Юрий Почанин - Технологии энергетического использования биомассы

Технология факельного сжигания топлива активно развивалась в 50-е годы прошлого века. Помол топлива производится до размера частиц в несколько микрон, и пылевоздушная смесь подается в горелки. Основные достоинства факельного сжигания: возможность сжигания любого вида топлива с высоким КПД; высокая мощность котлоагрегатов; и др. Недостатки факельного сжигания: химический и механический недожег (в совокупности до 15–25 %); сложный процесс подготовки топлива; высокая степень выбросов летучей золы, оксидов серы и азота. Как при слоевом, так и при пылеобразном сжигании топлива температуры в топке достигают 900-2000 ОС и выше, а также предусмотрена дополнительная подача воздуха фурмами второго и третьего ярусов для более полного выгорания топлива.

Топки с кипящим (псевдоожиженным) слоем занимают промежуточное положение между слоевыми и факельными топками. Эта технология начала развиваться в 60-е годы прошлого века. Частицы топлива размером в несколько миллиметров подаются на решетку, на которую снизу подводится воздух. При определенной скорости воздуха слой взвешенных твердых частиц в восходящем потоке воздуха приобретает свойства жидкости (вязкость, текучесть, поверхностное натяжение). Достоинства кипящего слоя: высокий коэффициент теплопередачи; компактность топочного устройства; низкие температуры сгорания (около 850 ОС), которые способствуют снижению выбросов оксидов азота; возможность эффективного серо улавливания с применением небольшого количества известняка в смеси с топливом.

Прямое сжигание древесины хорошо известно на бытовом уровне, однако эффективность бытовых печей довольно низка. Промышленные технологии энергетического использования древесины постоянно совершенствуются. Теплоэнергетические свойства топлива из древесно-растительной массы определяются рядом характеристик, таких как химический состав, теплота сгорания, влажность, твердость, содержание и состав золы.

Во многих европейских странах приоритет в развитии тепло- и электрогенерирующих мощностей отдается именно биомассе. Большое значение при этом имеет то обстоятельство, что древесина по химическому составу практически не содержит серы и азота, в продуктах ее сгорания, как правило, содержится мало золы, поэтому она является более экологичным топливом, чем нефть, уголь и даже природный газ, особенно когда при использовании энергетических плантаций исключается накопление С02 в атмосфере. Сравнительные характеристики различных видов топлива представлены в таблице 2.1, из которых видно, что каменный уголь, мазут, природный газ и торф выделяют большое количество углекислого газа и с экологической точки зрения менее предпочтительны по сравнению с древесным топливом и соломой. Как видно, соломенные пеллеты лишь незначительно уступают по качеству древесным, а по совокупности экологических показателей превосходят уголь, торф, дизтопливо и мазут.

Таблица 2.1. Сравнительные характеристики различных видов топлива

Вид топлива

Теплота сгорания, МДж/кг

% серы

%

золы

Дополнительное количество углекислого газа, кг/ГДж

Каменный уголь

15-35

1-3

1

60

Мазут

42

1,2

1,5

78

Щепа древесная

10

0

2

0

Гранулы древесные

17,5

0,1

1

0

Торф

10

0

20

70

Соломенные пеллеты

14,5

0,2

4

0

Природный газ

35-38 МДж/ м 3

0

0

57

Основа биомассы – органические соединения углерода, которые в процессе соединения с кислородом при сгорании выделяют тепло. Особенность древесной биомассы как топлива состоит в том, что она в отличие от нефти, угля и природного газа имеет достаточно низкую теплотворную способность и высокую влажность. Присутствие влаги в топливе из биомассы часто ведет к значительным потерям выхода тепловой энергии, в связи с тем, что испарение воды требует значительных затрат энергии. В настоящее время биомасса преимущественно применяется в виде твердого топлива (дров, опилок, щепы, топливных гранул и пеллет), замещающего углеводородное сырье в котлах котельных и электростанций. Сравнительные энергетические характеристики различных видов биомассы представлены в таблице 2.2. Интенсивность горения топлива зависит от его химического состава, соотношения летучих газообразных компонентов и твердого углерода. В таблице 2.3 представлен химический состав соломы и древесной щепы. По составу и теплотворной способности древесина, солома и другие травянистые виды топлива (торф, костра и др.) в спрессованном и высушенном виде приблизительно одинаковы, у которых горючими составляющими, в основном, являются углерод и водород.

Таблица 2.2. Сравнительные энергетические характеристики различных видов биомассы

Вид биомассы

Влажность *, %

Теплота сгорания, кВтч/кг

Объемная

плотность *, кг/м 3

Энергетическая

плотность, кВтч/м 3

высшая **

низшая *

Древесные гранулы

10,0

5,5

4,6

600

2756

Древесная щепа твердых пород

50,0

5,5

2,2

450

1009

То же, просушенная ***

30,0

5,5

3,4

320

1094

Древесная щепа мягких пород

50,0

5,5

2,2

350

785

То же, просушенная ***

30,0

5,5

3,4

250

855

Трава ***

18,0

5,1

3,8

200

750

Кора

50,0

5,6

2,3

320

727

Хлебные злаки ***

15,0

5,2

4,0

175

703

Древесные опилки

50,0

5,5

2,2

240

538

Солома озимой пшеницы ****

15,0

5,2

4,0

120

482

Примечание: *Расчет по массе влажного сырья. ** Расчет по массе сухого сырья*** В виде сильно спрессованных брикетов**** Сушка проводилась на воздухе в течение 9 мес.

Индивидуальные отличия тех или иных видов биотоплива заключается в различном процентном содержании влаги, в способе получения, продолжительности хранения, подверженности естественной или искусственной сушке.

Торф, как ископаемое, от остальных видов топлива (древесина, травянистые растения) существенно отличается повышенным содержанием сернистых веществ и высокой зольностью. Характеристики и качество древесины, используемой в качестве топлива, варьируются в широких пределах в зависимости от вида древесины и типа предварительной обработки. Например, влажность топлива, подаваемого в топку, может составлять от 25 до 55 весовых % (влажная основа) (кора, отходы лесопильного производства) или менее 10 весовых % (гранулированное топливо, брикеты, отходы обработки сухой древесины).

Топливные свойства древесины определяются рядом характеристик, таких как теплота сгорания, химический состав (например, содержание таких элементов, как хлор (Cl), углерод (С), водород (Н), азот (N), водород (Н) и сера (S), влажность, твердость, количество летучих веществ, количество твердого углерода, содержание и состав золы, характеристики плавления золы, характеристики ошлакования золы, количество загрязняющих веществ, пыли, спор грибов.