные угли, как правило, в таких топках не горят.    Многолетний опыт, накопленный Бийским котельным заводом (БиКЗ), Центральным котлотурбинным институтом (НПО ЦКТИ), Научно - исследовательским центром ПО "Бийскэнергомаш" (НИЦ ПО "БЭМ") и другими организациями, показывает, что практически все имеющиеся типовые топки и котлы не приспособлены для сжигания древесных отходов, торфа и низкокачественных топлив типа переувлажненных бурых и других сортов местных углей. Поэтому для реализации возможности перевода котельных на сжигание нетрадиционных топлив требуются новые топочные устройства и новые технологии сжигания.    За рубежом после энергетического кризиса 70-80-х годов экономиче-ские и экологические соображения, принимаемые во внимание при проекти-ровании и эксплуатации котельно-топочной техники, стали определяющими. При этом главным направлением улучшения технико-экономических и эко-логических показателей котельных установок стало развитие топок кипяще-го слоя с низкой температурой сжигания.    Топочные процессы с использованием низкотемпературного кипящего слоя или сильно загруженных инертными частицами (золой) циркулирую-щих 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°С.    Стремление к низкотемпературному сжиганию объясняется принципи-альной возможностью снижения вредных выбросов в дымовых газах, по сравнению с широко применяемыми высокотемпературными процессами горения. При этом удовлетворяются жесткие санитарные нормы по оксидам серы и азота без применения дорогостоящих схем газоочистки.    Отечественный опыт и зарубежная практика показывают, что топки кипящего слоя соответствуют постоянно ужесточающимся и расширяющимся по номенклатуре ограничениям на выбросы широкого круга вредных веществ. Количество образующихся органических соединений типа угарного газа, бензапиренов, диоксинов и др. уменьшается благодаря равномерному и высокоэффективному перемешиванию и выжиганию в топочном объёме. Помимо этого при пониженной температуре топочного процесса возгонка минеральной части (золы) топлива минимальна и, следовательно, минимальны загрязнения поверхностей нагрева, а оксиды серы и "кислые соединения" других элементов типа хлора и фтора могут подавляться золой или серопог-лотителями, например, дробленым известняком.    Изотермичность и хорошее перемешивание в топке обеспечивают низкую (меньше нескольких процентов) концентрацию горючих в золе. Такие топочные процессы характеризуются, во-первых, высокой степенью выгорания горючих и, соответственно, малыми потерями угля, и, во-вторых, позволяют сжигать различные горючие отходы и самые низкосортные топлива. При слоевом сжигании углей, даже энергетических, котельный шлак содержит до 70-80 % горючих и может успешно сжигаться в топках кипящего слоя.   В настоящее время все более отчетливо выявляются реальные пути преодоления кризиса теплоснабжения, наполовину обусловленного неэф-фективным и расточительным использованием топливных ресурсов и пре-небрежением собственными резервами. Применение дешевых местных уг-лей, древесных отходов, отходов зернопереработки, торфа, гидролизного лигнина, отходов углеобогощения и других отходов, зачастую имеющих "отрицательную" стоимость, позволяет решить или хотя бы снять остроту экономических вопросов жилищно-коммунальных и промышленных предприятий, значительно снизить себестоимость вырабатываемого тепла.    В качестве примера можно привести Теплоозерский цементный завод, где в 1998 г. запущен котел ТП-35У с топкой низкотемпературного кипящего слоя, работающий на местных бурых углях; - снята проблема мазута. Такой же способ сжигания применен на котлах КЕ-10 в п.Чегдомын, ДКВр-20 в г.Бикине и КЕ-25 в г.Хоре (Хабаровский край). Проведены успешные рекон-струкции: котла ТС-35 на Читинской ТЭЦ-2; котлов КВТС-20, ДКВр-10, ДКВр-20 в г. Лесосибирске; котла ДКВр-20 в г. Красноярске на бурых углях. Проекты реконструкции и поставка топочных устройств, основного и вспомогательного оборудования для этих объектов осуществлены НИЦ ПО "Бийскэнергомаш" совместно с головным предприятием "Бийский котельный завод".    Котлы с топками кипящего слоя обладают уникальной "всеядностью" к топливам, отличными показателями по выбросам оксидов серы и азота, вы-соким коэффициентом полезного действия и особенно перспективны при пе-реходе на сжигание высокозольных переувлажненных углей, а также древес-ных и других горючих отходов.    В табл. 1 представлены результаты испытаний котлов теплопроизводи-тельностью от 2,2 до 22,9 Гкал/ч с топками кипящего слоя при сжигании различных топлив.    Как показали испытания, КПД реконструированных котлов достаточно высок. Лишь в случае опытного сжигания отсева антрацита АСШ из-за значительного (~9 %) мехнедожога КПД котлов КВ-1,6 и Ке-6,5 не превысил 77,5 %. По результатам данных испытаний были разработаны проекты котлов для сжигания АСШ с КПД не ниже 82 %.    Низкий КПД котла ТП-35У связан с отсутствием достаточной экономайзерной поверхности.    В настоящее время НИЦ ПО "Бийскэнергомаш" для котлов произво-дительностью выше 20 Гкал/ч использует более совершенную технологию, приближающуюся по своим параметрам к циркулирующему кипящему слою.    Такая технология была применена при реконструкции котлов ТС-35У ст. № 7 и 8 Читинской ТЭЦ-2 [1].

Таблица 1

КОТЛЫ С ТОПКАМИ КИПЯЩЕГО СЛОЯ (результаты испытаний)

№ Параметры ДКВр-10-14 КВ-ТС-20 КЕ-20-16-320 п/п   г.Лесосибирск, котельная Канифольного завода, Березовский Б2, НТКС г.Лесосибирск, пиковая котельная, Березовский Б2, НТКС Пермский фанерный завод, древесные отходы, НТКС 1. Расход пара, т/ч 11 - 20,2 2. Избыточное давления па-ра, кгс/см2 10,7 - 15,5 3. Температура пара, °С насыщенный - 320 4. Температура воды на входе в котел, °С 104 70 105 5. Температура воды на вы-ходе из котла, °С - 135 - 6. Давление воды на входе в котел, кгс/см2 11,5 8 16,5 7. Теплопроизводитель-ность, Гкал/ч 6,19 20 12,79 8. Температура уходящих газов, °С 152(ВЭ) 230(ВП) 162(ВЭ) 9. КПД брутто, % 82,12 81,06 83,88 10. Характеристики топлива на рабочую массу:   - низшая теплота сгора-ния, ккал/кг 3781 3940 2470   - влажность, % 35,3 35,02 39,4   - зольность, % 4,5 3,2 0,81   - выход летучих, % 47,3 47,5 - 11. Расход топлива, кг/ч 1994 6234 6173 12. Удельный расход услов-ного топлива, кг/ч 173,9 176,0 170,0 13. Концентрация вредных выбросов (приведено к a = 1,4), мг/нм3 не более:   - СО 460 144 433   - NOx 440 329 194   - SO2 - - -

Продолжение табл.1

№ Параметры КВ-1,6-95 КЕ-6,5-14 ТП-35У п/п   г. Барнаул, Тепловые сети, опытное сжигание, АСШ, НТКС п. Теплое озеро, Цементный завод, Харанорский, НТКС 1. Расход пара, т/ч - 8,1 34,1 2. Избыточное давления па-ра, кгс/см2 - 9,2 12,5 3. Температура пара, °С - насыщенный 341 4. Температура воды на входе в котел, °С 86 90 80 5. Температура воды на вы-ходе из котла, °С 112 - - 6. Давление воды на входе в котел, кгс/см2 4 - 23 7. Теплопроизводитель-ность, Гкал/ч 2,2 4,6 22,94 8. Температура уходящих газов, °С 200 179 (ВЭ) 254* 9. КПД брутто, % 76,9 77,5 76,74* 10. Характеристики топлива на рабочую массу:   - низшая теплота сгора-ния, ккал/кг 5754 5754 2980   - влажность, % 13,4 13,4 36,95   - зольность, % 13,2 13,2 12,96   - выход летучих, % 4,47 4,47 46,9 11. Расход топлива, кг/ч 488 1004 10031 12. Удельный расход услов-ного топлива, кг/ч 182 183 186 13. Концентрация вредных выбросов (приведено к a = 1,4), мг/нм3 не более:   - СО - - 295   - NOx 250 230 286   - SO2 177 240 -

Выбранная конфигурация топки (показана на рисунке) и система вто-ричного дутья позволили: - улучшить выжиг топлива (мехнедожог не превышает 2,5 %) без применения дорогостоящих систем возврата уноса, применяемых на котлах с циркулирующим кипящим слоем; КПД котла на номиналь-ной нагрузке составил 86,0 %; - в 2 раза снизить выбросы оксидов азота, концентрация которых на реконструированном котле не превышает 200 мг/м3; - устранить потери тепла с химическим недожогом.    Параметры работы котла до и после реконструкции приведены в табл. 2.

Таблица 2

№ п/п Параметры Ед. измерения До реконструкции После реконструкции 1. Расход пара т/ч 35 42 2. Давление перегретого пара МПа 3,9 3,9 3. Температура перегретого пара °С 440 440 4. Температура питательной воды °С 105 105 5. Потери тепла с механическим недожогом % 4,5 2,5 6. КПД котла, брутто % 82 86 7. Диапазон регулирования нагрузки % 40-100 52-100 8. Избыток воздуха за топкой - 1,4 1,3 9. Температура уходящих газов за ВЗП °С 175 180 10.  Концентрация СО, не более ppm 4000 100  11. Концентрация оксидов азота, не более мг/м3 450 200

В результате реконструкции удалось получить более надежный и управляемый котел с КПД брутто не менее чем на 4 % выше, чем до рекон-струкции. Надежность, безопасность и экологические характеристики новой топки не только не уступают слоевым и факельным топкам, но и превосходят их.

Рисунок. Котел Е-42-3,9-440 ст.№7 Читинской ТЭЦ-2

Не менее перспективной является технология сжигания топлив в низ-котемпературном вихре. Она применима для обычных энергетических и ме-стных углей, а также древесных и растительных отходов. По стабильности горения, глубине выгорания топлива и экологическим показателям котлы с низкотемпературным вихревым сжиганием приближаются к характеристи-кам котлов с топками кипящего слоя. На вихревой способ сжигания переве-дено три котла ЭЧМ-60 производительностью 60 Гкал/ч в котельной ЖКХ г.Междуреченска Кемеровской области. Реконструкция позволила отказаться от подсветки факела мазутом. До реконструкции около 30% нагрузки котлов обеспечивалось сжиганием мазута. Эта же технология использована в котлах КЕ-4 и КЕ-6,5 для сжигания подсолнечной лузги в г.Барнауле.    В Абазинском лесокомбинате в Хакасии работа одного котла КВ-1,6-95ВД с вихревой топкой на древесных отходах за один отопительный сезон дала экономию средств на оплату централизованного теплоснабжения от ТЭЦ, достаточную для покрытия затрат по строительству и оснащению собственной котельной. Возможность утилизации загрязняющих природу отходов и их огневое обезвреживание является наиболее важным экологиче-ским показателем работы подобных котельных. Поэтому согласование строительства собственной котельной в Абазинском лесокомбинате не встретило традиционного противодействия комитета по экологии, а нашло его полную поддержку.    Приведенный перечень примеров является далеко не полным и касает-ся лишь, так называемых, "особых" котлов. Экономические проекты, осно-ванные на использовании таких котлов, чрезвычайно выгодны. Срок окупае-мости вложенных средств составляет от 3-х месяцев до 1,5 лет в зависимости от конкретных условий.    Необходимо также отметить, что типовое котельное оборудование можно использовать с не меньшей выгодой. Не секрет, что в силу монополь-но высоких тарифов на отпускаемые энергоносители многие руководители предприятий желают "отсоединиться" от ТЭЦ. Экономия в этом случае по-лучается весьма значительной. К примеру, собственная котельная, состоящая из трех котлов типа ДЕ-25, построенная в одном из опустевших производст-венных цехов з-да "Трансмаш" в г.Барнауле, окупилась за 6 месяцев.    Серийное типовое оборудование может быть адаптировано к местным топливам и условиям выработки и потребления энергии. Им могут комплек-товаться ТЭЦ малой мощности с турбинами до 12,5 МВт для покрытия соб-ственных потребностей в электроэнергии, технологическом паре и отоплении.    Выгодным мероприятием для теплопроизводящих предприятий является замена устаревшего, изношенного парка котлов, зачастую изготовленных полукустарным способом, на современное высокоэффективное оборудование. При этом снижается расход угля, повышается надежность работы, улучшаются экологические показатели котельной и условия труда персонала.

Литература 1. Тихонов С.Б., Беломестнов Ю.А. Новая технология сжигания бурых углей в топках с низкотемпературным кипящим слоем с вертикаль-ным вихрем. Электрические станции, № 11, 2000 г., с. 28-30.