Технологии энергетического использования биомассы
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.
Таблица 2.3. Химический состав соломы и древесной щепы
Топливную древесную щепу часто производят из различных пород деревьев с различным соотношением стволовой древесины, коры, листвы, ветвей, почек и даже шишек, содержание которых изменяет свойства топлива.
Основными компонентами клеток древесины являются целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, которые составляют 99% массы древесного материала. Целлюлозу и гемицеллюлозу образуют длинные цепи углеводородов (таких как глюкоза), лигнин же является осложненным компонентом полимерных фенольных смол. Лигнин тесно связан с гемицеллюлозой, так как он действует как склеивающий агент, склеивая пучки цепей целлюлозы и растительные ткани. Таким образом, лигнин придает растению механическую прочность. Он богат углеродом и водородом, которые являются основными элементами производства теплоты. Поэтому лигнин обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с углеводородами. Древесина и кора также содержат так называемые экстрактивные вещества, такие как терпены, жиры и фенолы. Многие из них растворимы в органических растворителях (гексане, ацетоне, этаноле) и горячей воде. Древесина содержит относительно малое количество экстрактивных веществ по сравнению с количеством экстрактивных веществ, содержащихся в коре и листве. Приблизительно половина массы свежесрубленного дерева состоит из воды. Вторая половина представляет собой сухое древесное вещество, содержащее 85% летучих веществ, 14,5% твердого углерода и 0,5% золы. В безводной древесине общее содержание углеродного компонента составляет приблизительно 50%. При сжигании древесины составляющие ее компоненты превращаются в водяной пар (H2O), двуокись углерода (CO2), окислы азота (NOx), окись серы (SO2) и золу. Древесина практически не содержит серы, максимальное содержание серы в древесине составляет 0,05%. Различные породы деревьев имеют различное содержание азота, которое составляет в среднем 0,75%. Например щепа, полученная из так называемой азотфиксирующей древесины таких деревьев, как ольха, содержит более чем в два раза больше азота, чем щепа, полученная из древесины хвойных пород, таких как сосна и ель. Древесная кора также содержит больше азота, чем древесный материал. Теплотворные характеристики различных типов топлива зависят от соотношения содержащихся в них элементов. Углерод и водород увеличивают теплоту сгорания, в то время как высокое содержание кислорода в древесине ее уменьшают. По сравнению с другими видами топлива древесина имеет довольно низкое содержание углерода (около 50% сухого веса) и высокое содержание кислорода (около 40%), и, следовательно, довольно низкую теплоту сгорания на единицу сухого веса. Сухие древесина и кора также характеризуются очень низким уровнем зольности при сгорании, так, один плотный кубический метр древесного топлива дает только 3-5 кг чистой золы. Однако на практике зола часто содержит некоторое количество песка и продуктов неполного сгорания углерода. Горючие вещества, содержащиеся в твердом топливе можно разделить на две группы: летучие вещества и такие горючие компоненты, как твердый углерод. Обычно древесина имеет высокое содержание летучих веществ и низкое содержание твердого углерода. Восемьдесят процентов энергии древесина генерирует за счет сгорания летучих веществ или газов и двадцать процентов – в результате сгорания твердого углерода (раскаленные угли). Так как из-за большого количества летучих веществ, содержащихся в древесине, при ее горении образуются высокие языки пламени, для сгорания топлива требуется значительное пространство. Древесная кора и торф имеют аналогичные характеристики горения..
Перспективным источником древесного биосырья являются быстрорастущие насаждения, прежде всего, ива, тополь (одна тонна ивовой щепы (сырой массы) дает 8,9 ГДж, то есть примерно столько, сколько и одна тонна торфяных брикетов (для сравнения, 1 тонна мазута – 38,5 ГДж).
Для определения топливных свойств древесины используются два вида анализа
Технический анализ представляет собой определение с применением предписанных методов содержания влаги (ISO 331), содержания летучих веществ (ISO 562), зольности (ISO 1171) и содержания связанного углерода (ISO 609) в топливе.
Элементарный анализ представляет собой определение с применением предписанных методов элементарного состава топлива. Количество летучих веществ определяется с применением стандартных методов.
Теплотворная способность определяется высшей теплотой сгорания (высшая теплотворная способность (ВТС) или низшей теплотой сгорания (низшая теплотворная способность (НТС). Величина низшей или высшей теплоты сгорания может определяться на единицу сухого топлива (как правило, кг или м3) или на единицу топлива с учетом его влажности. Кроме влаги, содержащейся в топливе, влага также образуется при сгорании водорода. Уровень влажности определяет различие между высокой и низкой теплотой сгорания. При определении значения ВТС допускают, что влага конденсируется в воду, а при вычислении значения НТС предполагается, что влага находится в виде насыщенного пара. Теплотворная способность обычно выражается в МДж/кг. Значение ВТС топливной биомассы обычно составляет от 18 до 21 МДж/кг , что соответствует ВТС торфа, но значительно ниже, чем ВТС нефти.
Структурными элементами (по данным элементарного анализа) органической части древесины являются углерод (45-50%), кислород (40-45%), водород (4,5-6%) и азот (0,3-3.5%). Содержание золы обычно составляет несколько процентов или доли процента (0,3% в ели или березе без коры, 1,6% в березовой коре и 3,4% в еловой коре). Очевидным преимуществом древесной биомассы перед ископаемым топливом является низкое содержание в ней серы.
2.2. Особенности процесса сжигания биомассы в топочных устройствах
Процесс сжигания местных видов топлива при смешивании с воздухом состоит из нескольких этапов. На рис. 2.1. представлена диаграмма горения древесины и выделения тепла.
Рис.2.1. Диаграмма горения топлива и выделения тепла
Как видно из рис.2.1, на первом этапе требуется дополнительное тепло для испарения влаги, высушивания и воспламенения топлива. При температуре свыше 100ºС начинается процесс пиролиза, при котором летучие вещества углеводородных соединений начинают испаряться.
В интервале 200–300ºС происходит воспламенение твердого топлива. Сухая солома воспламеняется при температуре около 200ºС, сухой торф – при температуре 225 – 280ºС , сухая древесина – 220 – 300ºС. При температуре 500 – 600ºС начинается процесс горения летучих компонентов, содержание которых в горючем веществе составляет около 75%. В интервале 800 – 900ºС происходит сгорание твердого углерода и смолы, образующие при этом дымогарные газы дожигаются в камере с подачей воздуха (газогенераторный процесс). При этом дополнительное выделение тепла повышают температуру газов до 1000 – 1100ºС. В полученной газо-воздушной смеси сгорают токсичные образования, тяжелые соединения и частицы сажи.
Процесс горения и, соответственно, уровень выбросов и энергетический КПД зависят от большого числа переменных. Это следует учитывать при проектировании и эксплуатации любых установок, работающих на биомассе.
В зависимости от технологии сгорание топлива может быть полным и неполным. При полном сгорании происходит выброс двуокиси углерода, оксидов азота и серы, хлористого водорода, частиц и тяжелых металлов. При неполном сгорании топлива образовываются и происходят выбросы моноокиси углерода, несгоревшие углеводороды, частицы, полихлорированные диоксины и фураны, аммиак.
Рассмотрим ряд факторов, влияющих на процесс сгорания топлива.
1.Механизмы теплопередачи. Теплообмен может осуществляться посредством передачи, конвекции и излучения теплоты. Для обеспечения низкого уровня выбросов при неполном сгорании топлива необходимо минимизировать потери тепла в топочной камере посредством оптимизации переменных характеристик, оказывающих прямое воздействие на механизмы теплопередачи. Также для получения высокого теплового КПД необходимо обеспечить эффективный теплообмен между топочной камерой и впуском дымовой трубы. Эффективный теплообмен необходим для получения высокого теплового КПД. Управление активным процессом теплообмена осуществляется с помощью систем управления, регулирующие переменные параметры технологического процесса, такие, например, как количество воды, протекающее через котел.
2.Аккумулирование теплоты. Значительное количество теплоты аккумулируется в стенках топочной камеры, забирающих теплоту из объема топочной камеры на первоначальном этапе процесса горения. Это явление играет особенно важную роль при сжигании биомассы в установках малой мощности. Аккумулированное тепло, передаваемое в окружающую среду со значительной задержкой во времени, используется в печах с аккумуляцией тепла (теплоаккумулирующие печи). Однако на начальном этапе процесса горения может наблюдаться высокий уровень выбросов от неполного сгорания.
3.Изоляция. Передача тепла происходит через стенки топочной камеры. Улучшить изоляцию топочной камеры можно посредством увеличения толщины изоляционного слоя или использования материала с лучшими изоляционными характеристиками. При этом следует определить целесообразность применения изоляции, которая занимает часть свободного пространства рабочего помещения и требует дополнительных затрат.
4.Предварительный подогрев воздуха. Температура топочной камеры может быть значительно повышена путем предварительного подогрева воздуха. Подаваемый воздух может быть предварительно подогрет посредством теплообмена с топочным газом после выпуска топочного газа из топочной камеры. Примером может служить предварительный подогрев вторичного воздуха за счет использования теплоты топливного слоя.
5.Коэффициент избытка воздуха (отношение фактически затраченное на сжигание топлива воздуха к теоретически необходимому). Любое топливо требует использования соответствующего количества воздуха (кислорода) с тем, чтобы обеспечить его стехиометрическое преобразование, т.е. коэффициент избытка воздуха λ (лямбда) должен быть равен 1. Стехиометрическое преобразование топлива происходит, когда используется точное количество кислорода, необходимое для преобразования всего топлива при идеальных условиях. В применениях со сжиганием биомассы коэффициент избытка воздуха должен значительно превышать 1 с тем, чтобы обеспечить эффективное смешение подаваемого воздуха и топливного газа. В установках малой мощности коэффициент избытка воздуха должен превышать 1,5. Это означает, что в топке будет иметься общее избыточное количество воздуха. Поэтому в таких применениях первостепенное значение имеет оптимальное смешение воздуха с топливом, позволяющее использовать более низкие коэффициенты избытка воздуха и повышать температуру горения. Эффективное смешение воздуха с топливом при очень низком избытке воздуха обеспечивается в установках, имеющих оптимальную конструкцию устройств впуска воздуха и современные оптимизированные системы управления технологическими процессами.
6.Вид топлива. Состав топлива оказывает значительное воздействие на величину ВТС и уровень выбросов (в основном, при полном сгорании) и играет важную роль в процессах озоления, вызывающих различные технологические проблемы. В установках периодического действия состав топлива постоянно изменяется в зависимости от степени сгорания топлива. Как правило, по сравнению с ископаемым углем биомасса характеризуется высоким содержанием летучих компонентов и малым количеством угля, образующихся при сжигании топлива, что делает биомассу топливом с высокой реактивной способностью. Однако различные виды топливной биомассы имеют различное содержание летучих компонентов, что оказывает соответствующее воздействие на тепловые характеристики топлива. Тепловые характеристики топлива также зависят от типов химических структур и связей в различных видах топливной биомассы, что определяет значительные различия в выходе летучих в зависимости от температуры. Различные виды топливной биомассы в значительной степени отличаются по плотности топливного материала; также имеются значительные различия между твердыми и мягкими породами деревьев. Древесина твердых пород, например, березы, имеет более высокую плотность, что оказывает воздействие на значение отношения объема камеры к потребляемой энергии и характеристики горения топлива. Степень пористости топлива оказывает воздействие на характеристики реактивности (потеря массы в единицу времени) топлива и, следовательно, на выход летучих. Размеры топлива являются важной переменной характеристикой при сжигании биомассы на установках большой мощности, в особенности, в случаях, когда происходит увлечение частиц топлива топочным газом, как, например, при сжигании распыленного топлива. Более мелкие частицы топлива требуют более короткого времени пребывания в топочной камере. Важное значение имеет также степень однородности топлива: увеличение однородности топлива, степень которой повышается с уменьшением размеров частиц топлива, повышает эффективность управления технологическим процессом. Наконец, реактивная способность топлива также зависит от площади активной поверхности
7.Влажность. В установках периодического действия имеется дополнительный осложняющий технологический процесс фактор: содержание влаги непрерывно изменяется в зависимости от степени выгорания топлива. Влага высвобождается на этапе выхода летучих веществ, и содержание влаги уменьшается в зависимости от степени выгорания топлива. Поэтому негативное воздействие уровня влажности на процесс горения может быть значительным на первых этапах фазы выхода летучих веществ, что может приводить к повышению уровня выбросов от неполного сгорания топлива.
8.Температура горения. Влажность и состав топлива непрерывно изменяются в зависимости от степени выгорания топлива. При этом изменяется адиабатическая температура горения. Адиабатическая температура горения повышается по мере сгорания топлива при постоянном коэффициенте избытка воздуха. Однако, так как уголь обладает значительно меньшей реактивной способностью, чем фракция летучих веществ, скорость сгорания топлива и потребность в кислороде будут значительно ниже. Поскольку обычно сложно эффективно регулировать количество подаваемого воздуха на этапе сгорания углей, в особенности, если используется естественная тяга, то коэффициент избытка воздуха будет довольно высоким. Это обстоятельство в сочетании с со значительно более низкой скоростью сгорания топлива может привести к падению температуры в топочной камере ниже уровня, необходимого для полного сгорания топлива.
9.Конструкция. Конструкция установки для сжигания топлива оказывает значительное воздействие на процесс горения и управления технологическим процессом. Характеристики используемых материалов, такие как теплотворная способность, плотность, толщина, изоляционная способность, поверхностные характеристики, оказывают воздействие на значение температуры в топочной камере.
10.Ступенчатая подача воздуха. Применение системы ступенчатой подачи воздуха обеспечивает одновременное снижение уровня выбросов от неполного сгорания и выбросов NOx в результате разделения этапов выхода летучих компонентов и сгорания газовой фазы. Это повышает эффективность смешения топливного газа с вторичным воздухом горения, что снижает общий коэффициенты избытка воздуха и повышает температуру горения. Таким образом, уровень выбросов от неполного сгорания снижается в результате повышения температуры.
11.Подача и распределение топлива. Работа любых установок для сжигания топлива периодического действия будет более эффективной при повышении степени непрерывности процесса горения, при котором снижаются отрицательные эффекты начального этапа горения и этапа сгорания углей. Распределение топлива в топочной камере, вызывающее уменьшение или увеличение площади активной поверхности, оказывает воздействие на процесс горения, соответственно понижая или повышая степень реактивности.
12.Управление. Применение эффективных методов управления технологическими процессами позволяет минимизировать уровень выбросов и оптимизировать тепловой КПД. Разработаны различные методы управления процессом сжигания топлива. Эти методы могут основываться на измерениях параметров определенных соединений топочного газа или значений температуры, данные о которых передаются на контроллер процесса горения в объеме, необходимом для регулировки процесса горения, например посредством изменения количества и распределения воздуха, подаваемого в топочную камеру.
Одним из наиболее важных аспектов эксплуатации установок на биомассе большой мощности являются также проблемы, связанные с использованием низкокачественной дешевой топливной биомассы, которое часто приводит к образованию отложений и коррозии теплообменников и пароперегревателей и к дополнительным выбросам вредных веществ.
2.3. Подготовка биомассы для сжигания
Важнейшими факторами, существенно влияющими на эффективность топочных процессов, являются влажность, неоднородность и непостоянство физико-механических характеристик первичных видов биомассы. Влагосодержание биомассы существенно влияет на механизмы и эффективность процессов горения и теплообмена в энергогенерирующих установках. Устойчивое, стабильное горение происходит при влажности, например топливной щепы, до 40.– 45% Горение возможно также и при влажности щепы до 56.-.57% с коэффициентом избытка воздуха от 2 до 4.-.5, но оно неустойчиво. В отдельных дорогостоящих топочных устройствах можно сжигать щепу с предельно допустимой влажностью 60% и даже 65% или использовать дополнительные источники тепла, сжигая другое топливо (газовая, мазутная подсветка и т.д.). Такие технологии целесообразно использовать для утилизации древесных отходов, а не для производства тепловой энергии.
Для эффективного использования древесного топлива необходимо должным образом подготовить исходную топливную древесину: высушить, гомогенизировать, т.е. придать ей стабильные физико-химические и механические параметры и свойства. Это позволит в 2-3 раза повысить удельную теплотворную способность древесины, оптимизировать топочные процессы, увеличить КПД теплогенерирующего оборудования, его эффективность (в 1,3-2,8 раза), а также снизить стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию.
К подготовке местных видов топлива для сжигания относятся следующие процедуры: изменение уровня влажности топлива, изменение размеров частиц топлива, выбор соответствующего оборудования для сжигания топлива.
Большое влияние на топливные свойства влияет влажность. Около 50-60% массы свежесрубленного дерева, 25-30% массы соломы и 25% торфа составляет вода. При сжигании местных видов топлива часть тепловой энергии уходит на испарение влаги. Высокая влажность топлива затрудняет получение достаточно высокой температуры в топочной камере. Часто требуется получить температуру более 850ºС с тем, чтобы обеспечить достаточно низкий уровень выбросов СО. В общем, если не имеется дешевого отбросного тепла, отбираемого из другого процесса, применение отдельной системы искусственной сушки делает процесс слишком дорогостоящим и экономически невыгодным. Подсушивание биомассы в течении нескольких месяцев при открытом хранении с использованием естественной конвекции в большинстве случаев является экономически невыгодным, так как потери от биологического разложения (1-2 весовых % в месяц) превышают полученное повышение КПД.
Размер топливных частиц играет важную роль при выборе технологии сжигания топлива и может варьироваться от больших тюков (поленьев) до мелких опилок. Измельчитель или рубительная машина могут использоваться для уменьшения размера крупных частиц, таким образом получают более однородный состав частиц, что позволяет использовать большее число технологий. Однако измельчение биомассы является целесообразным только в случае, если выгоды от выполнения этой операции превосходят дополнительные инвестиции и затраты на энергию. Сущность технологии заключается в измельчении древесины с последующей ее термодеструкцией в среде перегретого пара, в результате чего масса приобретает вяжущие свойства, с последующим прессованием термообработанной массы в брикеты. Технические характеристики получаемых брикетов – теплота сгорания – 19-26 Мдж/кг, влажность –10 масс.%, зольность – 0.5-4.0 масс.%, плотность – 1050-1200 кг/м3
В настоящее время имеется большое количество технологий получения топливных брикетов и пеллет. В отличие от большинства традиционных видов топлива, пеллеты и брикеты не наносят вреда экологии. Эти прессованные материалы удобны в хранении, высококалорийны и обладают небольшой зольностью в сравнении с обычными дровами. Кроме того, высокая плотность исключает накопление влаги и препятствует гниению материала.
Топливные брикеты и пеллеты, по существу, являются разновидностями одного и того же твердого топлива на основе одинакового сырья. Принципиальное отличие – способ производства продукта. Процесс изготовления пеллет трудоемкий и длительный, в отличие от производства брикетов. Это и обуславливает высокую стоимость пеллет.
Второе немаловажное различие – возможность применения в отопительных системах и приборах: если брикеты можно использовать повсеместно, в любых котлах и печах, то для использования пеллет потребуется приобрести специальную горелку или гранульный котел.
2.3.1. Изготовление топливных пеллет
Пеллеты применяются в теплоэнергетике, отоплении жилых и производственных помещений, и в последнее время набирает популярность среди жителей частных домов. По теплотворной способности 2,5 кг пеллет равен 1л жидкого топлива. При производстве топливных пеллет в рассмотрение идет ряд характеристик – зольность, влажность, теплота сгорания, плотность и другие. Часть этих параметров зависит напрямую от исходного сырья (например, зольность и теплота сгорания). Но некоторые характеристики зависят также от соблюдения технологии изготовления пеллет и качества оборудования. Причем, если свойства сырья влияют лишь на уровень качества пеллет, то оборудование должно обеспечить ряд принципиальных физических свойств гранулы, таких как плотность, длину и влажность. При несоблюдении данных требований Вы не получите продукт, востребованный на рынке.
Основными материалами для изготовления топливных гранул являются: опилки, щепа, кора, горбыль хвойных и лиственных (оптимальный вариант) пород древесины; торф; лузга подсолнечника (наиболее распространенное решение), рапс (оптимальный вариант), солома различных зерновых культур, кукуруза, шелуха, жмых и многое другое. Некоторые виды пеллет представлены на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Некоторые виды пеллет
Гранулирование макулатуры – довольно новое и перспективное производство, поскольку данный тип сырья не требует дорогостоящих сушильных комплексов. Гранулы из бумаги и картона дают большое количество тепла и имеют мизерный процент несгораемых остатков.
Пеллеты представляют собой прессованные гранулы цилиндрической формы. Прессуются они под действием давления и высокой температуры. В качестве базового связующего вещества выступает вещество растительного происхождения – лигнин, природный полимер, содержащийся практически в любом растении, способный пластифицироваться при грануляции под воздействием достаточно высокой рабочей температуры.
Древесные пеллеты делятся на бытовые и промышленные. Бытовые пеллеты изготавливают из свежих опилок и щепок. В промышленных гранулах присутствуют и другие примеси. Они бывают светлыми, коричневатыми, либо серыми. Более светлый цвет свидетельствует о высоком качестве гранул (светлый – признак применения исключительно хорошей древесины без коры и чистых опилок. У этого вида пеллет самая низкая зольность, так как они не содержат пыль и кору дерева, (до 0,5 %).
Пеллеты из отходов сельскохозяйственной деятельности (солома, шелуха подсолнуха, кукурузные и гречишные отходы) мало чем отличаются по теплотворной способности от древесных пеллет. У растительных пеллетов зольность выше (до 3%), чем у древесных, котел нужно будет чистить чаще, поэтому они больше используются в промышленных целях