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 23 раза повысить удельную теплотворную способность древесины, оптимизировать топочные процессы, увеличить КПД теплогенерирующего оборудования, его эффективность (в 1,32,8 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 5060 % массы свежесрубленного дерева, 2530 % 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 (12 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 1926 Мдж/кг, влажность 10 масс.%, зольность 0.54.0 масс.%, плотность 10501200 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 %).