О технологии повышения эффективности и надежности котлов, сжигающих биоотходы в кипящем слое инертного материала

Использование биомассы (биоотходов) в качестве возобновляемого источника энергии, представляет большой интерес с точки зрения экологии и защиты окружающей среды. Однако при сжигании биомассы в топках с кипящем слоем наблюдается ряд проблем: коррозия конвективных поверхностей нагрева котлов, агломерация частиц инертного материала и золы биомассы, дефлюидизация и др.

Рассмотрены характерные проблемы сжигания различных отходов растениеводства и, в частности, лузги подсолнечника, так как этот вид биоотходов очень распространен в России.

Определены пути решения проблемы, позволяющие уменьшить риск коррозионных разрушений поверхностей нагрева котлов, улучшить топливные и эксплуатационные характеристики биомассы. К ним относятся предварительная промывка биомассы горячей водой, торрефикация, рациональный выбор материалов кипящего слоя и ряд других.

1. Anicic B., Lin W., Kim Dam-Johansen K.-D., Wu H. Agglomeration mechanism in biomass fluidized bed combustion – Reaction between potassium carbonate and silica sand // Fuel Processing Technology. – 2018, − V. 173. − P. 182-190.

2. Almark M., Hiltunen M. Alternative bed materials for high alkali fuels // Proceedings of FBC2005 18th International Conference on Fluidized Bed Combustion (May 22-25, 2005). − Canada. – Ontario, Toronto.

3. Cammarota A., Chirone R., Scala F. Bed agglomeration during the fluidized bed combustion of olive husk // Proceedings of FBC2005 18th International Conference on Fluidized Bed Combustion (May 22-25, 2005). − Canada. – Ontario, Toronto.

4. Scala F. Particle agglomeration during fluidized bed combustion: Mechanisms, early detection and possible countermeasures // Fuel Processing Technology. − 2018. − V. 171. – P. 31-38.

5. De Geyter S., Ohman M., Bostrom D., Eriksson M., Nordin A. Effects of NonQuartz Minerals in Natural Bed Sand on Agglomeration Characteristics during Fluidized Bed Combustion of Biomass Fuels // Energy & Fuels. – 2007. − V. 21. − P. 2663-2668.

6. Nuutinen L.H., Tiainen M.S., Virtanen M.E., Enestam S.H., Laitinen R.S. Coating Layers on Bed Particles during Biomass Fuel Combustion in Fluidized-Bed Boilers // Energy & Fuels. – 2004. − V. 18. − P. 127-139.

7. Grubor B.D., Oka S.N., Ilic M.S., Dakic D.V., Arsic B.T., Biomass FBC combustion – bed agglomeration problems // Proc. 13th Int. Conf. on Fluidized Bed Combustion. − ASME. − 1995. – P. 515-522.

8. Perea-Moreno M.-A., ManzanoAgugliaro F., Perea-Moreno A.-J. Sustainable Energy Based on Sunflower Seed Husk Boiler for Residential Buildings // Sustainability. – 2018. − V. 10. – P. 3407.

9. Raclavska H., Juchelkova D., Roubicek V., Matysek D. Energy utilisation of biowaste − Sunflower-seed hulls for co-firing with coal // Fuel Processing Technology. − 2011. – V. 92. − P. 13-20.

10. Lin W., Dam-Johansen K., Frandsen F. Agglomeration in Bio-Fuel Fired Fluidized Bed Combustors // Chem. Eng. J. – 2003. − V. 96, № 1-3. – P. 171-185.

11. Bartels M., Lin W., Nijenhuis J., Kapteijn F., van Ommen, J.R. Agglomeration in Fluidized Beds at High Temperatures: Mechanisms, Detection and Prevention // Prog. Energy Combust. Sci. – 2008. − V. 34, № 5. − P. 633-666.

12. Morris J. D., Sheraz S., Chilton S., Nimmo W. Mechanisms and Mitigation of Agglomeration during Fluidize Bed Combustion of Biomass: A Review. // Fuel. – 2018. – V. 230. − P. 452-473.

13. Mettanant V., Basu P., Butler J. Agglomeration of Biomass Fired Fluidized №Bed Gasifier and Combustor // Can. J. Chem. Eng. – 2009. − V. 87, № 5. – P. 656-684.

14. Visser H. J. M. M., van Lith S. C., Kiel J. H. A. Biomass Ash-Bed Material Interactions Leading to Agglomeration in FBC // J. Energy Resour. Technol. – 2008. – V. 130, № 1. – P. 1-6.

15. Gatternig B., Karl J. Investigations on the Mechanisms of Ash-Induced Agglomeration in Fluidized-Bed Combustion of Biomass // Energy & Fuels. – 2015. – V. 29. – P. 931-941.

16. Olofsson, G. G.; Ye, Z.; Bjerle, I.; Andersson, A. Bed Agglomeration Problems in Fluidized-Bed Biomass Combustion // Ind. Eng. Chem. Res. – 2002. − V. 41, № 12. – P. 2888-2894.

17. Visser H. J. M., Hofmans H., Huijnen H., Kastelein R. Kiel J. H. A. Biomass Ash - Bed Material Interactions Leading to Agglomeration in Fluidised Bed Combustion and Gasification // Prog. Thermochem. Biomass Convers. – 2008. − P. 272-286.

18. Hupa M. Ash-Related Issues in Fluidized-Bed Combustion of Biomasses: Recent Research Highlights // Energy & Fuels. – 2012. – V. 26. – P. 4-14.

19. Ghaly A. E., Ergüdenler A., Laufer E. Study of Agglomeration Characteristics of Silica Sand-Straw Ash Mixtures Using Scanning Electronic Microscopy and Energy Dispersion X-Ray Techniques // Bioresour. Technol. – 1994. – V. 48, № 2. − 127-134.

20. De Geyter S., Öhman M., Boström D., Eriksson M., Nordin A. Effects of NonQuartz Minerals in Natural Bed Sand on Agglomeration Characteristics during Fluidized Bed Combustion of Biomass Fuels // Energy & Fuels. – 2007. – V. 21, № 5. − P. 2663-2668.

21. Nuutinen L. H., Tiainen M. S., Virtanen M. E., Enestam S. H., Laitinen R. S. Coating Layers on Bed Particles during Biomass Fuel Combustion in Fluidized-Bed Boilers // Energy & Fuels. – 2004. – V. 18, № 1. – P. 127-139.

22. Almark M., Hiltunen M. Alternative bed materials for high alkali fuels // Proceedings of FBC2005 18th International Conference on Fluidized Bed Combustion (May 22-25, 2005). − Canada. – Ontario, Toronto.

23. Jimenez-Gutierrez J. M., Verlinden R. A. J., van der Meer P. C., van der Wielen L. A. M., Straathof A. J. J. Liquid Hot Water Pretreatment of Lignocellulosic Biomass at Lab and Pilot Scale // Processes. – 2021. − V. 9. – P. 1518.

24. Runge T., Pamella Wipperfurth P., Zhang C. Improving biomass combustion quality using a liquid hot water treatment // Biofuels. – 2013. − V. 4, № 1. – P. 73-83.

25. Vamvuka D., Zografos D. Predicting the behaviour of ash from agricultural wastes during combustion // Fuel. – 2004. – V. 83. – P. 2051-2057.

26. Lebendig F., Funcia I., Pérez-Vega R., Müller M. Investigations on the Effect of PreTreatment of Wheat Straw on Ash-Related Issues in Chemical Looping Gasification (CLG) in Comparison with Woody Biomass // Energies. – 2022. – V. 15. – P. 3422.

27. Abelha Р., Vilela С. М., Nanou Р., Carbo М., Janssen А., Leiser S. Combustion improvements of upgraded biomass by washing and torrefaction // Fuel. – 2019. – V. 253. – P. 1018-1033.

28. Nebyvaev A., Klimov D., Ryzhenkov A., Brulé M. Preliminary Results of Innovative Two-Stage Torrefaction Technology Applied for Thermochemical Treatment of Sunflower Husk // Processes. – 2023. – V. 11. – P. 2486.

29. Рябов Г.А. Совместное сжигание угля и ископаемых топлив – путь к декарбонизации производства тепла и электроэнергии (обзор) // Теплоэнергетика. – 2022. − № 6. − C. 1-15.

30. Niu Y., Tan H., Hui S. Ash-related issues during biomass combustion: Alkali-induced slagging, silicate melt-induced slagging (ash fusion), agglomeration, corrosion, ash utilization, and related countermeasures // Prog. En ergy Combust. Sci. − 2016. − V. 52. − P. 1-61.

31. Reduction of HCl emissions from combustion of biomass by alkali carbonate sorbents or by thermal pretreatment / X. Ren, E. Rokni, Y. Liu, Y.A. Levendis // J. Energy Eng. − 2018. − V. 144, № 4. − P. 04018045.

32. Zimmerling S. VGB. Essen, Germany, personal communication. − July 2020.

33. Зеликов Е.Н., Рябов Г.А., Дик Э.П., Тугов А.Н. Загрязнение и коррозия пароперегревателей котлов на ТЭС, сжигающих твердые бытовые отходы и биомассу // Теплоэнергетика. − 2008. − № 11. − С. 73-77.

34. Oksa M., Metsäjoki J., Kärki J. Corrosion testing of thermal spray coatings in a biomass cofiring power plant // Coatings. − 2016. − V. 6, № 4. − P. 13.

35. Pitsukha E.A., Buchilko É.K., Teplitskii Y.S. et al. Specific Features of the Combustion Process and Thermal Calculation of TwoChamber Cyclone-Bed Furnaces // J. Eng Phys Thermophy. − 2023. – V. 96. – P. 1875-1883.

36. Pitsukha E.A., Teplitskii Y.S. & Buchilko É.K. Hydrodynamics of a Cyclone Chamber with a Varying Direction of Tangential Blowing // J. Eng Phys Thermophy. – 2023. – V. 96. – P. 1290-1303.

37. Teplitskii Y.S., Pitsukha E.A., Roslik A.R. Characteristic Features of the Hydrodynamics and Combustion of Fine Fuel Particles in the Vortex Zone of a Cyclone-Grate-Fired Chamber // J. Eng Phys Thermophy. – 2023. – V. 96. – P. 1162-1171.

38. Pitsukha E.A., Buchilko E.K., Teplitskii, Y.S. Cyclone-Bed Furnaces: Experimental Studies and Thermal Design // Therm. Eng. – 2020. – V. 67. – P. 374-386.

39. Ren X., Sun R., Chi H.-H, Meng X., Li Y., Levendis Y. Hydrogen chloride emissions from combustion of raw and torrefied biomass // Fuel. – 2017. – V. 200. – P. 37-46.