Пример реализации проекта строительства отопительных котельных на местных видах топлива

Д.т.н. В.К.Любов, профессор, заведующий;
А.Н. Попов, ассистент, Кафедра промышленной теплоэнергетики, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.Ломоносова, г. Архангельск;
к.т.н. О.Д. Мюллер, доцент Кафедры океанотехники и энергетических установок, Филиал «Севмашвтуз» ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», г. Северодвинск

Энергетическое обследование существующей котельной

Одной из проблемных котельных Приморского района Архангельской обл. на момент обследования являлась котельная, расположенная в пос. Луговой. В котельной были установлены четыре водогрейных котла, два из которых – судовые жаротрубно-дымогарные: котел № 1 (1905 г выпуска) – двухтопочный, а № 3 (1930 г. выпуска) – однотопочный. В заводском исполнении судовые котлы предназначены для выработки пара, но затем они были переведены в водогрейный режим и преимущественно работали на длиннопламенных каменных углях. Котлы № 2 (КВ-0,84) и № 4 (KB-0,93) оборудованы слоевыми топками и индивидуальными вентиляторами для подачи воздуха в топочные камеры. Однако неудобства обслуживания данных котлов, связанные с особенностями конструктивного исполнения, приводили к ограничению времени их эксплуатации.

При проведении энергетического обследования в работе находились котлы № 1, 3 и один дымосос.

В топки котлов подавался длиннопламенный каменный уголь с умеренной зольностью (А=22,53%), влажностью W=13,79% и с выходом летучих веществ V=38,43%, при этом низшая теплота сгорания на рабочую массу топлива составляла 19,93 МДж/кг. Сжигаемый уголь имел полидисперсный состав и по крупности кусков относился к классу рядовых.

Периодическая ручная подача топлива в таких котлах вызывает циклическое изменение энерго- экологических 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 котлов не было приборов контроля разрежения в топках, температуры и разрежения газов на выходе из котлов. Все это затрудняло анализ теплового режима работы котлов и исключало возможность контроля их сопротивления.

В котельной пос. Луговой отсутствовала штатная система контроля расхода теплоносителя, подаваемого в теплосеть и на ГВС. Также отсутствовала система подготовки воды, что противоречит требованиям нормативных документов. Не были предусмотрены золоулавливающие установки, что приводило к загрязнению атмосферного воздуха твердыми частицами.

При проведении обследования теплопроизводительность котлов изменялась в диапазоне: 0,16-1,29 МВт – котел № 1; 0,05-0,85 МВт – котел № 3. Рабочее давление теплоносителя на выходе из котлов составляло 0,4-0,42 МПа.

Анализ условий тепловой работы котлов показал, что 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 (рис. 1) и концентраций вредных веществ в уходящих газах [2].

КПД брутто котлов в период цикла между загрузками топлива, определенный по обратному балансу, изменялся в диапазоне 14,9-55,5% для котла № 1 (рис. 1а) и 0,04-49,6% для котла № 3 (рис. 1б). При этом значение среднего КПД брутто составило: 41,5% – котел № 1; 24,5% – котел № 3. Удельный расход условного топлива составил: 82,2 кг у.т./ГДж (344,2 кг у.т./Гкал) для котла № 1; 139,2 кг у.т./ГДж (582 кг у.т./Гкал) для котла № 3.

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 SO2 не превышала 1480 мг/МДж, что объясняется невысоким содержанием серы в сжигаемом топливе (0,58%). Диапазон изменения эмиссии CO составил: 155-10535 мг/МДж для котла № 1 и 664-3654 мг/МДж для котла № 3.

Данные технико-экономические и экологические показатели получены при сжигании 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 водогрейных котлов снижаются, а удельные расходы топлива на выработку 1 ГДж становятся еще больше.

Эффективность новой котельной на биотопливе

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 котлов, работающих на гранулированном биотопливе. Поэтому в пос. Луговой была смонтирована и запущена в работу в 2010 г новая модульная котельная, оборудованная двумя водогрейными котлами (зарубежного производства) мощностью по 0,74 МВт (0,64 Гкал/ч) каждый, использующими в качестве топлива древесные гранулы (пеллеты). Выбор энергооборудования был сделан на основании маркетингового исследования.

Рабочее давление теплоносителя на выходе из данных котлов не превышает 0,4 МПа, а температура – 115 ОС. Водогрейные котлы имеют два контура, при этом в первом циркулирует химочищенная деаэрированная вода, доставляемая автотранспортом с ТЭЦ ЗАО «Лесозавод 25», расположенной на расстоянии 30 км. Нагрев сетевой воды второго контура осуществляется с помощью пластинчатых теплообменников. На обратной линии теплосети котельной установлены два циркуляционных насоса и один подпиточный.

Для обеспечения эксплуатационного запаса топлива рядом с котельной смонтирован вертикальный цилиндрический резервуар. Древесные гранулы автотранспортом доставляются с ЗАО «Лесозавод 25» и поступают в приемный топливный бункер, из которого разгрузочным шнеком подаются на элеватор и далее в резервуар. Нижняя часть резервуара выполнена в виде конусной системы выгрузки и оборудована лопастным питателем, с помощью которого гранулы поступают в промежуточную емкость. Затем 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, из которой гранулы поступают на шнековый питатель котла, имеющий систему защиты от обратного возгорания топлива (рис. 2). Питатель котлоагрегата подает гранулы в профилированную подовую область топки, где через зазоры колосников проходит первичный воздух, пронизывающий слой топлива. В над- слоевую 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 и дымососом направляются в дымовую трубу. Каждый котел оборудован индивидуальной дымовой трубой. Для обеспечения плавного регулирования производительности котлов привод дымососов, шнеков и вентиляторов имеет частотное регулирование.
Такая же котельная, но с более мощными котлами (по 1,5 МВт (1,3 Гкал/ч)) была смонтирована в пос. Лайский Док, который находится в 35 км от ЗАО «Лесозавод 25».

До проведения энергетического обследования новых энергоисточников были выполнены режимно-наладочные работы, обеспечившие оптимизацию воздушных режимов, условий работы газовых трактов и повышение КПД брутто котлов в котельной пос. Луговой не менее чем на 1,8% и пос. Лайский Док – на 3,8%, по сравнению с базовыми режимами настройки систем автоматического регулирования. Результаты экспериментов показали, что оптимальный диапазон изменения концентраций кислорода в продуктах сгорания на выходе из котлов составляет 5,2-6% (при обеспечении нормативной плотности котлов).

При проведении балансовых опытов в топки котлов подавались древесные гранулы, имеющие достаточно однородный гранулометрический состав и теплотехнические характеристики (см. табл.), приемлемые для котлов с топочными камерами данного типа и требованиям [3]. КПД брутто водогрейных котлов в котельной пос. Луговой изменялся в диапазоне 85,3-88,6%, а удельный расход условного топлива составил 40-38,5 кг у.т./ГДж (167,3 – 161,2 кг у.т./Гкал при тепловой нагрузке 0,32 – 0,65 Гкал/ч). Для котлов пос. Лайский Док КПД брутто изменялся в диапазоне 88,3-90,4%, а удельный расход условного топлива – 38,6-37,7 кг/ГДж (161,6-157,8 кг у.т./Гкал при тепловой нагрузке 0,42-1,22 Гкал/ч).
Невысокие значения эмиссии NOx (см. табл.) объясняются умеренным уровнем максимальных температур, а также двухступенчатой схемой сжигания топлива. Диапазон изменения эмиссии CO в различных режимах составил 35 – 807 мг/МДж.

Заключение

Результаты исследований показали, что модернизация энергоисточника в пос. Луговой позволила:
■ снизить удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии более чем в 2,8 раза;
■ уменьшить эмиссии NOx более чем в 6 раз и CO более чем в 8 раз, снизить выбросы SO2 газа более чем на 82 т/год;
■ уменьшить выбросы парниковых газов (СО2) в атмосферу более чем на 6500 т/год;
■ сократить обслуживающий персонал с 13 до 5 человек;
■ использовать здание старой котельной для других производственных нужд.
Энергетическое обследование старой котельной в пос. Лайский Док, работавшей на дизельном топливе, не проводилось, однако достигнутый КПД брутто новых котлов (90,4%), соответствующий эффективности работы мазутных котлов, находящихся в хорошем техническом состоянии, позволяет не сомневаться в целесообразности выполненной модернизации. Обслуживающий персонал котельной также сократился с 13 до 5 человек. Требования к персоналу: среднетехническое образование, опыт работы машинистом не менее 5 лет.
Несмотря на более высокую стоимость древесных гранул (3 тыс. руб./т) по сравнению с каменным углем (1,9 тыс. руб./т) полученные результаты позволят получить период окупаемости, не превышающий 6 лет.
Исходя из вышеизложенного, генеральным направлением развития малой энергетики является замена немеханизированных морально и физически устаревших котлов новыми высокоэффективными автоматизированными теплогенерирующими установками с преимущественным использованием местных видов топлива и отходов лесоперерабатывающего комплекса.

Литература

1. Любов В.К., Любова С.В. Повышение эффективности энергетического использования биотоплив: учеб. пособие. Архангельск: ОАО «Солти», 2010. 496 с.
2. Любов В.К., Попов А.Н. Модернизация объектов коммунальной энергетики // Вестник ЧГУ, технические науки. 2011. Т. 2, № 2, с. 5-9.
3. ГОСТ Р 54220-2010 Биотопливо твердое. Технические характеристики и классы топлива. Часть 1. Общие требования.

Источник: www.rosteplo.ru