Теп­ло­ге­не­ра­то­ри на біомасі: ефек­тив­но, про­дук­тив­но, еко­ном­но

Продовження. Початок у №11/2015

М. Зань­ко, канд. техн. на­ук, ст. на­ук. співробітник, завла­бо­ра­торії на­уко­вих досліджень і ви­про­бу­вань ма­шин для зби­ран­ня та пер­вин­ної пе­ре­роб­ки вро­жаю, УкрНДІПВТ ім. Л. По­горіло­го

Твердопаливний теплогенератор потуж­ністю 2 МВт (ТОВ «Біоресурс Україна»,
м. Ізюм) працює як на кусковому крупнофракційному паливі (об­­різки, дрова, обаполи, кора, поліна тощо), так і на дрібнофракційному (тирса, стружки, лушпиння, солома тощо).
Для ви­ко­ри­с­тан­ня ос­тан­нь­о­го теп­ло­ге­не­ра­тор має бун­кер із си­с­те­мою ав­то­ма­тич­но­го по­да­ван­ня па­ли­ва в топ­ку. Функція теп­ло­ге­не­ра­то­ра — ви­роб­лен­ня га­ря­чо­го по­вітря (теп­ло­носія) для по­даль­шо­го сушіння рос­лин­ної си­ро­ви­ни (біома­си) шля­хом ви­со­ко­е­фек­тив­но­го спа­лю­ван­ня низь­ко­сорт­но­го твер­до­го па­ли­ва.
Кон­ст­рук­тив­но теп­ло­ге­не­ра­тор є двостінним ста­ле­вим циліндром. Внут­рішній циліндр фу­те­ро­ва­но ша­мот­ною ви­со­ко­тем­пе­ра­тур­ною цег­лою. У фу­те­рівці розміще­но спеціальні над­дувні соп­ла, ви­го­тов­лені із ма­теріалу, що ви­т­ри­мує тем­пе­ра­ту­ру 1650°С. У зовніш­ньо­му циліндрі є от­во­ри, че­рез які повітря нагнітається вен­ти­ля­то­ра­ми у по­­рож­ни­ну між зовнішнім і внутрішнім циліндра­ми. Там во­но нагрівається, од­но­час­но охо­ло­д­жу­ю­чи внутрішній ци­ліндр, і потім че­рез над­дувні соп­ла по­трап­ляє у зо­ну піролізу та до­спа­лю­ван­ня. В обох цих зо­нах над­дувні соп­ла розміщені тан­генціаль­но, то­му потік повітря ство­рює ви­хор, зму­шу­ю­чи ча­ст­ки па­ли­ва ру­ха­ти­ся мак­си­маль­но дов­гою траєкторією і при­ти­с­ка­ти­ся до роз­пе­че­ної по­верхні фу­терівки, що за­без­пе­чує прак­тич­но по­вне їхнє зго­ран­ня.
Над­дув­не повітря для роз­па­лю­ван­ня топ­ки та­кож по­дається тан­генціаль­но і піддається підігріван­ню. Теп­ло­ге­не­ра­тор мо­же бу­ти ви­го­тов­ле­ний у двох варіан­тах — як у го­ри­зон­таль­но­му, так і вер­ти­каль­но­му ви­ко­нанні за­леж­но від па­ра­метрів будівлі, в якій пла­нується вста­нов­лен­ня об­лад­нан­ня. За­зви­чай по­­­ши­реніше го­ри­зон­таль­не ви­ко­нан­ня. Для до­сяг­нен­ня мак­си­маль­ної ефек­тив­ності ро­бо­ти твер­до­па­лив­них теп­ло­ге­не­ра­торів ре­ко­мен­дується ви­ко­ри­с­то­ву­ва­ти для спа­лю­ван­ня по­пе­ред­ньо підсу­ше­не па­ли­во: сухі обрізки, дро­ва, оба­по­ли, ко­ру, де­ревні відхо­ди (тріску, тир­су та ін.). Теп­ло­ге­не­ра­тор має низ­ку інно­ваційних технічних рішень, які за­без­­­пе­чу­ють спа­лю­ван­ня па­ли­ва в два ета­пи: спо­чат­ку за ви­со­кої тем­пе­ра­ту­ри і не­стачі кис­ню відбу­вається га­зи­фіка­ція (піроліз), а потім — до­спа­лю­ван­ня піролізних газів із над­лиш­ком кис­ню. Обид­ва про­це­си відбу­вається у ви­хорі, а ут­во­рені під час їхньо­го пе­ребігу іскри і попіл улов­лю­ють­ся іскро­гас­ни­ком і по­­пе­лов­лов­лю­ва­ча­ми.

   Теп­ло­ге­не­ра­то­ри для зер­но­су­ша­рок, що пра­цю­ють на відхо­дах (ТОВ  — «Біоре­сурс Ук­раїна», що є офіційним пред­став­ни­ком двох польсь­ких тех­нічних ком­паній — ви­роб­ників твер­­­до­па­лив­них піролізних теп­ло­ге­не­ра­торів), пред­став­лені трьо­ма мо­де­ля­ми по­тужністю 0,55–0,95 МВт. Во­ни при­датні для ком­плек­тації ділян­ки теп­ло­ге­не­рації із теп­ло­вою по­тужністю 4–5 МВт, при­зна­чен­ня якої — підго­тов­ка теп­ло­носія для зер­но­су­шар­ки із за­­да­ною тем­пе­ра­ту­рою і теп­ло­вою енергією. Теп­ло­ва по­тужність та­ких діля­нок теп­ло­ге­не­рації мо­же бу­ти від 1 до 10 МВт. Це дає змо­гу за­без­пе­чи­ти теп­ло­носієм ши­ро­кий мо­дель­ний ряд зер­но­су­ша­рок різних ви­роб­ників та по­туж­ності і ви­су­шу­ва­ти від 100 до 900 т/до­бу зер­на ку­ку­руд­зи (знят­тя во­ло­ги від 35 до 15%) або іншо­го зер­на. Па­ли­вом для ділян­ки теп­ло­ге­не­рації мо­жуть слу­гу­ва­ти: со­ло­ма у тю­ках і ру­ло­нах, подрібнені де­ревні відхо­ди (ще­па, ко­ра, тир­са), па­ливні гра­ну­ли із со­ло­ми, лу­ш­пин­ня со­няш­ни­ку та інших аг­ровід­ходів, са­ме лу­ш­пин­ня со­няш­ни­ку, ри­су, греч­ки, льо­ну то­що, відхо­ди зер­но­сушіння: насіння бур’янів, стеб­ло-со­ло­мисті ча­ст­ки, сухі струч­ки (ріпа­кові, бо­бові), шиш­ки і т. п.

Кон­ст­рукція і прин­цип ро­бо­ти. Кон­ст­рук­тив­но твер­до­па­лив­ний піро­лізний теп­ло­ге­не­ра­тор скла­дається із топ­ки з бун­ке­ром для за­ван­та­жен­ня біома­си і теп­ло­обмінни­ка, з’єдна­них між со­бою га­зо­хо­дом. Носієм теп­ло­вої енергії (теп­ло­вим аген­том), ви­роб­лю­ва­ної у про­цесі ро­­бо­ти твер­до­па­лив­но­го піролізно­го теп­ло­ге­не­ра­то­ра, мо­жуть бу­ти повітря, во­да або па­ра. Це дає змо­гу ви­ко­ри­с­то­ву­ва­ти теп­ло­ге­не­ра­тор для різних цілей.
До ба­зо­вої ком­плек­тації теп­ло­ге­не­ра­то­ра вхо­дять: топ­ка, теп­ло­обмінник, з’єдну­валь­ний га­зохід, бун­кер для за­ван­та­жен­ня па­ли­ва (со­ло­ми в ру­ло­нах/тю­ках, тріски/тир­си або іншої біома­си), вен­ти­ля­тор ос­нов­ний (ди­мовідве­ден­ня), вен­ти­ля­тор по­да­ван­ня теп­ло­во­го аген­та, ди­мовідвідна тру­ба, ша­фа уп­равління з ав­то­ма­ти­кою ре­гу­лю­ван­ня тем­пе­ра­ту­ри. Як до­дат­кові опції по­ста­ча­ють­ся: пристрій ав­то­ма­тич­но­го за­ван­та­жен­ня тю­ків со­ло­ми, кон­тей­нер­не ви­ко­нан­ня, ав­то­ма­тич­на си­с­те­ма ке­ру­ван­ня про­це­сом із мож­ливістю підклю­чен­ня до за­галь­ної си­с­те­ми уп­равління тех­но­логічним ком­плек­сом.
Теп­ло­ге­не­ра­то­ри відповідної по­туж­ності, що пра­цю­ють на со­ломі, ви­ко­ри­с­то­ву­ють та­кож у складі зер­но­су­шиль­них ком­плексів із про­дук­тивністю сушіння  ку­ку­руд­зи 24, 125 та 250 т/до­бу. На­при­клад, для за­без­пе­чен­ня про­дук­тив­ності зер­но­су­шар­ки MC-852, що вхо­дить до скла­ду цих ком­плексів, на рівні 30 т/год за­сто­со­ва­но теп­ло­ге­не­ра­тор із та­ки­ми па­ра­ме­т­­­ра­ми: мак­си­маль­на теп­ло­ва по­туж­ність — 1800 кВт, про­дук­тивність за ви­роб­лен­ням га­ря­чо­го повітря — 17 м3/с, тем­пе­ра­ту­ра теп­ло­носія — ре­гу­ль­о­ва­на (до 130°С), ви­т­ра­та па­ли­ва (со­ло­ми в тю­ках) за її во­ло­гості 40–50% — 10–12 т/до­бу. Теп­ло­ге­не­ра­то­ри на аль­тер­на­тив­но­му па­ливі ви­ко­ри­с­то­ву­ють та­кож у складі зер­но­су­ша­рок Strahl, які за­без­пе­чу­ють ви­со­ку про­дук­тивність — до 2300 т/до­бу.

   Теп­ло­ге­не­ра­то­ри твер­до­па­ливні ГТУ (ком­панія «Аг­ро­по­люс») при­зна­чені для одер­жан­ня теп­ло­го повітря у ве­ли­ко­му об­сязі за мінімаль­них ви­т­рат па­ли­ва, оскільки ма­теріалом для спа­лю­ван­ня слу­гу­ють відхо­ди де­ре­во­об­роб­них ви­роб­ництв (тир­са, струж­ка), пе­ле­ти, а та­кож рос­линні відхо­ди сільсько­го­с­по­дарсь­ко­го ви­роб­ництва: лу­ш­пин­ня со­няш­ни­ку, по­ло­ва зер­но­вих, подрібне­на со­ло­ма, ще­па, ко­ст­ри­ця. Цільо­ве при­зна­чен­ня повітря­но­го теп­ло­ге­не­ра­то­ра ГТУ: пе­ре­­об­лад­нан­ня зер­но­вих су­ша­рок для ро­бо­ти на біопа­ливі, обігріван­ня теп­лиць, складів, цехів, ан­гарів та інших ви­роб­ни­чих приміщень, сушіння де­ре­ви­ни і т. д.
До скла­ду теп­ло­ге­не­ра­то­ра вхо­дять: ка­ме­ра зго­ран­ня, повітря­на со­роч­ка (повітро­про­во­ди), двері ка­ме­ри зго­ран­ня, соп­ло горіння, вен­ти­ля­тор ви­со­ко­го ти­с­ку, ре­гу­ль­о­вані ко­ле­са (рам­ки), осе­ре­док горіння (топ­ка), пульт уп­равління, вал-пе­ремішу­вач, шнек по­да­ван­ня па­ли­ва, ре­гу­ль­о­ва­на опо­ра бун­ке­ра, дви­гун-ре­дук­тор шне­ка, опо­ри тру­би соп­ла, фу­те­рівка (ша­мот­ною цег­лою). Для зруч­ності ек­сплу­а­тації є мож­­­ливість ус­та­нов­лен­ня лю­ка (з пра­во­го або ліво­го боку) для по­лег­шен­ня за­пу­с­ку та об­слу­го­ву­ван­ня теп­ло­ге­не­ра­то­ра. Та­кож, щоб уник­ну­ти за­ви­сан­ня во­ло­го­го па­ли­ва над по­да­валь­ним шне­ком, у па­­лив­но­му бун­кері пе­ред­ба­че­на си­с­те­ма пе­ремішу­ван­ня па­ли­ва, яка розміще­на без­по­се­ред­ньо над шне­ком. Обов’яз­ко­вим еле­мен­том теп­ло­ге­не­ра­то­ра є теп­ло­обмінник. Із теп­ло­ге­не­ра­то­ра­ми «у тан­демі» пра­цю­ють теп­ло­обмінни­ки ви­роб­ництва ком­панії «Аг­ро­полюс». Ра­зом з тим, во­ни та­кож мо­жуть лег­ко інте­г­ру­ва­ти­ся із теп­ло­обмінни­ком інших видів, які вже прид­бав за­мов­ник. За­сто­су­ван­ня теп­ло­обмінни­ка пер­шо­чер­го­во спря­мо­ва­не на змен­шен­ня не­про­дук­тив­них ви­т­рат теп­ла.
Теп­ло­обмінник пра­цює із будь-яки­ми ви­да­ми ор­ганічно­го па­ли­ва (відхо­ди де­ре­во­об­роб­них ви­роб­ництв, по­ло­ва зер­но­вих, лу­ш­пин­ня со­няш­ни­ку, ко­ст­ри­ця то­що). Пе­рехід на нові ви­ди па­ли­ва до­по­ма­гає істот­но зни­зи­ти собівартість про­дукції, що ви­пу­с­кається, оскільки ча­ст­ка енер­го­ви­т­рат значно змен­шується. Мож­ли­ве ком­по­ну­ван­ня теп­ло­обмінни­ка універ­саль­ни­ми паль­ни­ка­ми ком­паній Ekoflem, UNIGAS, Oilon, Cuenod, Bude­rus Logatop, LAMBORGHINI calo­reclima, Max Weishaupt GmbH, Babcock Wanson, Oroflam, «Ог­не­маш» то­що. У ре­зуль­таті вдо­с­ко­на­ле­ний та­ким чи­ном теп­ло­об­мінник мож­на на­зва­ти теп­ло­ге­не­ра­то­ром, який пра­цює на зрідже­но­му і при­род­но­му газі або ди­зель­но­му па­ливі. Си­с­те­ма ав­то­ма­тич­но­го ви­да­лен­ня по­­пе­лу дає змо­гу знач­но ско­ро­ти­ти кількість і час про­ве­ден­ня рег­ла­мен­т­них робіт, а та­кож цик­ли зу­пин­ки/за­­пу­с­ку аг­ре­га­ту, що по­зи­тив­но по­зна­чаєть­­ся на термінах служ­би об­лад­нан­ня. Для уник­нен­ня пе­регріван­ня ро­бо­чої по­вер­хні кор­пу­са теп­ло­обмінни­ка пе­ред­ба­че­но дат­чик контролю над­лиш­ко­вої тем­пе­ра­ту­ри, який інте­г­ро­ва­ний в АСУ ТП теп­ло­ге­не­ра­то­ра.
Технічне об­слу­го­ву­ван­ня теп­ло­обмінни­ка по­ля­гає у своєчас­но­му ви­да­ленні про­дуктів горіння, які на­ко­пи­чу­ють­ся у ка­мері нагріван­ня, а та­кож ог­­ляд зовнішніх і внутрішніх по­вер­хонь ус­та­нов­ки на пред­мет по­яви тріщин, роз­­­ривів, про­горілих діля­нок.

   Теп­ло­ге­не­ра­тор ти­пу СВДТ (Ук­раїна) — піролізний, при­зна­че­ний для мо­дернізації па­ро­во­го кот­ла низь­ко­го ти­с­ку ти­пу E на про­мис­ло­вих і сільсько­го­с­по­дарсь­ких підприємствах у су­шар­ках зер­на, в то­му числі  ба­ра­бан­но­го ти­пу. Од­не із при­зна­чень теп­ло­ге­не­ра­то­ра — мо­дернізація га­зо­вих повіт­ря­них зер­но­су­ша­рок. Як па­ли­во за­сто­со­ву­ють дро­ва, бу­ре вугілля, тріски, тир­су, пе­ле­ти, бри­ке­ти, лу­ш­пин­ня со­няш­ни­ку, со­ло­му, торф то­що.
Теп­ло­ге­не­ра­тор СВДТ є звар­ною кон­ст­рукцію, що ви­ко­на­на із ви­со­ко­якісної жа­роміцної сталі з тов­щи­ною стінок 6, 8 і 10 мм. Внутрішня ча­с­ти­на теп­ло­ге­не­ра­то­ра повністю фу­те­ро­ва­на во­гне­т­рив­кою цег­лою, яка ви­т­ри­мує ви­­сокі тем­пе­ра­ту­ри (до 1600°С). У теп­ло­ге­не­ра­торі ви­ко­ри­с­та­на унікаль­на си­с­те­ма охо­ло­д­жен­ня кор­пу­са. Забір повітря для підтри­ман­ня горіння відбу­вається по всьо­му пе­ри­ме­т­ру ниж­ньої ча­с­ти­ни теп­ло­ге­не­ра­то­ра, потім во­но підіймається вго­ру до вен­ти­ля­торів і по­дається у ка­ме­ру зго­ран­ня вже підігрітим до тем­пе­ра­ту­ри 45…50°С. Ко­лос­ни­ки, на яких відбу­вається про­цес горіння, ви­го­тов­лені із во­гне­т­рив­кої цег­ли, що збільшує термін ек­сплу­а­тації теп­ло­ге­не­ра­то­ра, за­побігає їхньо­му пе­ре­го­ран­ню та де­­фор­мації. За по­тре­би їх мож­на лег­ко за­­міни­ти. По­да­ван­ня па­ли­ва — ав­то­ма­тич­не або руч­не. Ка­ме­ра по­пе­ред­нь­о­го зго­ран­ня — ви­х­ро­ва, та­кож є ка­ме­ра до­спа­лю­ван­ня. Внутрішнє об­ли­цю­ван­ня ви­ко­на­но із во­гне­т­рив­кої цег­ли. Такі унікальні (пред­топ­кові) теп­ло­ге­не­ра­то­ри да­ють мож­ливість ви­ко­ри­с­то­ву­ва­ти кот­ло­а­г­ре­га­ти без втра­ти їхньої теп­ло­вої по­туж­ності.
 Цей вид обігрівачів дає змо­гу мон­ту­ва­ти їх на ­вже на­яв­ну на підприємстві си­с­те­му теп­ло­ге­не­рації. Ав­то­ма­тич­не по­да­ван­ня па­ли­ва та очи­щен­ня від по­пе­лу дає змо­гу си­с­темі пра­цю­ва­ти без­пе­рерв­но 24 год/до­бу про­тя­гом ціло­го тиж­ня, за­без­пе­чу­ю­чи тим са­мим без­пе­ребійне ви­роб­лен­ня теплоагента . Теп­ло­ге­не­ра­тор СВДТ — це су­час­на кон­ст­рукція і новітній підхід у спа­лю­ванні біопа­ли­ва, що відбу­вається у два ета­пи. Спо­чат­ку горіння відбу­вається в ос­­новній ка­мері зго­ран­ня та га­зи­фі­кації, дру­гий етап про­хо­дить у  ви­х­ровій ка­мері, де з до­по­мо­гою до­дат­ко­во по­да­но­го повітря відбу­вається аб­со­лют­не зго­ран­ня ге­не­ра­тор­но­го га­зу, що за­без­пе­чує от­ри­ман­ня ви­со­ко­го ККД — на рівні 95% (до то­го ж за та­ко­го ефек­тив­но­го  спа­лю­ван­ня па­ли­ва змен­шується ви­кид шкідли­вих про­дуктів зго­ран­ня в ат­мо­сфе­ру). Такі ка­ме­ри спа­лю­ван­ня із вто­рин­ним по­да­ван­ням  повітря ви­го­тов­ля­ють по­тужністю від 1 МВт.
Си­с­те­ма уп­равління дає змо­гу теп­ло­ге­не­ра­то­ру пра­цю­ва­ти в ав­то­ма­тич­но­му ре­жимі: ко­ри­с­ту­вач на кон­тро­лері тільки оби­рає потрібний тиск па­ри. Як до­дат­ко­ва опція си­с­те­ма уп­равління ком­плек­тується дис­танційним уп­рав­лінням — з до­по­мо­гою те­ле­фо­ну або ПК. Бун­кер із ав­то­по­да­ван­ням па­ли­ва ви­го­тов­ля­ють індивіду­аль­но, із ура­ху­ван­ням кон­крет­них умов розміщен­ня кон­ст­рукції. Як до­дат­ко­ва опція та­кож мож­ли­ве ком­плек­ту­ван­ня дат­чи­ка­ми рівня па­ли­ва.
Ви­да­лен­ня по­пе­лу відбу­вається у руч­но­му ре­жимі. Для па­ли­ва, яко­му ха­рак­тер­не ут­во­рен­ня знач­ної кількості по­пе­лу, теп­ло­ге­не­ра­тор ком­плек­ту­ють ав­то­ма­ти­зо­ва­ною шне­ко­вою си­с­те­мою йо­го ви­да­лен­ня. За­вдя­ки ав­то­ма­ти­зації уп­равління об­слу­го­ву­ван­ня теп­ло­ге­не­ра­то­ра зво­дить­ся до мініму­му і по­ля­гає у періодич­но­му за­пов­ненні бун­ке­ра па­ли­вом. Ви­ко­ри­с­тан­ня ча­с­тот­них пе­ре­т­­во­рю­вачів до­по­ма­гає мак­си­маль­но ав­то­ма­ти­зу­ва­ти про­цес, ко­ри­с­ту­ва­чеві потрібно ли­ше ви­бра­ти не­обхідні па­ра­ме­т­ри ти­с­ку па­ри та тем­пе­ра­ту­ри на во­до­нагріваль­них кот­лах і су­шар­ках. Ро­бо­та ав­то­ма­ти­ки уп­рав­ління теп­ло­ге­не­ра­то­ра за­сно­ва­на на от­ри­манні сиг­на­лу від дат­чиків ти­с­ку або тем­пе­ра­ту­ри. За­дані па­ра­ме­т­ри ти­с­ку або тем­пе­ра­ту­ри підтри­му­ють­ся про­гра­ма­то­ром, у яко­му про­грам­но пов’яза­на ро­бо­та ча­с­тот­них пе­ре­тво­рю­вачів си­с­тем по­да­ван­ня па­ли­ва і си­с­тем нагні­тан­ня повітря. За зміни на­ван­та­жен­ня про­порційно змінюється по­да­ван­ня па­ли­ва і повітря, в ав­то­ма­тич­но­му ре­­жимі підтри­мується за­да­ний тиск або тем­пе­ра­ту­ра. У разі по­трап­лян­ня в бун­кер сто­рон­нь­о­го об’єкта, що при­зво­дить до зу­пин­ки шне­ка, дру­гий шнек пра­цює інтен­сив­ніше, щоб по­пов­ни­ти не­ста­чу па­ли­ва. У теп­ло­ге­не­ра­торі ви­­ко­ри­с­то­вується си­с­те­ма повітря­но­го охо­ло­д­жен­ня кор­пу­са, після чо­го нагріте повітря по­­дається до ка­ме­ри зго­ран­ня, що поліпшує про­цес спа­лю­ван­ня біопа­ли­ва.  Далі бу­де