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.*
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.