Доля топлива в стоимости тепла составляет 40–60%. Поэтому в последнее время много разработок энергетиков нацелено на уход от использования дорогих энергетических углей, газа и мазута к бесплатным горючим отходам и дешевым местным топливам. К тому же энергоутилизация отходов еще и наиболее простой и эффективный способ кардинального решения проблемы защиты окружающей среды от загрязнений.

Основное препятствие перехода на сжигание местных низкосортных углей, торфа, растительных и древесных отходов – сложность организации устойчивого топочного процесса. Поэтому для реализации возможности перевода котельных на сжигание нетрадиционных топлив требуются новые конструкции топочных устройств и новые технологии сжигания. Различные технологические ноу-хау в этом направлении предложены отечественными производителями.

Технология кипящего слоя

Одно из передовых направлений улучшения технико-экономических показателей котельных установок – развитие топок кипящего слоя. Топочные процессы с использованием низкотемпературного кипящего слоя создают многократное увеличение тепловой инерции за счет введения частиц, что стабилизирует топочный процесс, обеспечивает его изотермичность и позволяет осуществлять сжигание при относительно низкой температуре, порядка 800–1000°С. Тем самым котлы с кипящим слоем имеют ряд серьезных преимуществ перед “классическими” (факельными). Для работы факельных топок необходимо очень энергоемкое и взрывоопасное оборудование, в котором уголь предварительно дробят до состояния пыли, затем пылевоздушная смесь вдувается в топку и сжигается во всем ее объеме. Температура в центре горящего факела свыше 1200°С образует крайне вредные окислы серы и азота, что ограничивает использование угольных котлов в густонаселенных районах. Для связывания вредных выбросов необходимо дополнительное оборудование, сопоставимое по стоимости с основным. Кроме того, для каждого типа угля приходится проектировать собственную котельную установку, на которой использовать другой тип угля можно только с серьезными ограничениями.

Технология кипящего слоя в энергетических установках начала активно развиваться с середины 70-х, с ужесточением норм на вредные выбросы. А с энергетическим кризисом уже к началу 80-х в развитых странах наряду с газовыми турбинами и парогазовыми установками с бинарным циклом использования тепла стали серийно выпускать промышленные котлы с кипящим слоем.

Характерная особенностью “кипящего слоя” – развитая поверхность частиц угля, в результате чего достигается высокая степень выгорания углерода. 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, во-вторых, позволяют сжигать различные горючие отходы и самые низкосортные топлива.

Первый в России крупный энергетический котел с кипящим слоем горения угля запущен в строй в 2004 г. на Барнаульской ТЭЦ-3. Это самый производительный котел такого типа в мире (420 т пара в час).

Низкотемпературный вихрь

Особо перспективна технология сжигания топлив в низкотемпературном вихре. Стремление к низкотемпературному сжиганию объясняется принципиальной возможностью снижения вредных выбросов в дымовых газах, по сравнению с широко применяемыми высокотемпературными процессами горения.

Подобные котельные установки позволяют использовать различные измельченные растительные и древесные отходы (торф, опилки, лузга и т.д.). В таких топках благодаря аэродинамической схеме обеспечивается глубокое низкотемпературное выжигание горючих из частиц с одновременным устранением образования внутритопочных и натрубных отложений, характерных для высокотемпературных топочных процессов. По стабильности горения, глубине выгорания топлива и экологическим показателям котлы с низкотемпературным вихревым сжиганием приближаются к характеристикам котлов с топками кипящего слоя.

В основе НТВ-технологии – принцип организации низкотемпературного сжигания груборазмолотого твердого топлива в условиях многократной циркуляции частиц в камерной топке. В топке разнесены по высоте две зоны горения: вихревая (2) и прямоточная (1). Вихревая зона занимает объем нижней части топки от устья топочной воронки до горелок. Прямоточная зона горения располагается над вихревой зоной в верхней части топки.

Аэродинамика вихревой зоны создается за счет взаимодействия двух организованных потоков: первый поток (а) сформирован из топливно-воздушной смеси, поступающей в топку через горелки; второй поток (b) состоит из горячего воздуха, подаваемого в топку через систему нижнего дутья. Потоки направлены навстречу друг другу и образуют пару сил, создающую вихревое движение в нижней части топки.

В отличие от пылеугольного сжигания, где до 96% топлива сгорает в “зоне активного горения”, расположенной в районе горелок и занимающей относительно небольшой объем камерной топки, в вихревой топке в “зону активного горения” вовлечен значительно больший объем топочного пространства, что дает возможность снизить максимальную температуру в вихревой топке на 100–300 С и за счет активной аэродинамики выровнять уровень температуры в объеме вихревой зоны.

НТВ-топка отличается высокой устойчивостью воспламенения топлива. Несмотря на пониженный уровень температуры, благодаря организованной многократной циркуляции горящих коксовых частиц топлива и ступенчатому подводу воздуха в вихревой зоне топки создан устойчивый и надежный механизм, стабилизирующий воспламенение и обеспечивающий выгорание топлива.

Применение сжигания в низкотемпературном вихре позволяет практически полностью исключить шлакование поверхностей нагрева котла и повысить надежность его работы.

ТехЭкспертиза

Константин Григорьев, зам. генерального директора ООО “Компания “НТВ-энерго” (г. С.-Петербург), к.т.н.:

– В 2003 г. на НТВ-схему сжигания был переведен котел БКЗ-220-100 Новомосковской ГРЭС ОАО “Тулэнерго”. До реконструкции котла отмечались невозможность сжигания угля без подсветки факела мазутом, сильное шлакование поверхностей нагрева, ограничение нагрузки котла до 160 т/ч, высокие выбросы оксидов серы SOx. В результате реконструкции котла БКЗ-220-100 с переводом на НТВ-сжигание обеспечена устойчивая работа котла на буром угле без подсветки факела резервным топливом, работа котла без шлакования поверхностей нагрева, КПД (брутто) котла составил 89…91%, решена проблема надежной подачи топлива в мельницы за счет установки двухшнековых питателей. Александр Сидоров, директор НИЦ ПО “Бийскэнергомаш” (г. Барнаул):

– Высокая эффективность данного типа котлов доказана результатами внедрений: на Теплоозерском цементном заводе (котел ТП-35У с топкой, на местных бурых углях), в коммунальной энергетике (котлы КЕ-10, ДКВр-20, КЕ-25, Хабаровский край). Проведены успешные реконструкции: 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.

ТехДетали

Существует четыре технологии сжигания биотоплива: в шахтной топке на неподвижных колосниковых решетках (котлы фирм “Стройдеталь”, “Сорок второй трест”, “Союз-Георгий”, “Белкотломаш”, “Комконт” и др.), на механических решетках (котлы фирм “Комконт”, “КОМПТ”, разработки ПТП “Энергомет”), в псевдоожиженном слое (возможные поставщики – ОАО “Белэнергомаш”, фирма “ИНЭКО”), традиционное факельное сжигание.

Денис Базыкин

Котел (Барнаульская ТЭЦ)