Текст книги "Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография"

Автоматические котлы подключаются к системе теплоснабжения так же, как мазутные или газовые. Тепло от сгорания топлива передается теплоносителю – воде, которая после нагрева поступает в радиаторы, расположенные в помещениях дома. Таким образом, котел отапливает все помещения в здании, в отличие от печи, которая обогревает лишь комнату, в которой находится. Гранулы и щепа имеют идеальный размер для использования в автоматических котлах, поскольку они подаются в котел непосредственно из бункера. Бункер необходимо заполнять один-два раза в неделю. В котлах с ручной подачей топлива, использующих, например, дрова, последние необходимо загружать несколько раз в день. Однако такие котлы обычно дешевле автоматических.[9–3].

Существует правило, что ручные котлы, работающие на дровах, имеют приемлемые параметры сжигания только на полной нагрузке. Однако в отдельных установках, имеющих контроль содержания кислорода, нагрузка может быть уменьшена до 50 % без изменения эффективности или эмиссии. В таких котлах проводится отбор проб и анализ содержания кислорода в дымовых газах и автоматическое регулирование подачи воздуха. [9–3].

Аналогичные системы используются в автомобилях. Для того, чтобы не приходилось загружать котлы каждые 2–5 часов в холодные периоды года, номинальная мощность котлов выбирается в 2–3 раза больше номинальной тепловой потребности здания. Это означает, что для котлов с ручной подачей топлива требуется больший размер. Котлы, использующие дрова, должны иметь емкость для хранения топлива. Это обеспечивает комфорт для пользователя, меньшие финансовые затраты и экологическое воздействие. Кроме того, в котлах без такой емкости часто наблюдаются усиленная коррозия, вызванная колебаниями температуры воды и дымовых газов.

Принцип BURN-THROUGH (подача воздуха сквозь топливо).

Практически все старые печи используют этот принцип. Воздух поступает в них снизу и проходит вверх, преодолевая массив топлива. В таких печах топливо сгорает очень быстро. Газы не сгорают полностью, потому что температура внутри низкая. Большая часть газов вместе с энергией, содержащейся в них, попадает в дымоход. Дымовые газы не успевают передать тепловую энергию в сравнительно коротком дымоходе. В целом эффективность таких печей обычно не превышает 50 %. [9–3].

Рис. 9–5. Котел с подачей воздуха сквозь слой топлива /

Рис. 9–6. Котел с нижней подачей воздуха.

Такие котлы весьма отличаются от описанных выше печей. Поступающий в них воздух проходит не через весь массив топлива, а только через часть. При этом горит только нижний слой древесины. Остальные слои высушиваются и медленно газифицируются. Добавление воздуха (так называемый вторичный воздух) непосредственно в пламя позволяет сжигать летучие компоненты более эффективно. В топочных камерах современных котлов с нижней подачей воздуха имеется керамическая футировка, сохраняющая тепло внутри камеры. Это позволяет повысить температуру и эффективность сжигания. Типичная эффективность таких котлов находится на уровне 65–75 %. [3].

В таких котлах воздух также подается только к части топлива. Газы также образуются медленно и сгорают более эффективно. Вторичный воздух также подается в футированную камеру сгорания, в которой поддерживается высокая температура. Дымовые газы должны преодолеть большое расстояние внутри котла, отдавая при этом тепловую энергию. Эффективность таких котлов находится обычно на уровне 75–85 %. Некоторые из них снабжены вентиляторами для подачи воздуха вместо использования естественной тяги. Сжигание в таких котлах происходит лучше, с меньшим образованием сажи. Однако их эффективность отличается незначительно. [9–3].

Рис. 9–7. Котел со встречной подачей.

Качество котла зависит от отношения между энергией, содержащейся в топливе, и энергией, переданной в систему теплоснабжения. Это отношение называется эффективность или коэффициент полезного действия (КПД). Чем выше эффективность котла, тем большая часть энергии топлива будет передана теплоносителю (воде) в котле. Хорошие котлы имеют эффективность 80–90 %.

Потребление древесины в котлах со встречной подачей обычно находится в диапазоне от 4 кг/час для котла мощностью 18 кВт до 18 кг/час для котла мощностью 80 кВт. Для условий Центральной Европы средний односемейный дом (150 м²) потребляет 12 м³ древесины за отопительный сезон. Типичный котел может сжигать куски дерева длиной до 80 см. В таблице внизу приведены дополнительные данные о котлах промежуточного размера. [9–3].

Таблица. 9-1

Данные о котлах промежуточного размера

Теплотворная способность древесины 15 МДж/кг.

Установка бака-аккумулятора совместно с древесносжигающими котлами имеет смысл всегда. Дополнительные расходы, связанные с приобретением и установкой бака, окупаются достаточно быстро. Качество сжигания улучшается. Вскоре после зажигания топлива процесс горения стабилизируется, и котел начинает производить тепло. Без бака вода очень скоро станет слишком горячей, и регулирующая заслонка должна будет уменьшить поступление воздуха для того, чтобы предотвратить закипание воды. Уменьшение количества воздуха приводит к повышенному образованию дыма и неполному сгоранию. [3].

При наличии бака процесс горения может продолжаться, при этом тепло накапливается в баке. Вода в котле не перегревается. Заслонка открыта, а процесс горения происходит с максимальной эффективностью. Теплая вода поступает в радиаторы непосредственно из бака-аккумулятора. Размеры бака зависят от количества тепла, необходимого для здания, и эффективности котла.

Топливо должно быть сухим. Содержание воды в свежеспиленном дереве достигает 50 %, поэтому сжигать его сразу неэкономично. Часть энергии при сжигании будет затрачено на испарение воды, соответственно количество полезной энергии окажется меньшим. Поэтому перед сжиганием древесина должна высушиваться. Лучшее, что можно сделать – подождать по крайней мере год, а лучше два. Простейшим способом является хранение древесины на открытом воздухе под навесом или в сарае, предохраняющем от прямого попадания дождя. [9–3].

Дымоход формирует тягу в котле. Тяга получается из-за разности плотностей воздуха на входе котла и в верхней части дымохода. Поэтому высота дымохода, температура дымовых газов и теплопроводность материалов влияют на величину тяги. Изгибы и наличие горизонтальных участков уменьшают тягу. Они вызывают сопротивление, которое должен преодолеть горячий воздух. Поэтому обычно количество горизонтальных участков и изгибов сводится к минимуму. Некоторые котлы имеют встроенные вентиляторы, обеспечивающие необходимую тягу на постоянной основе. [9–3].

Существует три типа котлов с автоматической подачей для щепы и гранул:

• Компактные устройства, в которых котел и бункер объединены.

• Устройства с питателем, в которых котел и бункер отделены друг от друга.

• Котлы с предтопком.

В таких устройствах топливо подается из бункера с помощью автоматического питателя. Количество подаваемого топлива определяется с помощью термостта. Если вода в котле имеет малую температуру, подается больше топлива, и наоборот. Компактные устройства прекрасно работают на гранулах. Они менее приспособлены для щепы, которая имеет меньшую энергетическую плотность. Для щепы загрузка топлива должна проводиться часто. Кроме того, влажность щепы нередко бывает слишком высокой, в результате ее сгорание происходит неоптимальным образом. [9–3].

В таких котлах топливо также подается автоматически из бункера с помощью шнекового конвейера. Топливо подается в нижнюю часть решетки, где и происходит сгорание. Контроль также осуществляется с помощью термостата. Лучшим видом топлива являются гранулы, однако сжигание щепы также возможно в устройствах, разработанных специально для щепы. Щепа при этом не должна быть слишком влажной, поэтому необходима ее предварительная сушка. Лучшим способом сушки является выдерживание древесины перед измельчением в рубительной машине. Щепа также может сушиться после рубки, по крайней мере, в течение двух месяцев. Для этой цели необходимо значительное пространство для ее хранения. [9–3].

Рис. 9–8. Котел с питателем.

В этом типе котлов сжигание топлива в основном происходит при высокой температуре в предтопках. Для поддержания высокой температуры предтопки имеют глиняную обмуровку. Котлы с предтопком пригодны для сжигания влажной древесной щепы. Не сгоревшие в предтопке газы дожигаются в котле. В некоторых котлах могут сжигаться и гранулы, однако существуют котлы, которые могут быть повреждены при сжигании сухого топлива. Поэтому перед приобретением котла необходимо проконсультироваться с производителем.[9–3].

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.

Рис. 9–9. Котел с предтопком.

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.[9–3].

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. [9–3].

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.

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. [9–3].

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.[9–3].

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 мооности 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.

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. [9–3].

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 %. [9–3]

Рис. 9-10. Загрузка топки котла соломенными тюками.[3].

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. [9–3].

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. [9–3].

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. [9–3].

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. [9–3].

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.

В Украине наиболее перспективными для коммерческого использования в ближайшие годы можно считать следующие технологии:

• промышленные древесносжигающие котлы мощностью 0,1–5 МВт для установки в гослесхозах и на деревообрабатывающих комбинатах;

• древесносжигающие станции централизованного теплоснабжения (ЦТ) мощностью 1-10 МВт;

• соломосжигающие фермерские котлы и котлы для малых теплосетей мощностью 0,1–1 МВт;

• соломосжигающие станции ЦТ мощностью 1-10 МВт;

• биогазовые установки для крупных ферм КРС, свиноферм, птицефабрик и предприятий пищевой промышленности;

• установки добычи и использования биогаза с полигонов ТБО в миниэлектростанциях мощностью 0,5–5 МВт. [9–3].

В Таблице 9–2 представлены данные по оборудованию, которое может быть установлено в Украине в рамках реализации разработанной концепции. Снижение выбросов СО₂ рассчитано для случая замещения природного газа. При расчетах приняты следующие показатели удельных капитальных затрат, исходя из стоимости оборудования украинского производителя (в скобках также указаны используемые в расчетах средние мощности оборудования):

• древесносжигающие котлы централизованного теплоснабжения – 75 $/кВт_т (2 МВт);

• промышленные древесносжигающие котлы – 100 $/кВт_т (1 МВт);

• древесносжигающие мини-ТЭЦ – 1000 $/кВт_э (5 МВт_э+10 МВт_т);

• малые бытовые древесносжигающие котлы – 50 $/кВт_т (30 кВт);

• соломосжигающие фермерские котлы и котлы для малых теплосетей – 80 $/кВт_т (0.2 МВт);

• соломосжигающие станции централизованного теплоснабжения – 100 $/кВт_т (2 МВт);

• соломосжигающие мини-ТЭЦ – 1500 $/кВт_э (5 МВт_э+10 МВт_т);

• биогазовые установки – 100 $/м³ объема метантанка (объем метантенка 1000 м³, 75 кВт_э+150 кВт_т);

• миниэлектростанции на биогазе с полигонов ТБО – 600 $/кВт_э (1 МВтэ).

• биоэнергетическое оборудование, которое может быть установлено в Украине в рамках реализации предложенной концепции.

Таблица. 9-2

Биоэнергетическое оборудование, которое может быть установлено в Украине в рамках реализации предложенной концепции [9–3].

* включая 2478 установок на фермах КРС, 295 – на свинофермах, 130 – на птицефабриках.