Методические рекомендации по применению передовой практики Часть A: Сжигание биомассы

Сжигание топлива в псевдоожиженном слое

жүктеу/скачать 2.61 Mb.

бет	4/11
Дата	14.06.2016
өлшемі	2.61 Mb.
	#134894
түрі	Методические рекомендации

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

3.3 Сжигание топлива в псевдоожиженном слое

Установки сжигания топлива в псевдоожиженном слое (ПС) были впервые применены в 1960 г. для сжигания городских и промышленных отходов. С тех пор в различных странах мира было построено более 300 коммерческих установок. В технологическом отношении следует различать кипящий псевдоожиженный слой (КПС) и циркулирующий псевдоожиженный слой (ЦПО). Установка с псевдоожиженным слоем состоит из цилиндрического сосуда с перфорированной нижней пластиной, заполненного суспензионным слоем гранулированного горячего инертного материала. Наиболее распространенными материалами псевдоожиженного слоя являются кремнезем и доломит. Материал севдоожиженного слоя составляет 90–98% смеси топлива с материалом псевдоожиженного слоя. Первичный воздух горения, поступающий в печь снизу через воздухораспределительную пластину, псевдооожижает слой, превращая его в "кипящую" массу частиц и пузырьков воздуха. Высокие интенсивность теплообмена и эффективность смешения материала в слое создают благоприятные условия для полного сгорания топлива с низким коэффициентом избытка воздуха (λ = от 1,1 до 1,2 в установках с ЦПС и от 1,3 до 1,4 в установках с КПС ). Необходимо поддерживать низкую температуру горения (как правило, 800-900^oC) с тем, чтобы предотвратить спекание золы в слое. Поддержание низкой температуры горения осуществляется с использованием внутренних поверхностей теплообменника, посредством рециркуляции топочного газа или подачи воды (в установках с неподвижным слоем топлива температура горения обычно на 100-200^oС выше, чем в в установках с псевдоожиженным слоем).
Благодаря высокой степени смешения, достигаемой в псевдоожиженном слое, установки, предназначенные для сжигания топлива в ПО, могут успешно использоваться для сжигания различных топливных смесей (например, смесей древесины и соломы), однако их возможности ограничивают размеры частиц топлива и загрязняющие вещества, содержащиеся в топливе. Поэтому для обеспечения надежной работы установки необходимо использовать соответствующую систему предварительной обработки топлива, включающую уменьшение размеров частиц топлива и отделение металлических материалов.
Как правило, рекомендуется использовать топливо с размером частиц до 40 мм для сжигания в установках с ЦПО и топливо с размером частиц до 80 мм в установках с КПО. Эффективность работы установок с ПО при частичных нагрузках ограничивается параметрами ожижения слоя топлива.
Установки, предназначенные для сжигания топлива в псевдоожиженном слое, имеют достаточно длительное время розжига (до 15 часов), который осуществляется с использованием нефтяных или газовых форсунок. Что касается уровня выбросов, в установках с ПО можно обеспечить низкий уровень выбросов NOx благодаря эффективной ступенчатой подаче воздуха, высокой степени смешения и низкой потребности в избыточном воздухе.
Использование добавок (например, известняка, добавляемого для связывания серы) дает хорошие результаты благодаря эффективному смешению, обеспечиваемому в псевдоожиженном слое. Низкая потребность в избыточном воздухе повышает полноту сгорания и снижает объем топочного газа.
Благодаря этим характеристикам ПО является более приемлемым для использования в установках большой мощности (в котлоагрегатах мощностью более 30 МВтт). Как правило, эксплуатационные затраты при использовании ПО в установках меньшей мощности являются значительно более высокими по сравнению с установками с неподвижным слоем топлива. Недостатком установок, предназначенных для сжигания топлива в ПО, является высокая пылевая нагрузка и унос большого количества пыли с топочным газом, что делает необходимым использование эффективных пылеосадитетелей и регулярную чистку систем котлоагрегата. Материал псевдоожиженного слоя также теряется с золой, что делает необходимым регулярное пополнение загруженного в установку материала слоя.

Рис. 3.20.Котлоагрерат с КПО производства фирмы Kvaerner.

Boiler furnace = Топка котлоагрегата

Oil burners = Нефтяные форсунки
Fluidized bed = Псевдоожиженный слой
Overfire air = Воздух острого дутья
Fuel feeding = Подача топлива
Primary air = Первичный воздух
Bottom ash removal = Удаление зольного остатка

3.3.1 Сжигание топлива в кипящем псевдоожиженном слое (КПС)

Печи с КПО представляют интерес для использования в котельных установках номинальной мощностью более 20 МВтт. В печах с КПО (см. Рис. 3.20) материал слоя помещается в нижней части печи. Первичный воздух, подаваемый через распределительную тарелку форсунки, флюидизирует (ожижает) материал слоя. В качестве материала псевдоожиженного слоя обычно используется кремнеземный песок с частицами диаметром около 1,0 мм; скорость потока воздуха, подаваемого для псевдоожижения слоя, составляет от 1,0 до 2,5 м/с. Вторичный воздух подается через несколько групп впускных отверстий с форсунками расположенных горизонтально в верхней части печи (надслойной секции), обеспечивая ступенчатую подачу воздуха, позволяющую снизить выбросы NOx. В отличие от печей с КПО, использующих уголь в качестве топлива, топливная биомасса, имеющая более высокую реактивную способность по сравнению с углем, подается не на слой топлива, а в слой топлива по наклонным желобам из топливного бункера. Так как содержание топлива составляет только 1-2% общего количества материала слоя, перед введением топлива слой разогревается (внутри или снаружи). Преимуществом печей с КПО является их гибкость в отношении размера частиц и уровня влажности топливной биомассы. Также возможно использование смесей из различных видов биомассы и их совместное сжигание с другими видами топлива. Один из существенных недостатков печей с КПО – ограниченные возможности при работе с неполной нагрузкой – устранен в современных печах посредством разделения слоя топлива на зоны или ступени.

3.3.2 Сжигание топлива в циркулирующем псевдоожиженном слое (ЦПС)

Увеличение скорости потока воздуха до 5-10 м/с и использование более мелких частиц песка (0,2-0,4 мм) позволяет создать циркулирующий псевдоожиженный слой. Частицы песка, увлекаемые топочным газом, улавливаются в горячем циклоне или ударном сепараторе с элементами швеллерной конфигурации (U-beam separator) и подаются обратно в камеру сгорания (см. Рис. 3.21).

Рис. 3.21. Схематическое изображение процесса СПО.

Регулирование температуры слоя (800-900^○С) осуществляется с помощью внешних теплообменников, охлаждающих используемый песок, или стенок с водяным охлаждением. Более высокая турбулентность слоя в печах с ЦПО повышает эффективность теплообмена и обеспечивает более однородное распределение температуры в слое. Это позволяет обеспечить стабильные условия сжигания топлива, эффективное регулирование ступенчатой подачи воздуха и размещение поверхностей нагрева в верхней части печи.

Недостатками печей ЦПО являются их большие размеры и, соответственно, более высокая стоимость, еще более высокая по сравнению с установками с КПО, пылевая нагрузка и унос большего количества пыли с топочным газом, большие потери с золой материала слоя и необходимость использования мелких частиц топлива (диаметром от 0,1 до 40 мм), что часто увеличивает затраты на предварительную обработку топлива. Также ограничены возможности установки при работе с частичной нагрузкой. Печи ЦПО, имеющие высокую удельную эффективность теплообмена и более низкую скорость потока топочного газа, представляют интерес для использования в установках мощностью более 30 МВтт (возможно проектирование устройств очистки котлоагрегатов и топочного газа меньших размеров).

3.4 Пылевое сжигание

В установках, предназначенных для пылевого сжигания, процесс горения протекает, когда топливо находится во взвешенном состоянии. Воздух, подаваемый для флюидизации, используется в качестве первичного воздуха. Розжиг печи производится с помощью вспомогательной форсунки. Когда температура горения достигает определенного значения, начинается загрузка биомассы и вспомогательная форсунка выключается.
Смесь топлива с воздухом обычно подается по касательной в цилиндрическую печь, создавая круговой (вихревой) поток. Вихревое движение может усиливаться рециркуляцией газа в топочной камере. Наклонная подача воздуха создает вихревое течение и способствует хорошему смешению воздуха с топливом. Используется механическая или пневматическая подача топлива. Высокая плотность энергии у стенок печи и высокая температура горения требуют применения системы водяного охлаждения печи. Так как топливо состоит из мелких частиц, газификация и сгорание углей происходят одновременно, что позволяет быстро изменять нагрузку и осуществлять эффективный контроль параметров нагрузки печи. Так как газификация мелкодисперсных и мелких частиц носит "взрывчатый" характер, необходимо обеспечить эффективный контроль системы подачи топлива, которая является основным технологическим компонентом установки.
Циклонные топки (Рис. 3.22) представляют собой широко используемые топочные камеры, предназначенные для сжигания топлива с содержанием пыли не менее 50%, размером частиц 10-30 мм и влажностью до 10%.

Рис. 3.22. Циклонная топка для сжигания топлива во взвешенном состоянии.

Secondary air = Вторичный воздух

Primary air = Первичный воздух

Муфельные печи для пылевого сжигания (Рис. 3.23) все более широко применяются для сжигания мелких древесных отходов производства древесностружечных плит. Выходное отверстие муфеля образует горловину, на которую подается вторичный воздух с тем. чтобы обеспечить эффективное cмешение воздуха с горючими газами. Движущийся с высокой скоростью поток топочного газа увлекает частицы золы, которые частично оседают в камере продуктов сгорания. Использование соответствующего режима ступенчатой подачи воздуха обеспечивает низкую потребность в избыточном воздухе (λ =1,3-1,5) и низкий уровень выбросов NOx. Эта технология применяется в установках мощностью от 2 МВт до 8 МВт. Размер частиц топлива не должен превышать 10-20 мм, а влажность не должна превышать 20%.

Рис. 3.23. Схема установки для пылевого сжигания (муфельная печь).

Обозначения: Zündbrenner = Форсунка розжига, Brennstoffzufuhr = Подача топлива, Primärluftzufuhr = Первичный воздух, Sekundärluftzufuhr = Вторичный воздух, Tertiärluftzufuhr = Третичный воздух, Abgaszufuhr (Rezirkulation) = Отходящий газ (Recirculation), Entaschung = Удаление золы

3.5 Обобщенные данные о технологиях сжигания биомассы

В Таблица 3.1 дается технологическая оценка описанных методов сжигания биомассы. В отношении газообразных и твердых выбросов печи с КПО и ЦПО обеспечивают более низкий уровень выбросов CO и NOx благодаря более однородным и, следовательно, более управляемым условиям сгорания топлива. В свою очередь, в топках с неподвижным слоем топлива образуется меньше частиц пыли и обеспечивается лучшее сгорание зольной пыли. В таблице 3.2 приведены обобщенные данные о характеристиках тепловой мощности установок и требуемых характеристиках топлива, используемых в описанных технологиях сжигания биомассы.

Таблица 3.1. Технологическая оценка и области применения различных технологий сжигания биомассы.

Преимущества	Недостатки
Топки с нижней подачей топлива -низкие инвестиционные затраты при использовании на установках мощностью < 6 МВт_т -простой и эффективный контроль нагрузки благодаря непрерывной подаче топлива -низкий уровень выбросов при работе с частичной нагрузкой благодаря эффективному дозированию топлива	-пригодны только для сжигания биотоплива с низкой зольностью и высокой температурой точки плавления золы (древесное топливо) -ограничения по размеру частиц
Топки с колосниковыми решетками -низкие инвестиционные затраты при использовании на установках мощностью < 20 МВт_т -низкие эксплуатационные затраты -низкое содержание пыли в топочном газе -в меньшей степени, чем печи с псевдоожиженным слоем, чувствительны к шлакообразованию	-не допускается смешивание древесного топлива с травяным топливом -эффективное снижение уровня выбросов NOx требует применения специальных технологий -высокое содержание избыточного кислорода (5-8 объемных %) снижает полноту сгорания -условия горения -менее однородные, чем в печах с псевдоожиженным слоем -трудно обеспечить низкий уровень выбросов при работе с неполной нагрузкой
двухкамерные топки -могут использоваться с существующими котлоагрегатами -экономичное решение при конверсии котлоагрегата	-занимают относительно большую площадь -недостаточно эффективный отвод теплоты из предварительной топки -шлакообразование и иногда высокий уровень выбросов NOx
пылевое сжигание -низкое содержание избыточного кислорода (4-6 объемных %) повышает КПД -эффективная ступенчатая подача воздуха позволяет значительно снизить уровень выбросов NOx, если используются циклон или вихревые форсунки -высокоэффективный контроль нагрузки и быстрое изменение параметров нагрузки	-ограничены размеры частиц биотоплива (< 10-20 мм) -высокий износ изоляционного кирпича при использовании циклона или вихревых форсунок -необходима дополнительная форсунка розжига
Печи с КПО -не имеется подвижных деталей в топочной камере -эффективное снижение уровня выбросов NOx посредством ступенчатой подачи воздуха -возможность работы в широком диапазоне значений влажности и с различными типами топливной биомассы -низкое содержание избыточного кислорода (3-4 объемных %) повышает КПД и снижает объем топочного газа	-высокие инвестиционные затраты, представляет интерес только при использовании на установках мощностью > 20 МВт_т -высокие эксплуатационные затраты -значительно ограничены размеры частиц биотоплива (< 80 мм) -высокое содержание пыли в топочном газе -при работе с неполной нагрузкой требуется применение специальных технологий -средняя чувствительность к шлакообразованию -потери материала слоя с золой -средняя степень эрозии трубок теплообменника в псевдоожиженном слое
Печи с ЦПО -не имеется подвижных деталей в топочной камере -эффективное снижение уровня выбросов NOx посредством ступенчатой подачи воздуха -возможность работы в широком диапазоне значений влажности и с различными типами топливной биомассы -однородные условия горения в камере, если используются несколько топливных форсунок -высокая удельная эффективность теплообмена благодаря высокой турбулентности -легкое использование добавок -очень низкое содержание избыточного кислорода (1-2 объемных %) повышает КПД и снижает объем топочного газа	-высокие инвестиционные затраты, представляет интерес только при использовании на установках мощностью > 30 МВтт -высокие эксплуатационные затраты -значительно ограничены размеры частиц биотоплива (< 40 мм) -высокое содержание пыли в топочном газе -при работе с неполной нагрузкой требуется второй слой потери материала слоя с золой -высокая чувствительность к шлакообразованию -потери материала слоя с золой -средняя степень эрозии трубок теплообменника в псевдоожиженном слое

Таблица 3.2. Типичные характеристики мощности установок и характеристики топлива, используемых в различных методах сжигания древесины.

Тип	Диапазон мощности	Вид топлива	Зола	Влажность
Топка с нижней подачей топлива	20 кВт - 2.5 МВт	древесная щепа, древесные отходы	<2%	5%-50%
Двухкамерная топка	20 кВт - 1.5 МВт	сухая древесина (лесосечные отходы)	<5%	5%-35%
Топка с подвижной решеткой	150 кВт - 15 МВт	все виды древесного топлива; большая часть биомассы	<50%	5%-60%
Топка с нижней подачей топлива с вращающейся решеткой	2-5МВт	древесная щепа, с высокой влажностью	<50%	40%-65%
КПО	5-15 МВт	различные виды биомассы, d< 10 мм	<50%	5%-60%
ЦПО	15-100 МВт	различные виды биомассы, d< 10 мм	<50%	5%-60%
Топка для пылевого сжигания в потоке	5-10 МВт	различные виды биомассы, d< 5 мм	<5%	<20%

3.6 Системы утилизации тепла и возможности повышения КПД установки

В Таблица 3.3 приведены возможные варианты повышения КПД установок, предназначенных для сжигания биомассы. Представляет интерес такой метод, как подсушка биомассы, которая, однако обычно обеспечивает умеренное повышение КПД и снижение затрат. Вместе с тем, этот метод позволяет предотвратить самовозгорание в кучах влажной коры, снизить потери сухого вещества, вызываемые процессами микробиологического разложения при хранении топлива, и снизить необходимый объем хранилища на установке. Предполагаемый процесс подсушки биомассы следует подвергнуть тщательному анализу с целью определения возможной экономической выгоды с учетом дополнительных инвестиционных и эксплутационных затрат, включая затраты на электроэнергию, а также человеко- и машино-часы, необходимые для обслуживания процесса. В большинстве случаев подсушка биомассы является экономически оправданной только тогда, когда имеется дешевый или бесплатный подогретый воздух (примерами могут служить солнечные воздушные коллекторы и использование подогретого воздуха, получаемого из установок конденсации топочного газа). Анализ условий при открытом хранении показывает, что подсушивание куч биомассы в течение нескольких месяцев с использованием естественной конвекции в большинстве случаев является экономически невыгодным, так как потери от биологического разложения (1-2 весовых % в месяц) превышают полученное повышение КПД.

Таблица 3.3. Влияние различных мер на тепловой КПД установок, предназначенных для сжигания биомассы.

Меры	Потенциальное повышение теплового КПД
Подсушка со снижением влажности с 50 весовых % до 30 весовых %	+8,7% (в.о.)
Снижение содержания O₂ в топочном газе на 1,0 объемный %	около +0,9%
Сжигание коры: Снижении содержания Cорг в золе с 10,0 до 5,0 весовых % (со)	+0,3%
Снижение температуры топочного газа на выходе из котла на 10 ⁰C	+0,8%
Конденсация топочного газа (по сравнению с установками для сжигания топлива обычного типа)	среднее +17%; максимальное +30%

Примечание. Потенциальное повышение теплового КПД по сравнению с низшей теплотворной способностью одной сухой тонны топлива (%). Расчет выполнен для древесной щепы и коры, используемых в качестве топлива; ; ВТС = 20 МДж/кг (со).
Сокращения: со – сухая основа; во – влажная основа; НТС – низшая теплотворная способность; ВТС – высшая теплотворная способность; КПД = тепловая мощность (котлоагрегата)/потребленная энергия топлива (НТС)

Снижение содержания избыточного кислорода в топочном газе является эффективной мерой повышения эффективности установки. предназначенной для сжигания, как показано на Рис. 3.24.

Рис. 3.24. Зависимость КПД установки от содержания кислорода в топочном газе.

Примечания: влажность топлива составляет 55 весовых %в.о.; использовавшаяся топливная биомасса: древесная щепа/кора; содержание Н: 6,0 весовых %с.о.; ВТС топлива: 20,3 МДж/кг (со); температура топочного газа на выходе из котла: 1650C; КПД по отношению к НТС топлива; концентрация O2 по отношению к сухому топочному газу; КПД = тепловая мощность (котлоагрегата)/потребленная энергия топлива (НТС)

efficiency η (%) = КПД η (%)

O₂-concentration [Vol%] = концентрация O₂ (объемные %)

Имеется два технологических варианта снижения коэффициента избытка воздуха и одновременно обеспечения полного сгорания топлива. Одним из них является установка кислородного датчика, соединенного с датчиком СО в потоке топочного газа на выходе из котла, с целью оптимизации подачи вторичного воздуха (контроль CO-λ); второй вариант предусматривает повышение качества смешения топочного газа с воздухом топки (как указывалось ранее). Кроме того снижение концентрации избыточного кислорода в топочном газе также позволяет значительно повысить КПД устройств конденсации газа, так как такое снижение повышает значение точки росы и, следовательно, увеличивает количество латентной теплоты в конденсационной воде, которая может быть утилизирована при определенной температуре (см. Рис. 3.25).

Рис. 3.25. Воздействие содержания кислорода в топочном газе на количество теплоты, утилизируемой на установках конденсации топочного газа.

Примечания: расчет точки росы влаги в топочном газе установки для сжигания древесной щепы и коры; влажность топлива: 55 весовых %; содержание Н: 6,0 весовых %с.о; ВТС топлива: 20 МДж/кг (со); Qобщ = тепло, утилизируемое из 1,0 кг топливной биомассы (во), сжигаемой, когда топочный газ охлаждается до температуры 55⁰C.

dew point (⁰C) = точка росы (⁰C)
O₂-concentration [Vol%] = концентрация O2 (объемные %)

Также снижение концентрации избыточного кислорода в топочном газе снижает объем потока топочного газа, что позволяет ограничить падение давления и уменьшить размеры котлоагрегатов и скрубберов топочного газа. При этом необходимо обеспечить, чтобы снижение концентрации избыточного кислорода в топочном газе сопровождалось повышением температуры горения, что требует использования эффективной системы контроля температуры в топке.

Низкое содержание углерода в золе не оказывает значительного воздействия на КПД установки, однако является важным фактором при повторном использовании золы в связи с тем, что концентрация органических загрязнителей в золе биомассы обычно повышается с увеличением концентрации углерода.
Наиболее эффективным и, во многих случаях, экономически оправданным методом утилизации энергии из топочного газа является метод конденсации топочного газа. Кроме того, что этот процесс обладает высоким потенциалом утилизации энергии (до 20% от потребленной энергии топливной биомассы по отношению к НТС), он также обеспечивает высокую степень осаждения пыли (40-75%). Он также позволяет предотвратить конденсирование топочного газа на поверхности дымовой трубы при температуре окружающей среды до -10^○С. В Дании большинство установок систем центрального теплоснабжения, работающих на биомассе. оснащены устройствами конденсации топочного газа. Число таких установок быстро увеличивается в Швеции, Финляндии и Австрии. Несколько установок уже действуют в Италии, Германии и Швейцарии. На Рис. 3.26 показан принцип работы устройства конденсации топочного газа. Обычно установка состоит из трех компонентов – экономайзера (утилизирующего ощутимую теплоту из топочного газа), конденсатора (утилизирующего ощутимую и латентную теплоту из топочного газа) и подогревателя воздуха (подогревающего воздух горения и воздух, используемый для разбавления насыщенного топочного газа перед его поступлением в дымовую трубу).

Рис. 3.26. Схема устройства конденсации топочного газа установки, предназначенной для сжигания биомассы.

Flue gases from combustion = Топочный газ после сгорания топлива

Economizer = Экономайзер
High temperature return from the pipe network = Высокотемпературная вода из обратного трубопровода
Condensor = Конденсатор
Low temperature return from the pipe network = Низкотемпературная вода из обратного трубопровода
Condensate = Конденсат
Condensation sludge = Конденсатный шлам
preheated air = Подогретый воздух
Air preheater = Подогреватель воздуха
Outside air = Наружный воздух

Количество теплоты которое может быть утилизировано из топочного газа, зависит от влажности топливной биомассы, количества избыточного кислорода в топочном газе (как указывалось выше) и температуры воды в обратном трубопроводе. Чем ниже температура оборотной воды, тем больше количество латентной теплоты, которая может быть утилизирована, когда топочный газ охлаждается ниже точки росы (см. Рис. 3.27). Следовательно, потенциал утилизации энергии в значительной степени зависит от качества теплообменников, конструкции гидравлических систем и характеристик систем управления технологическим процессом, которые определяют температуру оборотной воды.

Рис. 3.27. Зависимость КПД установок, предназначенных для сжигания биомассы, оснащенных устройствами конденсации топочного газа, от температуры топочного газа.

Примечания: концентрация кислорода в топочном газе: 9,5 объемных %; использовавшаяся топливная биомасса: древесная щепа/кора; содержание Н: 6,0 весовых %с.о.; ВТС топлива: 20 МДж/кг (со); расчет точки росы для влаги; КПД по отношению к НТС топлива; концентрация O2 по отношению к сухому топочному газу; общий КПД = тепловая мощность (котлоагрегат + устройство конденсации топочного газа)/потребленная энергия топлива (НТС)

Efficiency (%) = КПД (%)
Dew point = Точка росы
55 wt% H₂O = 55 весовых %
35 wt% H₂O = 35 весовых %

Вышеуказанная эффективность осаждения пыли, составляющая 40-75%, может быть значительно повышена посредством размещения простого аэрозольного электростатического фильтра за конденсационным устройством. Данные испытаний показывают, что эффективность осаждения пыли составляет 99,0% при температуре ниже 40^○С. Низкая температура топочного газа позволяет использовать электростатический осадитель (ЭСО) малой мощности который, следовательно, является приемлемым с экономической точки зрения. Также осуществляется эффективное осаждение не только аэрозолей, но и водяных капель, увлекаемых топочным газом, что уменьшает количество воздуха, добавляемого для разбавления насыщенного топочного газа, выходящего из конденсационного устройства. Конденсационный шлам должен отделяться от конденсата (с помощью осадительных устройств), так как он содержит значительное количество тяжелых металлов, подвергшихся очищению в этой фракции мелкодисперсной зольной пыли. Эти металлы удаляются или используются для промышленных целей. Более того, данные исследований показывают, что отделение шлама от конденсата должно производиться при значении рН > 7,5 с тем. чтобы предотвратить растворение тяжелых металлов и обеспечить соответствие значениям предельно допустимых концентраций при прямом сбросе конденсата в реки.

Конденсация топочного газа может также осуществляться посредством смешения с холодным продуктом. Недостатком такой системы является то, что охлаждение несколько уменьшает количество тепла, которое может быть утилизировано, и требует, чтобы температура оборотной воды была еще ниже с тем, чтобы обеспечить экономическую эффективность системы.
Что касается экономических аспектов применения систем конденсации топочного газа, в целом их рекомендуется использовать на установках, предназначенных для сжигания биомассы. Применение устройств конденсации топочного газа представляет интерес в случае использования влажной топливной биомассы (средняя влажность 40-55 весовых %во, если температура воды в обратном трубопроводе составляет менее 60^○С, и если номинальная мощность котлоагрегата составляет более 2 МВт_т.

3.7 Технико-экономические аспекты проектирования установок, предназначенных для сжигания биомассы

Установки, предназначенные для сжигания биомассы, представляют собой сложные системы, содержащие большое число компонентов. Обеспечение рациональной и экономически эффективной эксплуатации таких установок требует выполнения на надлежащем профессиональном уровне инженерно-проектировочных и строительно-монтажных работ, включая определение параметров мощности установок.
Проектно-конструкторские и строительно-монтажные работы включают ряд этапов:
-Определение исходных параметров установки, предназначенной для сжигания биомассы.
-Технико-экономическое обоснование
-Проектирование
-Согласование
-Планирование производства работ
-Начало работ и размещение заказов
-Надзор за производством строительно-монтажных работ
-Приемосдаточные испытания и оформление документации
Основные компоненты установки, предназначенной для сжигания биомассы (дополнительные компоненты указаны в скобках), включают:
-Склад топлива (склад длительного хранения, склад ежедневного пользования)
-Система подачи и погрузки/разгрузки топлива
-Топка для сжигания биомассы
-Котлоагрегат (водогрейный котел, паровой котел, котел с тепловым маслом)
-Резервный котлоагрегат или котлоагрегат для использования при пиковых нагрузках (например, котел, работающий на нефтяном топливе)
-Система утилизации тепла (экономайзер или устройство конденсации топочного газа)
-Система золоудаления и предварительной обработки золы
-Система очистки топочного газа
-Дымовая труба
-Оборудование системы управления и воспроизведения данных
-Электротехнические и гидравлические устройства
-(Аккумулятор тепла)
-(Установка ТЭЦ)
-(Сеть трубопроводов установок системы центрального теплоснабжения)

Рекомендуемые технические и экономические стандарты по установкам, предназначенным для сжигания биомассы и установкам на биомассе, используемым в системах центрального теплоснабжения

В Австрии технические и экономические стандарты по установкам систем центрального теплоснабжения, работающих на биомассе были введены с целью обеспечения экономической целесообразности инвестиций. Соблюдение этих стандартов является обязательным условием получения инвестиционных субсидий при реализации проектов строительства новых систем централизованного теплоснабжения и установок комбинированного производства тепловой и электрической энергии.

                                                                   эффективная тепловая пиковая нагрузка
                                                                   - система централизованного теплоснабжения
Коэффициент одновременности [%] = ---------------------------------------------
                                                                  Σ номинальная мощность подключения потребителя

тепловая мощность, произведенная котлоагрегатом в течение года

Часы работы котлоагрегата
при полной нагрузке [ч/год] =--------------------------------------------------------
номинальная мощность котлоагрегата

теплота, произведенная котлоагрегатом за год

Коэффициент использования в год -
установка для сжигания биомассы [%]=-----------------------------------------
потребленная энергия топлива (НТС) в год

тепло, проданное за год

Коэффициент использования тепла в сети [кВтч/м]=-----------------------
длина трубопроводной сети

затраты на инвестиции для всей системы [Евро]

Удельные инвестиции (котлоагрегат) [Евро/кВт]=-----------------------------------------------
номинальная мощность котлоагрегата, работающего на биомассе

(капитальные затраты + платежи) в год

Затраты на производство тепла [Евро/МВтч]= --------------------------------------
тепло, проданное за год

Определение параметров установки / размеры котлоагрегата

Номинальная тепловая мощность установок систем центрального теплоснабжения или ТЭЦ с регулируемой тепловой мощностью определяется исходя из потребности в энергии (тепловой, электрической) с учетом будущего развития. Поэтому на первом этапе необходимо выполнить детальное и точное обследование имеющихся мощностей и существующих потребностей в тепловой энергии в районе планируемой поставки. Также следует учитывать одновременную потребность в энергии потребителей систем централизованного теплоснабжения, определяемую коэффициентом одновременности. Значение этого коэффициента, зависящее от числа и типов потребителей, составляет от 0,5 (в крупных сетях централизованного теплоснабжения) до 1 (в микросетях).

В большинстве случаев потребность в энергии не является постоянной в течение года. Особенно сильным годовым колебаниям подвержена тепловая нагрузка сетей централизованного теплоснабжения, которая достигает максимума в зимний период и снижается до минимального уровня в летнее время. На основе результатов обследования существующих мощностей и потребностей в тепловой энергии выполняется расчет годового графика производства тепла (см. Рис. 3.28). При выполнении экономических расчетов в процессе проектировании котельных установок необходимо различать базовую нагрузку и пиковую нагрузку. Для удовлетворения потребности в энергии в период пиковых нагрузок также могут использоваться аккумуляторы тепла. Различие между базовой и пиковой нагрузками необходимо учитывать с тем, чтобы определить максимально необходимое число часов работы котла на биомассе с полной нагрузкой и снизить общие затраты на производство тепловой энергии. Определение оптимальных параметров котлоагрегата зависит от величины капитальных затрат на установку для сжигания биомассы и эксплуатационных затрат (в, основном, затрат на топливо – см. Таблица 3.4).

Таблица 3.4. Сравнение удельных затрат на инвестиции с затратами на топливо для установок, работающих на биомассе и нефтяном топливе.

Установка	Удельные затраты на инвестиции	Затраты на топливо
На биомассе	Высокие (около 100 Евро/кВт)¹	Низкие (около 15 Евро/МВтНТС)
На топочном мазуте	Низкие (около 20 Евро/кВт))²	Высокие (около 30 Евро/ВтНТС)

1) Установка, работающая на биомассе мощностью 5 МВтт (устройство подачи топлива, топка, котел, мультициклон, ЭСО, осадитель, дымовая труба).
2) Котлоагрегат, работающий на топочном мазуте мощностью 5 МВтт, с форсункой и дымовой трубой; величина удельных затрат на инвестиции зависит от мощности котлоагрегата.

Рис. 3.28. Пример распределения производства тепловой энергии при базовой и пиковой нагрузках в соответствии с годовым графиком производства тепловой энергии.

Thermal output of the heating plant in % = Тепловая мощность котельной установки в %

Operating hours [h] = Рабочие часы (ч)
Nominal output biomass boiler + heat recovery = Номинальная мощность котел на биомассе + утилизация тепла
Peak load heat coverage (e.g. heat accumulators, fossil fuel fired boilers) = Производство тепла при пиковой нагрузке (например, с использованием аккумуляторов тепла, котлов на ископаемом топливе)
Thermal output - biomass boiler + heat recovery = Тепловая мощность - котел на биомассе + утилизация тепла

Степень использования установки, работающей на биомассе,. в течение года
Степень использования установки, работающей на биомассе (котел на биомассе + утилизация тепла), в течение года должна составлять не менее 85%.
Поэтому рекомендуется использовать систему утилизации тепла (например, экономайзер или устройство конденсации топочного газа).
Размеры склада топлива
Склад топлива должен иметь небольшие размеры, необходимые для оперативного обеспечения эксплуатации установки (единица складского объема биомассы < 10% годового объема потребления топлива). Необходимо обеспечить заключение соответствующих контрактов на поставку топлива, организацию закупок топлива и координацию поставок в пределах региона.
Строительство и затраты на строительные работы
Затраты на строительство зданий и сооружений не должны превышать 750 Евро/м²; затраты на строительство склада не должны превышать 75 Евро/м²; полезного объема.
Трубопроводная сеть
Стоимость строительства тепловой распределительной сети составляет от 35% до 55% от общих затрат на инвестиции, выделяемые на строительство котельных установок систем централизованного теплоснабжения. Поэтому необходимо выполнить точный расчет параметров трубопроводной сети с тем, чтобы обеспечить высокую степень ее использования, уделив особое внимание использованию небольших эффективных сетей. В системах централизованного теплоснабжения, использующих установки, работающие на биомассе, степень использования тепловой сети должна превышать 800 кВтч/м; плановый показатель составляет 1 200 кВтч/м. Также необходимо обеспечить максимальную разность температур между входом и выходом трубопроводной сети. Соответствующий плановый показатель в системах централизованного теплоснабжения, использующих установки, работающие на биомассе. составляет 40○С или более. Степень использования сети централизованного теплоснабжения в течение года должна превышать 75%.
Затраты на производство тепла и оптимизация параметров с учетом экономических показателей
Расчет затрат на производство энергии рекомендуется выполнять в соответствии с "Методическими рекомендациями VDI (Ассоциации немецких инженеров) 2067".
В этой схеме расчета выделяются четыре вида затрат:
-капитальные затраты (амортизационные отчисления, затраты на выплату процентов),
-затраты, связанные с потреблением (топлива, материалов, таких как смазочные материалы),
-эксплуатационные затраты (затраты на содержание персонала, затраты на техническое обслуживание),
-другие затраты (административные расходы, страхование).
Затраты на строительство котельных установок на биомассе, включая системы подачи топлива и устройства очистки топочного газа, превышают затраты на строительство энергетических установок, работающих на ископаемом топливе (см. Таблица 3.4). Типичные объемы затрат на инвестиции для строительства установок, работающих на биомассе, в Австрии и Дании приведены на рис. 3.29. Для снижения затрат на производство тепла необходимо обеспечить рациональную эксплуатацию установки. График на Рис. 3.30 иллюстрирует зависимость величины капитальных издержек при эксплуатации установок, работающих на биомассе, от числа часов работы с полной нагрузкой. С тем, чтобы получить выгоду от снижения маргинальных издержек, число часов работы с полной нагрузкой установки, работающей на биомассе, должно превышать 4 000 часов в год. Для установок ТЭЦ на биомассе соответствующий плановый показатель составляет 5000 или более часов работы котла с полной нагрузкой.

Рис. 3.29. Сравнение величины удельных затрат на инвестиции для строительства котельных установок на биомассе в Австрии и Дании в зависимости от размеров котлов.

Примечания: затраты на инвестиции включают: затраты на топку с колосниковой решеткой для сжигания древесной щепы, резервный котел (на мазуте), склад топлива, систему подачи топлива, устройство очистки топочного газа, дымовую трубу, здания и сооружения, гидравическое и электротехническое оборудование, проектно-конструторские и строительно-монтажные работы (без трубопроводной сети). Уровень цен по состоянию на 1998 г.

specific investment costs in 1000 € /MW (nom. therm. capacity – biomass boiler) = Удельные затраты на инвестиции, 1000 Евро/МВт (номинальная тепловая мощность – котел на биомассе)

nominal thermal capacity of the biomass boiler in MW = номинальная тепловая мощность – котел на биомассе в МВт
Austria =Австрия
Denmark = Дания

Рис. 3.30. Величина удельных затрат на инвестиции для строительства котельных установок на биомассе в зависимости от мощности и степени использования котлов на биомассе.

Примечания: топка для сжигания биомассы с подвижной колосниковой решеткой, включая водогрейный жаротрубный котел. устройство подачи топлива и дымовую трубу), уровень цен по состоянию на 1998 г., процентная ставка – 7% в год, срок службы – 20 лет, расчет выполнен в соответствии с "Методическими рекомендациями VDI 2067" (VDI Guideline 2067).

capital costs €/MWh (heat production) = капитальные затраты Евро/МВтч (производство тепла)

boiler full load operating hours in h p.a. = часы работы котла с полной нагрузкой в ч/год
boiler nominal capacity: = номинальная мощность котла:
MW = МВт

жүктеу/скачать 2.61 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11