особенности  использования  биотоплива

в технологиях производства тепловой энергии

 

Исаев С.П., Исаев Д.С. (ТОГУ, г. Хабаровск, РФ)

 

The article contains the results of studying of features of use of biofuel in technology of thermal energy.

 

В последние годы в развитых странах мира большое внимание уделяется решению проблем развития и эффективного использования возобновляемых источников энергии. В России же, необходимость использования биомассы в качестве топлива, многие годы оставалась  невостребованной. Этому способствовало ряд причин, из которых можно выделить основную – централизованные поставки топлива (угля, мазута, газа) на местные источники тепловой энергии. Биомассу, в частности древесные отходы предприятий, утилизировали производства по глубокой переработки древесного сырья (плитные, целлюлозно-бумажные и гидролизные  производства). Сегодня, когда транспортные расходы на поставку топлива высоки и по этой же причине не позволяют перевозить отходы деревообрабатывающих производств на достаточно большие расстояния, с целью концентрации в местах их глубокой переработки, а вывоз в отвалы сопряжен с экономическими санкциями со стороны экологических служб, настала необходимость решения вопроса энергообеспечения и утилизации отходов производств лесопромышленного комплекса.

В современных рыночных условиях внедрение энергосберегающих и экологически чистых технологий  использования биотоплива могло бы в значительной мере обеспечить потребности в тепловой энергии предприятий, чья деятельность связана с переработкой древесины, а также небольших населенных пунктов или рабочих городков, расположенных рядом с данными предприятиями.

Однако у использования древесины в качестве топлива есть ряд отличительных особенностей.

Во-первых, необходимо строгое разделение биомассы по влажности. Здесь выделяют две категории: сырое с влагосодержанием от 35% до 55%, и сухое с влагосодержанием до 35% биотопливо. Это вызвано тем, что для сжигания биотоплива различной влажности необходима разная температура, и, как следствие, необходимость применения топок разной конструкции.

Во-вторых, необходимо разделение на категории видов биотоплива:  топлива, получаемые в результате термической, механической или совместной термомеханической переработке биомассы. При этом необходимо помнить, что топливные брикеты, при придании им слишком большой плотности в результате прессования, не будут являться выгодным топливом, поскольку при сохранении низшей теплоты сгорания МДж/кг, при слоевом сжигании резко возрастет процент механического и химического недожога, а значит и потерь теплоты связанных с ними. А древесный уголь, при более высокой низшей теплоте сгорания рассматриваться как топливо для котельных, даже в масштабе одного предприятия или населенного пункта, не может, поскольку имеет слишком сложную и затратную технологию производства. Производить же топливные брикеты, пеллеты, либо древесный уголь централизованно с последующей  доставкой в котельные крайне невыгодно из-за их низкой насыпной плотности, и как следствие удорожания перевозки в связи с увеличением затрат на эксплуатацию машин, особенно высоких цен на топливо.

В-третьих, выбор технологии сжигания биотоплива должен основываться на комплексной оценке гранулометрического состава, плотности и влажности биомассы. Так для сжигания различных фракций древесных отходов: измельченные ветви деревьев, обрезки сырых пиломатериалов и прочие разновидности биомассы, более всего подходят газогенераторы.

Использование слоевых топок с цепной решеткой прямого или обратного хода, шурующей планкой, наклонно переталкивающей решеткой для сжигания отходов деревообрабатывающих производств наталкивается на ряд проблем. Для качественного сжигания в слое оптимальный размер частиц подаваемого топлива должен быть около 50×50 мм. В случае более крупного размера частиц возможно образование прогаров в слое топлива, по причине неоднородного распределения топлива по поверхности колосниковой решетки, и дутьевой воздух подаваемый под решетку будет проходить через область, где слой топлива будет наиболее тонок, либо где будет большее количество пустот между частицами топлива. На всей же остальной площади колосниковой решетки интенсивность процесса горения резко уменьшится, то есть значительная часть топлива будет удалена с колосниковой решетки так и недогорев. По этой же причине в слоевых топках невыгодно использовать мелкие по размерам отходы (стружку, опилки) так как они образуют достаточно плотный слой, через который затруднено прохождение дутьевого воздуха. Таким образом, основное требование для слоевых топок это однородность размеров топлива, в пределах 50×50 ± 20 мм. Данные размерные характеристики топлива можно обеспечить только при условии производства топливной щепы.

Можно предположить, что на деревообрабатывающих предприятиях наиболее целесообразным является сжигание древесных отходов в топках с псевдо-сжиженным слоем, либо в вихревых топках. Данные технологии сжигания характеризуются весьма высокой теплонапряженностью топочного пространства, за счет этого, а также высокой температуры в топке, снижаются требования к влажностным параметрам используемого топлива. Однако применение данных топок также требует однородности дисперсного состава топлива. В особенности для топок с псевдо-сжиженным слоем, особо требовательных к составу топлива, поскольку у частиц должна быть примерно одинаковая скорость витания. Более приемлемыми в этом отношении являются вихревые топки, как не столь требовательные к однородности дисперсного состава топлива. Частицы с различной массой и геометрическими параметрами будут занимать место в вихре соответственно действию на них различных физических сил. Данная технология также позволяет переоборудовать уже существующие котельные, изначально предназначенные для сжигания угля или мазута. Перед топкой котла монтируется предтопок, в котором и происходит сжигание топливных частиц в вихре, а в пространстве топки происходит догорание топлива, при этом экранированная поверхность стен топки воспринимает основное количество выделяющейся в процессе сжигания теплоты. Использование данных типов топочных устройств требует достаточной проработки технологических решений, применения автоматики. Однако при этом будет обеспечена наибольшая полнота сгорания топлива, сведены к минимуму химический и механический недожог, за счет чего КПД котлоагрегата достигнет паспортного значения,  в среднем около 86%.

В качестве примера рассмотрен сравнительный расчет годовых эксплуатационных затрат, затрат на покупку и хранение топлива, а также стоимости  1 ГДж тепловой энергии при использовании в качестве топлива угля, мазута и древесных отходов. Расчет выполнен по методике, предложенной в работе /1/.

Расчетные величины тепловых нагрузок котельной взяты применительно к территории севера Хабаровского края. Котельная оборудована котлами  марки КВ.

Анализ полученных результатов расчета позволил установить, что наибольший вес в общей структуре затрат котельной занимают расходы на топливную составляющую. При чем, если сравнить затраты на покупку и хранение топлива, то обнаружится, что затраты для котельной на  древесных отходах примерно в 4,7 раза ниже, чем при использовании мазута, и в 2,3 раза в сравнении с углем.

Сравнение полных годовых затрат на эксплуатацию котельной подтверждает сохранение вышеозначенных пропорций (рис. 1).

 

Рисунок 1 – Годовые эксплуатационные затраты котельной

 

Если же сравнивать среднегодовую удельную себестоимость тепловой энергии (руб./кДж), то можно констатировать, что затраты на 1 кДж вырабатываемой тепловой энергии при использовании древесных отходов  2,2 раза ниже чем при использовании угля и в 4,4 раза ниже, чем при использовании мазута (рис. 2).

Следует отметить, что при расчете цены на уголь и мазут брались минимальные из существующих, а на древесные отходы цены были несколько завышены, поскольку в каждом конкретном случае цена древесных отходов определяется технологиями заготовки и обработки древесного сырья.

Таким образом, проведенный анализ особенностей  использования  биотоплива в технологиях производства тепловой энергии и выполненный сравнительный расчет затрат, позволяют сделать вывод о том, что биотопливо является конкурентоспособной альтернативой традиционным видам топлива и может применяться для снабжения тепловой энергией предприятий и небольших населенных пунктов.

 

Рисунок 2 – Среднегодовая удельная себестоимость тепловой энергии

 

Кроме того, нельзя забывать об экологичности биотоплива. При его сгорании не образуется оксидов серы и азота, а также благодаря низкой зольности (1-4 %) снижены выбросы в атмосферу. С учетом всех этих факторов можно сделать вывод, что использование древесных отходов в качестве топлива может существенно сократить расходы предприятий и населенных пунктов на тепловую энергию. И при возможно несколько большей стоимости единовременных затрат на строительство или переоборудование котельных для сжигания биотоплива, данная технология себя достаточно быстро окупит.

 

Литература

1. Б.Л. Блотнер, А.Ф. Быстров, А.А. Ильин, А.М. Полубелов. Методика расчета годового расхода средств на эксплуатацию котельной  деревообрабатывающего предприятия. Деревообрабатывающая промышленность, №4    , 2004, С.18 – 20.