Твердопаливні котли і теплогенератори

На території України станом на 2010 р. розміщено 469 міст, 885 селищ міського типу і 28 441 сільських населених пунктів (сіл, хуторів). Враховуючи те, що переважна більшість із них, особливо міські, забезпечуються теплом шляхом обігрівання на основі викопних видів палива (вугілля, мазут, газ), сумарний розрахунковий викид у повітря речовин, що забруднюють довкілля, сягає понад 36 120 тис. т.*

В. Лук’янець, зав. сектору,
ННЦ «ІМЕСГ»

Важ­ли­во­го зна­чен­ня на­бу­ва­ють тве­р­­­до­па­ливні кот­ли і теп­ло­ге­не­ра­то­ри для за­без­пе­чен­ня ви­роб­ни­чих і по­бу­то­вих по­­треб, прин­­цип дії яких по­бу­до­ва­но на еф­ек­тив­но­му ви­ко­ри­с­танні па­ли­ва та змен­шенні шкідли­вих ви­кидів у на­в­ко­лишнє се­ре­до­ви­ще.
Ра­зом із тим, щорічно у сільсько­го­с­по­дарсь­ко­му ви­роб­ництві на­ко­пи­чу­ють­ся у ви­гляді відходів значні об­ся­ги біо­ма­си, яку за відповідної підго­тов­ки до спа­лю­ван­ня з успіхом мож­на за­сто­со­ву­ва­ти як па­ли­во.
За роз­ра­хун­ка­ми ННЦ «ІМЕСГ», що­річ­ний технічно до­ступ­ний по­тенціал біома­си (со­ло­ма зер­но­бо­бо­вих, стеб­ла со­няш­ни­ку, ку­ку­руд­зи, ріпа­ку) ста­но­вить близь­ко 70 млн т, або 32,5 млн т у. п.(умов­но­го па­ли­ва). Щороку об­сяг не­­­­­кор­мо­вих відходів зер­но­пе­ре­роб­них під­­­приємств варіює у ме­жах 1,2–2,8 млн т, або 0,57–1,33 млн т у. п. За­галь­на кіль­кість в Ук­раїні ре­сур­су енер­ге­тич­ної де­рев­ної біома­си, яку мож­на от­ри­ма­ти у про­цесі щорічних лісо­за­готівель усіма лісо­ко­ри­с­ту­ва­ча­ми та пе­ре­роб­ни­ка­ми за­го­тов­ле­ної де­ре­ви­ни, ста­но­вить близь­ко 10,2 млн м3, із них технічно до­ступ­ни­ми мож­на вва­жа­ти об’єми в ме­жах 6,7–7 млн м3.
Твер­де біопа­ли­во від тра­диційних ви­­коп­них видів відрізняється тим, що во­но за своєю при­ро­дою прак­тич­но ней­т­раль­не що­до ут­во­рен­ня пар­ни­ко­во­го ефек­ту. Річ у тім, що рос­ли­ни, з яких йо­го ви­го­тов­ля­ють, по­гли­на­ють з ат­мо­сфе­ри у про­цесі сво­го роз­вит­ку ок­сид вуг­ле­цю, а на­томість виділя­ють ки­сень. От­же, за спа­лю­ван­ня емісія шкідли­вих газів урівно­ва­жується їхнім по­гли­нан­ням. То­му з енер­ге­тич­ної, еко­номічної та еко­логічної то­чок зо­ру ви­роб­ництво енергії з біома­си є ак­ту­аль­ним на­пря­мом роз­вит­ку аг­рар­ної сфе­ри.
Спа­лю­ван­ня біома­си істо­рич­но є най­давнішим та вод­но­час най­простішим спо­со­бом от­ри­ман­ня енергії. Про­те ду­же ве­ли­ка не­од­норідність біома­си, з точ­ки зо­ру хімічно­го скла­ду та фізи­ко-ме­ха­ніч­них вла­с­ти­во­с­тей, вик­ли­кає певні труд­нощі — як у про­цесі спа­лю­ван­ня, так і що­до емісії ком­по­нентів, які є побічни­ми про­дук­та­ми про­­­­­­­­­­це­су горіння.
За­зви­чай для спа­лю­ван­ня вка­за­но­го ма­теріалу за­сто­со­ву­ють твер­до­па­ливні кот­ли, які впро­довж ба­га­ть­ох років слу­жать для опа­лю­ван­ня і по­ста­чан­ня га­ря­чою во­дою сільських бу­динків, особ­няків, не­ве­ли­ких про­мис­ло­вих і адмі­ні­стра­тив­них будівель у не­га­зифіко­ва­них рай­о­нах. Їх ви­пу­с­ка­ють ук­раїнські під­приємства, зо­к­ре­ма ЗАТ «Жи­­­то­мир­рем­хар­чо­маш», «Ройек-Львів», «Київ-ав­то­ма­ти­ка», «Ком­со­мо­лець» (Лу­­ганськ), «Атон», ДП МОУ «63 Ко­тель­ноз­ва­рю­валь­ний за­­вод», ППФ «Ре­т­ра», «Тер­мо», ТД «Крігер», «Росс», «Ан­тол», «Гра­ну­ла МС» та ін.  (табл. 2).

Різновиди котлів
Ви­хо­дя­чи з особ­ли­во­с­тей тех­но­логій спа­лю­ван­ня біома­си, всі твер­до­па­ливні кот­ли і теп­ло­ге­не­ра­то­ри мож­на умов­но розділи­ти на:
   тра­диційні твер­до­па­ливні кот­ли, які пра­цю­ють на дро­вах та па­лив­них бри­ке­тах (із тир­си, лу­ш­пин­ня, со­ло­ми, ко­ст­риці, льо­ну то­що);
   твер­до­па­ливні кот­ли піролізно­го ти­пу (га­зифіка­то­ри), що пра­цю­ють на ку­с­ковій де­ре­вині (тріски, відру­би де­рев, тир­са);
   кот­ли, що пра­цю­ють на сип­ких ма­те­ріалах (відхо­ди де­ре­во­об­роб­ки, зер­но­пе­ре­роб­ки, лу­ш­пин­ня, зер­но­насіннєва си­ро­ви­на);
   кот­ли-ав­то­ма­ти, що пра­цю­ють на па­лив­них гра­ну­лах, відхо­дах пе­ре­роб­ки зер­но­бо­бо­вих;
   кот­ли і теп­ло­ге­не­ра­то­ри, що пра­цю­ють на со­ломі.
Тра­диційні твер­до­па­ливні кот­ли, або кот­ли з так зва­ним верхнім спа­лю­ван­ням, ма­ють кла­сич­ну схе­му: па­ли­во ле­жить на ко­лос­ни­ках на­си­пом (ша­ром), а повітря, не­обхідне для пе­ребігу про­це­су горіння, по­дається зни­зу. Мож­ли­ве та­кож підве­ден­ня вто­рин­но­го дут­тя. Не­доліком ро­бо­ти та­ких котлів є те, що леткі спо­лу­ки, які виділя­ють­ся у значній кількості вже за тем­пе­ра­ту­ри 250…450°С і які є ви­со­ко­ка­лорійним па­ли­вом, змі­шу­ють­ся із ди­мо­ви­ми га­за­ми і не­ефек­тив­но ви­во­дять­ся на­­зовні, зни­жу­ю­чи при цьо­му ККД топ­ки ус­та­нов­ки і за­бруд­ню­ю­чи на­вко­лишнє се­ре­до­ви­ще.
До чис­ла та­ких котлів на­ле­жать кот­ли серії АО­ВА (ПАТ «До­з­ав­то­мат», Кі­ро­во­град), КО­ВА (Мо­гилів-По­діль­ський маш­за­вод).
Для по­до­вжен­ня три­ва­лості горіння за­сто­со­ву­ють ме­тод по­ша­ро­во­го спа­лю­ван­ня. У кот­лах три­ва­ло­го горіння спо­чат­ку по­чи­нає горіти верхній шар зав­тов­шки 15–20 см, у цей час ре­ш­та па­ли­ва не за­го­ряється. Спеціаль­ним роз­по­діль­ни­ком над­дув­но­го повітря на­далі яд­ро горіння спря­мо­вується у нижній шар, і та­ким чи­ном од­но­го за­ван­та­жен­ня па­ли­ва ви­с­та­чає на про­цес обігріван­ня впро­довж 10–30 год. Такі кот­ли мо­жуть ви­ко­ри­с­то­ву­ва­ти як па­ли­во де­ре­вин­ну тріску, бри­ке­ти із де­рев­ної тир­си, со­ло­ми або лу­ш­пин­ня, торф’яні бри­ке­ти.
Крім цьо­го, прин­цип ро­бо­ти су­час­них котлів грунтується та­кож на за­сто­су­ванні ав­то­ма­тич­ної підтрим­ки тем­пе­ра­ту­ри теп­ло­носія на ви­ході за до­по­мо­гою спеціаль­но­го тер­мо­дат­чи­ка, зв’яза­но­го із заслінкою топ­ки. У разі ко­ли тем­пе­ра­ту­ра пе­ре­ви­щує за­да­ну, ав­то­ма­тич­но пе­ре­кри­вається заслінка — і про­цес горін­ня сповільнюється, і на­впа­ки, ко­ли тем­пе­ра­ту­ра змен­шується, то заслінка від­чи­­няється шир­ше. Та­ким чи­ном прист­рій не по­тре­бує до­дат­ко­вих енер­го­ви­т­рат.
Збільшен­ня теп­ло­про­дук­тив­ності спа­лю­ван­ня твер­до­го па­ли­ва за од­но­час­но­го змен­шен­ня йо­го ви­т­рат ста­ло мож­ли­вим за­вдя­ки за­сто­су­ван­ню про­це­су пі­ро­лізу, тоб­то ут­во­рен­ню син­тез-га­зу з ор­­ганічних відходів за відсут­ності кис­ню. Кон­ст­рукція котлів грунтується на прин­ципі ви­со­ко­тем­пе­ра­тур­но­го спа­лю­ван­ня ви­со­ко­ка­лорійно­го син­тез-га­зу. На рисунку на при­кладі утилізаційно­го кот­ла СУП-ВТ 80М (ТОВ «Сіона») вид­но, що про­цес відбу­вається в три ета­пи.
Ко­тел роз­па­люється ко­ло­ти­ми дро­ва­ми, тріска­ми, відру­ба­ми де­рев то­що і пра­цює та­ким чи­ном: після то­го як тем­пе­ра­ту­ра у ка­мері га­зо­ге­не­рації до­сяг­не ро­бо­чої, че­рез двер­ця­та за­ван­та­жу­ють со­лом’яний ру­лон (або тюк). Під дією тем­пе­ра­ту­ри і за об­ме­же­но­го пер­вин­но­го повітро­дут­тя со­ло­ми­с­та ма­са тліє з ут­во­рен­ням ге­не­ра­тор­но­го (син­те­зо­ва­но­го) га­зу, який потім над­хо­дить у ка­ме­ру спа­лю­ван­ня або ка­ме­ру до­па­лю­ван­ня й утилізується повністю за по­давання вто­рин­но­го дут­тя. Про­дук­ти зго­рян­ня про­хо­дять теп­ло­обмінник і нагріва­ють йо­го стінки, а потім ди­моу­смок­ту­ва­чем ви­во­дять­ся в ат­мо­сфе­ру. Теп­ло­агент оми­ває нагріті стінки теп­ло­обмінни­ка, відби­рає теп­ло і вен­ти­ля­то­ром по­дається все­ре­ди­ну. Ко­ли в про­цесі горіння со­лом’яно­го ру­ло­ну до­вко­ла ньо­го ут­во­рюється шар по­пе­лу, який ут­руд­нює до­ступ над­дув­но­го повітря і стри­мує про­цес горін­ня, вклю­чається вен­ти­ля­тор ка­ме­ри го­ріння і га­зифікації, який за­смок­тує га­ря­че повітря і про­ка­чує йо­го вздовж ка­на­лів зусібіч ру­ло­ну, за­вдя­ки чо­му він об­ду­вається і ки­сень зно­ву над­хо­дить у зо­ну тління. Ка­ме­ра га­зифікації і зго­рян­ня га­зу має теп­лостійку ке­рамічну об­шив­ку (фу­те­ров­ку) для то­го, щоб зберіга­лась потрібна для про­це­су га­зо­у­тво­рен­ня тем­пе­ра­ту­ра, ви­х­ро­ва ка­ме­ра зго­рян­ня та­кож фу­те­ро­ва­на во­гне­­трив­ким по­крит­тям, що дає змо­гу до­па­лю­ва­ти леткі спо­лу­ки.
Со­ло­ма містить до 5% зо­ли, що май­же вде­ся­те­ро більше, ніж у де­ре­вині. У котлів HERLT більша ча­с­ти­на зо­ли за­ли­шається у ка­мері за­пов­нен­ня і га­зифі­кації, і тільки не­ве­ли­ка її ча­с­ти­на, про­хо­дя­чи че­рез ви­х­ро­ву ка­ме­ру спа­лю­ван­ня лет­ких спо­лук, по­па­дає в цик­лон­ну ка­ме­ру теп­ло­обмінни­ка, ке­рамічна об­шив­ка якої зу­мов­лює її охо­ло­д­жен­ня до 600°С. По­чи­на­ю­чи з цьо­го, роз­плав­ле­на зо­ла зно­ву тверд­не. Ча­с­ти­на її ви­да­ляється ще у ви­х­ровій ка­мері спа­лю­ван­ня, за­лиш­ко­ва ча­с­ти­на ра­зом із по­то­ком газів по­па­дає в теп­ло­обмінні тру­би, не спри­чи­ню­ю­чи там на­ли­пан­ня. Фільтрів кот­ли HERLT не по­тре­бу­ють.
 На ос­нові за­зна­че­но­го ви­ще аналізу спа­лю­ван­ня у дво­с­тадійно­му ре­жимі ущільне­ної в тю­ки со­ло­ми в ННЦ «ІМЕСГ» роз­роб­ле­но кон­ст­рукційно-тех­но­логічну схе­му (по­пе­ред­ньо ре­гу­ль­о­ва­не горіння та до­па­лю­ван­ня лет­ких спо­лук) та роз­роб­ле­но ро­бочі крес­лен­ня на ви­го­тов­лен­ня пе­ре­сув­но­го теп­ло­ге­не­ра­то­ра теп­ло­вою по­тужністю 500 кВт із по­­ві­тря­ним теп­ло­аген­том для спа­­­лю­ван­ня двох ру­лонів діаме­т­ром 1,8 та за­вдовжки 1,2 м.
Особ­ливістю кон­ст­рукції теп­ло­ге­не­ра­то­ра (па­тент Ук­раїни на ви­нахід №93602 «Теп­ло­ге­не­ра­тор для спа­лю­ван­ня тюків та ру­лонів со­ло­ми») є на­яв­ність ке­рамічної ви­х­ро­вої ка­ме­ри для до­па­лю­ван­ня го­рю­чих газів із мож­ли­вістю відве­ден­ня га­ря­чих газів та змішу­ван­ня їх із теп­ло­аген­том, що підви­щує за­галь­ний ко­ефіцієнт ко­рис­ної дії ус­та­нов­ки на 5–7%.
   Процес роботи. Після за­ван­та­жен­ня двох ру­лонів со­ло­ми або відповідної кількості тюків її роз­па­лю­ють за до­по­мо­гою лег­ко­зай­ми­с­тих ре­чо­вин: стру­жок, трісок, ганчір’я, зма­ще­но­го ди­­зель­ним паль­ним. За до­сяг­нен­ня ста­ло­го яд­ра горіння двер­ця­та  щільно за­­кри­ва­ють­ся, і вклю­чається повітро­над­дув­ний вен­ти­ля­тор, який че­рез ко­лек­тор  та повітро­про­во­ди по­дає повітря у зо­ну яд­ра го­рін­ня, су­про­во­д­жу­ю­чи ос­таннє вздовж усієї топ­ки по­чер­го­вим пе­ре­клю­чен­ням на­пря­му по­да­ван­ня над­дув­но­го повітря. У про­цесі горіння вже за тем­пе­ра­ту­ри 250…300°С виділяється знач­на кількість лет­ких спо­лук: СО, Н2, СН4 та інших. Во­ни, підійма­ю­чись уго­ру, че­рез вхідні от­во­ри по­па­да­ють у ке­ра­міч­ну ка­ме­ру, ви­го­тов­ле­ну у формі ци­ліндра або ба­га­то­г­ран­ни­ка.
Верх­ня ча­с­ти­на ка­ме­ри ви­ко­на­на пер­фо­ро­ва­ною, з от­во­ра­ми від 0,5 до
1 мм, сю­ди ж по­даєть­ся та­кож повітря вто­рин­но­го дут­тя. Від са­мо­за­го­рян­ня або від при­му­со­во­го за­па­лю­ван­ня ут­во­ре­на суміш до­па­люється, при­чо­му внаслідок яви­ща ефуз­ії га­ря­чий газ от­во­ра­ми над­хо­дить у міжтруб­ний простір теп­ло­обмінни­ка та змішується там із повітрям, що нагнітається вен­ти­ля­то­ром. Ди­мові га­зи ви­во­дять­ся че­рез ко­мин-ка­ме­ру і ди­мо­ву тру­бу на­зовні.