Проблемы сжигания низкосортных твёрдых топлив в котлах малой мощности.

 

В России органическому топливу отводится главная роль (более чем 90 %). И поэтому, в последние десятилетия из-за устойчивого роста цен на топливо высокого качества значительно возрастает интерес к котлам, обеспечивающим эффективное сжигание низкосортных видов топлива. 

Существует много разновидностей низкосортных энергетических топлив. К низкосортным видам топлива относят высокозольный или высоковлажный уголь, соленый уголь, горючие сланцы, торф, горючую часть городских отходов, отходы промышленности (деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности), сельскохозяйственные отходы (солома, шелуха, стебли подсолнечника и т. д.), шламы и промежуточные продукты обогащения каменного угля, предназначенные для технологического потребления. Общим признаком низкосортных топлив является низкая теплота сгорания, которая обычно не превышает Q_нр =10…20 МДж/кг [34]. Такая низкая теплота сгорания топлива этой категории определяется главным образом высоким содержанием в них балласта: золы и влаги.

Если в большой энергетике разработано достаточно много эффективных методов сжигания низкосортных топлив в промышленных котла, то при сжигании таких видов топлива в котлах малой мощности возникает ряд технических и экологических проблем.

 

9.1Экологические проблемы

 

Все процессы, связанные со сжиганием органических видов топлива в котельных установках разной мощности, являются источниками загрязняющих веществ. Их антропогенное воздействие на окружающую среду может проявляться на разных уровнях: локальном, региональном и глобальном.

Для котлов на твердом топливе нормируют только выбросы СО [35]. Так, при сжигании каменного и бурого угля с выходом летучих соединений от 17 % до 50 % соответственно – 46000 мг/м³.

Документов, ограничивающих выбросы загрязняющих веществ для газогенераторных котлов, на сегодняшний день в РФ не имеется.

В ГОСТе отмечается, что содержание твердых частиц в дымовых газах от котлов, работающих на твердом топливе, должно быть указано в эксплуатационных нормативных документах для конкретных котлов.

При сжигании низкосортных топлив образуется минеральный остаток – зола.

Плавильные характеристики золы напрямую воздействуют на работу котла. Плавление золы может привести к шлакованию топки и появлению плотных отложений на конвективных поверхностях нагрева. Летучая зола загрязняет воздушный бассейн. 

 

Таблица 24- Характеристики отдельных видов каменных углей, используемых в котлах малой мощности в РФ

.

Топливо	Теплота сжигания топлива, МДж/кг	Влажность топлива, W,%	Зольность топлива, A,%	Содержание серы, S,%
Каменный уголь бассейна месторождения «Артемовское» Саликамск	14,2	12	26	0,6
Каменный уголь бассейна месторождение «Архаро-Богучанское буроугольное месторождение» (Амурская область)	14-16	37	18	0,3
Бурый уголь Подмосковного бассейна	11,2-28	33	31	3
Каменный уголь Канско-Ачинского бассейна бассейна месторождение «Назаровское»	13	39	25	0,3

 

Из-за высокой стоимости очистного оборудования, на котлах малой мощности не устанавливают золоулавливающих устройств. 

Конденсация смол в газоходах котла

Конденсат в дымоходе котла – агрессивный раствор из смеси окислов и влаги, выпадающей при охлаждении (конденсации) отходящих газов на внутренней поверхности дымового канала.

Конденсат на внешней поверхности дымохода – конденсация воздуха из-за большой разницы температур. В холодное время года, на дымоходе может образовываться конденсат, как на улице, так и участках дымохода проходящего через чердачные перекрытия. Конденсат может замерзать, а при оттаивании, вода течёт по трубе, приводя к размоканию близлежащих конструкций. Такой же эффект от дождя, когда нет герметичности между крышей и дымоходом.

В результате взаимодействия капель водяных паров с окислами серы и азота (осевшая сажа) образуется кислотный конденсат. Конденсат, вместе с сажей, ведёт к разрушению дымового канала и ухудшает работу котла.

Проведённые исследования показывают, что с одной стороны, в низкосортных топливах мало серы, поэтому можно обеспечить невысокую температуру дымовых газов на выходе из котла (рисунок 37), с другой – даже известные зарубежные производители котлов рекомендуют температуру дымовых газов на выходе не менее 200 °С [36]. Это связано с тем, что при газификации и сжигании низкосортных топлив в котлах, на теплообменных поверхностях и дымовых трубах откладываются смолистые отложения – сложные смеси органических соединений.

Для удаления смолы предлагается применять ступенчатую схему охлаждения газа, которая обеспечивает успешное разделение смолы и воды. В первой ступени конденсации при температуре 130 – 150°С конденсируется в основном тяжелая смола,  а в другой ступени, где газ охлаждается до 25 – 40°С, – легкая смола. Очистка сточных вод осуществляется отстаиванием от смолы и фильтрацией через кварцевые фильтры. Недостатком данной схемы является образование устойчивых СЭ  (смоловодяных эмульсий) в подсмольной воде.

 

 Рисунок 37 – Зависимость температуры точки росы от вида низкосортного топлива

 

Данную схему можно применить в промышленном производстве генераторного газа. В котлах малой мощности на органических видах топлива можно только применять методы предотвращения отложения смол, поскольку это является более эффективным способом, чем очистка загрязненных поверхностей.

Все смолы, образующиеся при сжигании топлива в котлах малой мощности, согласно исследованиям Голландской компании ECN можно подразделить на 5 классов [4]. 

Таблица 25- Классификация смол

Класс	Свойства класса
Класс 1	Тяжелые смолы, которые конденсируются при высоких температурах даже при очень низких концентрациях
Класс 2	Гетероциклические компоненты (фенол, пуриден, крезол), которые обычно проявляют высокую растворимость в воде, благодаря своей полярности
Класс 3	Ароматические компоненты – легкие углеводороды
Класс 4	Легкие полициклические ароматические углеводороды
Класс 5	Тяжелые полициклические ароматические углеводороды

Так как низкотемпературные смолы содержат гораздо меньше молекул, чем высокотемпературные смолы, то температура их точки росы гораздо ниже [37].

Поскольку работа котлов на низкосортных топливах сопровождается отложениями смолистых веществ на теплообменных поверхностях и дымоходах, то при разработке котлов малой мощности обязательно необходимо учитывать возможность конденсации этих смол.

Рисунок 38 – Зависимость температуры точки росы смолы от её концентрации

 

Таблица 26 –Основные проблемы сжигания низкосортных видов топлива и методы их решения.

№	Проблема	Методы решения
1	2	3
1	Выбросы твердых частиц (золы)	1) Создание двухкамерных топок. 2) Установка на выходе из котла сегментных перегородок, задерживающих золу в котле *. 3) Установка золоуловителей. 4) Создание рециркуляции.
2	Отложения смол в газоходах котла	1) Создание зон высокой температуры. 2) Соответствие мощности котла фактическому потреблению тепла. 3) Использование буферных емкостей для сглаживания неравномерности потребления и работы котла. 4) Изоляция дымоходов. 5) Соблюдение низкой влажности топлива. 6) Поддержание температуры обратной воды не менее 65 0С. 7) Установление вторичных излучателей в топке (зон высоких температур), катализаторов. 8) Оптимизация подачи воздуха порциями (первичное, вторичное, третичное) с целью качественной организации сжигания топлива. 9) Предотвращение длительной работы котла на минимальном режиме.
3	Плавление золы, зашлаковывание колосниковой решетки	1) Водяное охлаждение колосниковой решетки. 2) Воздушное охлаждение. 3) Использование вибрационной колосниковой решетки *. 4) Низкотемпературное сжигание *. 5) Обеспечение равномерного распределения топлива и слоя угля по всей поверхности решеток с целью равномерной подачи первичного воздуха. 6) Использование вращающейся конусной топки. 7) Ступенчатое сжигание топлива (посредством разделения топки на первичную и вторичную камеры). 8) Использование топок с нижней подачей топлива.
Продолжение таблицы 26
1	2	3
4	Низкая температура в зоне горения при сжигании влажных топлив	1) Подача подогретого воздуха в зону горения. 2) Исполнение внутренней поверхности топки с теплоаккумулирующих материалов (керамики, майолики).
5	Выбросы СО	1) Качественное смешение топочного газа с вторичным воздухом. 2) Применение вторичных излучателей.

* - для котлов средней мощности

 

9.2 Исследование вопроса эффективности горения различных видов низкосортного угля на котлах длительного горения, с выявлением оптимальных режимных характеристик по мощности, экологическим и эксплуатационным показателям.

 

В негазифицированных районах для индивидуального (автономного) теплоснабжения отдельных домов широко применяют отопительные котлы длительного горения небольшой тепловой мощности, работающие на твердом топливе (ГОСТ 20548-87. Котлы отопительные водогрейные теплопроизводительностью до 100 кВт. Общие технические условия). Топливом для них служат каменный и бурый уголь, антрацит, торфяные брикеты, дрова. В таких котлах, в соответствии с рисунком 39 происходит медленное горение топлива в «толстом» слое: начальная высота слоя после загрузки достигает 0,45 м [38]. 

Воздух для горения поступает под колосниковую решетку вследствие разряжения в котле, создаваемого естественной тягой дымовой трубы. Регулирование нагрузки осуществляется воздушной заслонкой. Продолжительность работы (топочный цикл) котла на одной загрузке топлива составляет 8–10 (до 12) часов. При работе котлов на каменных углях средний расход топлива B за цикл не превышает 5 кг/ч. Таким образом, максимальная тепловая мощность не превышает 25 кВт.

                                                                                                         (1)

Тепловая мощность котла согласно ГОСТ при определенной нагрузке обратно пропорциональна продолжительности работы на одной загрузке топливом:
                                                                                                                          (2)

где: М – общая загрузка топлива, кг

Q_n – теплота сгорания топлива, кДж\кг

Т - продолжитеьность работы котла, час

η - к.п.д котл,%.

 

 

 

1- топка котла, 2 – дверца загрузки топлива, 3- выход дымовой трубы, 4- люк для очистки дымохода, 5- вентилятор наддува, 6 – люк очистки зольника, 7 – кран для слива конденсата, 8 – отсеки для отвода уходящих газов, 9 – водоохлаждаемая колосниковая решётка, 10 – выход теплоносителя, 11 – вход теплоносителя, 12- теплоизоляционный материал, 13- ручка дверцы загрузки топлива, 14- ручка дверцы золосборника, 15- дверца золосборника.

Рисунок 39 – Общий вид конструкции эффективного котла, мощностью 40 кВт длительного горения

 

Максимальная мощность (нагрузка) котла достигается при полностью открытой воздушной заслонке, но при этом продолжительность работы Т минимальна. И наоборот: при минимальной тепловой мощности котла достигается наибольшая продолжительность работы. В связи с этим обозначение номинальной мощности котла без указания продолжительности его работы, как это принято в вышеуказанном ГОСТе и паспортах котлов, некорректно. По этой причине значения мощности котлов в ГОСТе и паспортных данных заводов-изготовителей воспринимаются неоднозначно.

К.п.д. отопительных котлов малой мощности, как правило, не превышает 60%, что означает высокий удельный расход топлива и высокую энергоёмкость. Доля основных нормативных потерь при сжигании топлива в маломощных котлах определяется механическим недожогом топлива, составляющем при слоевом сжигании сумму потерь теплоты с уносом, шлаком и провалом и достигающей 20%.

Котлам длительного горения присущи общие недостатки:

- продолжительность работы на одной загрузке топливом Т ограничена объемом для его размещения. При площади колосниковой решетки R = 0,13–0,15 м2 и высоте слоя Н = 0,45 м удается разместить не более 45–50 кг топлива;

- максимальная мощность котла ограничена из-за недостаточного поступления воздуха;

- работа котла в течение топочного цикла неравномерна, что присуще котлам, работающим без воздушного дутья на естественной тяге. Мощность котла сначала возрастает, а затем снижается вследствие уменьшения аэродинамического сопротивления слоя при его прогорании и изменения тяги трубы;

- топочная поверхность нагрева используется неэффективно. Тепловосприятие котла происходит лишь в нижней части слоя, где располагается очаг горения с температурой до 1250 ^оС. В верхней части слоя горения нет, температура не превышает 400 ^оС;

- работа котла может сопровождаться выбросами продуктов неполного сгорания топлива, в основном СО [39,40]. 

Анализ работы котлов показал, что основные недостатки связаны с недостаточной площадью колосниковой решетки R, обычно не превышающей 0,13–0,15 м². При этом значения теплонапряжения (нагрузки) колосниковой решетки BQ/R достигают 22–30 кВт/м², что приводит к большим потерям тепла от химического и механического недожога топлива.

Наиболее конструктивный способ снижения механического недожога топлива в отопительных котлах – усовершенствование их конструкции, обеспечивающей максимальную полноту сгорания топлива с возможностью образования синтез-газов.

Практически во всех маломощных отопительных котлах твердое топливо сжигается на колосниковых решётках слоевым способом, с периодической загрузкой топлива и очисткой колосников от шлака. Слоевой процесс сжигания имеет четкий циклический характер. Каждый цикл включает следующие стадии: загрузка топлива, подсушка и разогрев слоя, выделение летучих веществ и их горение, горение топлива в слое, догорание остатков и, наконец, удаление шлака.

На каждой из этих стадий создается определенный тепловой режим и процесс горения в котле происходит с непрерывно меняющимися показателями.

Первичная стадия подсушки и разогрева слоя носит эндотермический характер, т. е. она сопровождается не выделением, а поглощением теплоты, получаемой от раскаленных стен топки и от недогоревших остатков. Далее, по мере разогрева слоя начинается выделение газообразных горючих компонентов и их выгорание в объеме топочной камеры. На этой стадии начинается тепловыделение в топке, которое постепенно увеличивается. Под влиянием разогрева начинается горение твердой коксовой основы слоя, дающей, как правило, наибольший тепловой эффект. По мере прогорания слоя тепловыделение постепенно уменьшается, и в конечной стадии имеет место дожигание горючих веществ с низкой интенсивностью. Известно, что роль и влияние отдельных стадий цикла слоевого горения зависит от показателей качества твердого топлива: влажности, зольности, содержания летучих веществ и углерода в горючей массе.

Совмещение первичной стадии подсушки и разогрева топлива со стадией выделения газообразных горючих компонентов и их выгоранием в объёме топочной камеры приведёт к интенсификации процессов на обоих этих стадиях, за счёт повышения температуры внутри объёма топлива.

Данные условия возможно обеспечить путём изменения конструкции топочного объёма котла, выполненной для одновременного протекания стадии прогрева и стадии окисления топлива в котлах верхнего горения, с образованной тепловой рубашкой по объёму топочного пространства.

Конструкция данных котлов обеспечивает уникально длительный период горения без дополнительной закладки топлива за заданный рабочий период. Подача воздуха для поддержания процесса горения осуществляется сверху. Таким образом, при растопке котла верхний слой топлива всегда находится в зоне горения и максимального выделения теплоты. В последующем за ним слое, за счёт подъёма температуры и недостатка кислорода, образуется зона максимальной генерации летучих газов. Дозированная подача воздуха обеспечивает необходимую скорость и интенсивность выгорания горючих элементов, послойный подъём температуры для генерации летучих газов и, соответственно, качественный процесс практически полного прогорания всех элементов, входящих в состав топлива, что значительно повышает к.п.д. котла.

 

Вопросы к лекции 11:

1. Основные экологические проблемы, связанные со сжиганием низкосортных видов угля в котлах малой мощности?

2. Основной признак низкосортных топлив, применяемых для котлов малой мощности?

3. Как воздействуют плавильные характеристики золы на работу котлов малой мощности?

4. Каким образом конденсация паров влаги, при сжигании низкосортных видов топлив ведёт к дисбалансу работы котла?

5. Каким образом точка росы смолистых концентрированных веществ влияет на эксплуатационные характеристики котлов малой мощности при сжигании низкосортных топлив?

6. Достоинства котлов длительного горения при сжигании низкосортных видов топлив?

7. Условия образования синтез-газов в котлах длительного горения?

8. Основные недостатки котлов длительного горения и возможные способы их устранения?

9. КПД котлов длительного горения?

10. Основы расчёта котлов длительного горения.