Технологические аспекты сжигания биотоплива

Сравнение Российских и Западных Почему вообще выгодно использовать биомассу в качестве топлива? Общеприняты два варианта ответа: есть причины экономические и экологические. Экология особенно важна для западных потребителей, однако в России лишь немногие "продвинутые" производители энергии, - будь то частное лицо, обогревающее свое жилище, предприятие, отапливающее свои производственные и административные помещения, или крупная муниципальная котельная, - задумываются об экологии. Очень жаль! Однако для всех потребителей очень важным является вопрос экономики. Последние расчеты и анализ цен на основные виды топлива показывают, что биомасса во многих случаях превосходит традиционные виды топлива (не только дрова или уголь, но и жидкое топливо - дизель и мазут) по экономике использования. Конечно, при этом необходимо смотреть не на цену 1 тонны топлива, а на стоимость 1 кВт энергии, произведенного при использовании этого топлива. Предлагаем Вашему вниманию сравнительную таблицу стоимости 1 кВт энергии, произведенного с использованием различных видов топлива (цена на топливо указана в среднем по России):



Как видно, биотопливо является неплохой альтернативой для тех регионов, где существуют запасы древесины и стоимость древесных отходов не очень велика вследствие их немалого количества. Особенно выгодно устанавливать котельные на биотопливе на предприятиях лесопереработки и деревообработки. К тому же тенденции развития ТЭК России говорят о том, что цены на жидкое топливо и газ будут постоянно расти до уровня мировых. Следовательно, использование биомассы в качестве топлива становится все более актуальным и для нас с Вами.

Очень важно понимать, что для каждого вида биотоплива существует своя специальная и специфическая технология. Котельные, предназначенные для биомассы влажностью менее 30%, не будут эффективны ни для сжигания влажного биотоплива с содержанием воды около 50%, ни для рафинированного биотоплива. Влажное сырье не будет сгорать по причине того, что ему необходима очень высокая температура внутри котла, достигать которой нет смысла, если использовать более сухую биомассу. Рафинированное топливо, гранулы, сгорать в таком котле будут, но при этом потеряют экономическую целесообразность, поскольку стоимость котла на гранулах ниже, чем на влажной или сухой (до 35%) биомассе - опилках, щепе и т.д. В следующих разделах мы кратко опишем существующие технологии сжигания биотоплива различной влажности.

К слову, первые котлы на биотопливе появились в России (как и многие другие гениальные разработки). До 60-х годов прошлого столетия в СССР было разработано и смонтировано немало таких котлов. Однако тогда была другая экономическая и политическая ситуация. Поэтому и задача для конструкторов котлов ставилась другая: "Главное - Утилизировать!". Европа же успешно воспользовалась советскими разработками в этой области для решения несколько иной задачи (точнее, кардинально иной): добиться максимального КПД для того, чтобы снизить себестоимость произведенной энергии. Для этого они очень глубоко изучили природу горения различных видов биотоплива. Нюансов в сжигании биотоплива очень много. Например: в топливной щепе из верхушек деревьев хвойных пород присутствует хвоя. При сжигании хвои (в результате цепочки химических реакций) в топке образуется щелочь натрия. Что такое щелочь натрия для стальных котлов объяснять не надо. Но есть технологии, позволяющие нейтрализовать вредные эффекты - и об этом тоже знают европейские производители.

Сегодня в России, однако, появились производители котлов, которые утверждают, что могут эффективно сжигать практически любое биотопливо в котле, предназначенном для сжигания биомассы 30%-ной влажности. Однако проведенный анализ с привлечением иностранных специалистов показал, что КПД таких котлов будет крайне низок. Более того, сжигание биомассы в таких котлах противоречит самой идее использования биомассы как экологически дружественного топлива взамен вредного для окружающей среды ископаемого топлива. Вредные выбросы при неправильном сжигании биомассы велики и очень пагубно влияют на окружающую среду, людей, растительный и животный мир. На сегодняшний день российские производители и потребители мало задумываются о последствиях, а ведь они проявятся в долгосрочной перспективе - на здоровье будущих поколей. Если же говорить об экономике использования таких котлов, то ситуация довольно плачевна - низкий КПД и безмерное "пожирание" топлива ведет не к увеличению прибыли при инвестировании в такой котел, а к ее потере. Конечно, решающий аргумент производителя - стоимость конструкции; но стоит ли покупать дом, если в нем невозможно жить? В данном случае, действительно, "скупой платит дважды", если не больше!

Котельные на сыром (до 55%) и сухом (до 35%) биотопливе

В настоящее время в Европе разработан достаточно широкий ряд и тип котлов на биотопливе: это котлы на прессованном биотопливе - гранулах и брикетах (см. п.9), а также на сухом биотопливе (влажность до 30%) и на влажном биотопливе (влажность до 55%).

Назначение таких котлов - весьма разнообразно: кроме традиционного сжигания качественного прессованного биотоплива (из хвойных пород) и некачественного прессованного биотоплива (из хвойных и лиственных пород), а также биомассы в виде щепы и опилок, разработаны котлы для сжигания торфа и смесей из торфа, для сжигания коры и смесей из коры, для сжигания другого органического сырья (в т.ч. и ТБО, мусора) и даже для утилизации плохо сгораемого сырья.

Биотопливные котлы, в зависимости от их конкретных характеристик, могут быть ориентированы на самые разные сегменты рынка: от частных лиц до муниципальных властей, предприятия, имеющие доступ к сырью или производящих сырье до предприятий-производителей и потребителей тепловой энергии.

Как уже было сказано выше, пионерами в разработке котлов на биотопливе были советские ученые, однако задачу эффективного сжигания биотоплива решили западные специалисты, прежде всего из стран Северной Европы - Швеции, Финляндии, Дании. Они взяли за основу российские разработки и довели их до совершенства. Это стоило им огромных инвестиций, специальных законов по мотивации использования биотоплива, постоянная пропаганда экологически чистого топлива. Однако и для них, как и для России, экономика первична. Любое новое оборудование, и котлы на биотопливе - не исключение, призвано решить основную задачу - заработать при замене устаревшего оборудования новым; ведь инвестиции делают для того, чтобы заработать! Инвестировать средства для замены самортизированного оборудования на новое только ради замены - аморально. Для того, чтобы заработать на производстве тепловой энергии необходимо ставить высокоэффективные котлы, с высоким КПД, при этом максимально автоматизированные, требующие минимальных затрат на обслуживание, и очень надежные. Ссылки на то, что такое оборудование нельзя ставить в леспромхозах, несостоятельны. Даже в самых глухих лесных поселках люди ездят на "иномарках" и проблем со сложным оборудованием не испытывают. Можно обучить собственный персонал или заключить договор на сервисное обслуживание.

К сожалению, российские производители пока такого оборудования для сжигания биотоплива предложить не могут. Попытки разработать самим что-то эффективное не увенчались успехом, хотя КПД декларируется на уровне 90 - 95% ( про КПД можно посмотреть здесь). Почему до сих пор не получилось создать что-то эффективное? Во-первых, слабо знают теорию сжигания разных видов биотоплива. Во-вторых, во всяких разработках есть какое-то ноу-хау, которое не всегда можно увидеть.

Пример: в России до сих пор эксплуатируется очень много паровых биотопливных котлов марки Е и ДКВР с топкой Померанцева и с подсветкой, т.е. с дополнительной горелкой на мазуте или дизтопливе. Считается, что это очень эффективно. Вывод экспертов, проведших обследования таких котлов, звучит примерно так: "Это ужасающе!". И они не преувеличивают. Вот краткое описание последствий:

"Опилки содержат золу. В состав золы входят различные металлы. Если эти металлы окажутся в среде с очень высокой температурой, то они расплавятся. Расплавленная зола называется шлаком и создает большие "камни" в камере сгорания. Шлак также может образовываться перед котельными трубами и изолировать их от излучения тепла, которое производит мазутное топливо!

Таким образом, при сжигании жидкого топлива и опилок в одной камере образуется шлак, что в свою очередь может уменьшить теплоизлучение жидкого топлива. То небольшое количество тепла, которое получается в результате излучения от сжигания опилок при низкой температуре достаточно легко подсчитать.

Таким образом, вышеприведенные факты показывают, что сжигание опилок - это уничтожение опилок и энергетическая катастрофа, если сжигание происходит одновременно со сжиганием мазута.

Представленная выше информация является упрощенной, так как существует еще ряд факторов, имеющих существенное влияние при рассмотрении данной проблемы…"

Раз мы вспомнили про мазут или дизтопливо, скажем и про очевидное отличие между жидким топливом и биотопливом. Какова теплотворная способность этого топлива? Но впрочем, важна не сама величина (ккал/кг), а то, что эта величина - теплотворная способность - всегда константна. Поэтому процесс горения и проходит автоматически. А биотопливо (мы говорим здесь о непрессованной биомассе)? Эта величина почти всегда переменная. Разве можно управлять вручную управлять процессом горения в этом случае и заработать при этом на продаже тепловой энергии? Отечественные производители котлов пока не могут предложить полного комплекта автоматики и контроля за отпуском тепла и процессом горения.

Если нет такой автоматики, то о каком КПД в 90% может идти речь? И как можно говорить об экологически безвредных выбросах? Наоборот - неполное сгорание биотоплива приводит к тому, что в атмосферу попадают крайне вредные вещества, которые в долгосрочной перспективе убивают все, что растет и живет в районе такой котельной - в первую очередь это касается лесов, животных, а также будущих поколений людей.

Но и это не главное. Для эффективного горения древесины необходимо, чтобы во всем объеме топки температура была не ниже 800 оС. В предлагаемых отечественных котлах это невозможно в принципе, т.к. они конструктивно имеют топочное пространство с охлаждаемыми водой стенками, которые мешают равномерному и достаточно высокому нагреву топки.

Поэтому пока остается покупать импортные котлы и ждать, пока продвинутые российские производители, "ЗИОСАБ" или "РЕМЭКС" к примеру, разработают и начнут выпуск эффективных отечественных котлов.

Что еще важно помнить покупателям котлов на биотопливе?

1. Невозможно эффективное сжигание биотоплива влажность до 30% и, тем более, выше 30% без предтопков.
2. Котлы на биотопливе эффективно работают в номинальном режиме (75% - 80% мощности), как и автомобиль, для которого оптимальным является движение на пятой передаче при скорости 90 - 100 км/час.
3. Котлы на биотопливе имеют нижний предел горения на уровне 30% от максимальной мощности. Поэтому проектировщикам важно четко определить мощность подбираемого котла. Здесь не проходит случай "больше - не меньше", поскольку это обстоятельство сильно влияет на КПД котла.
4. … И есть еще множество других не менее важных нюансов …

Несколько слов о таком виде биотоплива, как дрова. В некоторых лесных регионах замену самортизированных котлов на котлы, сжигающие дрова, возвели в ранг приоритета региональной политики в области теплоснабжения. На рынке появилось много новых котлов на дровах мощностью до 2 МВт и более и с заявленным КПД 70% - 80%. А цена? … Дешевле только даром! Фантастическое предложение: очень дешевые котлы, никаких затрат на переработку дров, высокий КПД и т.д. - это то, о чем последние 50 лет мечтает вся мировая энергетика. Надо срочно подавать заявки в Нобелевский Комитет. Почему? Потому что для того, чтобы получить 2 МВт тепловой энергии за 1 час, необходимо сжечь 1,5 куб.м. дров средней влажности (30%) при КПД 80%. Представьте, что такое 1,5 куб.м. древесины:



Как нужно организовать горение, чтобы это количество сгорело за 1 час с КПД 80%? А за 1 сутки необходимо перетаскать 36 куб.м. дров. Сколько нужно физически сильных кочегаров на такую котельную? Сколько надо дров для такой котельной на весь отопительный сезон? Тут необходимо создавать бригаду с лесозаготовительной техникой. Сколько будет стоить топливо и сколько будет стоить 1 Гкал тепла, произведенной в такой котельной, которую будет оплачивать потребитель?

Но ведь дрова у нас влажностью 50%. О проблемах горения материалов с такой влажностью мы уже говорили выше. Реальный КПД таких котлов не может превышать 30%! Чтобы не быть голословным, у кого такая котельная есть - поставьте, пожалуйста, теплосчетчик на границе раздела котельной. Он Вам сосчитает произведенное котельной тепло за отопительный сезон. Вы знаете, сколько сожгли дров в этой котельной. Теплотворная способность дров 2660 ккал/кг или 1,729 Гкал/куб.м. Можно легко сосчитать КПД:

КПД = Е / Q x V,

где Е - количество выработанной энергии, Q - теплота сгорания топлива и V - объем сжигаемого топлива в куб.м.

КПД будет не больше 30%! К сожалению, в таких котельных нет теплосчетчиков и потребителям приходится оплачивать не полученное тепло, а то количество тепа, которое должно было получиться при КПД 80%. Интересно? Проверьте! И подсчитайте, какова же реальная стоимость 1 Гкал на такой котельной.

Котлы и камины на гранулах и брикетах

В Европе в среднем 50% производителей брикетов и 64% производителей гранул имеют покупателей, у которых установлены котлы средней мощности - от 100 кВт до 1 МВт. Обычно такие печи устанавливаются в больших частных домах, где живет много семей, а также в школах, на небольших предприятиях и в официальных учреждениях. Достоинство котельных на гранулах по правлению с любыми другими котельными в условиях города - небольшое и экологически чистое топливное хозяйство, которое можно разместить даже внутри здания. Это невозможно ни для дизельной котельной, ни для котельной на влажной биомассе.



Рисунок 1. Котел на гранулах Тх мощностью 350 кВт.
Рисунок 2. Камин на гранулах PelleX K6 мощностью 6 кВт в действии.
Источник: Landsrapport for EU/INDEBIF-projektet

Камины на гранулах и брикетах - это специфический продукт. Они работают не как котлы, а как воздухонагреватели, поэтому не требуют системы трубопроводов. Чаще они используются (как и традиционные камины) в качестве дополнительного средства обогрева, хотя небольшого мощностью до 10 кВт вполне хватит для обогрева частного дома, если грамотно его разместить. Основными преимуществами каминов являются: автоматический процесс горения, легкость в использовании, малый объем золы, регулировка тепла, быстрый нагрев воздуха в отапливаемом помещении. Кроме того, установив такой камин Вы получаете несравненное эстетическое удовольствие.

Сжигатели для установки на жидкотопливные котлы

В настоящее время количество продаж малых сжигателей в Европе быстро растет. Если в 2000 году только в Швеции было продано 6 000 сжигателей, то в 2001 году эта цифра возрастает в той же Швеции до 12 000 штук.

86% производителей гранул и 83% производителей брикетов имеют клиентов, у которых установлены сжигатели малой мощности. В начале 1990-х практически все продажи гранул приходились на большие котельные, но сегодня рынок сжигателей растет очень быстрыми темпами.



Рисунок 1. Сжигатель гранул, установленный на бывший котел на дизельном топливе.
Рисунок 2. Сжигатель гранул 20 kW, установленный на котел на гранулах.
Рисунок 3. Открытый сжигатель гранул; процесс удаления золы вручную.

Жидкотопливные котлы небольшой мощности (до 100 кВт) получили в 1990-х гг. широкое распространение в России. Их устанавливали в частных домах, коттеджах, на небольших предприятиях и т.д. Срок службы самих котлов довольно большой, а вот горелки выходят из строя быстрее. Требуется их замена, а это дорогостоящая операция. Общепринятое в Европе недорогое решение при переходе с дизельного топлива на гранулы - модификация (подгонка) старого котла с дизельной горелкой новым сжигателем для гранул (рисунок 1). Тем не менее, котлы на жидком топливе не предназначены для сжигания топлива, которое оставляет золу, поэтому в таких случая требуется достаточно частая чистка сжигателя для того, чтобы избежать снижения эффективности или заполнения камеры сгорания золой. Насколько часто необходимо проделывать эту простую операцию зависит от сезона, а также от качества гранул, которые используются (рисунок 3). Для более быстрой и качественной очистки сжигателя от золы часто прибегают к помощи специального вакуумного очистителя ("золосос"). Другой популярный метод - заправить в обычный пылесос мешок для золы.

В настоящее время в Европе все большее распространение получают установки КПТЭ - Комбинированное Производство Тепла и Электроэнергии, - работающие на гранулах. Отчасти это вновь создаваемые станции централизованного теплоснабжения поселков, микрорайонов и т.п., отчасти - модернизируемые старые котельные, работавшие прежде на жидком топливе или угле.