Повышение эффективности сжигания топлива в котлоагрегах

Проблемы и решения в области сжигания топлива

Проблемы повышения эффективности использования топлива и уменьшения выбросов вредных веществ особенно актуальны в тех отраслях промышленности, где сжигание большого количества топлива происходит с недостаточной полнотой и относительно низким КПД. К этой группе потребителей относятся котельные ЖКХ и промышленных предприятий с котлами мощностью от 2 до 20 МВт.

Главной проблемой в области совершенствования сжигания топлива является необходимость одновременного решения сложных и часто взаимоисключающих задач: повышения экономичности его сжигания, уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу и снижения капитальных затрат на их осуществление. Одновременное решение этих задач принято называть энергоэкологической оптимизацией сжигания топлива.

Направления энергоэкологической оптимизации

Можно выделить несколько направлений такой оптимизации:

• автоматизация работы котла;
• технологическое направление: режимные мероприятия, различные варианты ступенчатого сжигания топлива, рециркуляция дымовых газов и другие мероприятия, которые активно внедряются в последние годы на пылеугольных и газомазутных котлах;
• конструктивное направление: совершенствование узлов котлоагрегата, топочных и горелочных устройств;
• очистка продуктов сгорания, невыгодная с точки зрения энергетических затрат, но необходимая в некоторых случаях;
• утилизация теплоты отходящих газов и снижение тепловых потерь.

Усовершенствование существующих котлоагрегатов

В настоящее время наиболее важным является усовершенствование существующих котлоагрегатов, а не строительство новых, поэтому из названных направлений оптимизации перспективным является технологическое, ориентированное на причины и механизмы неэкономичного сжигания топлива и образования вредных веществ. Ряд технологий позволяет добиться значительного эффекта при весьма ограниченных капиталовложениях с помощью автоматизации управления сжиганием топлива. В данной статье приведены некоторые результаты практической реализации мероприятий по повышению экономичности сжигания топлива в котлах, достигнутые ЗАО Научно-производственной фирмой «УРАН-СПб».

С учетом состояния действующего парка отопительных котельных, имеющих физически и морально устаревшие, часто неработоспособные системы автоматики регулирования, составной частью или начальным шагом комплексного решения может быть усовершенствование, с целью повышения экономичности сжигания топлива, штатных систем автоматики или, в некоторых случаях при значительном износе, их полная замена. Следующим шагом по энергосбережению является уменьшение расхода электроэнергии тягодутьевыми машинами котлоагрегатов.

Энергоэкологическая реабилитация оборудования

Характерной особенностью внедрения энергосберегающих и природоохранных технологий на действующих котлах малой и средней мощности является жесткое их ограничение по капитальным затратам. В соответствии с этим целесообразны решения, предусматривающие не замену существующего технологического оборудования новым, а максимально возможное его использование при условии достижения современных показателей по эффективности сжигания топлива и охране воздушного бассейна. Исключение составляют только небольшие усовершенствования некоторых узлов горелочных устройств в ходе внедрения какого-либо технологического метода. По сути, такие действия являются энергоэкологической реабилитацией действующего теплотехнического оборудования.

Экономичность сжигания топлива

Эффективность работы котлоагрегата складывается из эффективности работы его узлов: горелочных устройств, поверхностей нагрева, теплообменников (экономайзеров, воздухоподогревателей), тягодутьевых машин и других устройств. В данной статье акцент делается на эффективность сжигания топлива, т. е. экономичность работы непосредственно горелочных устройств и связанного с ними оборудования (вентиляторов и дымососов).

Экономичность сжигания топлива характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД) или величиной полезно используемого тепла, которая, в свою очередь, представляет разность между тепловой энергией сгоревшего топлива и потерями энергии. Основные потери — это потери тепла с уходящими газами (q2) и потери, связанные с недожогом топлива (q3).

Зависимость потерь с уходящими газами

Потери q2 зависят: от разности температур дымовых газов и входящего воздуха; содержания остаточного кислорода (О2) в дымовых газах или от соотношения «топливо — воздух» подаваемого на горение, т.е. от коэффициента избытка воздуха (α). Эти потери очень значительны, и их необходимо уменьшать.

Зависимость потерь от избытка воздуха

Потери q3 также зависят от избытка воздуха, но главным образом они определяются: качеством перемешивания топлива и воздуха; полноты сжигания топлива и содержанием горючих остатков в дымовых газах (СО + Н2 + СН). Сумму концентрации представляют либо в виде эквивалентной концентрации оксида углерода (СО), либо просто оксидом углерода (СО) из-за малости остальных составляющих. Эти потери должны быть минимальными при правильно организованном горении.

Влияние коэффициента избытка воздуха

Влияние изменения коэффициента избытка воздуха (α) на концентрацию основных компонентов дымовых газов (О2, СО2, CO, NOx) и КПД (η) при определенной нагрузке котлоагрегата показывают графики рис.1.

Экономичность двигателей вентиляторов и дымососов

Вторая составляющая, влияющая на экономичность работы котлоагрегата, это величина потерь электроэнергии двигателями вентиляторов и дымососов. При проектировании номинальная производительность этих машин и, соответственно, мощность электродвигателей выбираются из расчета максимально-возможной тепловой мощности котла. Фактически потребляемая мощность котла, в соответствии с изменяющимися условиями, значительно меньше расчетной. Регулирование осуществляется в сторону уменьшения дросселирования с помощью заслонки. Этот способ регулирования очень неэкономичен, так как значительная часть энергии расходуется на преодоление сопротивления заслонки. Альтернативным, экономичным является способ регулирования производительности при полностью открытой заслонке изменением скорости вращения электродвигателя, питающегося от преобразователя частоты (ЧРП).

Применение частотных преобразователей (ЧРП)

В связи с появлением относительно недорогих и надежных ЧРП предлагается, с целью повышения эффективности работы котлоагрегатов, устанавливать к электродвигателям вентиляторов, дымососов, а иногда и питательных насосов, регулируемые преобразователи частоты, которые обеспечивают дополнительную экономию электроэнергии и плавное и точное регулирование производительности этих машин.

Режимные карты отопительных котельных

На сегодняшний день большинство отопительных котельных работают по режимным картам, которые обновляются через три года. В этих картах расход подаваемого на горение воздуха не зависит от изменения характеристик топлива и состояния оборудования.

Снижение вредных выбросов и расход топлива

Приблизить работу котла к показателям режимно-наладочной карты можно, имея информацию о содержании свободного кислорода и оксида углерода в уходящих газах. Такую информацию можно получить от стационарных анализаторов дымовых газов, например, разработанных и выпускаемых фирмой «УРАН-СПб». Для этой цели подойдут: анализатор кислорода О2-МАДГ-2 совместно с анализатором оксида углерода СО-МАДГ-1; комбинированный анализатор КАДГ-2; интеллектуальный анализатор качества горения ИАКГ-2.

Способы экономии топлива и уменьшение загрязнения воздуха

Следующим логичным этапом энергоэкологической оптимизации сжигания топлива является внедрение технологических решений, направленных на организацию горения с низким или предельно низким коэффициентом избытка воздуха. Положительного эффекта можно достичь даже на существующем газогорелочном оборудовании, только при использовании систем непрерывного автоматического контроля и регулирования соотношения «топливо - воздух». Это наиболее малозатратный и эффективный способ экономии топлива с одновременным уменьшением образования вредных веществ в топке.

Микропроцессорные системы регулирования подачи воздуха

Основной причиной, ограничивающей сжигание топлива с предельно низким коэффициентом избытка воздуха, является сложность поддержания оптимального соотношения «топливо-воздух» на границе возникновения химического недожога. Обеспечить это можно только на базе микропроцессорных систем регулирования, для которых в свою очередь необходима оперативная информация о составе уходящих газов.

Преимущества газоаналитических приборов УРАН-СПб

Предлагаемые ЗАО НПФ «УРАН-СПб» газоаналитические приборы, системы коррекции соотношения «топливо-воздух» и комплексные системы автоматизации котлоагрегатов с функцией энергосбережения позволяют:

• реализовать общую концепцию энергосберегающей работы котлоагрегатов в непрерывном режиме;
• экономить до 6-10% топлива в течение года;
• сократить, на 30-40% выбросы оксидов азота в атмосферу;
• уменьшить на 20 -55% потребление электроэнергии вентиляторами и дымососами;
• повысить надежность работы теплотехнического и механического оборудования за счет диагностики и контроля работы газовоздушных трактов, датчиков, исполнительных механизмов и др.

Экономическая эффективность внедрения

Анализ полученных результатов показывает, что полная окупаемость затрат на внедрение систем «Факел-2», «Факел-3» и «Факел-2000», которая зависит от мощности котлоагрегатов и от исходного технического состояния, составляет от 4 до 24 месяцев.

Котельная автоматика от ООО КБ «АГАВА»

В этом отношении, на наш взгляд, заслуживает внимания перспективная и выгодная по показателю «цена/качество» отечественная комплексная котельная автоматика, выпускаемая ООО КБ «АГАВА». На основе котельной автоматики КБ «АГАВА» и газоаналитических приборов НПФ «УРАН-СПб» можно решать проблему экономного сжигания топлива в котлах, при этом затраты на внедрение автоматических систем окупятся в короткие сроки.

АО Научно-производственная фирма «Уран-СПб» (АО НПФ «Уран-СПб») 196128, г. Санкт-Петербург, ул. Варшавская, 5а, лит. Л, оф. 105 Телефон (812) 369-00-03, E-mail: uranspb@uranspb.ru, npf_uran@mail.ru uranspb.ru