LD
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

Основные принципы процесса сжигания биотоплива

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 биотоплива - 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 [1].

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 О2 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 [1] 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 NOх без специальных (или вторичных) мероприятий. Ступенчатое сжигание позволяет достичь снижения NOх примерно на 50% для топлива с низким содержанием азота и примерно на 80% для топлива с высоким содержанием азота [1]). Однако для реализации этого потенциала снижения должен быть выполнен ряд условий, α именно:

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

■ поддержание температуры в восстановительной зоне не более 1150 ОС;

■ 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 NOx.

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

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 αперв тем ниже, чем меньше влажность подаваемого топлива. Очевидно, что при сжигании сухого биотоплива, по мере исчерпания потенциала снижения температуры за счет снижения αперв, 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 αперв:

■ для сжигания в кипящем слое αперв=0,4-0,55 (при этом температура в слое - 850 ОС) [3];

■ для сжигания на движущихся решетках αперв =0,7 (при этом температура в камере сжигания - 1150 ОС) [1].

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 [46], 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 q4=3-4%, в то время как вполне достижимы значения q4=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 [3].

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 (Wtr<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 αперв), 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 ОС, 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 ОС;

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

Характеристики котла после проведения режимной наладки приведены в таблице.

Параметр Величина
Тепловая мощность, МВт 3
Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах 1,36
Температура уходящих газов, °С 198
Потеря теплоты с уходящими газами, % 9,26
Содержание СО в уходящих газах (приведено к 0 °С), мг/нм3 581
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания, % 0,2
Содержание остаточного углерода в шлаке, % 7,2
Доля золы топлива в шлаке, % 45,6
Потеря теплоты от механической неполноты сгорания в шлаке, % 0,08
Содержание остаточного углерода в уносе, % 32,7
Доля золы топлива в уносе, % 54,4
Потеря теплоты от механической неполноты сгорания в уносе, % 0,58
Суммарная потеря теплоты от механической неполноты сгорания, % 0,66
Потеря теплоты в окружающую среду, % 2,14
Потеря с теплом шлаков (при tmn=600 °С), % 0,03
КПД котла брутто, % 87,7

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 О2=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) О2=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 [1].

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.

А.Э. Карапетов, Основные принципы процесса сжигания биотоплива

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №11 (171), 2014 г. , www.rosteplo.ru/nt/171

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Тематические закладки пользователей:

Tеги: биотопливо

Похожие статьи:

Подбор теплообменника!

Теплообменник ТТАИ для ГВС, отопления, промпроизводств. Эффективней пластинчатого!

+7(495)741-20-28, info@ntsn.ru

Программы Auditor