Национальные особенности твердотопливных технологий

Украина переживает настоящий бум твердотопливных котлов. Однако при этом важно знать особенности данной техники. Это необходимо, чтобы избежать ошибок, из-за которых оборудование может не оправдать ожиданий пользователей. О таких особенностях твердотопливных котлов средней и большой мощности пойдет речь в данной статье.

Твердотопливные котлы, из-за резкого подорожания газа в последние два года, приобрели в Украине значительную популярность. Все большее распространение они получают не только в частных домохозяйствах, но и для генерации тепловой энергии в сфере централизованного отопления предприятий, учреждений, жилых кварталов, поселков и т.п. При этом нередко заказчики не имеют опыта эксплуатации подобного оборудования и потому располагают весьма непонятными представлениями о нем. Тем не менее, есть ряд существенных особенностей «твердотопливников», о которых стоит знать, чтобы они работали безопасно, эффективно и длительное время.

Выбор топлива

Исходный и самый важный элемент установки – топливо! При выборе котельного оборудования необходимо четко определиться, на каком виде топлива оно будет работать. Ведь понятие «твердое топливо» неимоверно широкое (рис. 1). И эффективность его сжигания напрямую зависит от множества факторов, например, вида древесины, влагосодержания, зольности, насыпной плотности и т.п.

Естественно, что при выборе энергоресурса необходимо ориентироваться на наличие расположенной вблизи к потребителю тепла топливной базы. Если котельная находится в степной зоне, то, вероятно, нет смысла проектировать её под сжигание древесины. Для удобства при проектировании можно воспользоваться, например, картой расположения леспромхозов. Перспективным направлением для Украины является использование в качестве топлива также отходов сельского хозяйства, которыми могут обеспечить соответствующие агропромышленные предприятия. Но необходимо понимать, что сжигание отходов «дешевой» растительной биомассы (солома, початки кукурузы, шелуха подсолнечника и т.д.) связано со сложностями во время эксплуатации твердотопливной установки: низкая температура плавления золы, наличие большего количества хлора, большая зольность и т.д. В комплексе это приводит к удорожанию оборудования, систем очистки дымовых газов и к увеличению эксплуатационных затрат.

Очень важно иметь уверенность в том, что предприятие-поставщик топлива сможет обеспечить котельную топливом точно в срок, в нужном объёме и необходимого качества. Также нужно предусмотреть склад для топлива, просчитать логистику его бесперебойной доставки (количество транспортных средств, подъездные дороги, количество ходок, хранение). При этом экономически целесообразно рассматривать расположение производства древесной щепы на расстоянии, не превышающем 100–150 км от котельной, так как данный вид топлива имеет небольшую насыпную плотность и его себестоимость очень зависит от логистической составляющей (рис. 2).

В любом случае, важно знать наперед какой вид топлива будет использоваться. Смена топлива, как это часто происходит из-за изменения конъюнктуры рынка, чревато значительным снижением не только эффективности, но и ресурса работы котельного оборудования, преждевременным выходом его из строя.

При этом очень вероятно чрезмерное образование и спекание золы. Например, такой параметр, как температура плавления золы для древесины составляет порядка 1100 °С (поэтому температура горения в котле поддерживается на уровне до 950…1000 °С), а для соломы – температура плавления значительно ниже – 750-800 °С. Поэтому загрузка соломы (или пеллет из неё) в твердотопливный котел, изначально сконструированный и рассчитанный на сжигание древесного топлива, приводит к такому, крайне нежелательному, явлению, как спекание золы (рис. 3). При этом образующийся шлак «забивает» топку и систему золоудаления, создавая дополнительные механические разрушения внутренних частей котла и систем. Он прилипает к шамоту и колосникам, приводя к разрушению котла, из-за увеличения разности температур на его внутренних поверхностях (неправильным температурным перепадам в различных зонах). Таким образом, оборудование преждевременно выходит из строя.

Пример перехода с одного топлива на другое – твердотопливный котел, который установлен на одном украинском предприятии. Изначально оборудование было рассчитано на сжигание дробленых древесных отходов (щепы), а затем, в целях экономии, перешли на отходы сельхозпереработки – кукурузные початки. Это привело к недогару топлива и спеканию золы (рис. 4).

Из-за неполного сгорания также ухудшился состав выбросов – возросло содержание CO и NOх. В итоге, для этого конкретного случая, было решено применить комбинированное сжигание растительного и древесного топлив в соотношении 50/50%  (рис. 5).

В принципе, смешивать топливо можно, но в определенных пределах, рекомендованных производителем. При этом нужно контролировать процесс горения и температуру в топке котла. Например, в странах Евросоюза, если подают солому в топку котла, рассчитанного на древесное топливо, то в смесь топлив добавляют раствор известняка (CaCO3) для повышения температуры плавления. В Украине это пока не практикуется. Кроме того, раз уж речь зашла о соломе, то в её составе – повышенное содержание хлора (Cl) (табл. 1). Поэтому, в результате горения, образуется соляная кислота (HCl), разрушающая стенки (внутренние поверхности теплообменника) котла и ухудшающая состав выбросов.

При сжигании пеллет из другого растительного топлива – шелухи подсолнечника – образуется мелкодисперсная летучая зола, которую очень сложно уловить из отходящих газов. Полное сжигание шелухи подсолнечника требует большего объема камеры сгорания, так как она имеет небольшую насыплю плотность и высокую летучесть. Эти факты необходимо учитывать при проектировании систем очистки отходящих газов, чтобы горящие частички летучей золы не долетели, например, до рукавов фильтра и не расплавили их материал.

Большое значение имеет не только соблюдение в процессе эксплуатации рекомендаций производителя относительно типа топлива и его использования, но и максимально возможная стабильность качества энергоносителя. К примеру, невозможно «на глаз» определить качество древесных пеллет (рис. 6). Утверждения о том, что чем светлее гранулы, тем они эффективнее и содержат меньше золы, неверно. Обычно пеллеты бело-желтого цвета изготавливаются из отходов мебельного производства, пеллеты с добавлением коричневого вкраплений производятся из сырья с добавлением коры. Однако цвет пеллет не является критерием качества. По цвету пеллет можно определить – какое сырье использовалось, как происходило пеллетирование и как пеллеты хранились. При этом светлые пеллеты в своем составе могут содержать микроскопические частички песка, попавшие в пеллеты при недобросовестном производстве. Чтобы не ошибиться при заказе топлива нужно первым делом требовать сертификат качества, ну а лучше взять небольшую партию на пробу, проконтролировать насколько соблюдается технология изготовления. Неплохо иметь и собственную мини-лабораторию для входного контроля качества (хотя бы по основным параметрам – влагосодержание, зольность, истирание и т.д.). Затем, по результатам наблюдений,уже можно составлять долгосрочные договора. В них должны быть четко прописаны штрафные санкции на некачественное твердое топливо или отклонения в параметрах выше допустимой нормы.

На определение исходного топлива влияет и мощность котельной. Так, просчитано, что пеллеты экономически целесообразно использовать при тепловой мощности котельной до 1,5 МВт, а при мощности свыше 2 МВт – лучше применять древесную щепу.

Плата за воду

При выборе твердого топлива важно учитывать такой его показатель, как влагосодержание.  Всем известно, что, чем ниже процент содержания воды, тем больше количества энергии содержит топливо (рис. 7).

Однако, это еще не все. Можно добавить, что при этом еще и значительно снижаются капитальные расходы на оснастку котельной. Ведь чем меньше влагосодержание топлива, тем компактнее габариты котла (зона колосниковой решетки, в которой происходит сушка топлива) (табл. 2), значит, и не нужно большего помещения котельной, что снижает расходы на строительство. Это особенно актуально в случае больших мощностей.

Размеры и вес, в свою очередь, напрямую влияют на цену котла. Кроме того, есть возможность снизить косвенные расходы – на установку менее мощных вентиляторов для подачи воздуха, меньший нагрев первичного воздуха для сушки топлива, менее производительные системы очистки отходящих газов и т.д.

Отходы от сжигания биомассы

Вопросу утилизации золы, образующейся при сжигании твердого топлива, в нашей стране пока, к сожалению, практически не уделяется должного внимания (рис. 8). Широко распространено мнение о том, что золу можно использовать в качестве сельскохозяйственного удобрения. Отчасти верно это лишь для бытовых котлов и подовой золы от промышленного оборудования.

Особенно токсичной для человеческого организма является мелкодисперсная пыль (рис. 9), улавливаемая (с помощью рукавного фильтра или электрофильтра) из отходящих газов.

Со временем, поскольку Украина идет путём евроинтеграции, так или иначе придется серьёзно заниматься вопросами, как очистки отходящих газов, так и утилизации золы. Поскольку её количество довольно значительно (даже при сгорании древесных пеллет зольность составляет порядка 1%), то проблема достаточно актуальна.

В странах Евросоюза золу частично (имеется ввиду, подовая зола) (рис. 10) вносят в почву для удобрения плантаций деревьев. Можно использовать золу и шлак для изготовления строительных материалов (опыт чего был еще в советские времена), резины. Все зависит опять же от состава исходного топлива.

Безопасность при эксплуатации

Теперь обратимся к такой важной для котельного оборудования теме, как безопасность эксплуатации. В случае с твердотопливными котлами она обеспечивается за счет различных технологий. И этот аспект не менее важен, чем при эксплуатации, например, газового оборудования.

Прежде всего, в системах автоматической подачи топлива используется защита от обратного горения. К примеру, в котлах компании Viessmann (Германия) применяется сразу три степени такой защиты. Во-первых, за счет особого расположения подающей линии создается плотный слой топлива, блокирующий распространение огня. Во-вторых, при превышении допустимых показаний датчика температуры на линии подачи топлива происходит кратковременное повышение расхода топлива, что также препятствует распространению огня. И, в-третьих, в случае опасности обратного горения, либо при отключении подачи электроэнергии, приводится в действие заслонка (горизонтальный отсечной шибер или шлюзовой затвор).

Дополнительным средством механической защиты от обратного горения является система пожаротушения (рис. 11, 12). Форсунки распыла обеспечивают подачу воды в промежуточную шлюзовую камеру между котлом и бункером топлива, таким образом, предотвращая дальнейшее распространение огня.

Особенностью твердотопливных котлов является чувствительность к пускам-остановкам. В этом случае внутренние части топки котла страдают из-за резких перепадов температур (температурные расширения) и преждевременно могут выйти из строя. Пуски-остановы необходимо минимизировать. Кроме того, в твердотопливных котлах ведущих производителей широко применяется вмонтированный теплообменник аварийного охлаждения. Он подключен к трубопроводу холодного водоснабжения и обеспечивает защиту котла от перегрева в случае нарушения электроснабжения. При этом в момент превышения температуры котловой воды допустимого уровня (например, 110 °С) срабатывает термостатический клапан. Охлаждение котловой воды водопроводной происходит за счет теплопередачи через защитный теплообменник. Это предотвращает перегрев воды в котле. В качестве дополнительных устройств безопасности, согласно европейским нормам, применяются датчики давления и температуры теплоносителя, заполненности котлового блока, а также ограничители температуры, расширительные емкости и др. лучше. Обычно минимальная мощность – 25-30%. Кроме того, важна прочность конструкции, что определяется толщиной стали и качеством исполнения (рис. 13).

Еще одна особенность твердотопливников – большая инерционность. Для обеспечения щадящего режима для внутренних частей топки котла, максимальная скорость набора тепловой мощности составляет 2 % в минуту. И, если котел используется еще и для горячего водоснабжения, покрыть пики водопотребления (утренние и вечерние) сложно. Ведь системы ГВС характеризуются неравномерностью загруженности по времени суток. Для сглаживания пиков потребления и защиты твердотопливного котла в этом случае необходимо установить буферную емкость (рис. 14, нижняя правая часть). Как правило, её объем рассчитывается исходя из 10-20 л на 1 кВт мощности оборудования, учитывая неравномерность потребления тепловой энергии в пиковые часы.

И еще один немаловажный момент, в плане безопасности, касается особенностей хранения твердого топлива. Дело в том, что при складировании навалом, к примеру, древесной щепы, внутри куч повышается температура вследствие жизнедеятельности грибков и других микроорганизмов (рис. 15). Дальнейший подъем температуры происходит в результате окислительных реакций и реакции распада древесины, протекающих с выделением тепла. Это, в свою очередь, может привести к самовозгоранию топлива. Поэтому важно соблюдать правила хранения и не превышать установленные нормы.

Выводы

Современные эффективные твердотопливные котлы не могут быть универсальными. Они рассчитаны на работу с определенным видом топлива. Отклонения основных параметров возможны лишь в допустимых пределах. Чем выше качество исходного топлива (меньше зольность, отсутствие посторонних включений, ниже влагосодержание и выше теплотворная способность), тем дольше будет безотказной работа котла. Таким образом, не смотря на большие расходы на покупку топлива, стоимость, в целом, жизненного цикла оборудования будет ниже. То же касается непосредственно цены котла, т.е. его дешевизна далеко не всегда гарантирует эффективность, безопасность работы и небольшие эксплуатационные затраты.

В целом, основные вопросы при внедрении твердотопливных технологий в Украине, частично освещенные в данной статье, представлены в табл. 3.