Биомасса

 

 

СОЛОМОСЖИГАЮЩИЕ КОТЛЫ 

 

 Солома имеет близкую  к древесине теплотворную способность  и может быть использована  в качестве топлива для котлов. Однако существует ряд трудностей, из-за которых солома используется  преимущественно в больших котлах, обычно работающих в системах  централизованного теплоснабжения  и в сельском хозяйстве. 

 

Солома - сложный вид топлива. Обеспечение котла соломой затруднено ее негомогенной структурой, относительно большой влажностью и большим  объемом по сравнению с содержанием  энергии. Объем соломы превышает  в 10-20 раз объем угля с аналогичным  содержанием энергии. Более того, 70% сгораемых компонентов соломы содержатся в летучих газах, выделяющихся в процессе сжигания. Большое содержание летучих компонентов требует  специальной конструкции топки  и организации потока воздуха  в ней. Солома содержит соединения хлора, которые могут вызвать проблемы с коррозией при высоких температурах. Температура плавления соломенной золы относительно низкая из-за высокого содержания щелочных металлов. В результате могут возникать проблемы с золоудалением.

 

Системы централизованного  теплоснабжения

 

 Несмотря на перечисленные  проблемы, в мире существует большое  количество станций централизованного  теплоснабжения, использующих солому  в качестве топлива. Начиная  с 80-х годов, только в Дании  было построено более 70 таких  станций. Их мощность варьируется  от 0,6 до 9 МВт при средней мощности 3,7 МВт. На этих станциях используются  так называемые тюки Хестона (Hesston bales), имеющие размеры 2,4x1,2x1,3 м и вес 450 кг. Конструкции станций предусматривают возможность использования резервного топлива в газовых или мазутных котлах для случаев большой пиковой нагрузки, ремонтов и аварий. Мощность соломосжигающих котлов обычно соответствует 60-70% максимальной нагрузки, что облегчает их эксплуатацию летом в условиях низкой нагрузки.

 

Соломосжигающие станции состоят из стандартных компонентов:

хранилище для соломы.

устройство для взвешивания  соломы.

погрузчик.

конвейер.

устройство подачи топлива  в котел (питатель).

котел.

устройство для очистки  дымовых газов.

дымовая труба.

 

КОТЕЛ

 

 Конвейер подает солому  в нижнюю часть котла, где  находится массивная железная  решетка. Здесь и происходит  сжигание. Решетка обычно делится  на несколько зон сгорания, каждая  из которых имеет собственный  вентилятор, подающий воздух через  решетку. Сжигание может контролироваться  независимо в каждой зоне. Таким  образом достигается полное сжигание соломы. Большая часть горючих веществ (70%) в результате нагрева выделяется в виде летучих компонентов, которые сгорают в топочной камере над решеткой. Для обеспечения полного сгорания летучих компонентов вторичный воздух подается через форсунки, установленные в стенках котла. Из топочной камеры дымовые газы подаются в конвективную зону котла, в которой большая часть тепла передается через стенки котла циркулирующей воде. Конвектор обычно состоит из рядов вертикальных труб, через которые пропускаются дымовые газы. В большинстве существующих станций имеется экономайзер - теплообменник, установленный за конвектором. В экономайзере происходит дополнительная передача тепла воде, что приводит к увеличению эффективности системы в целом.

 

 

 ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ  СОЛОМЫ 

 

 Солома, поставляемая  для сжигания, должна удовлетворять  определенным требованиям для  того, чтобы уменьшить риск возникновения  эксплуатационных проблем в процессе  производства энергии. Хранение, подготовка, дозирование, подача, сжигание  и экологические последствия  перечисленных операций таят  в себе возможность возникновения  проблем. Влажность соломы является  одним из самых важных критериев  качества этого вида топлива.  Обычно влажность варьируется  в пределах 10-25%, но иногда может  быть и выше. Теплотворная способность  и цена соломы зависит от  влажности. 

 

Все тепловые станции определяют приемлемую максимальную влажность  поставляемой соломы. Высокое содержание воды может вызвать проблемы при  хранении и нарушения в работе станции в целом, а также уменьшение мощности и увеличение затрат на подготовку, дозирование и подачу соломы в  котел (и, возможно, уменьшение КПД котла). Приемлемая максимальная влажность  поставляемой соломы отличается для  разных станций в пределах 18-22%. Разные виды соломы обладают различными свойствами при сгорании. Некоторые виды горят  практически взрывообразно, почти  не оставляя золы, другие горят медленно, оставляя на решетке "скелет" золы. Опыт, накопленный на разных станциях централизованного теплоснабжения, не всегда идентичен. Различия в процессе сжигания не всегда можно объяснить  на основании обычных лабораторных измерений.

 

Системы отопления мощностью  менее 1 МВт 

 

Этот тип установок  отличается от систем централизованного  теплоснабжения и используется в  основном в сельской местности. Использование  соломы в качестве источника энергии  в аграрном секторе началось в 70-х  годах в результате энергетического  кризиса, во время которого существовали субсидии на установку соломосжигающих котлов. За последние 10-15 лет концепция таких котлов была развита от маленьких и примитивных котлов, требующих наличия обслуживающего персонала, сжигающих тюки, подающиеся вручную, и имеющих проблему с дымовыми газами, до больших котлов, сжигающих тюки часто с автоматической подачей, с загрузкой топлива 1-2 раза в сутки.

 

 КОТЛЫ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ  ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА 

 

 Ранее на рынке преобладали  котлы для маленьких тюков.  Сегодня большая часть котлов  с периодической подачей приспособлена  для больших тюков (круглые  и прямоугольные тюки Хестона). Котлы, использующие большие тюки, хорошо приспособлены для обеспечения годовой потребности в тепле, соответствующей потреблению по крайней мере 10000 литров мазута. Имеются котлы разных размеров, использующие одновременно от одного круглого тюка (200-300 кг) до двух тюков Хестона (1000 кг). Обычно котел сжигает тюки последовательно. Трактор, оборудованный захватом, доставляет тюк на решетку через открытую переднюю часть котла. Для обеспечения хорошего сжигания и уменьшения уноса частиц в дымовых газах скорость и количество подаваемого в котел воздуха могут отличаться в верхней и нижней части топочной камеры.  Ранее котлы с периодической загрузкой вызывали много проблем в случае использования соломы низкого качества. Кроме того, возникали сложности с контролем подачи воздуха. В последних моделях эти проблемы решены. Содержание воды, однако, должно поддерживаться не выше 15-18%. Сегодня максимальная эффективность котлов достигает 75% при содержании СО ниже 0,5%. Десять лет назад типичным значением эффективности было 35%.

 

 

 

 КОТЛЫ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ  ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА

Интерес к котлам с автоматической загрузкой вырос потому, что популярные котлы с периодической подачей  тюков малого размера требуют  наличия значительного обслуживающего персонала. Было разработано несколько  типов автоматических котлов, однако все они включают дозирующее устройство, которое автоматически и постоянно  снабжает котел соломой. Такое устройство может работать с целыми тюками, измельченной соломой или соломенными  гранулами.

 

КОТЛЫ ДЛЯ СОЛОМЕННЫХ ТЮКОВ 

 

Устройство, состоящее из рыхлителя и режущего приспособления, разделяет тюки на отдельные части  разных размеров. Тюки подаются в него с помощью конвейера. Количество поступающей соломы часто регулируется с помощью изменения скорости конвейера. После измельчения солома перемещается с помощью червячного транспортера или вентиляторов. Если используются вентиляторы, то расстояние до котла может быть большим, однако при этом используется большее количество энергии.

 

На практике рыхлитель  не режет или разрывает солому, а разделяет ее на сегменты, в  которых солома была спрессована  пресс-подборщиком. Для обеспечения  постоянного количества подаваемой соломы рыхлитель обычно оборудован удерживающим устройством. Большинство  рыхлителей также имеют ножи для  измельчения от образования больших  фракций соломы.

 

В автоматических котлах сжигание происходит одновременно с подачей  соломы в топку. Количество подаваемого  воздуха соответствует количеству соломы и регулируется с помощью  переменной заслонки перед вентилятором. Это обеспечивает оптимальное сжигание и высокий коэффициент использования  топлива, а значит и уменьшение эмиссии  пыли по сравнению с ручными котлами, не имеющими регулировки подачи воздуха. Возгорание соломы в автоматических котлах не вызывает проблем, поскольку  подача топлива происходит непрерывно.

 

 

 

КОТЛЫ ДЛЯ СОЛОМЕННЫХ ГРАНУЛ

 

Интерес к использованию  соломенных гранул в качестве источника  энергии вырос в течение последних  лет. В настоящее время производство и использование соломенных гранул относительно невелико. Интерес вызван однородной и удобной структурой этого вида топлива, прекрасно приспособленного для транспортировки в танкерах и использования в автоматических теплоснабжающих установках. Однако существуют еще нерешенные проблемы с золоудалением в случае использования  соломенных гранул в малых котлах.

 

Отопительные устройства на гранулах обычно используются в  индивидуальных домах. Обычно они состоят  из котла и закрытой емкости для  топлива (соломенных гранул). Червячный  питатель подает гранулы в топку  котла. Питатель работает периодически, а количество подаваемого топлива  регулируется величиной интервала  между его последовательными  включениями. Воздух подается с помощью вентилятора. Количество золы в малых котлах обычно равно 4% от веса использованной соломы.

 

 

ПРОИЗВОДСТВО ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ - ПИРОЛИЗ 

 

Производство древесного угля охватывает широкий диапазон технологий от простых и рудиментарных земляных устройств до сложных, обладающих большой  мощностью реторт. Использование  различных технологий приводит к  получению древесного угля разного  качества. Улучшение технологии производства древесного угля направлено на относительное  увеличение угля на выходе и улучшение  его качественных характеристик.

 

Типичные параметры качественного  древесного угля:

Содержание золы - 5%.

Содержание углерода - 75%.

Содержание летучих компонентов - 20%.

Плотность - 250-300 кг/м3.

Физические параметры - Умеренно рыхлый.

 

 Усилия по оптимизации  производства древесного угля  направлены на оптимизацию приведенных  выше параметров при минимальных  инвестициях и затратах на  обслуживающий персонал и максимальном  выходе угля по отношению к  количеству древесины на входе. 

 

Производство древесного угля состоит из шести главных  этапов:

Подготовка древесины.

Сушка или уменьшение влажности.

Предварительная карбонизация - уменьшение количества летучих компонентов.

Карбонизация - дальнейшее уменьшение количества летучих компонентов.

Завершение карбонизации - увеличение содержания углерода.

Охлаждение и стабилизация древесного угля.

 

Первый этап состоит из сбора и подготовки основного  сырья - древесины. Для малых производителей производство древесного угля является дополнительной и периодической  деятельностью, позволяющей уменьшить  затраты на приобретение топлива  или повысить доходы от его продажи. Соответственно, для них подготовка сырья заключается в простом  сборе сучьев и веток. Для этих целей тратится незначительное время. Перед использованием древесина  сушится. Уменьшение содержания воды облегчает  в дальнейшем процесс карбонизации. В случае массового производства угля проводится очистка древесины  от коры. По существующим оценкам, использование  древесины с корой приводит к  образованию древесного угля, имеющего зольность около 30%. В случае предварительного удаления коры зольность угля уменьшается  до 1-5%, улучшая параметры сгорания древесного угля.

Второй этап получения  древесного угля выполняется при  температурах от 110 до 220 оC. Этот этап заключается преимущественно в уменьшении количества воды в древесных порах, воды, содержащейся в клетках и химически связанной воды.

 

Третий этап проводится при  температурах от 170 до 300°C и часто  называется этапом предварительной  карбонизации. На этом этапе выделяются пиролизные жидкости в форме метанола и уксусной кислоты, а также малое количество окиси и двуокиси углерода.

 

Четвертый этап выполняется  при температурах от 200 до 300°C, когда  образуется основная часть легких смол и пиролизных кислот. В конце этого этапа образуется древесный уголь, являющийся результатом карбонизации древесных остатков. На пятом этапе при температурах от 300 до максимальной 500°C завершается выделение летучих компонентов и увеличивается содержание углерода в угле.

 

На шестом этапе полученный уголь охлаждают в течение, по крайней мере 24 часов, чтобы увеличить его устойчивость и снизить риск самопроизвольного возгорания.

 

Наконец, финальный этап заключается  в извлечении угля, упаковке, транспортировке, оптовой и розничной продаже  потребителям. Выполнение этого этапа  может значительно повлиять на качество поставляемого потребителям угля. Уголь  хрупок, поэтому подготовка и транспортировка  на большие расстояния может увеличить  содержание мелкой фракции в нем  до 40%. Это значительно уменьшает  ценность угля. Упаковка в мешках позволяет  существенно уменьшить измельчение.

 

 

ГАЗИФИКАЦИЯ ДРЕВЕСИНЫ 

 

Газификация древесины называется также газогенерацией или сухой перегонкой. Суть процесса заключается в производстве горючего газа посредством нагрева древесины. Монооксид углерода, метиловый газ, метан, водород, газообразные углеводороды и другие компоненты в различных пропорциях могут быть получены с помощью нагрева или сжигания древесины в условиях отсутствия или недостатка кислорода. Эта цель может быть достигнута в топочных устройствах, ограничивающих поступление воздуха извне, в результате чего сжигание происходит не полностью. Сходным процессом является нагрев древесины в закрытой емкости с использованием внешнего источника тепла. В разных процессах получаются разные продукты. Если при сжигании древесины обеспечить необходимое количество кислорода, то в процессе такого сжигания образуются двуокись углерода, вода, небольшое количество золы (соответствующее содержанию неорганических веществ) и тепло. Этот тип сжигания реализуется в обычных древесносжигающих печах. После начала процесса горения можно ограничить поступление воздуха. При этом горение будет продолжаться, но с частичным сгоранием. В случае полного сгорания углеводорода (древесина в основном состоит из углеводородов) кислород объединяется с углеродом, а также с водородом. В результате чего получаются CO2 (двуокись углерода) и H2O (вода). Ограниченное количество воздуха и тепло обеспечивают продолжение неполного сгорания. В этих условиях один атом кислорода объединяется с одним атомом углерода, в то время как водород взаимодействует с кислородом лишь частично. В результате получается монооксид углерода, вода и газообразный водород. Кроме того, образуются и другие компоненты, например, углерод в виде дыма. Под воздействием тепла разрываются химические связи в молекулах сложных углеводородов, содержащихся в древесине (а также в любом другом углеводородном топливе). Одновременно в процессе объединения атомов углерода и водорода с кислородом выделяется тепло. Таким образом, процесс поддерживает сам себя. Если количество воздуха недостаточно, то в результате такого процесса образуется достаточно тепла для разложения молекул древесины, но продуктами этого процесса будут монооксид углерода и водород - горючие газы. Другие продукты неполного сгорания - это преимущественно диоксид углерода и вода.