Внедрение топливных гранул на электрических станциях
В Европе и Северной Америке на теплоэлектростанциях, где главным видом горючего является уголь, в последние годы все почаще употребляют для совместного сжигания биомассу, в главном древесные топливные гранулки (пеллеты). В связи с этим рынок промышленных пеллет в Европе вырос за прошедший год более чем на 30%.
Задачи использования

Невзирая на низкую цена угля в сопоставлении с природным газом и печным топливом (мазутом) даже в пересчете на 1 кВт•ч выработанной энергии, при использовании угля в качестве горючего для выработки энергии существует много заморочек. Основная из их — высочайший уровень выбросов от сжигания — газообразных и жестких (золы). В большинстве государств действуют жесткие требования к уровню выбросов, допустимых при сжигании угля. В странах ЕС используются жесткие штрафные санкции к ТЭЦ, превосходящим нормы (прямо до 50 евро за каждый выработанный мегаватт электроэнергии в час). Выход из этой ситуации — внедрение разных фильтров (к примеру, электрофильтров) в газоходах котлов или сжигание угля в виде водоугольных суспензий (водоугольное горючее). В последнем случае из-за низкой температуры горения угля значительно (до 70 %) понижаются выбросы оксидов NOx. Зола, которая появляется при сжигании угля, в ряде всевозможных случаев может быть применена в строительной промышленности. Тут также есть неувязка удаление золы происходит почти всегда способом гидрозолоудаления, что затрудняет ее погрузку для транспортировки и предстоящего использования.

Одной из современных технологий, обеспечивающих существенное сокращение выбросов, является совместное сжигание углей и жестких видов горючего из растительной биомассы (древесные гранулки и брикеты, агрогранулы и брикеты из отходов АПК, к примеру, из травы, лузги подсолнечника и других культур).

Опыт Западной Европы

Есть два главных принципа использования промышленных пеллет для производства энергии: или ТЭЦ вполне переводят на пеллеты в качестве единственного вида горючего (в данном случае молвят о так именуемом моносжигании), или пеллеты употребляются как дополнительное горючее.

На ТЭЦ, где пеллеты либо другая биомасса сжигаются вместе с главным видом горючего (в главном с углем), — это именуется Co-Firing, т. е. совместным сжиганием. При примешивании регенеративного горючего из биомассы к основному понижаются выбросы углекислого газа, серы и оксидов азота. Потому что при совместном сжигании можно всегда без заморочек отрешиться от использования биомассы и вернуться к сжиганию только угля, переход на эту технологию не содержит особенного риска для собственников ТЭЦ.

Технические решения

Существует несколько методов совместного сжигания угля и биомассы (а именно, пеллет): прямое совместное сжигание, непрямое совместное сжигание, параллельное сжигание.

Прямое совместное сжигание значит одновременную подготовку, измельчение и подачу угля и биомассы в котел. Непрямое совместное сжигание включает раздельную подготовку угля и измельчение биомассы. Параллельное совместное сжигание предполагает сжигание угля и биомассы в отдельных котлах.

Существует также способ газификации, его сущность в начальной газификации биомассы и подаче в котел генераторного газа (этот вариант подходит для использования сырья с большой влажностью, к примеру, для древесной щепы).

При модернизации оборудования электрических станций для совместного сжигания решается ряд технических вопросов, главные из которых: чем следует дооборудовать котлы, как производить подготовку и подачу биомассы в котел.

В современных ТЭЦ (мощностью от 200 до 1000 MВт), обычно, применяется способ пылевого сжигания. Для совместного пылевого сжигания особая установка размельчает пеллеты и уголь в маленькую сухую массу и смешивает их.

При прямом сжигании такая масса при помощи пневматики из установки для измельчения подается прямо в котел. Кроме промышленных пеллет из древесной породы, употребляются также другие виды биомассы — как пеллетированные, так и в непереработанном виде (к примеру, тюкованная трава).

Действенное сжигание

При рассмотрении перспектив использования твердого горючего, а именно, для энергоблоков последнего поколения, одним из главных вопросов является его действенное сжигание. Под последним сначала понимается выполнение 2-ух требований: сжигание должно быть полным, другими словами экономным, и оно не должно приводить к высочайшим выбросам вредных веществ (сначала оксидов серы и азота). Долгое время для сжигания употреблялся и продолжает употребляться так именуемый факельный способ, при котором смесь мелкоразмолотого угля и жаркого воздуха безпрерывно подается в зону горения, поддерживая пылающий факел, являющийся источником лучистой и термический энергии для нагрева рабочего тела. Для выполнения обозначенных выше требований разработан и внедрен в практику целый ряд режимных и конструктивных мероприятий, которые, все же, не могут решить делему полностью. Потому последние 15 лет ведутся поиски экологически незапятнанных технологий сжигания широкой палитры твердого горючего, в особенности энергетического твердого горючего низкого свойства и биомассы при совместном сжигании. В числе таких технологий разработка сжигания жестких видов горючего в циркулирующем кипящем слое при атмосферном давлении.

Котлы с циркулирующим кипящим слоем

Большой энтузиазм представляет внедрение на ТЭЦ оборудования, созданного для сжигания твердого горючего в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). Теоретической основой функционирования котлов с ЦКС является представление о кипящем слое. Если в некой камере установить решетку, на которую поместить слой угля, и к решетке подать в маленьком количестве воздух, то после подготовительного разогрева слоя начнется горение горючего с поверхности с выделением газообразных товаров сгорания. При восполнении сгорающего горючего на решетке будет поддерживаться пылающий фиксированный слой, другими словами будет осуществляться так называемое слоевое сжигание твердого горючего. Если наращивать подачу воздуха под решетку, то частички горючего, находящегося на решетке, окажутся под сильным напором воздуха, который будет противодействовать силе тяжести, действующей на каждую частичку горючего. При определенной скорости воздуха частички горючего окажутся во взвешенном состоянии в подъемном потоке воздуха, а толщина пылающего слоя возрастет.

При возрастании скорости воздуха в слое появятся отдельные пузыри воздуха, и толщина слоя еще возрастет. Этот так именуемый пузырьковый кипящий слой ведет себя так, как ведет себя кипящая жидкость, отсюда и заглавие способа: сжигание в кипящем слое.

При еще большем напоре воздуха подъемная сила, действующая на частички горючего, оказывается так большой, что эти частички не успевают сгорать и вырываются из кипящего слоя. При предстоящем увеличении расхода воздуха видимый слой исчезает и во всем объеме камеры происходит горение скопления частиц горючего с насыщенным смешиванием. Большее количество частиц горючего не успевает сгореть и выносится из камеры. На их пути устанавливают циклон — цилиндрический сосуд, в каком продукты сгорания отделяются от несгоревших частиц. Продукты сгорания направляются во вторую часть котла — конвективную шахту для нагрева рабочего тела (воды и пара), а несгоревшие частички движутся в закрученном потоке, отбрасываются к стенам, падают вниз и опять направляются в камеру горения. Это и есть циркулирующий кипящий слой. Основная его особенность заключается в том, что объем циркулирующего материала в сотки раз превосходит объем подаваемого в камеру воздуха.

Имеется целый ряд схем, реализующих технологию ЦКС. Разглядим одну из их. Уголь из бункера направляется на воздухораспределительную решетку топки, под которую для горения подается жаркий воздух. На нее же из другого бункера поступает известняк, который вступает в хим реакцию с сероватой, связывает ее и в предстоящем вкупе с сухой золой отводится из котла. Таким макаром исключается попадание серы в дымовые газы и потом в воздушный бассейн. Образующийся кипящий слой передает часть собственной теплоты рабочему телу, передвигающемуся в экранах, которыми облицованы стенки топки. Из высшей части топки смесь товаров сгорания и частиц горючего, не спаленных в кипящем слое, направляется в циклон, где происходит отделение частиц несгоревшего горючего от товаров сгорания. Несгоревшие жаркие частички смешиваются с частичками свежайшего горючего, и эта смесь поступает в пылающий кипящий слой топки. Продукты сгорания направляются в конвективную шахту, в какой размещены другие поверхности нагрева рабочего тела: конвективный первичный и промежный пароперегреватели, экономайзер, воздухонагреватель. На выходе из конвективной шахты из товаров сгорания удаляется летучая зола, и потом они поступают в электрофильтры для удаления остатков летучей золы, после этого направляются в дымовую трубу для рассеивания в верхних слоях атмосферы.

Одна из главных мыслях, реализуемых в котлах с ЦКС, заключается в том, что температура кипящего слоя невысока — 820-900 °С. При таковой температуре образование окислов азота идет очень медлительно. Заметим, что в факельных пылеугольных топках температура горения добивается 2000 °С. В свою очередь, низкая температура горения обеспечивается большенными размерами частиц угля (от 2 до 25 мм) и их разобщенностью в кипящем слое, в отличие от процесса пылеугольного сжигания, при котором размер пылевых частиц — приблизительно
200 мкм.

Другая принципиальная мысль — неоднократная циркуляция жаркой консистенции золы, известняка и сравнимо маленького количества подводимого свежайшего горючего. Это обеспечивает не только лишь неплохую сероочистку товаров сгорания, да и значительно интенсифицирует процесс сжигания. У технологии сжигания в котлах с ЦКС имеется ряд принципиальных преимуществ по сопоставлению с обширно используемым обычным факельным сжиганием. Она обеспечивает:

• действенное сжигание малокалорийных, высокозольных видов горючего, также горючего с малым выходом летучих, что определяется размеренной температурой в топке, долгим временем нахождения коксозольного остатка в обскурантистской зоне. В итоге достигается значимая экономия вспомогательного горючего, потому что исключается подсветка мазутом либо газом;
• возможность сжигания горючего различного свойства в одном и том же котле;
• возможность использования облегченной схемы подготовки горючего;
• отсутствие необходимости в пылеприготовительном оборудовании;
• высочайшие динамические свойства,
• резвый запуск котла из «жаркого» состояния;
• действенное (более 90%) связывание оксидов серы методом относительно дешевенького метода подачи известняка в топку при хорошей температуре слоя около 870 °С и продолжительном времени нахождения частиц известняка в обскурантистской зоне;
• низкие выбросы оксидов азота (наименее 200-300 мг/нм3) без использования особых средств азотоочистки, которые обоснованы низкой и размеренной температурой слоя и надслоевого места при организации ступенчатого подвода воздуха;
• возможность использования низкосортного горючего (зольностью до 65%), к примеру отходов углеобогащения;
• действенная работа котлоагрегата в широком спектре нагрузки (от 20 до 100%) установленной мощности оборудования;
• соблюдение жестких требований по выбросам вредных веществ в окружающую среду.

Разработка кипящего слоя в энергетических установках (установках термический мощностью 50 МВт и поболее) стала обширно употребляться с середины 70-х годов прошедшего века в итоге ужесточающихся норм вредных выбросов.

Стоит отметить, что в ближайшее время в Западной Европе, в особенности в Скандинавских странах, все активнее употребляются различные виды биомассы для получения тепла и энергии. Более многообещающей считается разработка кипящего и циркулирующего слоя при совместном сжигании биомассы, также промышленных и городских отходов в консистенции с углем. Это позволяет отлично утилизировать применяемые отходы и понизить нагрузку на окружающую среду. Важным является также то событие, что в данном случае можно не использовать добавки инертного материала (употребляется зола угля) и уменьшить расход известняка при том же содержании серы в угле (за счет разбавления дымовых газов).

Развитие мировой энергетики сейчас происходит на фоне конфигурации топливно-энергетического баланса в сторону угольной составляющей и совместного сжигания угля и биомассы. В связи с этим все актуальнее становится обширное внедрение незапятнанных угольных технологий. Одной из таких технологий является метод сжигания горючих материалов в кипящем слое. Применительно к углю метод позволяет отлично и экологически неопасно спаливать угли различного свойства, в том числе низкосортные, и отходы углеобогащения. Разработка презентабельна также возможностью сотворения малогабаритного топочного оборудования и автоматизации топочного процесса. Совместно с тем эффективность сжигания угля в кипящем слое находится в зависимости от выполнения определенных требований к горючему и самому процессу. К таким требованиям относятся, к примеру, сортировка угля, стабильность параметров и расхода при подаче в топку, равномерность подачи угля на площадку слоя, характеристики ведения топочного процесса — температура слоя, скорость псевдоожижения, давление в топке. В связи с этим животрепещущим становится совместное сжигание угля и древесных топливных гранул (пеллет), которые на сто процентов отвечают вышеизложенным требованиям к качеству горючего при сжигании в кипящем слое.

Не считая отмеченных выше плюсов котлов с ЦКС, можно отметить и ряд других. В таких котлах отлично сжигаются плохие виды горючего: угли с высочайшим содержанием породы, которые в ЦКС играют роль циркулирующего наполнителя слоя; угли с высочайшим содержанием золы и воды, также тяжело зажигаемые виды горючего (с малым выходом легковоспламеняющихся летучих газов). Перед подачей в топку ЦКС горючее не просит маленького размола (довольно дробления), что исключает необходимость угольных мельниц и улучшает экологическую обстановку на ТЭС. Отсутствие отдельных серо- и азотоочистки (в котлах с ЦКС они органически включены в процесс горения) обеспечивает компактность этих котлов, что очень комфортно для реконструкции действующих ТЭС. Вкупе с тем по сопоставлению с пылеугольными котлами у котлов с ЦКС более непростая конструкция, они больше подвержены процессам разрушения (эрозии поверхностей нагрева запыленным потоком), у их завышенный расход электроэнергии на привод высоконапорных вентиляторов для подачи воздуха в зону горения и сотворения кипящего слоя. Технико-экономические оценки демонстрируют, что себестоимость электроэнергии, вырабатываемой при помощи котлов с ЦКС в энергоблоках 150-200 МВт, также уровень серьезных издержек, издержек на горючее, сервис и ремонт — на уровне подобных характеристик для пылеугольных котлов с сероочисткой. Как указывает мировой опыт, издержки на ремонт и сервис котлов с ЦКС и вспомогательных систем, обычно, ниже, чем издержки на ремонт и сервис котлов факельного сжигания с азото- и сероочисткой. Область внедрения котлов с ЦКС — сжигание низкосортных жестких видов горючего при паропроизводительности до 250 т/ч как на новых ТЭС, так и на станциях, проходящих модернизацию. В мировой практике отыскали обширное применение котлы с топкой кипящего слоя разной мощности. На данный момент в различных странах эксплуатируются более 200 энергетических котлов с ЦКС (в том числе действует энергоблок мощностью 250 МВт) для сжигания каменных и бурых углей различных месторождений.

В текущее время ввиду конфигураций в топливной конъюнктуре и увеличения требований к выбросам с продуктами сгорания энтузиазм к использованию таких котлов вырастает.

В последующем номере мы поведаем о самых значимых энергетических проектах с внедрением технологии совместного сжигания.

Сергей ПЕРЕДЕРИЙ,
компания Eko Holz-und Pellethandel GmbH, Германия