Ассоциация производителей машин и оборудования лесопромышленного комплекса

Утилизация отходов деревообрабатывающих предприятий. Нюансы выбора оборудования

Бюллетень Ассоциации «ЛЕСТЕХ» №9, 2022 г.

Современное деревообрабатывающее производство практически невозможно представить без собственной котельной, вырабатывающей тепловую, а, в некоторых случаях, и электрическую энергию. Создание собственных энергетических участков позволяет снизить эксплуатационные затраты предприятий, гарантировать получение энергии в нужное время в нужных объемах, а также эффективно утилизировать отходы производства. Вместе с тем, при выборе котельного оборудования необходимо уделять внимание не только мощности установки, но и определить основной вид топлива.

О некоторых нюансах выбора котельного оборудования с нами согласился побеседовать генеральный директор ООО ПО «Теплоресурс» — Дмитрий Мажаров.

– Какие технические параметры работы будущей котельной установки необходимо обязательно отразить в техническом задании на проектирование?

– Основных требований не так много, но каждое их них является критически важным для обеспечения нормальной работы предприятия: мощность котельной установки, вид и параметры топлива, возможные габаритные размеры котельного оборудования.

Мощность котельной необходимо определять в соответствии с пиковыми потреблениями тепловой энергии предприятия, в первую очередь сушильного комплекса в зимний период времени. Так, например, при сушке пиломатериалов является очень важной возможность быстрого набора температуры на стадии прогрева. При изменении температуры в сушильной камере в диапазоне 5-45оС – очень велик риск поражения пиломатериалов дереворазрушающими грибами и прогрев необходимо вести достаточно быстро. При большом количестве сушильных камер на предприятии, подстраивать их работу в соответствии с ограничениями котельной установки не получится, а падение объемов поступающего тепла приведет к изменению режимов и сроков сушки, что быстро нивелирует экономию от приобретения котла меньшей мощности.

Несмотря на кажущуюся простоту – самым важным вопросом являются параметры поступающего сырья. Как правило, большинство заказчиков указывает, что сжигаться будут некие условные кородревесные отходы: влажность топлива – 50%, а удельная теплота его сгорания – 2000 ккал. Эти параметры примерно соответствует использованию в качестве топлива влажных опилок, но не позволяют подобрать действительно эффективное оборудование для каждого предприятия, поскольку вид, влажность и условия подготовки, в том числе по содержанию минеральных частиц и примесей в сжигаемых отходах могут существенно различаться. Практически ни один средний или крупный завод не использует в качестве топлива исключительно опилки, поскольку в большинстве случаев они рассматриваются в качестве товарной продукции для поставки на участки производства биотоплива или для изготовления иных видов продукции.

Большинство заводов ориентированы, в первую очередь, на использование в качестве топлива влажной коры, поскольку сегодня в принципе отсутствуют иные способы её эффективной утилизации. Её теплотворная способность значительно ниже и перейти от сжигания опилок на сжигание коры в одном и том же котле – не получится.

Котельная установка не сможет выдерживать заданные параметры горения, и ее мощность существенно снизится. Разные виды топлива требуют использования разных котлов. Для усредненного котла мощностью 5 МВт, при переходе на сжигание сырой коры, снижение мощности может составить до 40%, то есть реальная выработка тепловой энергии будет находиться в диапазоне 3–3,5 МВт.

Изначально необходимо правильно ставить задачу и подбирать технологию сжигания в зависимости от вида и параметров топлива, либо готовить себя к тому, что котельная будет корректно работать только в летние месяцы или требовать к себе постоянного внимания в виде необходимости подмешивания в топливо сухой древесины – но, еще раз отмечу, это не проблема проектирования или изготовления топочного устройства, а неправильно поставленная задача, решить которую сможет только замена котла.

Не менее важной особенностью нашей работы является то, что большинство лесопильных заводов создавались без учета генерального плана территории предприятия. Производственные цеха и промышленные площадки часто размещаются на территории «по факту», с учетом текущих нужд предприятия, а при возникновении необходимости размещения новых участков, например при строительстве дополнительной котельной, выясняется, что имеющегося места под котельное оборудование с нужными параметрами недостаточно. Высота того же усреднённого котла мощностью 5 МВт достигает 9 метров, и даже при модульном изготовлении часто приходится разбирать крышу для его сборки или вносить новые конструктивные решения, позволяющие хотя бы немного уменьшить габаритные размеры котельной установки, поскольку котел нужных размеров просто не помещается на запланированном собственниками завода месте.

Сами котлоагрегаты в части конструктивных решений зоны сжигания топлива практически одинаковые, а вот системы передачи тепла и перемещения газов существенно отличаются в зависимости от вида топлива и надстраиваются над топочным устройством как конструктор Lego. При сжигании высококалорийного топлива необходимо использовать рециркуляцию газов. При дефиците места могут быть использованы вертикальные теплообменники вместо горизонтальных. Отдельная интересная задача – изготовление термомасляных котлов. Мы единственные, кто на российском рынке освоил производство масляных котлов с вертикальными теплообменниками, обеспечивающими температуру масла на уровне 320оС. Разница температур определяется заказчиком и может составлять 30, 50 или даже 100оС. При этом необходимо использовать теплообменники различной конструкции, но сами топки, опять же – одинаковые.

– Существуют ли универсальные котельные установки, которые могут эффективно сжигать кородревесные отходы, подаваемые в разных пропорциях?

– Принципиально необходимо понимать, что горит абсолютно любое биотопливо, но с разными показателями калорийности, во многом зависящей от исходной влажности.

Все зависит от объема необходимой тепловой мощности. Если говорить о целлюлозно-бумажном производстве, где единичная мощность котельных агрегатов достигает 50 и более МВт, то, безусловно, такие котельные установки с предварительной подсушкой топлива, сжиганием отходов в кипящем слое, использованием силикатного песка в качестве теплоносителя и т.д. можно считать многотопливными. Но это другой подход к сжиганию древесных отходов. Такие мощные котельные весьма инерционные, а локальные снижения мощности установки не оказывают критичного влияния на производственные процессы. Временное снижение мощности даже на 5-6 МВт для подобных котлов, это всего 10% снижения относительно расчетных параметров. Для деревообрабатывающих производств, использующих, как правило, котельные установки мощностью от 2 до 8 МВт, применение многотопливных котлов нельзя считать рациональным. Гораздо правильнее размещать несколько котлов, ориентированных на разные виды и влажностные состояния конкретного топлива.

– На что необходимо обратить повышенное внимание при выборе котла для сжигания коры?

– В первую очередь на его размеры. При сжигании опилок, щепы, коры и пеллет – используются принципиально разные подходы к созданию котельного агрегата. Кора и щепа характеризуются изменчивостью калорийности, обусловленной как вариативностью плотности самой древесины, разным уровнем влажности, а также налипанием снега в зимний период. Для сжигания коры используются специальные котлы с увеличенной длиной колосников, что позволяет повысить площадь её сгорания. За последние три года объем поставок котельного оборудования, ориентированного на сжигание коры как основного вида топлива, значительно увеличился, и мы уже привыкли к тому, что первая фраза заказчика, когда он видит проектную документацию – «Почему он такой большой?». Изначально все привыкли к небольшим размерам котельного оборудования. Маленькие котлы отлично справляются со сжиганием сухого топлива, но при утилизации влажной коры необходима большая площадь колосникового полотна, чем и определяются конечные габариты котельной.

Работа любого адиабатического устройства включает три этапа сжигания топлива: сушка, эффективное сжигание и дожиг зольного остатка. При расчете размеров колосникового полотна очень важно понимать реальную калорийность топлива. Если в проекте заложено сжигание древесных отходов с теплотой сгорания 4000 ккал, а вместо сухих опилок будет подаваться влажная кора, реальная калорийность которой в два раза ниже, то площади колосников просто не хватит для его эффективного горения. Чем больше влажность исходного сырья – тем больше должны быть габариты котла. Его размеры будут значительно больше, чем привычные всем размеры котельных, где сжигаются опилки или брикетированное сухое топливо. При подаче топлива с большей влажностью, чем та, на которую рассчитывались параметры топочного устройства, температура горения будет снижаться, котел будет выхолаживаться и вместо температуры горения 700-900оС в топке будет поддерживаться только 400оС, и без добавления сухой древесины температуру будет невозможно поднять до необходимых значений. Конечно, влажную кору можно подсушивать горячим воздухом, но и в этом случае будет отмечаться снижение температуры в зоне эффективного горения.

Слоевое горение коры происходит на наклонной подвижной колосниковой решетке. На ней выполняется продувка сырья и выполняется его сушка. Для эффективного протекания этих процессов крайне важно расположить решетку под нужным углом, чтобы обеспечить равномерность высыхания топлива. Для обеспечения заданной температуры горения необходимо обеспечить поступление воздуха и его правильную циркуляцию в топочном устройстве. В процессе перемещения газовоздушной смеси температурой 950оС до теплообменника за счет вторичной циркуляции воздуха и создания определенного топочного объема происходит химический дожиг топлива. При правильном расчете объема подаваемого воздуха и достаточности объема котельной установки из трубы тепловой станции не должно выделяться никаких продуктов сгорания. Если мы видим в выходящем из трубы воздухе какие-либо примеси – либо подается слишком много топлива и они не успевают сгорать, или же в топочном объеме недостаточно кислорода, либо путь горения газов слишком короткий и во время движения газовоздушной смеси в котельной химический дожиг не осуществляется в полной мере. Именно по этой причине все котельные установки для влажного топлива такие объемные, в 5-6 раз больше, чем при сжигании пеллет, что обусловлено необходимостью вовлечения в процесс сгорания влажной древесины значительно больших объемов воздуха.

Необходимо отметить, что в котлах с колосниковыми решетками, вне зависимости от площади колосников, можно сжигать древесину влажностью только до 60%. Если влажность топлива выше, то необходимо либо изменять устройство котельного агрегата, поскольку вне зависимости от длины колосников будет происходить запирание газов, либо предварительно подготавливать топливо, чем в реальности на предприятиях почти никто не готов заниматься. Конечно, системы управления всех котлов позволяют несколько изменить параметры их работы в зависимости от подаваемого сырья, но если параметры биотоплива существенно отличаются, даже в допустимых пределах, то необходимо будет создавать дополнительное рабочее место оператора, поскольку котел сам по себе не сможет различить типы подаваемого на входе сырья.

При эксплуатации корьевых котлов следует также помнить о еще одной проблеме. В процессе трелевки и хранения в кору набивается большое количество земли и песка, которые летят в котел, что требует специальных настроек работы колосникового полотна для его очистки от спекшихся агломератов.

– Большинство лесопромышленных предприятий в России включают участки производства пеллет и топливных брикетов. Какие особенности сжигания этих видов топлива необходимо выделять в первую очередь?

– Самым большим достоинством пеллет является их стабильная влажность, которая находится на уровне 7±1%. При использовании брикетов этот разброс несколько больше, но оба этих продукта находятся в стабильном состоянии по тепловым характеристикам, в первую очередь по калорийности, удобны в транспортировке и обеспечивают равномерное выделение энергии. Единственная проблема этих видов топлива – несоблюдение стандартов по содержанию песка, которого в них на практике встречается довольно много.

Сжигание пеллет выполняется путем их газификации в процессе пиролиза, когда горит не сама древесина, а сгорает пиролизный газ. Газ смешивается с воздухом, что обеспечивает высокую эффективность его сгорания и, поскольку в процессе сжигания не образуется сера, при использовании пеллет может быть реализован режим отвода отходящих газов и их вторичное использование в котлах конденсационного типа. В этом принципиальное отличие процессов сжигания пеллет, брикетов или сухой щепы от влажной древесины или коры, и именно по этой причине отсутствуют универсальные котлы, позволяющие сжигать и щепу, и кору, и пеллеты.

Для достижения одной и той же мощности, при сжигании пеллет можно использовать котлы меньшего размера.

Основная проблема котлов, работающих на пеллетах, – появление спекшегося агломерата, но он появляется не из-за проблем со сжиганием древесины, а вследствие наличия в древесине минеральных включений. Чтобы снизить количество спекшихся остатков необходимо увеличивать температуру в котле, что позволит прожечь остаток перед удалением золы.

– На рынке котельного оборудования в России сейчас представлено более 25 производителей. Как удается конкурировать в таких условиях?

– И это здорово! Нормальное развитие конкуренции приводит к тому, что новые продукты становятся лучше. За 15 лет работы наша компания ПО «Теплоресурс» внедрила большое количество технических решений. Мы успешно перенимаем передовой опыт, в том числе наших европейских партнеров, разрабатывая собственные решения, в первую очередь направленные на автоматизацию всех производственных процессов работы котельных установок.

Срок эксплуатации отечественного оборудования уже сейчас достигает 10–12 лет и может быть продлен при соответствующих капитальных вложениях. Котлы европейского производства, в первую очередь немецкие и финские, могут работать без дополнительных инвестиций до 20 лет и все об этом знают. Вместе с тем, современные котлы отечественного производства уже имеют ту же функциональность и уровень автоматизации. Безусловно, схемы автоматизации несколько упрощены, как с учетом того, что некоторые элементы автоматизированных систем пока еще нельзя сделать в России, так и принимая во внимание квалификацию персонала, но наши котельные установки уже сегодня, точно так же, как и европейские аналоги, управляются в дистанционном режиме и все операции могут выполняться автоматически, без участия персонала.

Начиная свою деятельность с изготовления котлов мощностью 300 КВт – к настоящему времени мы успешно освоили производство водогрейных и термомасляных котлов мощностью до 10 МВт, а также теплогенераторов, обеспечивающих работу сушильных линий барабанного и ленточно-конвейерного типов. Система управления котельным оборудование также нашего производства. Разработали собственную технологию отливки колосников с добавлением магния и хрома, позволяющих снизить тепловое расширение колосниковой решетки, применяем катковые цепи, минимизирующие выход из строя направляющих, и внедрили большое количество новшеств, разработанных на основании анализа конкурентных решений и собственного опыта. Мы пока еще не делаем оборудование с когенерацией электрической энергии, но, уверен, со временем сможем освоить и его выпуск.

Поскольку у нас полностью российское производство, от момента создания планировочного решения будущей мини-ТЭЦ до постройки объекта у заказчика проходит не более 6 месяцев, из которых сам монтаж котельного оборудования занимает всего несколько дней.

Все котлы мы производим по блоковой схеме. Котельная установка высотой 8 м и весом 120 т изготавливается в виде отдельных модулей в полной заводской готовности, включая футеровку котла. Вес каждого блока – около 20 т, длина до 7 м, ширина – до 2,4 м, что ограничивается только требованиями, предъявляемыми к автомобильному транспорту при перемещении по дорогам общего пользования. При такой схеме изготовления – котельная установка может быть оперативно собрана у заказчика в любое время года.

С точки зрения нашего производства – изготовление стандартных блоков существенно повышает скорость работы и позволяет оперативно внедрять новые технические решения.

Александр Тамби, Ассоциация «ЛЕСТЕХ», д.т.н., проф. АГАТУ

ПОДЕЛИТЬСЯ

В числе экспертов Ассоциации:

Фото эксперта Андрей Митченко
Андрей Митченко
Заместитель генерального директора по качеству АО «Шмидт энд Олофсон», к. с.-х. н.
[email protected]
Фото эксперта Сергей Шинкаренко
Сергей Шинкаренко
Технолог Корпорации «Русь»
[email protected]

Ассоциация «ЛЕСТЕХ»: [email protected]