Биомассовые котлы все чаще используются в системах централизованного теплоснабжения, промышленном теплоснабжении и производстве электроэнергии — это обусловлено целевыми показателями сокращения выбросов углерода и требованиями к использованию возобновляемых видов топлива. Сжигание древесной щепы, сельскохозяйственных отходов, соломы, рисовой шелухи и другого биомассового сырья позволяет получать тепловую энергию со значительно меньшим углеродным следом, чем при использовании ископаемого топлива. Однако сжигание биомассы также создает в дымовых газах среду, которая гораздо более агрессивна по отношению к фильтрующим мешкам, чем ожидают большинство операторов предприятий при вводе в эксплуатацию систем пылеудаления.
Распространенное в отрасли предположение — «это всего лишь сжигание древесины, насколько это может быть вредно для фильтровальных мешков?» — напрямую приводит к преждевременному выходу мешков из строя, характерному для рукавных фильтров биомассовых котлов, работающих с обычными фильтрующими материалами. Дымовые газы от сжигания биомассы — это не щадящая версия сжигания угля. В ряде важных аспектов это даже хуже.
В этой статье рассматриваются три конкретных механизма разрушения фильтровальных мешков в котлах, работающих на биомассе, объясняется, почему фильтрующие мешки из стекловолоконного композита с обработкой ПТФЭ являются правильным инженерным решением для высокотемпературных установок, работающих на биомассе, почему ППС является подходящим выбором для установок, работающих на биомассе при умеренных температурах, и как выбрать подходящий вариант в зависимости от конкретных условий эксплуатации.
Три проблемы, определяющие сбор пыли из котлов, работающих на биомассе.
1. Влага и конденсат — механизм закупоривания клеевого слоя.
Биомасса содержит значительно больше влаги, чем уголь. Древесная щепа обычно поступает в котел с содержанием влаги 30–55%. Содержание влаги в сельскохозяйственных отходах сильно варьируется, но часто составляет 15–40%. Эта влага от топлива попадает в зону сгорания и выходит в виде водяного пара с дымовыми газами, образуя газовые потоки с содержанием влаги 15–25% и выше — значительно больше, чем в дымовых газах угольных котлов, где этот показатель составляет 6–12%.
Высокое содержание влаги в дымовых газах приводит к повышению температуры точки росы. Когда температура газа в любой точке воздуховода или рукавного фильтра падает ниже этой точки росы — во время работы с низкой нагрузкой, запуска, остановки или просто из-за недостаточной изоляции — на поверхности фильтрующего мешка конденсируется вода. Зола биомассы гигроскопична: она поглощает сконденсированную влагу и образует пасту, которая полностью блокирует поры фильтра. Это засорение пастой необратимо при импульсно-струйной очистке. После этого поврежденные мешки необходимо снять, очистить в автономном режиме или заменить.
Стандартный подход к управлению риском образования конденсата — работа при температуре выше точки росы — осложняется в системах на биомассе тем фактом, что многие котлы, работающие на биомассе, работают с переменной нагрузкой в зависимости от потребности в тепле. Тепловая электростанция, регулирующая выработку тепла в зависимости от температуры наружного воздуха, будет проводить значительное время в режиме частичной нагрузки, где температура дымовых газов самая низкая, а риск образования конденсата самый высокий.
Решением этой проблемы в качестве фильтрующего материала является гидрофобная поверхность, которая предотвращает впитывание влаги и позволяет каплям сконденсированной воды стекать, а не проникать в материал. Фильтрующие мешки из стекловолокна, обработанные ПТФЭ , достигают этого благодаря изначально низкой поверхностной энергии ПТФЭ — тому же антипригарному свойству, которое определяет этот материал. Капли воды на обработанной ПТФЭ поверхности скатываются, а не растекаются и не впитываются в волокнистую матрицу. Это не исключает необходимости надлежащего регулирования температуры, но обеспечивает существенный запас защиты во время кратковременных перепадов температуры, неизбежных в реальных условиях эксплуатации котлов, работающих на биомассе.
2. Коррозия щелочными металлами — химический механизм, который никто не планирует.
Это тот тип разрушения, который отличает биомассу от угля. Биомасса — особенно сельскохозяйственные отходы, солома и быстрорастущие энергетические культуры — содержит высокие концентрации калия (K) и натрия (Na) по сравнению с углем. В процессе сгорания эти щелочные металлы испаряются, а затем конденсируются в более холодных участках дымовых газов в виде оксидов щелочных металлов (K₂O, Na₂O), гидроксидов (KOH, NaOH), хлоридов (KCl, NaCl) и сульфатов (K₂SO₄, Na₂SO₄).
Эти щелочные соединения обладают сильной щелочностью — они создают химическую среду с высоким pH, которая воздействует на фильтрующие материалы со стороны щелочи. Обычные фильтровальные мешки, предназначенные для работы в условиях воздействия кислых газов — что является разумным вариантом для угольных электростанций — часто обладают низкой устойчивостью к воздействию концентрированных щелочей. Полиэстер, например, гидролизуется как кислотами, так и сильными щелочами. Арамид имеет ограниченную устойчивость к длительному воздействию щелочей. Даже полифениленсульфид (PPS), который хорошо переносит большинство кислот, может быть поврежден концентрированными щелочами при повышенных температурах.
Фильтровальные мешки из стекловолокна обладают присущей им устойчивостью к щелочным средам, поскольку само стекловолокно является неорганическим материалом — силикатная стекломатрица не подвергается деградации полимерных цепей, которая происходит с органическими волокнами под воздействием щелочи. В сочетании с обработкой ПТФЭ, которая обеспечивает дополнительный химически инертный барьер между щелочными соединениями и поверхностью стекловолокна, фильтрующие мешки из стекловолоконного композита обеспечивают щелочестойкость, необходимую для применения в биомассе, где концентрации калия и натрия высоки.
Для котлов, работающих на биомассе при умеренных температурах (непрерывная работа при температуре ниже 160 °C), фильтровальные мешки из полифениленсульфида (PPS) представляют собой альтернативу с хорошей химической стойкостью как к кислотам, так и к умеренно щелочным средам. Полифениленсульфидная полимерная основа PPS не содержит гидролизуемых связей, что обеспечивает ему присущую устойчивость к комбинированной кислотно-щелочной среде, характерной для дымовых газов биомассы. Для установок, работающих на биомассе, где содержание щелочных металлов в топливе умеренное, а рабочие температуры хорошо контролируются ниже 160 °C, PPS представляет собой экономически эффективное решение со сроком службы 2–3 года.
3. Фильтрация тонких частиц — механизм обеспечения соответствия требованиям.
При сжигании биомассы образуются твердые частицы с бимодальным распределением по размерам. Крупная фракция состоит из частиц донной и летучей золы, образующихся из минеральных компонентов топлива — в основном соединений кремнезема, кальция и алюминия. Мелкая фракция, представляющая собой проблему с точки зрения соблюдения нормативных требований, состоит из конденсированных солей щелочных металлов, аэрозолей тяжелых металлов и мелких частиц коксового остатка в диапазоне 0.1–5 мкм.
Эти мелкие частицы представляют собой наиболее сложную фракцию для стабильного улавливания, особенно в переходные периоды сразу после импульсов очистки, когда защитный пылевой слой частично удален. Для котлов, работающих на биомассе и имеющих требования к выбросам 10 мг/Нм³ или ниже — что становится все более стандартным по мере ужесточения экологических норм во всем мире — точность фильтрации фильтрующего материала на протяжении всего рабочего цикла, включая переходный период после очистки, определяет, будет ли установка надежно соответствовать требованиям или будет работать на пределе своих возможностей.
Ламинирование мембраны из ПТФЭ на основе стекловолокна или ППС изменяет механизм фильтрации с глубинной на поверхностную, улавливая мелкие частицы на поверхности мембраны уже с первого рабочего цикла без зависимости от образования пылевого осадка. Это устраняет скачок выбросов после очистки, характерный для глубинных фильтрующих материалов, и обеспечивает стабильную производительность по выбросам во всем диапазоне рабочих условий.
Подробный технический обзор преимуществ поверхностной фильтрации в сложных условиях эксплуатации см. в нашей статье о применении фильтровальных мешков с мембранами из ПТФЭ.
Композит из стекловолокна против полифениленсульфида: выбор подходящего материала для применения в биомассе.
Как фильтрующие мешки из стекловолокна, так и фильтрующие мешки из полифениленсульфида (PPS) успешно применяются в котлах, работающих на биомассе, но они предназначены для разных диапазонов рабочих параметров. Выбор зависит от фактической температуры газа, содержания щелочных металлов в топливе и требований к выбросам.
Композитный материал из стекловолокна с обработкой ПТФЭ — высокотемпературные характеристики.
Фильтровальные мешки из стекловолоконного композита Omela изготавливаются на основе плотного стекловолоконного субстрата плотностью 900 г/м² с покрытием из ПТФЭ. Такая конструкция обеспечивает непрерывную работу при температурах от 180°C до 240°C в зависимости от конкретного сорта, с пиковым допуском от 220°C до 280°C.
Для котлов, работающих на биомассе при температуре выше 160 °C в непрерывном режиме — что включает в себя многие котлы прямого нагрева на биомассе без существенного охлаждения дымовых газов — композит из стекловолокна является единственным подходящим вариантом без органических волокон. Неорганическая структура стекловолокна обеспечивает присущую ему устойчивость к соединениям щелочных металлов, которые разрушают органические волокна, а обработка ПТФЭ придает поверхности гидрофобные свойства, обеспечивающие устойчивость к конденсации и химическую инертность по отношению как к кислотным, так и к щелочным веществам, присутствующим в дымовых газах.
Стабильность размеров стекловолокна при термических циклах — с величинами усадки при нагреве ≤1.5% по основе и ≤1.0% по утку — обеспечивает сохранение плотного прилегания мешков к трубной доске при многократных колебаниях температуры, которые испытывают котлы, работающие на биомассе, во время изменения нагрузки, запуска и остановки.
Для применения в системах обработки биомассы при самых высоких температурах альтернативой являются фильтровальные мешки из полиимида (P84) плотностью 550 г/м², обеспечивающие непрерывный температурный режим до 240°C и пиковые значения до 260°C. Трехлопастное поперечное сечение волокон P84 обеспечивает превосходное улавливание мелких частиц по сравнению с волокнами круглого сечения, что делает его подходящим для применения в системах обработки биомассы, где предъявляются экстремальные требования к точности измерения температуры и выбросов.
PPS — экономичное решение для работы при умеренных температурах.
Для котлов, работающих на биомассе при непрерывных температурах ниже 160°C — включая многие котлы с механической подачей топлива, колосниковой топкой и псевдоожиженным слоем, имеющие адекватное охлаждение дымовых газов, — фильтровальные мешки из полифениленсульфида (PPS) представляют собой экономичное решение с высокой химической стойкостью.
Фильтровальные мешки Omela PPS (серия OM-PPS160) рассчитаны на непрерывную работу при температуре 160°C с пиковыми значениями до 190°C и плотностью от 530 до 650 г/м². Ключевое преимущество PPS в применении к биомассе заключается в сочетании устойчивости к гидролизу — он не разлагается в условиях высокой влажности и кислотного катализа — и химической стойкости как к кислотам, так и к умеренно щелочным условиям. Для биотоплива с умеренным содержанием калия и натрия (чистая древесная щепа, пеллеты и хорошо охарактеризованные сельскохозяйственные отходы) PPS обеспечивает срок службы 2–3 года при более низкой стоимости одного мешка, чем композит из стекловолокна.
Ограничением применения PPS в системах сжигания биомассы является его чувствительность к сильным окислительным условиям при температурах выше 140°C. Дымовые газы биомассы могут иметь повышенное содержание кислорода (12–15%) в зависимости от системы подачи воздуха для сжигания, и в некоторых конфигурациях сочетание высокого содержания кислорода и рабочих температур, близких к пределу прочности PPS, может ускорить окислительную деградацию. Если ваш котел на биомассе работает при температуре около 160°C с содержанием кислорода выше 14%, композит из стекловолокна является более безопасным вариантом для долгосрочного использования, несмотря на более высокую стоимость.
Краткое описание отбора
| Состояние | Рекомендуемые СМИ |
|---|---|
| Постоянная температура 160–240 °C | Композит из стекловолокна с обработкой ПТФЭ |
| Непрерывная работа при температуре >200°C, исключительная точность. | Полиамид (P84) или композит из стекловолокна |
| Постоянная температура <160°C, умеренно щелочная среда. | Войлок, изготовленный методом иглопробивания из полифениленсульфида (PPS). |
| Любая температура + сверхнизкий уровень выбросов (<5 мг/Нм³) | Добавить ламинирование мембраной из ПТФЭ. |
| Высокий риск образования конденсата | Обработка ПТФЭ или мембрана из ПТФЭ необходимы. |
Проектирование продукции: почему качество сборки определяет реальные эксплуатационные характеристики.
Три основных преимущества, отличающих фильтровальный мешок, соответствующий техническим требованиям, от мешка, действительно обеспечивающего многолетний срок службы в системах переработки биомассы:
Оптимизация структуры. Тяжелая стекловолоконная основа плотностью 900 г/м² — по сравнению со стандартным стекловолокном плотностью 550–750 г/м² — обеспечивает механическую прочность, необходимую для противостояния комбинированному напряжению, возникающему при работе при высоких температурах, воздействии щелочных химических веществ и длительной струйной очистке. Усиленная сетка и обработка ПТФЭ создают композитную структуру, где каждый слой вносит свой вклад в определенные свойства: структурную прочность за счет сетки, фильтрующие свойства за счет иглопробивного войлока и химическую/гидрофобную защиту за счет обработки ПТФЭ.
Высокоэффективная фильтрация с низким сопротивлением. Многомерная структура мембраны на основе ламинированного ПТФЭ материала обеспечивает гладкость поверхности мешка и чистое удаление липкой, гигроскопичной золы биомассы во время каждого импульса очистки. Это поддерживает стабильно низкое перепад давления на протяжении всего срока службы мешка, предотвращая постепенное увеличение падения давления, которое приводит к преждевременной замене мешков в системах, использующих традиционные фильтрующие материалы. Более низкий перепад давления напрямую снижает энергопотребление вентилятора, что в непрерывно работающем рукавном фильтре биомассового котла представляет собой существенную экономию эксплуатационных расходов.
Увеличение срока службы за счет стабильности технологического процесса. Стабильные производственные процессы и контроль качества обеспечивают получение мешков с равномерным распределением волокон, равномерной толщиной покрытия из ПТФЭ и стабильными механическими свойствами от мешка к мешку по всей партии заказа. В рукавном цехе, где производится более 1,000 мешков, стабильность имеет значение — несколько мешков с некачественной толщиной покрытия или распределением волокон выйдут из строя на ранней стадии и вызовут проблемы с выбросами, которые будут казаться случайными событиями, но на самом деле являются производственными отклонениями.
Автор
Jessica Ма – старший инженер по фильтрации, компания Omela Filtration.
Jessica Ма — старший инженер-фильтратор в компании Omela Filtration, специализирующаяся на фильтрации пыли и жидкостей. Обладая более чем 15-летним опытом, она занимается оптимизацией работы рукавных фильтрующих установок, повышением эффективности фильтрации и разработкой высокоэффективных решений для промышленных пылеуловителей и систем прецизионной фильтрации жидкостей.