Влажная кора в качестве сырья для котельных установок или как утилизировать отходы лесопиления с генерацией тепловой и электрической энергии

Коммерческий директор компании «ПолиБиоТехник» - официального партнера Polytechnik в России - Илья Лелеков в рамках конференции WOODINDEX, организованной порталом «ПроДерево», рассмотрел такие важные темы, связанные с утилизацией и использованием отходов лесопиления, как:

• Особенности коры как топлива;
• Условия и специализированные решения для сжигания влажной коры;
• Надежность оборудования и энергетическая безопасность. Практические советы;
• Реальные характеристики котельных на коре;
• Генерация электроэнергии на котельных установках;
• Возможности производства попутных продуктов вместе с выработкой тепловой и электрической энергии. Установка Green Carbon.

Кора — извечная проблема лесопильных производств

Выход готовой продукции из круглого леса в среднем составляет 40-44%, иногда выше, это знает любой специалист, занимающийся лесопилением. При этом в результате переработки образуется большое количество отходов — горбыль, отходы торцовки, опилки, кора. Основные способы их утилизации давно уже опробованы, и многие из них очень популярны – это производство пеллет, брикет и древесного угля, хотя для угля чаще используется дровяная древесина. Также отходы лесопиления сжигаются с целью получения тепла и электроэнергии. И именно кора, которая из всего общего объема древесных отходов занимает в среднем целых 15-25%, наиболее привлекательна с экономической точки зрения для сжигания, поскольку, во-первых, имеет условно отрицательную стоимость — если не сжигать, то ее утилизация стоит определенных денег, во-вторых, она не пригодна для переработки в какой-либо другой вид продукции — те же пеллеты или брикеты, в отличии от, например, щепы и опилок.

Особенности коры как топлива

В качестве топлива этот вид лесопильных отходов обладает определенными особенностями. Речь о коре естественной влажности, или, правильнее сказать, коры, которая поступает в производство. Так, иногда древесина доставляется на промплощадку методом сплава, что особенно распространено, например, в Архангельской области. Кроме этого, на многих предприятиях встречается орошение кругляка для предотвращения поражения паразитами. В итоге – содержание влаги в коре достигает 45-65% в зависимости от сезона и предприятия (а щепа при этом имеет более низкую влажность, 30-40%).

Также можно выделить следующие особенности коры как топлива:

• Низкая теплотворная способность – около 1,5-2,5 кВт/кг (против 3,5-4 кВт/кг — теплоты сгорания щепы);
• Низкая температура горения – порядка 1000°С (против 1100-1200°С щепы);
• Очень высокая зольность по сравнению с самой древесиной – 3-5% (против 0,1-1%);
• Загрязненность песком и грязью. И, к слову, эту проблему отдельно отмечали участники конференции из лесопильных компаний. Загрязнение происходит и с самого начала на лесосеке, да и та кора, которая насыпается уже на производственной площадке и лежит просто на земле – тоже сильно загрязнена;
• Наличие крупных включений до 1 метра длинной и даже больше;
• Кора склонна к смерзанию и налипанию в зимний период.

Условия и специализированные решения для сжигания влажной коры

Исходя из перечисленных выше характеристик, существует несколько условий сжигания влажной коры, и им отвечают конкретные современные технологические решения.

Предварительная подсушка коры

Для сжигания такого сложного продукта, как очень сырая кора, необходимо в первую очередь устранить влажность. Для этого нужна качественная просушка топлива в топочном устройстве.

Например, в установках Polytechnik, австрийского производства, для этого применяется выносной воздухоподогреватель специально подобранной мощности. Подогрев первичного воздуха, в зависимости от задания конкретного производства, может осуществляться до 120-220°С. Также при особенно влажном топливе идет подогрев вторичного воздуха для того, чтобы улучшить просушку. При этом толщина слоя топлива должна быть небольшой. Для этого предусмотрены регулируемые датчики уровня топлива в топочном устройстве. Они позволяют корректировать толщину слоя.

Топливо должно равномерно распределяться по всей ширине колосниковой решетки, поэтому через наклонный конус топливоподачи топливо подается сразу на всю ширину, при этом длина колосниковой решетки тоже увеличена - для того, чтобы опять же уменьшить толщину слоя и улучшить просушку.

Свод топочного устройства Polytechnik имеет специальную конструкцию, чтобы во время горения излучаемое тепло отражалось и возвращалось, подогревая топливо и удаляя лишнюю влагу.

Сглаживание колебаний влажности и потребляемой мощности

Часто в топочное устройство поступает кора неравномерной влажности: то посуше, то более сырая. Поэтому крайне важно и необходимо сглаживать колебания влажности.

Кроме того, влажная кора из-за низкой теплотворной способности не позволяет быстро реагировать на увеличение мощности, а при снижении мощности могут возникать негативные эффекты в виде отложений и налипаний. Для того, чтобы этого избежать, необходимо применять массивное адиабатическое (т.е. без теплообмена внутри топочного устройства и с окружающей средой) топочное устройство с большим объемом прогретого топочного пространства. Таким образом, при колебаниях влажности за счет тепловой инерции этой массивной конструкции перечисленные выше негативные эффекты нивелируются.

Еще одна проблема, которая, бывает, возникает на предприятиях: когда котел работает не на номинальной мощности, а ниже, поэтому может не хватать мощности для просушки этого топлива. Оно не может подсушиться и не может гореть, в итоге котел затухает. Чтобы избежать этого и оставить возможность подогреть воздух для подачи в зону подсушки, в установках Polytechnik предусмотрен байпас в обход второго хода котла.

Условия для дожига пиролизных газов

При работе с влажным топливом, очень важно организовать дожиг пиролизных газов. Температура горения - не высокая, поэтому нужно обеспечить достаточное время пребывания частиц газа в топочном устройстве. В устройствах Polytechnik – это более двух секунд, что не обеспечивается в малых топочных устройствах, где увеличен наддув для повышения мощности, но, при этом, нет возможности прогореть всем частицам: несгоревшие частицы конденсируются уже в теплообменнике, вызывают коррозию и разрушение теплообменных поверхностей.

Важно отметить, что в оборудовании австрийского производителя предусмотрена система регулирования качества горения, которая отслеживает более 100 параметров работы котла, включая анализ состава исходящих газов, температуры, давления, и позволяет настроить оптимальный режим горения и подачи воздуха.

Предотвращение шлакообразования

Вследствие загрязненности коры песок, грязь, глина начинают плавиться внутри топочного устройства и наплавляться на колосниковые решетки и стены топки в виде стекла - во время конференции эту проблему ранее поднимали генеральный директор компании «Мется Свирь» Вячеслав Канатов и директор по производству Павел Гусев. Из-за этого оборудование приходится часто и долго чистить. А некоторые элементы могут даже выводиться из строя. Polytechnik знает решение этой проблемы.

Во-первых, в установках предусмотрено водяное охлаждение колосниковой решетки, а во вторых, увеличена подача рециркуляционных газов в зону под колосниковой решеткой. Рециркуляционные газы нужны для того, чтобы понизить температуру в топочном устройстве. И когда большее их количество дается под колосниковую решетку, то и охлаждение колосняков происходит более интенсивно. Тем самым на поверхности достигается температура, которая ниже температуры плавления загрязняющих частиц.

Обеспыливание дымовых газов

Учитывая существенную зольность этого вида топлива, обязательно нужно обеспыливать дымовые газы. Для этого в установках Polytechnik предусмотрен карман-золоуловитель, где разделяются летучие частицы и поток горячих газов. В этом кармане происходит расширение сечения, снижения скорости воздушного потока и его разворот на 90 градусов. Таким образом, летучие частицы осаждаются и через автоматическую систему золоудаления выводятся в общий сборник золы, а обеспыленные газы идут дальше в теплообменники. После теплообменника установлен мультициклон, в котором осаждается остаточная зола.

Бесперебойная работа топливоподачи

Для обеспечения бесперебойной работы топливоподачи (что очень важно) применяется преимущественно гидравлический поперечный транспортер, который не имеет вращающихся частей, движется с малой скоростью, а трение в этом транспортере незначительное. Поэтому, при соблюдении условий эксплуатации, его срок службы достигает 20 лет.

Еще одна важная особенность топливоподачи: измельчающие ножи на транспортере и питателе, чтобы разрубать крупные куски. Опыт показывает: в золоудалении часто можно найти различные инородные включения, вплоть до металлической арматуры. Они проходят путь по транспортерам от топливоподачи до контейнеров золы, при этом оборудование не повреждается, хотя это является нарушением правил эксплуатации, и, конечно, специально испытывать систему не стоит.

Реальные характеристики котельных на коре

В результате применения всех перечисленных решений удается достигнуть очень высокого КПД на установках Polytechnik. Для коры – это 88%! При этом рабочий диапазон мощности доходит до 110%, т.е. кратковременно может превышать номинальную мощность. Диапазон мощности при работе на коре с влажностью больше 60% составляет 60-100% для того, чтобы сохранять условия для подсушки материала. Соответственно, если влажность коры 65%, то диапазон будет 65-100%. Важно: имеется ввиду относительная влажность, а не абсолютная.

Межсервисный интервал при этом, в первую очередь из-за необходимости чистки, составляет 6 месяцев. Опционально возможно применение решений для увеличения межсервисного интервала до года.
Режим работы установки полностью автоматический, ею может управлять один человек. И то, такое управление не требует больших временных затрат и сил — обычно операторы реагируют только на какие-то команды от потребителей тепла и сообщения системы. А в основном оборудование не требует вмешательства и может управляться, в том числе, операторами сушильных линий.

Расчетный срок эксплуатации установок Polytechnik – 20 лет, что подтверждено и практикой эксплуатации котельных и в России, и в других странах.

Расход топлива на 1 МВт вырабатываемой мощности

Влажная кора (влажность около 55-60%):

• номинальный – около 0,55 т/ч;
• по месяцу при 85% нагрузке – ок. 410 т/мес.

Щепа в смеси с корой (влажность около 40%):

• номинальный – ок. 0,38 т/ч;
• по месяцу при 85% нагрузке – около 240 т/мес.

Из этих данных хорошо видно, насколько отличается расход топлива в зависимости от его вида – при работе на влажной коре или на смеси щепы с корой.

И здесь стоит сразу отметить очень принципиальный момент: необходимо еще на самом начальном этапе планирования установки котельной понимать, какое именно будет использоваться топливо. Очень важно дать правильное техническое задание на разработку оборудования и желательно образцы топлива для того, чтобы будущая установка точно соответствовала требованиям конкретного производства и корректно работала. Потому что на практике регулярно встречаются такие истории, когда сначала требования к топливу были невысокими, а потом в процессе эксплуатации производственники хотели сжигать все более и более влажное топливо. Но достигнуть этого не всегда возможно, если изначально не было учтено при разработке.

Надежность оборудования и энергетическая безопасность

Вопрос надежности оборудования напрямую связан с энергетической безопасностью предприятия.

Зачастую на предприятии котельная на древесных отходах является ключевым, либо единственным источником тепловой энергии. И, конечно же, ее остановка критична для производства, поскольку следом встает все оборудование, срываются сроки выполнения заказов и поставки продукции. И руководитель предприятия готов уже на что угодно, лишь бы поскорее запустить котельную. А аварийный ремонт, как правило, стоит гораздо дороже, чем плановый.

Существует несколько основных факторов риска, к которым можно отнести:

• Ненадежные или низкокачественные компоненты;
• Недостаточный запас прочности и мощности ключевых агрегатов котельной; или расчет на другие параметры.

Для тех, кто выбирает котельное оборудование, не имея опыта его эксплуатации, очень сложно разобраться и понять, в чем отличие между представленными на рынке установками. Иногда они даже визуально могут выглядеть одинаково, и быть даже похожих цветов, но при этом сущность, внутреннее устройство, характеристики установок будут разные. Поэтому очень важно изначально понимать, какие показатели гарантированы, и увидеть, насколько большой запас прочности, и насколько надежные компоненты используются в той или иной установке;

• Работа на топливе, не предусмотренном контрактом, и нарушение условий эксплуатации;
• Некачественное обслуживание или его отсутствие.

Как избежать аварийных остановок котельного оборудования: практические рекомендации

Поскольку существуют некоторые риски аварийных остановок оборудования, то, конечно же, существуют и способы, как их избежать. Среди них:

• Установка оборудования проверенного производителя;
• Резервирование ключевых элементов системы;
• Предпочтительная установка системы из двух котлов. Например, 2х6 МВт вместо 1х12 МВт.

Конечно, это стоит несколько дороже, но удобнее в эксплуатации. Особенно, когда наступает летний период. Котельная на влажном топливе не может работать на низкой мощности, и установка двух котлов дает возможность остановки одного из них, а второй спокойно продолжит работать на влажном топливе;

• Предусмотреть контрактом основной и дополнительный вид топлива.

Это нужно именно на крайний случай: и топочное устройство, и котельное оборудование должно быть рассчитано на разные виды топлива, должны быть произведены соответствующие настройки или предустановки. Некоторые установки обладают такой возможностью – выбирать из нескольких предустановок: например, использования в качестве топлива коры, и коры совместно с щепой, и переключаться между ними;

• Выбирать поставщика, имеющего сервисную службу и склад запчастей в России;
• Выбирать установки с автоматизированной системой управления и контроля большого числа параметров оборудования.

Такая система позволяет отследить различное число параметров оборудования. Например, на некоторых недорогих котельных установках это может быть 10 параметров (в основном, температура). На некоторых установках, в частности Polytechnik, даже на небольших, отслеживается порядка 50 параметров, а в больших котельных доходит до 200. И это позволяет заблаговременно увидеть неисправности, некорректную работу системы еще до остановки оборудования и, соответственно, планово устранить какие-то недостатки и избежать аварийной остановки.

Генерация электроэнергии на котельных установках

На сегодняшний день существует три основных способа генерации электроэнергии на предприятиях совместно с биотопливыми установками.

Сухой насыщенный пар (СНП)

Это первый и наиболее бюджетный способ. Здесь котел сухого насыщенного пара работает в паре с противодавленческой турбиной сухого насыщенного пара. За турбиной при этом получается горячая вода (110 градусов). Коэффициент выработки электроэнергии у этого способа невысок – 15%.

Приблизительный расход топлива для влажности порядка 40%: около 3,25 т/ч на 7,5 МВт + 1 МВт электроэнергии.

К преимуществам использования этого способа получения электроэнергии относится невысокая стоимость и широкий диапазон регулирования мощности котлов.

К недостаткам можно отнести такие особенности, как:
• малая вырабатываемая электрическая мощность;
• зависимость выработки электроэнергии от потребления тепла за турбиной. Иными словами, способ не дает генерировать электроэнергию без использования тепла производством.

Технологию на сухом насыщенном паре целесообразно применять, когда есть потребители тепла в виде горячей воды на производстве, и генерация электроэнергии является сопутствующей задачей.

Перегретый пар

При этом способе котел перегретого пара работает в паре с конденсационной турбиной сухого насыщенного пара с производственным отбором - на производственные нужды как раз идет отбор тепла в необходимом количестве. Остаточное тепло после турбины (45°С) утилизируется через вентиляторные градирни.

Коэффициент выработки электроэнергии таким способом составляет порядка 25%.

Установка может работать только на выработку электроэнергии, и в таком случае расход топлива составит порядка 1,6 т/ч на 1 МВт электроэнергии (без отбора тепла).
Преимущества этого способа в том, что можно выработать достаточно большое количество энергии, можно установить турбину вплоть до 20 МВт по электрической мощности. Но, тут возникает вопрос количества необходимого топлива и его доставки, поэтому фактический предел скорее 10 МВт. К слову, в практике Polytechnik самая крупная на данный момент реализованная установка – это 7,5 МВт по электроэнергии.

Независимость от потребления тепла производством тоже является преимуществом, когда нужно генерировать электроэнергию. Но у такой установки узкий диапазон регулирования мощности котлов. Они почти всегда должны работать в номинале. Кроме этого, теряется часть тепла, оно утилизируется, и утилизия тепла требует энергозатрат. Поэтому, целесообразно применять способ перегретого пара, когда генерация электроэнергии – это основная задача и требуется независимость от потребления тепла.

Термомасло

Это наиболее необычный для лесной отрасли способ. В этом случае термомасляная установка работает по замкнутому циклу в паре с ORC-турбиной, которая в свою очередь работает по обратному циклу Ренкина, т.е., вода и пар здесь заменены на силиконовое масло.

Параллельно может вырабатываться теплофикационное тепло – вода 90°С.

Утилизация остаточного тепла осуществляется через вентиляторные градирни.

Коэффициент выработки на уровне турбины на перегретом паре — 15-25%, расход топлива тоже – около 1,6 т/ч на 1 МВт электроэнергии (без отбора тепла).

Главное преимущество этой установки в большой гибкости регулирования режимов – от 1 до 100%, а также независимость от потребления тепла производством.

К недостаткам можно отнести высокую стоимость оборудования и большую занимаемую площадь (по сравнению с обычной турбиной).

Термомасляный метод целесообразно применять, когда необходимо гибко регулировать вырабатываемую мощность в зависимости от потребления электроэнергии.

Установка Green Carbon

Технология компании Polytechnik - Green Carbon позволяет производить сопутствующий продукт (древесный уголь и биочар) из кусковых отходов деревообработки, обеспечивая при этом тепловые потребности предприятия за счёт избыточного тепла от карбонизации.

Что дает такая установка?

• Высочайшее качество получаемого угля;
• Использование пиролитических газов для выработки тепловой энергии;
• Возможность использования избыточной тепловой энергии для сторонних потребителей (горячая вода 110 °С);
• Возможность выработки электроэнергии (ORC-турбина);
• Потребление топлива – всего 80-90 кг/ч на 1 МВт избыточной тепловой энергии + 0,3 МВт электроэнергии;
• Одновременное производство разных видов угля из разного сырья;
• Отсутствие жидких продуктов пиролиза и необходимости их утилизации;
• Высокий уровень автоматизации процесса: управляется установка одним оператором и одним сотрудником вспомогательного персонала.

Вообще, Green Carbon - настолько самостоятельная, объемная и интересная тема, что требует отдельного подробного рассмотрения, что и было сделано в материале «Производство может быть безотходным и экологичным, а экология - экономически привлекательной».

В завершение остается лишь отметить успешный опыт реализации всех перечисленных выше способов. Занимаясь более 54 лет проектированием и производством установок, работающих на биотопливе, в том числе на древесных отходах, австрийское семейное предприятие Polytechnik Luft-und Feuerungstechnik GmbH выполнило большое количество проектов: за все время было произведено более 3200 установок, из них более двухсот работает в России и СНГ. Более половины из них - на коре. Более 40 мини-ТЭЦ построено по миру, из них в России и СНГ: на сухом насыщенном пару - две, на перегретом – четыре и на термомасле – две в Белоруссии. Установка Green Carbon успешно функционирует в Германии. Многолетний практический опыт компании действительно делает ее экспертом в области инжиниринга, проектирования и изготовления котельных установок и мини-ТЭЦ на биотопливе. По мощности единичные установки могут быть до 30 МВт. В России самая крупная единичная установка - на 22 МВт. В нашей стране официальным партнером Polytechnik является ООО «ПолиБиоТехник». Компания занимается проектированием, строительством и монтажом котельных и мини-ТЭЦ на древесных отходах, проектированием и строительством сетей промышленных предприятий, а также комплексным обслуживанием и сервисом котельных установок Polytechnik «под ключ» и поставкой запчастей к ним.

ООО «ПолиБиоТехник»
Санкт-Петербург,
ул. 5-я Советская,
д.27А, пом. 2-Н
+7 (812) 602 25 97