7.2. Прямое сжигание биомассы

Сжигание на воздухе

Простейшим методом получения полезной энергии из сухой биомассы является ее сжигание на воздухе. Теплота реакции составляет от 16 до 24 ГДж/т абсолютно сухой биомассы, в зависимости от ее типа. Если количество кислорода недостаточно для полного окисления горючего материала, тогда происходит образование углерода, оксида углерода, углеводородов и других газов, а теплота реакции снижается. Азот и другие элементы, присутствующие в биомассе, превращаются в газообразные продукты и золу (http://www.bio-energetics.ru).

 Примечание.

Присутствие воды в биомассе не снижает термодинамического выхода тепла, однако практическая эффективность реакции снижается вследствие необходимости нагрева воды и ее испарения при температуре сжигания. Содержание воды более 30 % не дает возможности прямого сжигания биомассы, поэтому материал должен быть высушен или же к нему следует добавить топливо.

Вода также снижает температуру пламени и скорость сжигания. Однако использование печей с псевдо сжиженным слоем материала позволяет проводить сжигание при содержании воды до 55 %.

Были предложены регенеративные печи, повторно использующие тепло испарившейся воды и газообразных продуктов сгорания; в этих условиях теоретически возможно сжигание материалов, насыщенных влагой. Сжигание в соответствующих камерах сгорания может явиться одним из наиболее эффективных методов использования энергетического потенциала биомассы.

В печах прямого нагрева и паровых котлах использование тепла составляет 85 %, однако многие установки на практике являются значительно менее эффективными.

Подготовка биомассы

Перед сжиганием тем или иным способом большинство типов биомасс необходимо определенным образом подготовить. Типы биомасс могут варьировать:

♦ от плотных, относительно сухих материалов, таких, как древесина;

♦ до очень влажных, обладающих низкой теплотворной способностью, таких как канализационные стоки и морские водоросли.

Другие материалы, такие как солома, обладая низкой влажностью, имеет малую плотность, и поэтому работа с ними является затруднительной. Наиболее важными этапами подготовки биомассы являются:

♦ измельчение;

♦ сортировка по размерам частиц;

♦ сушка;

♦ хранение.

Необходимые размеры древесины получают путем распила, раскола и измельчения. Предварительная сушка на воздухе проводится не всегда, в зависимости от техники сжигания. Используют и другой метод подготовки древесины, называемый «уплотнением». В ходе этого процесса древесину сушат, измельчают, сортируют по размерам частиц и добавляют связующие агенты. Полученный материал брикетируют или прессуют в более плотную массу с содержанием влаги около 7 %.

 Примечание.

В целом эта технология способствует улучшению свойств биомассы как топлива, приближая их к свойствам угля.

Этот процесс является дорогостоящим и может более чем в двое повысить цену топлива. Но он, тем не менее, обеспечивает получение материала, способного заменить обычные виды топлива; в некоторых районах потребители готовы оплачивать эти лишние издержки.

Для транспортировки к месту использования солому прессуют в кипы. Кипы имеет низкую плотность (62—200 кг/м³ в зависимости от типа пресс-подборщика). Они должны быть небольшими для облегчения погрузочно-разгрузочных работ вручную, что ведет к высоким транспортным расходам. Кроме того кипы соломы неудобны для автоматической подачи в печи для сжигания. Делались предложения относительно измельчения соломы перед использованием, но это еще больше увеличивало издержки по подготовке биомассы.

Твердые отходы животноводства содержат обычно 70–85 % воды. Перед сжиганием необходима предварительная сушка, которую также можно осуществить путем использования топочных газов. Аналогичные методы применимы к другим материалам с высокой влажностью. При этом количество получаемого тепла в значительной мере снижается вследствие использования его части для высушивания топлива.

Хранение биологического сырья представляет особую проблему вследствие его большого объема, зачастую сезонного его поступления, а также склонности к биологическому разложению. Обычные виды топлива не имеет подобного рода недостатков. В некоторых случаях невозможно обеспечить подачу топлива в соответствии с необходимым выделением тёпла, поэтому необходима установка печей (бойлеров), способных работать как на обычном топливе, так и на биомассе.

Мелкомасштабные методы сжигания

Самый простой метод сжигания биомассы — это сжигание на открытом огне. В этих случаях эффективность сжигания очень низка. При сжигании топлива в традиционных печах отношение выделившейся энергии к подведенной энергии может быть менее 10 %. В последние годы были сконструированы эффективные дровяные печи и бойлеры.

Значительная потеря тепла в простых топках происходит из-за чрезмерной тяги в дымоходе.

 Примечание.

Простое ограждение для огня и ограничение тяги повышает эффективность сгорания до 25 %.

В настоящее время имеется значительно более эффективные дровяные печи. Комната, где установлена такая печь, получает до 70 % энергии сгорания топлива или в результате излучения, или в результате конвекции. Однако средняя эффективность дровяных печей составляет все еще около 50 %.

Основным недостатком многих систем является:

♦ трудность обеспечения автоматической подачи топлива;

♦ необходимость постоянного внимания со стороны пользователей.

В целях частичного решения проблемы были созданы системы,

предназначенные для использования многих видов топлива; при желании работа в автоматическом режиме достигается путем переключения на ископаемые виды топлива.

Основной проблемой небольших систем сжигания биомассы является накопление агрессивных масел и смол в более холодных частях дымохода. Эти скопления необходимо периодически удалять; дымоход можно очищать также путем пропускания через него горячих газов (однако наряду с удалением нежелательных соединений теряется и полезное тепло).

Промышленная технология сжигания

Биомасса обычно используется в промышленности в качестве топлива только в тех случаях, когда она представляет собой остатки от переработки биологических материалов другие, более ценные, продукты. Это имеет частичное значение с точки зрения охраны окружающей среды, так как удаление остатков является часто затруднительным.

Два вида топлива биологического происхождения уже используются в промышленности, и методы сжигания их являются документально обоснованными:

♦ солома, получаемая в сельском хозяйстве:

♦ древесные отходы деревообрабатывающей промышленности.

Ниже дается некоторые комментарии по используемой технологии.

Сжигание соломы на фермах практикуется в некоторых районах, а печи для сжигания соломы производятся в Дании в широком масштабе. Однако, по крайней мере, в Великобритании, после закупки в 70-х годах тысяч небольших бойлеров интерес к последним упал, и, по имеющимся данным, в настоящее время используется менее половины закупленного оборудования.

Причина тому, по-видимому, неудобство работы с этим оборудованием, сгорание неустойчивое и неэффективное, а дым и сажа вызывают загрязнение окружающей среды. Выход тепла был ниже, чем это было гарантировано производителем. Появились усовершенствованные варианты с непрерывным сжиганием и разделением печи и бройлера (для повышения полноты сгорания), однако эти устройства стали более дорогостоящими, и они вышли из употребления.

Отрасли деревообрабатывающей промышленности используют древесные остатки для парообразования на месте производства. Пар используется для поддержания температурных условий процесса и для выработки электроэнергии. Горячие продукты сгорания могут использоваться для сушки.

Общие отходы деревообрабатывающей промышленности могут составлять до 50 % от массы сырья. Содержание влаги в отходах составляет 30–50 %. Паровые установки, использующие эти отходы, сжигают до 250 т/ч. Используется несколько типов бойлеров и печей — например, датские печи, печи с механической загрузкой, печи с наклонной решеткой.

Сжигается как влажная (до 30 % влаги), так и сухая древесина. Эффективность может быть такой же высокой, как и при сжигании других видов твердого топлива. Однако оборудование для сжигания часто включает высокоэффективные газовые и масляные установки (на случай отсутствия отходов).

Сжигание широко используется в целях утилизации городских и промышленных отходов. Несмотря на существование множества проектов по использованию полученного тепла для обогрева жилых домов, в большинстве случаев это тепло не используется. Стоимость сжигания может быть неожиданно высокой, но здесь первостепенное значение имеет борьба с загрязнением окружающей среды, а для некоторых отходов сжигания является единственно приемлемым способом их утилизации.

Газогенераторная установка

Газогенераторная установка (сжигатель, рис. 7.1), производит газ и тепловую энергию из отходов деревообработки (древесная щепа, опилки, обрезки, стружки и горбыль и т. д.), и прочих отходов биомассы (лузга подсолнечника, солома, некондиция семян растений).

Газогенераторная установка решает одновременно две задачи:

♦ утилизация отходов;

♦ очень дешевое теплообеспечение.

Рис. 7.1. Внешний вид газогенераторной установки

Сжигатель комплектуется бункером и автоматизированной шнековой подачей топлива, благодаря которой, повышается комфорт обслуживания и длительность одноразовой загрузки до 5 суток.

Газогенераторная установка разработана для котлов марки «КЭС». Также газогенератор можно применить в существующие котельные для других котлов отечественного или импортного производства с чугунным или металлическим теплообменником.

Технология

Опилки (стружка) или щепа засыпаются в бункер, оборудованный «ворушителями», которые предотвращают «налипание» сырья, и далее поступают в шнековый транспортер. Он работает в автоматическом режиме «подача-пауза» в соответствии с заданной на контроллере программой (подробности см. на http://kes.ucoz.ua).

Шнек осуществляет дозированную подачу топлива в газогенератор, в котором происходит процесс газификации, т. е. процесс практически полного превращения топлива в горючие газы (остаточная зольность менее 0,5 %).

Дальнейшая реакция между углеродом и кислородом воздуха обеспечивает температуру, достаточную для образования окиси углерода — главного горючего компонента вырабатываемого газа. Смолы и масла разлагаются на газы, которые содержат водород, реализуется принцип «чистой трубы».

Факел горящего газа направляется в камеру сгорания котла, в котором происходит нагрев воды. Обрезки и кусковые отходы сжигаются непосредственно в топке котла. Контроллер — программатор обеспечивает поддержание и регулировку температуры теплоносителя с точностью ± 1 град. Циркуляция воды в системе обеспечивается насосом.

Применение газогенераторов

В настоящее время для теплоснабжения зданий и сооружений, получения горячей воды для технологических нужд, получения пара и горячего воздуха для различных технологических процессов применяются водогрейные котлы, паровые котлы и теплогенераторы, в основном использующие дорогостоящие электроэнергию, каменный уголь, нефтепродукты и природный газ. В то же время имеются значительные запасы топливосодержащих бросовых материалов и низкокачественного топлива (отходы лесозаготовительного, деревообрабатывающего, гидролизного, сельскохозяйственного и других производств, торф, сланцы, бытовые отходы).

Газогенераторы позволяют утилизировать многие из указанных материалов, которые до сих пор используются в несущественных объемах. Их хозяйское, рациональное применение может привести к весьма значительной экономии угля, электроэнергии, жидкого топлива, природного газа.

Широкое внедрение газогенераторов позволяет одновременно содействовать разрешению и не менее важной задачи экологического плана — очистке значительной территорий от указанных отходов.

 Примечание.

Газогенераторы могут работать с различным отопительным оборудованием. При этом они должны соответствовать друг другу по мощности (±30 %).

При выборе типоразмера газогенератора для системы отопления можно исходить из следующих норм:

♦ для отопления помещений с высотой потолков до 3 м на каждые 10 м² требуется 1 кВт тепловой мощности газогенератора;

♦ для отопления более высоких помещений на 100 м² требуется 4–5 кВт тепловой мощности газогенератора.

Принцип работы и устройство газогенератора

Газогенератор использует простой, хорошо проверенный способ преобразования твердого топлива в газообразное. На стадии газификации топливо и кислород воздуха, подаваемого в ограниченном количестве в камеру газообразования, нагреваются раскаленным реактором и вступают между собой в реакцию. В результате нее топливо разлагается на углерод, водяной пар, смолы и масла. Дальнейшая реакция между кислородом и углеродом обеспечивает температуру, достаточную для образования окиси углерода (СО) — главного горючего компонента вырабатываемого газа.

Смолы и масла разлагаются на газы, содержащие водород и некоторое количество метана. Минимальная теплотворная способность газа— 1100 ккал/м³. Газогенераторы позволяют при совместной работе с серийно выпускаемыми водогрейными или паровыми котлами, воздушными теплообменниками осуществлять теплоснабжение зданий и сооружений различного назначения, получать горячую воду, пар или горячий воздух для обеспечения технологических процессов (запарка кормов, стерилизация, сушка древесины, зерна и др.).

В качестве топлива для газогенераторов может применяться древесная щепа, кусковой торф (объем кусков от 1 см³ до 200 см³), смесь кускового торфа с опилками или стружками в соотношении примерно 1:1 по объему. Топливом могут быть и только опилки и стружка. Хорошим топливом для газогенераторов являются отходы гидролизной переработки древесины — лигнин, сформованный в топливный брикет (кусок).

Важной особенностью газогенераторов является их «всеядность». В них может использоваться топливо практически любой «сортности». Так, газогенераторы работают на измельченной древесине любых пород и любого качества (с корой, хвоей, подгнившая и т. п.). Существенную роль играет только влажность. Возможно применение топлива влажностью до 45–50 %.

Для наиболее эффективной работы и обеспечения максимального срока службы агрегата рекомендуется применять топливо с влажностью не выше 35 %.

Газогенератор — агрегат модульной конструкции, легко приспосабливаемый к работе с различными водонагревательными и воздухонагревательными устройствами.

Газогенератор состоит из трех основных узлов: камеры газообразования, трубы горения и бункера для топлива.