Каким образом образуется биомасса?

Какой бы вид топлива Вы не использовали, оно должно быть сухим. Содержание воды в свежеспиленном дереве достигает 50%, поэтому сжигать его сразу неэкономично. Часть энергии при сжигании будет затрачено на испарение воды, соответственно количество полезной энергии окажется меньшим. Поэтому перед сжиганием древесина должна высушиваться. Лучшее, что можно сделать - подождать по крайней мере год, а лучше два. Простейшим способом является хранение древесины на открытом воздухе под навесом или в сарае, предохраняющем от прямого попадания дождя.

Нельзя сжигать крашеную или клееную древесину, потому что в этом случае при сгорании образуются токсичные газы. Нельзя также сжигать многие вощеные упаковочные материалы, например, картонные пакеты для молока и подобные материалы. Можно сжигать древесные брикеты, которые получаются с помощью штамповки опилок и стружки. Обычно они имеют от 10 до 20 сантиметров в длину и около 5 сантиметров в диаметре. В процессе сжатия в брикетах уменьшается содержание воды, поэтому их теплотворная способность выше, чем у обычной древесины. В результате для хранения брикетов необходим меньший объем.

Дымоход

Дымоход формирует тягу в котле. Тяга получается из-за разности плотностей воздуха на входе котла и в верхней части дымохода. Поэтому высота дымохода, температура дымовых газов и теплопроводность материалов влияют на величину тяги. Изгибы и наличие горизонтальных участков уменьшают тягу. Они вызывают сопротивление, которое должен преодолеть горячий воздух. Поэтому обычно количество горизонтальных участков и изгибов сводится к минимуму. Некоторые котлы имеют встроенные вентиляторы, обеспечивающие необходимую тягу на постоянной основе.

Котел должен устанавливаться и обслуживаться соответствующим образом. В случае соблюдения упомянутых условий увеличивается его период эксплуатации и надежность. В большинстве стран существуют правила для установки котлов. В некоторых случаях котлы должны устанавливаться в отдельных помещениях. Дымоход должен очищаться, по крайней мере, один раз в год. Это уменьшает риск возгорания. Большое количество сажи может уменьшать поток воздуха в котле и дымоходе.

Автоматические котлы подключаются к системе теплоснабжения так же, как мазутные или газовые. Тепло от сгорания топлива передается теплоносителю - воде, которая после нагрева поступает в радиаторы, расположенные в помещениях дома. Таким образом, котел отапливает все помещения в здании, в отличие от печи, которая обогревает лишь комнату, в которой находится. Гранулы и щепа имеют идеальный размер для использования в автоматических котлах, поскольку они подаются в котел непосредственно из бункера. Бункер необходимо заполнять один-два раза в неделю. В котлах с ручной подачей топлива, использующих, например, дрова, последние необходимо загружать несколько раз в день. Однако такие котлы обычно дешевле автоматических.

Древесные гранулы являются относительно новым и привлекательным видом топлива. При сжигании гранул утилизируются ресурсы, которые в противном случае оказались бы в составе мусора или попали бы на свалки. Гранулы обычно делаются из отходов (опилок и стружек) и используются в широких масштабах в системах централизованного теплоснабжения. Они производятся прессованием и имеют 1-3 см в длину и около 1 см в диаметре. Они чистые, обладают хорошим запахом и приятные на ощупь. Гранулы имеют низкую влажность (менее 10%) и высокую теплотворную способность по сравнению с другими видами древесного топлива. После прессования уменьшается объем, в результате увеличивается количество энергии в единице объема (энергетическая плотность). При сжигании гранул процесс обладает большей эффективностью и образуется малое количество остатка. В некоторых странах сжигание гранул освобождено от контроля состава дымовых газов.

 

Большой котел (2.5 МВт) для сжигания гранул и щепы, используемый в системах централизованного теплоснабжения	Гранулы могут поставляться потребителю в начале отопительного сезона

 

Существуют различные виды гранул. Некоторые производители используют связующие вещества для того, чтобы продлить продолжительность существования гранул. Другие производители не используют связующие вещества. Связующие вещества часто содержат фосфор, который попадает в дымовые газы при сжигании. Соединения фосфора участвуют в образовании кислотных дождей и увеличивают коррозию дымохода. Поэтому лучше использовать гранулы без связующих веществ.

Параметры древесных гранул:

Диаметр: 5 - 8 мм

Существует много преимуществ использования древесных гранул в качестве топлива. Для производства гранул не нужно пилить деревья - они могут быть получены из древесных отходов. Сжигание гранул помогает избавиться от отходов деревообрабатывающей и мебельной промышленности. В гранулах обычно отсутствуют добавки для улучшения процесса горения. При сжигании гранул не образуется дым. Использование этого вида топлива уменьшает потребность в ископаемом топливе, сжигание которого приносит вред окружающей среде.

Стоимость древесных гранул может зависеть от места получения и времени года. Независимо от того, живете вы в городском доме или в сельской местности, древесные гранулы представляют для вас наиболее безопасный и здоровый способ отопления. Гранулы могут использоваться в различных типах зданий - гостиницах, ресторанах, магазинах, офисах, больницах и школах. До недавнего времени гранулы использовались в 500 тыс. домов в Северной Америке.

Древесная щепа

Древесная щепа получается из отходов лесной древесины. Древостой должен прореживаться при выращивании деловой древесины (для производства балок, досок и мебельных заготовок). Таким образом, щепа является результатом обычной эксплуатации лесного хозяйства. Древесина измельчается в специальных рубительных машинах (чипперах). Размер и вид щепы зависит от конкретной машины, однако типичная щепа имеет от 2 до 5 см в длину и 1 см в толщину. Влажность свежей щепы составляет около 50% (весовых) и значительно уменьшается в процессе сушки. Во многих странах, например, Дании, щепа производится для сжигания на станциях централизованного теплоснабжения. Щепа обычно доставляется автомобильным транспортом, поэтому станции ЦТ, оборудованные автоматическими котлами, должны иметь крытые хранилища объемом не менее 20 м³.

	Рубительная машина	Древесные брикеты

В этой таблице представлены сравнительные данные по разным видам топлива для односемейного дома площадью 150 м² (тепловая нагрузка 12 кВт) в Австрии.

Существует три типа котлов с автоматической подачей для щепы и гранул:

В таких устройствах топливо подается из бункера с помощью автоматического питателя. Количество подаваемого топлива определяется с помощью термостата. Если вода в котле имеет малую температуру, подается больше топлива, и наоборот. Компактные устройства прекрасно работают на гранулах. Они менее приспособлены для щепы, которая имеет меньшую энергетическую плотность. Для щепы загрузка топлива должна проводиться слишком часто. Кроме того, влажность щепы нередко бывает слишком высокой, в результате ее сгорание происходит неоптимальным образом.

В таких котлах топливо также подается автоматически из бункера с помощью шнекового конвейера. Топливо подается в нижнюю часть решетки, где и происходит сгорание. Контроль также осуществляется с помощью термостата. Лучшим видом топлива являются гранулы, однако сжигание щепы также возможно в устройствах, разработанных специально для щепы. Щепа при этом не должна быть слишком влажной, поэтому необходима ее предварительная сушка. Лучшим способом сушки является выдерживание древесины перед измельчением в рубительной машине. Щепа также может сушиться после рубки, по крайней мере, в течение двух месяцев. Для этой цели необходимо значительное пространство для ее хранения.

В этом типе котлов сжигание топлива в основном происходит при высокой температуре в предтопках. Для поддержания высокой температуры предтопки имеют глиняную обмуровку. Котлы с предтопком пригодны для сжигания влажной древесной щепы. Не сгоревшие в предтопке газы дожигаются в котле. В некоторых котлах могут сжигаться и гранулы, однако существуют котлы, которые могут быть повреждены при сжигании сухого топлива. Поэтому перед приобретением котла необходимо проконсультироваться с производителем.

Котлы с автоматической подачей топлива стоят дороже, чем ручные котлы. Это объясняется относительной сложностью их конструкции. Обычно их применение экономически оправдано, если необходимо большое количество теплоты в течение года. Для стран ЕС это означает потребность в сжигании эквивалента 3000 литров мазута в год. Если домовладелец потребляет меньше тепла, ему лучше приобрести котел с ручной подачей дров. Если дом уже оборудован исправным котлом, а домовладелец думает о приобретении, самым дешевым вариантом будет приобрести устройство для подачи топлива. В Дании это обойдется в 3-4 тыс. Евро вместе с установкой. Описанные выше типы котлов будут стоить по крайней мере 50 тысяч крон. Несмотря на это, древесносжигающие котлы окупаются в процессе эксплуатации, потому что экономия на приобретении топлива составляет около 300 Евро на каждые 1000 литров замещенного мазута.

Техническое обслуживание чрезвычайно важно. Без него существует риск возгорания в дымоходе и отравления угарным газом. Правильно работающий котел лучше использует топливо и, в результате, экономит деньги. Период эксплуатации котла также зависит от обслуживания.

Солома имеет близкую к древесине теплотворную способность и может быть использована в качестве топлива для котлов. Однако существует ряд трудностей, из-за которых солома используется преимущественно в больших котлах, обычно работающих в системах централизованного теплоснабжения и в сельском хозяйстве.

Солома - сложный вид топлива. Обеспечение котла соломой затруднено ее негомогенной структурой, относительно большой влажностью и большим объемом по сравнению с содержанием энергии. Объем соломы превышает в 10-20 раз объем угля с аналогичным содержанием энергии. Более того, 70% сгораемых компонентов соломы содержатся в летучих газах, выделяющихся в процессе сжигания. Большое содержание летучих компонентов требует специальной конструкции топки и организации потока воздуха в ней. Солома содержит соединения хлора, которые могут вызвать проблемы с коррозией при высоких температурах. Температура плавления соломенной золы относительно низкая из-за высокого содержания щелочных металлов. В результате могут возникать проблемы с золоудалением.

Системы централизованного теплоснабжения

Несмотря на перечисленные проблемы, в мире существует большое количество станций централизованного теплоснабжения, использующих солому в качестве топлива. Начиная с 80-х годов, только в Дании было построено более 70 таких станций. Их мощность варьируется от 0,6 до 9 МВт при средней мощности 3,7 МВт. На этих станциях используются так называемые тюки Хестона (Hesston bales), имеющие размеры 2,4x1,2x1,3 м и вес 450 кг. Конструкции станций предусматривают возможность использования резервного топлива в газовых или мазутных котлах для случаев большой пиковой нагрузки, ремонтов и аварий. Мощность соломосжигающих котлов обычно соответствует 60-70% максимальной нагрузки, что облегчает их эксплуатацию летом в условиях низкой нагрузки.

Соломосжигающие станции состоят из стандартных компонентов:
хранилище для соломы.
устройство для взвешивания соломы.
погрузчик.
конвейер.
устройство подачи топлива в котел (питатель).
котел.
устройство для очистки дымовых газов.
дымовая труба.

Котел

Конвейер подает солому в нижнюю часть котла, где находится массивная железная решетка. Здесь и происходит сжигание. Решетка обычно делится на несколько зон сгорания, каждая из которых имеет собственный вентилятор, подающий воздух через решетку. Сжигание может контролироваться независимо в каждой зоне. Таким образом достигается полное сжигание соломы. Большая часть горючих веществ (70%) в результате нагрева выделяется в виде летучих компонентов, которые сгорают в топочной камере над решеткой. Для обеспечения полного сгорания летучих компонентов вторичный воздух подается через форсунки, установленные в стенках котла. Из топочной камеры дымовые газы подаются в конвективную зону котла, в которой большая часть тепла передается через стенки котла циркулирующей воде. Конвектор обычно состоит из рядов вертикальных труб, через которые пропускаются дымовые газы. В большинстве существующих станций имеется экономайзер - теплообменник, установленный за конвектором. В экономайзере происходит дополнительная передача тепла воде, что приводит к увеличению эффективности системы в целом.

Солома, поставляемая для сжигания, должна удовлетворять определенным требованиям для того, чтобы уменьшить риск возникновения эксплуатационных проблем в процессе производства энергии. Хранение, подготовка, дозирование, подача, сжигание и экологические последствия перечисленных операций таят в себе возможность возникновения проблем. Влажность соломы является одним из самых важных критериев качества этого вида топлива. Обычно влажность варьируется в пределах 10-25%, но иногда может быть и выше. Теплотворная способность и цена соломы зависит от влажности.

Все тепловые станции определяют приемлемую максимальную влажность поставляемой соломы. Высокое содержание воды может вызвать проблемы при хранении и нарушения в работе станции в целом, а также уменьшение мощности и увеличение затрат на подготовку, дозирование и подачу соломы в котел (и, возможно, уменьшение КПД котла). Приемлемая максимальная влажность поставляемой соломы отличается для разных станций в пределах 18-22%. Разные виды соломы обладают различными свойствами при сгорании. Некоторые виды горят практически взрывообразно, почти не оставляя золы, другие горят медленно, оставляя на решетке "скелет" золы. Опыт, накопленный на разных станциях централизованного теплоснабжения, не всегда идентичен. Различия в процессе сжигания не всегда можно объяснить на основании обычных лабораторных измерений.

Системы отопления мощностью менее 1 МВт

Этот тип установок отличается от систем централизованного теплоснабжения и используется в основном в сельской местности. Использование соломы в качестве источника энергии в аграрном секторе началось в 70-х годах в результате энергетического кризиса, во время которого существовали субсидии на установку соломосжигающих котлов. За последние 10-15 лет концепция таких котлов была развита от маленьких и примитивных котлов, требующих наличия обслуживающего персонала, сжигающих тюки, подающиеся вручную, и имеющих проблему с дымовыми газами, до больших котлов, сжигающих тюки часто с автоматической подачей, с загрузкой топлива 1-2 раза в сутки.

Ранее на рынке преобладали котлы для маленьких тюков. Сегодня большая часть котлов с периодической подачей приспособлена для больших тюков (круглые и прямоугольные тюки Хестона). Котлы, использующие большие тюки, хорошо приспособлены для обеспечения годовой потребности в тепле, соответствующей потреблению по крайней мере 10000 литров мазута. Имеются котлы разных размеров, использующие одновременно от одного круглого тюка (200-300 кг) до двух тюков Хестона (1000 кг). Обычно котел сжигает тюки последовательно. Трактор, оборудованный захватом, доставляет тюк на решетку через открытую переднюю часть котла. Для обеспечения хорошего сжигания и уменьшения уноса частиц в дымовых газах скорость и количество подаваемого в котел воздуха могут отличаться в верхней и нижней части топочной камеры.

Ранее котлы с периодической загрузкой вызывали много проблем в случае использования соломы низкого качества. Кроме того, возникали сложности с контролем подачи воздуха. В последних моделях эти проблемы решены. Содержание воды, однако, должно поддерживаться не выше 15-18%. Сегодня максимальная эффективность котлов достигает 75% при содержании СО ниже 0,5%. Десять лет назад типичным значением эффективности было 35%.

Котлы с автоматической подачей топлива

Интерес к котлам с автоматической загрузкой вырос потому, что популярные котлы с периодической подачей тюков малого размера требуют наличия значительного обслуживающего персонала. Было разработано несколько типов автоматических котлов, однако все они включают дозирующее устройство, которое автоматически и постоянно снабжает котел соломой. Такое устройство может работать с целыми тюками, измельченной соломой или соломенными гранулами.

Устройство, состоящее из рыхлителя и режущего приспособления, разделяет тюки на отдельные части разных размеров. Тюки подаются в него с помощью конвейера. Количество поступающей соломы часто регулируется с помощью изменения скорости конвейера. После измельчения солома перемещается с помощью червячного транспортера или вентиляторов. Если используются вентиляторы, то расстояние до котла может быть большим, однако при этом используется большее количество энергии.

На практике рыхлитель не режет или разрывает солому, а разделяет ее на сегменты, в которых солома была спрессована пресс-подборщиком. Для обеспечения постоянного количества подаваемой соломы рыхлитель обычно оборудован удерживающим устройством. Большинство рыхлителей также имеют ножи для измельчения от образования больших фракций соломы.

В автоматических котлах сжигание происходит одновременно с подачей соломы в топку. Количество подаваемого воздуха соответствует количеству соломы и регулируется с помощью переменной заслонки перед вентилятором. Это обеспечивает оптимальное сжигание и высокий коэффициент использования топлива, а значит и уменьшение эмиссии пыли по сравнению с ручными котлами, не имеющими регулировки подачи воздуха. Возгорание соломы в автоматических котлах не вызывает проблем, поскольку подача топлива происходит непрерывно.

Интерес к использованию соломенных гранул в качестве источника энергии вырос в течение последних лет. В настоящее время производство и использование соломенных гранул относительно невелико. Интерес вызван однородной и удобной структурой этого вида топлива, прекрасно приспособленного для транспортировки в танкерах и использования в автоматических теплоснабжающих установках. Однако существуют еще нерешенные проблемы с золоудалением в случае использования соломенных гранул в малых котлах.

Отопительные устройства на гранулах обычно используются в индивидуальных домах. Обычно они состоят из котла и закрытой емкости для топлива (соломенных гранул). Червячный питатель подает гранулы в топку котла. Питатель работает периодически, а количество подаваемого топлива регулируется величиной интервала между его последовательными включениями. Воздух подается с помощью вентилятора. Количество золы в малых котлах обычно равно 4% от веса использованной соломы.