Автор: Буданов Виталий Викторович Место и время: Санкт-Петербург, 18.03.2009 г.
Уважаемые коллеги!
Позвольте поприветствовать от имени Агентства "ЯроМакс" участников 12-й Международной научно-практической конференции "Древесные плиты: теория и практика", проходящей в Санкт-Петербургской Государственной Лесотехнической Академии.
Электрическая и тепловая энергия в современном мире необходимы всем. Истощение сырьевых запасов, экологические проблемы и удорожание традиционного органического топлива всё острее ставят вопрос поиска новых технологий энергосбережения и использования возобновляемых энергоносителей. Применение биотоплива для генерации тепловой и электрической энергии позволяет, с одной стороны, снизить выбросы вредных веществ в атмосферу и уменьшить объемы неликвидной биомассы, представляющей угрозу для экологии, а с другой, снизить себестоимость энергии за счет использования дешевого местного топлива. По подсчетам специалистов, если ежегодно вырабатывать на основе возобновляемых источников и местных энергоресурсов не менее 42 млн. т.у.т. энергии, это обеспечит экономию в 34 млрд. куб.м. природного газа. И все предпосылки для такого увеличения масштабов использования торфа, биомассы, энергии ветра и других возобновляемых источников энергии в России есть.
Правительство России рассматривает задачу использования возобновляемых источников энергии как одно из важнейших направлений развития электроэнергетики и предпринимает конкретные шаги в данном направлении.
Развитие электроэнергетики, направленное на увеличение использования возобновляемых источников энергии, позволит повысить энергоустойчивость многих регионов России. При этом использование древесных отходов производства для выработки электрической и тепловой энергии станет одной из важнейших задач для предприятий лесного комплекса.
В настоящее время при создании автономных энергетических систем на деревообрабатывающих предприятиях наиболее оптимальным вариантом по экономичности, надежности и технико-экономическим показателям представляется комплексное решение задачи совместного получения тепловой и электрической энергии с использованием в качестве основного топлива древесных отходов производства.
Использование в качестве топлива отходов деревообрабатывающих производств позволяет получать тепло и электроэнергию в 1,5-2 раза дешевле, чем покупка его у централизованных генерирующих компаний. Этот вопрос приобретает особую актуальность в условиях стремительно растущих цен на энергоносители. Так, цены на газ поднялись до 3000 рублей за 1000 куб.м, на мазут – до 11000 рублей за тонну, а в некоторых регионах еще и выше. При этом на предприятиях лесного комплекса остается значительное количество древесных отходов, требующих утилизации, а стоимость её также велика.
Эффективность использования древесных отходов в качестве топлива можно увидеть из нижеследующей таблицы.
Из таблицы видно, что единица тепла при работе на древесных отходах в 0,75 раза дешевле, чем при работе на природном газе, в 4 раза дешевле, чем при сжигании угля, в 6 раз по сравнению с мазутом, в 15 раз по сравнению с дизтопливом и, наконец, в 19 раз дешевле, чем при использовании электричества. Другими словами, у лесобумажных и деревообрабатывающих предприятий имеется уникальная возможность не только сэкономить на вывозе безвозвратных отходов производства и параллельно внести свою лепту в дело защиты окружающей среды от загрязнения, но и обеспечить свое энергопотребление полностью за счет использования дешевого местного топлива.
В отношении выделения оксидов улерода древесина (в отличие от ископаемых энергоносителей: природного газа, продуктов нефтепереработки, угля и др.) является нейтральным топливом. Это означает, что при ее сжигании в атмосферу выделяется только такое количество углекислого газа, которое было поглощено из нее растущим деревом в процессе фотосинтеза, т.е. использование древесного топлива в качестве источника энергии является с точки зрения экологии самым предпочтительным.
На представленной функциональной схеме наглядно показано, как с использованием последних достижений в области термической утилизации биомасс просто решить задачу теплоэнергообеспечения современного деревообрабатывающего предприятия. В данной случае предлагается комплексная энергетическая установка, построенная на базе единой топочной системы и резервного котла.
В качестве основных потребителей тепла на современном плитном производстве рассмотрим следующие:
В прежние времена задача по обеспечению тепловой и электрической энергией решалась нерационально. Предприятия покупали тепло и электроэнергию от централизованных генерирующих предприятий или строили собственные котельные с разными теплоносителями: отдельно паровую, отдельно водогрейную и отдельно термомасляную установку.
Современные технологии позволяют сжигать топливо в единой топке и получать при этом тепловую и электрическую энергию с использованием сразу нескольких теплоносителей.
На схеме видно, что в одной топочной системе можно получить топочные газы с температурой до 1000°С, применяя различные технологии сжигания для разных фракций древесных отходов:
Полученные при сжигании топочные газы с помощью дымососов направляются по двум газоходам в лучистые и конвективные части двух разных котлосистем. В одной котлосистеме в качестве теплоносителя используется термомасло (высокотемпературный органический теплоноситель). Нагретое до 300°С, теплоносящее масло направляется на теплообеспечение термомаслянных потребителей. В конкретном случае это пресса. В другой котлосистеме производится перегретый водяной пар, который направляется в паровую турбину с частичным отбором пара. Генератор паровой турбины вырабатывает необходимое количество электроэнергии, а часть не полностью отработанного пара с более низкими параметрами направляется другим потребителям, в т.ч. для обеспечения отопительной нагрузки. Дополнительно горячие топочные газы с помощью отдельного дымососа направляются по третьему газоходу в смесительную камеру. Отработавшие газы после котлов-утилизаторов также направляются в смесительную камеру, в которой предусмотрена возможность подмеса холодного воздуха для регулирования температуры сушильного агента. Далее газы поступают непосредственно в сушилку. В нашем конкретном случае в барабанную сушилку стружки на производстве ДСП. При необходимости газы предварительно очищаются в специальных жаро- и износостойких мультициклонах. Для обеспечения пиковой тепловой нагрузки предусмотрена дополнительная газовая горелка, установленная перед сушилкой в смесительной камере.
Для резервирования отопительной или технологической нагрузки можно применить резервный котел-утилизатор на древесных отходах с выработкой тепла в виде горячей воды, пара или термомасла. Альтернативно можно применить водогрейный, паровой или маслогрейный котел на газу или мазуте, подключив его в общую схему отопления. Топочные газы от резервного котла также направляются в смесительную камеру технологической сушилки.
Выработка электроэнергии осуществляется по классической паровой технологии с использованием отходов деревообработки в качестве топлива. В паровом котле-утилизаторе получаем перегретый водяной пар с высокими параметрами (например, с температурой 420°C и с давлением 30 бар) и направляем его в паровую турбину с несколькими ступенями отбора пара, которая соединена с генератором для выработки электрической энергии. Часть не полностью отработанного пара после турбины используется для теплообеспечения предприятия. При этом достигается максимальный КПД по использованию исходного топлива (до 85% по совокупности электроэнергия / тепло).
Вместо водяного пара для выработки электроэнергии можно использовать высокотемпературный органический теплоноситель по технологии ORC (ОЦР), также в паровой фазе. Технология ORC / ОЦР (Organic Rankine Cycle / Органический Цикл Ренкина), используемая при производстве электроэнергии отличается от традиционной технологии тем, что вместо воды в ней используется органическое рабочее тело с благоприятными термодинамическими характеристиками. Это позволяет осуществлять эксплуатацию оборудования с относительно низкой рабочей температурой (от 70°C до 340°C). В установке ORC-ОЦР имеет место процесс с полностью замкнутым циклом, при котором в качестве рабочего тела используется кремниевое масло. Органическое рабочее тело под давлением испаряется, подвергается частичному перегреву теплоносящим маслом и затем, расширяясь, вращает осевую турбину, которая через эластичную муфту соединена с асинхронным генератором. Далее кремниевое масло проходит через регенератор, в котором происходит подогрев рабочей жидкости, подающейся в испаритель, после чего конденсируется, охлаждаясь водой, в отдельном теплообменнике (конденсаторе) и с помощью насоса вновь поступает в испаритель. Таким образом завершается полный цикл.
Преимущества технологии ORC-ОЦР заключаются в следующем:
Естественно, на примере только одной схемы невозможно рассмотреть все возможные варианты комплексного теплоэнергобеспечения различных предприятий. Но такая задача и не ставилась. На примере этой схемы мы только хотели показать, что подобные вопросы успешно решаются, и современные полностью автоматизированные системы позволяют надежно управлять всеми технологическими процессами при выработке тепловой и электрической энергии.
Эффективно использовать отходы деревообработки методом сжигания в единой топке с одновременной выработкой тепловой и электрической энергии позволяют современные топочные системы. На следующей схеме представлена топочная система для утилизации проблемного древесного лома. Новейшие установки оснащаются запатентованной Турбосистемой КАБЛИЦ, которая обеспечивает невероятно низкое содержание оксида углерода в отработавших газах. Особенно это заметно при работе котла с малой нагрузкой. Турбосистема КАБЛИЦ представляет собой колосниковую топку в сочетании с расположенной над ней большой камерой дожигания цилиндрической формы, в которой топочные газы перемешиваются с дутьевым воздухом и с частично рециркулированными отработавшими газами в пропорции, необходимой для конкретного эксплуатационного режима. Специальная воздуходувка создает вдоль наклонной оси камеры дожигания завихрение и придает газовоздушной смеси турбулентное ускорение. На выходе из камеры дожигания скорость газов резко замедляется, чем обеспечивается более продолжительное время термического воздействия на летучие органические соединения. Такая конструкция гарантирует максимальное дожигание летучих частиц и большой запас по предельно допустимым концентрациям загрязняющих веществ:
В качестве топлива для таких топочных систем можно использовать все известные виды древесных отходов:
Кроме вышеперечисленных отходов деревообработки в качестве топлива для современных топок можно использовать различные сельскохозяйственные отходы, а также альтернативные виды биогенного топлива, например: сортированный мусор, утиль, вторсырьё, топливные суррогаты (скоп, флаф, пеллеты), оконные рамы, дверные блоки, старую мебель, древесный лом, старогодние шпалы, столбы, мачты, макулатуру, тряпьё, упаковочные материалы, осадки сточных вод, шламы, продукты вспенивания и прочие промышленные отходы. Но это уже тема для отдельного разговора.
Сжигать все эти виды биогенного и отчасти антропогенного топлива, в т.ч. с минимальной подготовкой исходного сырья, позволяют колосниковые топки КАБЛИЦ с механическими (подвижными) решетками плоской или наклонной конструкции, имеющими воздушное или водяное охлаждение.
Стандартные переталкивающие колосниковые решётки КАБЛИЦ с переменным секционным приводом и интенсивным воздушным охлаждением имеют наклонное исполнение и могут работать в широком диапазоне размеров и влажности топлива. Колосниковые решетки этой конструкции характеризуются высокой шуровочной способностью, а также возможностью настройки на различные режимы работы котла. Это достигается за счёт ступенчатого секционного расположения и движения колосников. Привод колосниковых полотен осуществляется гидравлическим способом.
Для работы с очень мелкой фракцией применяются колосниковые решетки беспровального типа с механическим забрасывателем твердотопливной смеси. Топки такой конструкции особенно эффективны при работе с высококалорийными, спекающимися видами твердого топлива, влажность которых не превышает 20-25%. А для сжигания сырого топлива, в котором массовая доля воды порой достигает 65%, применяются колосниковые решетки ворошильного типа. Благодаря особой конструкции колосников и секционному регулированию процесса горения обеспечивается полное сгорание самых проблемных видов топлива.
При работе с длинномерами и крупнокусковой фракцией за переталкивающей колосниковой решёткой могут устанавливаться откидные колосниковые решётки или специальные решётки дожигания для полной утилизации топливного углерода и повышения общего КПД установки.
Требования к современным колосниковым решёткам:
Однако, понятие "Древесные отходы" не должно восприниматься как нечто ненужное. К отходам необходимо относиться также бережно, как и к любому другому энергоносителю. При этом следует принимать все возможные меры для экономного расходования драгоценного древесного топлива. Так, оптимального использования энергии древесины можно добиться за счет экономии топлива путем рекуперации тепла отработавших газов, например на подогрев дутьевого воздуха с помощью стальных пластинчатых теплообменников КАБЛИЦ с ребристыми поверхностями нагрева.
В завершение нашего доклада остается только повторить, что термическая утилизация отходов производства способна решить целый ряд задач, стоящих перед предприятием: задач по энергоснабжению, экологических, экономических, технологических и других. А при комплексном подходе к этому вопросу открываются всё новые и новые перспективы.
Благодарим за внимание.
Буданов В.В. ООО Агентство "ЯроМакс"