IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

В настоящее время в Российской Федерации все большее значение приобретает необходимость учета возможностей такого важного фактора развития экономики, как энергосбережение. Это объясняется, главным образом, неуклонным уменьшением запасов энергетического сырья, ростом затрат на его добычу. К сожалению, при существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто  только лишь за счет использования невозобновляемых источников энергии органического топлива (уголь, нефть, газ). Однако, по результатам многочисленных исследований, невозобновляемые источники энергии уже к 2030 г. смогут удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет возобновляемых (ВИЭ) источников энергии.

Наиболее значительным из ВИЭ нашей страны  является древесина, так как на ее территории сосредоточено около 22% всех лесных ресурсов планеты, что позволяет говорить о высоком потенциале вовлечения в баланс древесной биомассы. Во всем мире энергетическое использование древесной биомассы и, в частности, древесных отходов, рассматривается как альтернатива традиционным видам топлива. Это связано с тем, что при сжигании древесных отходов выделяется небольшое количество углекислого газа и других вредных веществ. По предварительным оценкам, в виде отходов ежегодно образуется древесное сырье, эквивалентное  40 млн. тонн условного топлива. К одним из основных факторов использования данного вида топлива можно отнести утилизацию низкосортного топлива, состоящего из отходов деревообработки - древесной щепы, опилок, обрезков, стружки.

Экономическая эффективность проектов тепловых станций (ТС) на древесном топливе, сегодня находится на уровне эффективности обычных ТС  на угле. Однако, она может быть существенно улучшена при реализации конкретного проекта за счет уменьшения стоимости древесного топлива, минимизации транспортных расходов на его доставку, применения прогрессивных технологий рубки и вывоза леса, высокоэффективного технологического цикла генерации электроэнергии и тепла и др.

Для регионов, имеющих значительные лесные массивы, и, не имеющих каких-либо природных запасов традиционного топлива (газ, нефть, уголь и др.), развитие региональной энергетики на базе имеющихся запасов древесного топлива открывает широкие перспективы экономического роста и обеспечения региональной энергетической независимости.

Все это привело к тому, что технологии получения энергии из древесных отходов в последние годы развиваются и совершенствуются.   

К сожалению, для обеспечения требуемой большой мощности котельных деревообрабатывающих предприятий, отходов деревообработки будет недостаточно. В этом случае они  могут выступать лишь в роли альтернативного топлива, а в качестве основного -  будет использован традиционный источник энергии, например  газ.

Таким образом, строительство  котельных на предприятиях деревообработки,  использующих отходы данного предприятия, как альтернативный вид топлива, значительно удешевляет получаемую тепловую энергию.

1.    Основные технологические способы получения тепловой энергии из отходов деревообработки

Основными технологическими способами являются: сжигание, быстрый пиролиз и газификация.

1.1  Сжигание

Данный процесс базируется на нескольких методах сжигания, в том числе:

• сжигание в кипящем/циркулирующем слое;
• газификация/сжигание газов во вторичной камере сгорания;
• сжигание пылевидного топлива.

 Прямое сжигание происходит в топках с горизонтальной, конусообразной, наклонной или подвижной колосниковой решеткой (Схема 1 Прил. А). Данный метод используется в водогрейных котлах и печах малой мощности (менее 20 МВт) для сжигания древесного топлива, в том числе с высокой влажностью: кусковых и длинномерных отходов, щепы, коры, опилок, топливных брикетов и гранул и т.д. Для автоматизированного сжигания измельченных отходов также используются трубчатые горелки со шнековой подачей. Обычное использование тепла - для сушки древесины в сушильных камерах, в водогрейных котлах для обогрева производственных или жилых помещений. Для выработки электрической энергии отходы сжигаются в паровом котле с последующим использованием пара в паровой турбине. Эта технология имеет низкий электрический к.п.д. порядка 813% (для мини-ТЭЦ), который повышается благодаря использованию более совершенных методов сжигания, таких как сжигание в кипящем/циркулирующем слое или сжигание пылевидного древесного топлива. Однако эти методы используются в электростанциях мощностью не менее 5 МВт, строительство которых требует больших капитальных затрат. Недостатком этого метода является низкая эффективность и высокий уровень эмиссии отходов горения в дымовых газах. [5]

Сжигание в кипящем/циркулирующем слое  позволяет достичь большей эффективности и экономичности за счет почти 100%-го сгорания топлива при меньшем уровне эмиссии отходов горения по сравнению с прямым сжиганием. При использовании данного метода измельченное древесное топливо подается в «кипящий» слой, созданный путем продувания воздуха или газа через слой инертного материала, например, песка. Количество инертного материала существенно больше количества топлива, поэтому процесс горения протекает стабильно с высокой эффективностью. В зависимости от скорости продувки частицы инертного слоя остаются в нем или же выносятся из слоя вместе с продуктами горения и собираются с помощью циклонов, после чего возвращаются в кипящий слой (метод циркулирующего слоя). Метод сжигания в кипящем слое используется в коммерческих или муниципальных котельных и ТЭЦ в диапазоне мощностей от 5 до 600 МВт для получения электрической и тепловой энергии. Дополнительным достоинством данного метода является возможность сжигания различных видов топлива (всего до 70 видов), включая низкосортный уголь, торф, твердые бытовые отходы, отходы ЦБК и т.д. [5]

Газификация/Сжигание газов во вторичной камере сгорания (газогенераторная топка) представляет собой двухэтапный процесс. На первом этапе топливо подается шнековым питателем на наклонную решетку в первичной камере (предтопке), где оно нагревается до  такой температуры, при которой происходит процесс газификации. Перегретый и смешанный со вторичным воздухом древесный газ сгорает во вторичной камере практически без остатка. Продукты сгорания используются в котле или печи для получения горячей воды, пара или воздуха. В когенерационном режиме пар может использоваться в паровой турбине для получения электроэнергии. Диапазон мощностей систем сжигания такого рода от 150 кВт до 30 МВт. Недостаток - высокая стоимость. [1]

Сжигание пылевидного топлива осуществляется с помощью специальных горелок, предназначенных для сжигания древесной пыли, образующейся в процессе производства или в результате измельчения древесных отходов в пыль. Весь процесс от исходных древесных отходов, измельчения в пыль с влажностью порядка 8%, подачи и сжигания пыли - полностью автоматизирован. Получение энергии с использованием только древесной пыли используется достаточно редко; обычно это топливо используется в котельных или ТЭЦ, работающих на пылевидном угле или торфе. Стоимость комплектного оборудования для сжигания древесной пыли также высока. [5]

1.2   Быстрый пиролиз

Быстрый пиролиз представляет собой процесс, при котором сухие (<10% влажности), измельченные в порошок древесные отходы, включая опилки, кору и т.д., быстро нагреваются в кипящем слое инертного материала внутри реактора до температуры 450 - 500 °С при отсутствии воздуха (схема 3 Прил. А). Продуктами пиролиза являются частицы древесного угля, неконденсирующийся газ, конденсирующиеся пары и аэрозоли. (Рис. 1 прил. Б).  Частицы древесного угля отделяются в циклоне, а летучие вещества подвергаются быстрому охлаждению, в результате которого образуется жидкость - синтетическое жидкое топливо (пиротопливо), поступающее в накопительный резервуар. Пиролизный газ сжигается в горелке реактора, однако, этого тепла недостаточно для поддержания процесса. Поэтому требуется дополнительный источник тепла, например, природный газ. Основной продукт пиролиза - синтетическое жидкое топливо (пиротопливо) - имеет калорийность, составляющую примерно 55% от калорийности дизельного топлива. Используется путем сжигания в газотурбинных установках (ГТУ) или дизельных двигателях. Несмотря на высокую эффективность и удобство использования жидкого синтетического топлива, отсутствие отходов, пиролиз только недавно вышел из стадии исследований и опытных разработок (максимальная производительность действующей пилотной установки составляет 10 тонн в сутки), что обусловливает высокую стоимость используемого оборудования. [5]

1.3 Газификация

Газификация представляет собой процесс высокотемпературного превращения древесины (и других видов биомассы, а также угля и торфа) при нормальном или повышенном давлении в газ, называемый древесным или генераторным газом, а также небольшое количество золы, в специальных реакторах (газогенераторах) с ограниченным доступом воздуха или кислорода. Генераторный газ имеет температуру 300 - 600 °С и состоит из горючих газов   (CO, H₂, CH₄ ), инертных газов (CO₂ и N₂), паров воды, твердых примесей и пиролизных смол. Из 1 кг древесной щепы получают около 2.5 Нм³ газа с теплотой сгорания 900 - 1200 Ккал/Нм³. Эффективность газификации достигает 85%. Благодаря этому, а также удобству применения газа, газификация является более эффективным и чистым процессом, чем сжигание. В зависимости от реализованного процесса существуют различные типы газогенераторов: с восходящим потоком газа (П - прямой процесс), с нисходящим потоком газа (О - обращенный процесс), в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). Используемый процесс, давление получаемого газа, содержание в нем примесей и пиролизных смол, наличие систем охлаждения и очистки газа определяют следующие применения генераторного газа. Как следует из сравнения, наиболее подходящей технологией получения электро и тепловой энергии из древесных отходов для малых и средних предприятий, а также небольших городов и поселков, использующих котельные на жидком топливе, является процесс газификации в газогенераторах древесных отходов в составе газогенераторных электростанций и газогенераторных тепловых станций. [5]

2 Многотопливные котлы

2.1 Универсальные (комбинированные) котлы

Для  использования отходов деревообработки в качестве альтернативного источника энергии применяют универсальные (комбинированные) котлы, работающие на различных видах топлива.   

В некоторых котлах, оборудованных камерой для сжигания твердого топлива, предусмотрена возможность установки навесных горелок для газа. Это удобно в том случае, когда нужно дождаться появления газа, а до этого можно использовать твердое  топливо. Кроме того, при проблемах с подачей газа неплохо иметь запасные варианты. Из зарубежных производителей, выпускающих котлы, рассчитанные на три вида топлива (газ, жидкое и твердое топливо), можно назвать Dakon и Viadrus (Чехия), Demir Dokum (Турция), Roca (Испания), Jama (Финляндия). Универсальные котлы Dakon, Demir Dokum, Roca и Viadrus - одноконтурные, котлы фирмы Jama - двухконтурные (в их конструкции имеется змеевик для обеспечения горячего водоснабжения).

Некоторые котлы, работающие на твердом, газообразном или жидком топливе, оборудованы встроенным ТЭНом. Эти модели предусматривают работу на четырех основных видах топлива. Из зарубежных производителей их выпускают фирмы CTC (Швеция) и Jama (Финляндия). Из российских котлов, способных работать на четырех видах топлива, можно отметить модель "ЗИОСАБ-45" и серию котлов "Пламя".ЗАО "ЗИОСАБ" (Подольск), производитель котла "ЗИОСАБ-45", часто называет эту модель "народным" котлом. Его мощность при использовании газа или жидкого топлива составляет 45 кВт (отапливаемая площадь до 450 кв. м хорошо утепленного помещения с высотой потолков до 3 м), при работе на твердом топливе - 30 кВт. В котле "ЗИОСАБ-45" также предусмотрена возможность использования электрической энергии. Котлы, работающие на четырех видах топлива, фирм Jama и "ЗИОСАБ", - двухконтурные. Универсальные котлы "Пламя" выпускаются двухконтурными (с буквой "В" в названии) и одноконтурными (без буквы "В" в названии). [2]

Мощность напольных газовых котлов с атмосферной горелкой, как правило, колеблется в диапазоне от 10 до 100 кВт (некоторые фирмы производят и более мощные котлы этого типа), в то время как модели с наддувными горелками могут достигать мощности в несколько тысяч кВт. При выборе котла надо иметь в виду, что в рекламных буклетах или инструкциях указывается мощность при номинальном давлении газа. В российских сетях давление зачастую гораздо ниже, соответственно, реальная мощность котла может быть ниже той, что указана в описании. Теплообменник большинства напольных газовых котлов изготовлен из чугуна или стали. Нельзя однозначно сказать, что какой-либо материал имеет неоспоримые преимущества перед другим.

Стальные теплообменники легче и достаточно ударопрочны, что немаловажно при перевозке и погрузке-выгрузке. В то же время при неправильной эксплуатации стальной теплообменник может коррозировать. Чугун подвержен коррозии в меньшей степени, чугунный теплообменник изготавливают обычно более толстым, что может положительно сказаться на сроке его службы. В то же время у чугунного теплообменника есть и недостатки. Он более хрупкий, а следовательно, есть риск образования микротрещин при транспортировке и погрузке-выгрузке. Кроме того, в процессе эксплуатации чугунных котлов при использовании жесткой воды, вследствие свойств самого чугуна и конструктивных особенностей чугунных теплообменников, со временем происходит их разрушение в результате локальных перегревов. [3]

Универсальный однотопочный котел - это самый подходящий вариант для создания автономной системы отопления, которая не понесет за собой больших материальных убытков, связанных с дорогостоящим обслуживанием и затратами электроэнергии. Твердое топливо имеет самую невысокую цену среди прочих видов топлива и является возобновляемым ресурсом.

Перевод обычного твердотопливного котла в комбинированный осуществляется при помощи подключения к аппарату газовой или дизельной горелки. Подобрать необходимую горелку не составит труда. Их выбор сегодня позволяет удовлетворить любые запросы вне зависимости от особенностей используемого оборудования.

Таким образом, получается, что котлы комбинированные одинаково эффективно функционируют не только на различном твердом топливе (древесина, уголь, кокс, антрацит), но и на газе и дизельных жидкостях. Это может быть удобно в случаях, когда в будущем планируется подключение дома к централизованной газовой магистрали или же в процессе использования котла возможны перебои с поставками определенного вида топлива. Конструктивные особенности установки делают ее эффективнейшим и надежным отопительным прибором.

Некоторые комбинированные отопительные котлы оснащены непривычной для установок отечественного производства автоматической системой регулирования. Она позволяет уменьшить участие человека в процессе обогрева помещения. Также этот производитель характеризуется тем, что предлагает оборудование с хорошим соотношением «цена-качество».

Современные модели характеризуются возможностью поддержания длительного горения. Это значит, они не требуют от потребителя постоянной дозагрузки топлива, а в автоматическом режиме поддерживают в отопительной системе определенную температуру. Автоматика позволяет расходовать энергию более экономно, а также повышает эффективность всей установки. Функция отслеживания температуры воды возложена на температурный датчик. При повышении температуры сверх предельной он уменьшает интенсивность горения. При понижении - оборудование в автоматическом режиме возобновляет активное горение топлива.

Существует широкий ассортимент качественных многофункциональных котлов отечественного производства, на примере компании «ЯИК». При соблюдении потребителем правил эксплуатации гарантирована бесперебойная работа оборудования в течение длительного времени.

Главное достоинство комбинированных и универсальных в том, что с ними проще приспособиться к местным условиям проживания. Например, начать отапливать дом дровами, а после газификации района поставить на котел газовую горелку (атмосферного типа, не требующую электропитания, или вентиляторную).

2.2 Двухтопочные котлы

Являются универсальными, реже комбинированными, аппаратами (Рис. 2 прил. Б). Все они имеют две раздельные топочные камеры: для сжигания твердого топлива и для установки дутьевой газовой или жидкотопливной горелки (Рис. 4 прил. В). Поскольку каждая топка сконструирована так, чтобы обеспечить лучшим образом горение своего вида топлива, такие котлы, безусловно, эффективнее однотопочных. Ничего перестраивать в таких котлах (как в однотопочных) не нужно, все собрано на заводе и готово к работе в любой момент.  Соединяются топки только в зоне общего дымосборника, выходящего к дымовой трубе, поэтому на работу друг друга не влияют. Камеры выполняются из стали. В большинстве моделей предусмотрена возможность установки ТЭНов(1-3 штуки мощностью на 6-18 кВт).

Некоторые котлы могут единовременно загружаться несколькими десятками килограммов твердого топлива, запаса которого хватает на6-12 часов. Таковы, например, Polyflam  отили от Bosch 2200 Trio от CTC. При этом электронная система управления котлов KRM автоматически включит горелку при сгорании твердого топлива. "Двухтопочники" вообще более щедро напичканы автоматикой и устройствами безопасности, чем однокамерные аппараты, поскольку имеют встроенные горелки, весьма чувствительные к условиям питания топливом и электричеством. Вот на случай перебоев в этом питании котлы и оснащаются резервными генераторами тепла.

Заключение

В данный момент технологии энергетического использования древесных отходов постоянно совершенствуется. Сейчас в России появляются специальные котельные для сжигания древесных отходов достаточно крупного размера, сконструированные по новым технологиям, КПД которых достаточно высок.

Применение данных технологий сжигания топлива позволяет:

• - снижать потребление невозобновляемых источников энергии;
• - снижать затраты в себестоимости конечной продукции;
• - снижать общие выбросы парниковых газов и другие вредные выбросы в окружающую среду;
• - рационально использовать отходы деревообрабатывающей промышленности;
• - существенно повысить экономическую эффективность региона.

Использование комбинированных или двухтопочных котлов приведет к значительному импульсу развития экономики, в частности - лесопереработки, лесопользования.

В результате, при реализации конкретного проекта, за счет уменьшения стоимости топлива, минимизации транспортных расходов на его доставку, мы получим экономически эффективную, замкнутую и экологичную энергетическую систему.

Список используемой литературы

• 1. СНиП II-35-76 Котельные установки. Нормы проектирования.(1977 с изм. 2001).
• 2. ПБ 10-574-03 Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. Серия 10. Выпуск 24/Колл.авт.-М.: Госуд. унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России». - 2003. - 216с.
• 3. Лямин В.А. Газификация древесины. -М.: Лесн. промышленность, 1967, -260 с.
• 4. Гусев Ю. Л. Основы проектирования котельных установок. (учебное пособие) 2-е изд. М., Стройиздат, 1973. 248 с.
• 5. Интернет источник: http://housea.ru/index.php/car/58714
• 6. Интернет источник: http://housea.ru/index.php/car/58714
• 7. Интернет источник: http://www.journal.globaledge.ru/?id=1892

p

Код для цитирования: Скопировать