Энергетическая
плотность, кВтч/м3
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.
Таблица 2.3. Химический состав соломы и древесной щепы
Химический состав, весовой-% при влажности 20%
Солома
Древесная щепа
Зола
4,5
1,0
Летучие
75-81
81
Водород
Н
5,9
5,8
Углерод
С
47,5
50
Азот
N
0,31,5
0,3
Сера
S
0,15
0,05
Хлор
а
0,4
0,02
Кремний
Si
0,8
0
Алюминий
А1
0,005
0
Железо
Fe
0,01
0,015
Кальций
Са
0,4
0,2
Магний
Mg
0,07
0,04
Натрий
Na
0,05
0,015
Калий
К
1,0
0
Фосфор
Р
0,08
0,02
Влагосодержание, %
10 -25
50 60
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 35 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 (4550 %), кислород (4045 %), водород (4,56%) и азот (0,33.5 %). 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 200300ºС происходит воспламенение твердого топлива. Сухая солома воспламеняется при температуре около 200ºС, сухой торф при температуре 225280ºС, сухая древесина 220300ºС. При температуре 500600ºС начинается процесс горения летучих компонентов, содержание которых в горючем веществе составляет около 75 %. В интервале 800900ºС 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 10001100ºС. 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.