Технології ефективного спалювання біопалива успішно вирішені фахівцями країн Північної Європи — Австрії, Швеції, Фінляндії, Данії.

Технології спалювання

Горіння біомаси — набагато більш складний процес, ніж горіння викопного палива. У викопних видів палива, на відміну від більшості видів твердого біопалива, значно більш висока якість.

Технології спалювання твердого біопалива у вигляді деревних відходів, таких як щепа, стружка, тверді кускові відходи, в першу чергу можна розділити на спалювання сухого біопалива (вологістю до 30%) і спалювання вологого біопалива (вологістю до 50-65%).

Крім вологості, велике значення для горіння має розмір часток біопалива. Дрібнофракційне паливо, таке як шліфувальний пил і стружка, можуть спалюватися у вигляді суспензії. Для горіння крупнішого за розміром палива, такого як щепа і подрібнені кускові відходи, потрібно більше часу, і його зазвичай спалюють в шарових топках.

Для спалювання кожного виду біопалива існує специфічна технологія. Котли, призначені для біомаси вологістю менше 30%, недоцільно використовувати для спалювання вологого біопалива зважаючи на неефективність.

В котлах, в яких спалюється тверде біопаливо використовуються такі принципи спалювання.

Спалювання в шарі

В шарових топках паливо спалюється шарами на підлозі з вогнетривкого матеріалу або на колосниковій решітці. В топку через шар палаючого палива в активній зоні (зоні горіння) за допомогою піддува безперервно подається повітря. Активна зона ділиться на нижню, так звану кисневу, зону, куди, власне, і подається повітря і де, після взаємодії кисню і вуглецю палива, утворюються СО і СО2; на зону відновлення, де збільшується вміст окису вуглецю при взаємодії СО2 з розпеченим паливом, і на зону допалювання і сушки, які розташовані вище перших двох. В зону допалювання подається вторинне повітря для допалювання компонентів горючих газів. Регулюючи шари по висоті, можна оптимізувати процес згорання палива в залежності від його вологості і теплоти згорання.

Шарові топки можна розділити на два класи:

У великих топках для рівномірного розподілу дробленого палива або більш дрібних частинок в зоні горіння камери спалювання використовуються пневматичні та механічні розподільники, що дозволяє дрібним частинкам згоряти в зваженому стані, а більш великим — падати на решітку і згоряти там.

Конструктивно шарові топки підрозділяються на топки зі спалюванням в горизонтальному, вертикальному, похилому, затиснутому шарах і на топки з купчастим спалюванням.

Залежно від відносного положення палива та решіток, а також від типу останніх, розрізняють топки з нерухомим шаром і нерухомими решітками; з відносним переміщенням палива уздовж нерухомих решіток і з рухомим вертикально переміщуваним шаром; з періодичним переміщенням і перемішуванням палива на нерухомих горизонтальних решітках; з рухомими колосниковими решітками прямого і зворотного ходу та інші. Наприклад, такі, як колосникова решітка з нижньою подачею палива, що обертається, запатентована однією з відомих фінських компаній. У ній переміщення решітки регулюється таким чином, щоб забезпечити розподіл палива рівним шаром по всій поверхні решітки.

Для спалювання щепи в даний час в основному використовуються шарові топки.

Факельне спалювання

Топки з факельним процесом спалювання діляться на топки з пиловими пальниками і вихрові топки. Вони використовуються для спільного спалювання твердої біомаси з вугіллям, а також для спалювання дрібнофракційного твердого біопалива (деревної тирси, щепи, шліфувального пилу). В топках з пиловими пальниками з метою забезпечення вибухобезпечності при спалюванні тирси і деревного пилу температуру в топкової камері доводять до 900 °C шляхом попереднього спалювання шматкової деревини, газу чи мазуту. Якщо в спалюваній тирсі присутні домішки більш великої фракції деревних частинок, в топці встановлюють допалювальну колосникову решітку. Основним недоліком цього методу спалювання дерев’яно-шліфувальної пилу є утворення на теплообмінних поверхнях топки дуже щільних сплавлених шлаків.

Для усунення цього та інших недоліків спалювання твердого палива в таких топках був розроблений спосіб спалювання в зваженому стані, так званий вихровий спосіб. Сьогодні в основному використовуються вихрові топки циклонного типу — вертикальні і горизонтальні, які складаються з циклонної передтопки і камери охолодження. Основний принцип дії таких топок — це спалювання дрібного палива в горизонтально або вертикально розташованій камері згоряння шляхом інтенсивного перемішування в ній потоків повітря, продуктів горіння і частинок палива. Звідси і назва методу — вихрове спалювання.

В вихровий топці при вводі палива в топку швидкість повітряного потоку значно більше швидкості руху часток палива, тобто частка палива постійно обдувається новими порціями свіжого повітря, що забезпечують високу інтенсивність горіння. Але в міру втрати частинкою палива маси і розміру швидкість її руху наближається до швидкості руху повітряного потоку. У цій частині топки повітряний потік вже значно збіднений киснем, тому, незважаючи на малий розмір частинок, процес горіння різко сповільнюється. В результаті виникає значне механічне недопалювання. Збільшенню механічного недопалювання сприяє відцентрова сила, що утворюється в результаті кругового руху частинок палива. При цьому більші частки відкидаються в периферійну область, до стінок топки, де вони не встигають догоріти, оскільки температура стінок топки нижче температури газового потоку в центральній частині топки. Для усунення механічного недопалювання застосовують розподілену по висоті подачу повітря в топку. Така подача, з одного боку, турбулізує потік і сприяє допалюванню дрібних частинок, а з іншого — відкидає великі частки палива в центральну частину топки, де існують зворотні газові потоки, що повертають великі частки в осередок горіння. Різновидом вихрових топок є циклонні топки, в яких газовий потік рухається у вигляді двох зустрічних вихорів — внутрішнього і зовнішнього. Однак у цих топок, як і у циклонів, для збереження структури зустрічних вихорів, є обмеження за розмірами, і тому їх продуктивність невисока.

Для спалювання деревних відходів також використовують топки з киплячим шаром, в яких досягається найбільша ефективність процесу горіння. За рахунок введення в киплячий шар дрібнозернистого матеріалу (кварцового піску тощо) багаторазово підвищується теплова інерція топки, що дає можливість спалювання при більш низькій (800-950 °C) температурі на відміну від вище описаних топок. А це дозволяє скоротити обсяги викидів в атмосферу оксидів сірки та азоту без спеціального очищення вихлопних газів. При низькотемпературному спалюванні послаблюється шлакування теплообмінників оксидами сірки та сполуками хлору та фтору. В результаті є можливість спалювати в таких топках саме низькосортне паливо.

Котли для спалювання щепи та інших деревних відходів

Котли можна розділити на два основні класи: парові, які, як випливає з їх назви, виробляють пар для парових турбін і машин на ТЕС для вироблення електроенергії, технологічних потреб і систем опалення, і водогрійні котли, які призначені для гарячого водопостачання (ГВП), опалення та підігріву мережної води на ТЕС.

Водогрійні котли розрізняються по теплопродуктивності (вимірюється в мегаватах або гігакалоріях), температурі і тиску води, а парові котли — по паропродуктивності (малій, середньій і великій, вимірюється в мегапаскалях або кілограмах сили на квадратний сантиметр), тиску (низькому, середньому, високому і закритичному), температурі виробленої пари, температурі води, а також за типом (вертикально-циліндричні, вертикально-водотрубні, екранні).

Котли також поділяють за матеріалом, з якого вони виготовлені (сталь, чавун); за типом (водотрубні і жаротрубні). В жаротрубних котлах по димогарних трубках, розташованих у водяному кожусі, проходять продукти згоряння палива, а не вода, як в водотрубних котлах, що в рази знижує вимоги до якості підготовки води і збільшує термін служби котла. До того ж у жаротрубних котлів, на відміну від водотрубних, з часом не падає ККД. У різних котлах по-різному може бути влаштована циркуляція води: вона може бути природною, примусовою, комбінованою і прямоточною.

Котли, що працюють на деревному паливі можуть обслуговуватися вручну. В цьому випадку в їх конструкції необхідно передбачити накопичувальний бак — для того щоб акумулювати теплову енергію від однієї завантажуваної дози палива (повного завантаження). Автоматичні котли, в яких спалюються щепа або пелети, повинні бути обладнані контейнером або паливним складом для палива. Шнек подає в котел паливо залежно від потреби в теплі того об’єкта, який обслуговує котел.

Для нормального функціонування котла потрібно забезпечити подачу, підготовку і спалювання палива, подачу окиснювача для горіння, а також видаляти продукти згоряння, що утворюються в процесі горіння, золу і шлак. До допоміжного обладнання, призначеного для цих цілей, відносяться:

Типова котельня для спалювання деревної щепи будується на базі вищеописаних твердопаливних котлів з високим рівнем автоматизації систем, наприклад, для завантаження палива зі сховища на решітку, золовидалення, підтримки оптимального режиму роботи котла тощо.

Котельні установки, що працюють на щепі, можуть бути або основним елементом теплової електричної станції (ТЕС), або виконувати самостійні функції. Наприклад, опалювальні котельні установки служать для забезпечення опалення та гарячого водопостачання, промислові — для технологічного тепло- і паропостачання тощо. Залежно від призначення котельна установка складається з парового або водогрійного котла і допоміжного обладнання, що забезпечує його роботу.

Специфіка використання щепи в теплоенергетиці

Для обґрунтування економічної ефективності використання деревних відходів як палива застосовується комплексний показник — приведені витрати, що включають в себе як собівартість тепла, так і обсяг капітальних витрат, необхідних для цього варіанту виробництва теплової енергії. При цьому повинні бути вирішені такі важливі проблеми:

— Гарантоване забезпечення котельні біопаливом (створення інфраструктури для його підготовки, доставки і складування).

Тільки 100% забезпечення щепою, тирсою та іншим паливом, причому високої якості — запорука надійної роботи котельні. І тут треба врахувати багато нюансів через які можуть виникнути проблеми. Один з них — відсутність поблизу від котельні необхідного для завантаження котла кількості біопалива.

На котельнях, які розташовані поза великими деревообробними комплексами досить важко створити аварійний запас твердого біопалива, оскільки обсяг такого складу повинен бути дуже великим. Доцільно спалювати деревні відходи по мірі їх надходження з деревообробного підприємства, а в якості резервного палива використовувати інший вид палива. Тому в сучасних котлах все більше застосування знаходять топки для спалювання декількох видів палива, а також комбіновані топки для шарового і камерного спалювання твердого палива (факельно-шарові топки). В таких котлах в якості палива можна використовувати як щепу, так і пелети, брикети, кускові деревні відходи. При переході на те чи інше паливо міняється тільки система подачі і складування палива і режим роботи котла. Більшість сучасних котлів відповідають цим вимогам.

— Правильний вибір технології та обладнання котельні відносно характеристи використовуваного палива (вологість, фракційний склад).

Спалювання щепи, тирси або кори в топках котлів застарілої конструкції, призначених для спалювання вугілля неефективне, тому що найчастіше у цих деревних відходів велика вологість, а це призводить до їх тривалого горіння при низьких температурах.

Неправильний вибір технології спалювання і, відповідно, котельного обладнання призводить до того, що комунальні служби відмовляються використовувати щепу як паливо у своїх котельнях.