Основы энергосбережения и нетрадиционные источники энергии

Для прямого сжигания древесного топлива и получения тепловой энергии используется специальные котлы. При этом применяются следующие технологии сжигания:

–в вихревой (циклонной) топке;

–распыленного сырья в горелке;

–на решетке;

–во вращающейся печи;

–в кипящем слое;

–в циркулирующем кипящем слое;

–ротационное сжигание.

Каждая из технологий имеет свои особенности, достоинства и недостатки. Например, котлы ротационного типа (рис. 2.168, а) за счет удлиненной траектории движения сгораемой биомассы (щепа, пеллеты) и повышенной температуры (более 800 °С) обеспечивают более полное ее сжигание, что приводит к снижению вредных выбросов в отходящих газах и повышенный КПД котлов (до 95 %). Эффективные конструкции разработаны и для сжигания обычных дров (см. рис. 2.168, б), котел фирмы KOB (Австрия) мощностью 150 кВт, загрузка дров на 6 часов работы, КПД – 92 %).

Важное значение для эффективной работы котла играет соблюдение требований по влажности сжигаемого сырья. С увеличением влажности до 50–60 % теплотворная способность древесного топлива снижается в несколько раз (рис. 2.169). Согласно техническим нормативам древесное сырье должно иметь влажность не более:

–35 % для опилок пилорам;

–20 % для опилок строгальных цехов, щепы и кусковой древесины;

–15 % для брикетов, пеллет.

Пиролиз древесины происходит в широком диапазоне температур от 200 до 800 градусов. Процесс носит экзотермический характер, то есть протекает с выделением тепла, в результате этого отмечается улучшение подсушивания топлива и его прогрева, а также выполняется нагрев воздуха, который попадает в зону действия горелки. Тепловая энергия получается в результате горения выделившегося при высокой температуре пиролизного газа, который смешивается с кислородом воздуха.

Котлы на твердом топливе с пиролизным сжиганием иначе именуют газогенераторными (рис. 2.170). Основные преимущества та-

191

ких котлов заключаются в возможности управления мощностью работы и высоким КПД, который может достигать 85 % и выше.

Рис. 2.168. Общий вид котлов фирмы KOB (Австрия) для ротационного сжигания щепы (а) и сжигания дров (б)

192

этом выбросы в атмосферу углекислого газа в три раза меньше, чем при работе аналогичных котлов, работающих на угле либо дровах.

К числу недостатков пиролизных котлов относятся их высокая цена, в сравнении с традиционными твердотопливными котлами,

атакже необходимость наличия электрического питания.

Вкачестве топлива для газогенераторных котлов можно применять любые виды древесины, древесные брикеты и отходы древесины, влажность которых не превышает 20 %. Пиролизные котлы являются гораздо более эффективными, нежели традиционные твердотопливные котлы, так как при сжигании дров, особенно в случае их переувлажнения, не удается добиться высокой температуры, что вполне возможно при сжигании древесного газа.

Как следует из табл. 2.9 в настоящее время выпускается большая номенклатура котельного оборудования (в том числе и в Республике Беларусь), работающего на различных принципах и имеющего достаточно большой диапазон мощностей, что позволяет обеспечить потребности как частных домовладений, жилищно-коммуналь- ного хозяйства, так и промышленности.

Таблица 2.9

Характерные мощности котлов при различных способах сжигания. Области их применения

На 01.08.17 г. в Беларуси работало 17 мини-ТЭЦ (73,6 МВт электрическая мощность, 264 МВт – тепловая мощность, рис. 2.172) и около 6000 котельных с суммарной тепловой мощностью 6300 МВт (древесное топливо и иные виды биомассы, включая торф).

Различные виды биомассы обеспечивают в Республике Беларусь более 95 % производства энергии от возобновляемых источников.

Рис. 2.172. Общий вид мини-ТЭЦ г. Пружаны, 3,7 мВт (топливо – древесная щепа)

2.6.3. Биогазовые технологии

Биогаз топливный – смесь газов, основным компонентом которой является метан, получаемая в результате анаэробной ферментации органических веществ (микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается в отсутствие кислорода), предназначенный для использования в качестве топлива на энергоисточниках для выработки тепловой и электрической энергии. Как видно из рис. 2.173 технологический процесс получения биогаза состоит из следующих основных стадий: гидролиза биологического сырья, содержащего углеводы, жиры, белки; образования органиче-

196

ских кислот (уксусная кислота) и ее разложение в водной среде на метан и двуокись углерода. Биогаз содержит и другие компоненты, такие как водород, азот, кислород, сероводород, но в меньшем количестве (табл. 2.10). Наибольший выход биогаза обеспечивает использование помета птиц, свиней, отходов пищевой промышленности, а также различной зеленой травяной массы (табл. 2.11).

(C6H10O5 )n nH2O 3nCH4 3nCO2

Рис. 2.173. Технологические стадии получения биогаза

Таблица 2.10

Типовой состав биогаза

197

Таблица 2.11

Выработка биогаза и энергетический эквивалент при сбраживании различных бытовых отходов и сельскохозяйственных культур

Обычно биогазовые установки содержат реактор, в котором осуществляется сбраживание биомассы (метатенк), систему загрузки биомассы и выгрузки органического остатка, а также систему сжигания биогаза для получения электрической и тепловой энергии (когенерационный блок) и другое вспомогательное оборудование (рис. 2.174). Для повышения количества вырабатываемой энергии увеличивают число метатенков (рис. 2.175).

Использование биогазовых технологий позволяет решать наряду с энергетическими задачами и экологические проблемы утилизации отходов, снижения выбросов парниковых газов, а также обеспечивает получение органических удобрений (остаточных после брожения органических веществ) (рис. 2.176).

Однако биогазовые технологии имеют и свои недостатки, в качестве которых можно отметить:

– необходимость использования в качестве добавок к отходам животноводства растительной массы (кукуруза, ботва, травы и т. п.), что влияет на продовольственную безопасность;

198

–для обеспечения максимального выхода метана требуется оптимизация состава биомассы;

–сложность использования тепловой энергии в сельских территориях (не всегда возможно реализовать режим когенерации).

жидкого сырья

Теплонатехнологические нужды, отопление

Электроэнергия

Рис. 2.174. Схема и общий вид биогазовой установки (Заславская птицефабрика, электрическая мощность – 300 кВт)

199

Рис. 2.175. Биогазовая установка СПК «Рассвет» имени К. П. Орловского, Могилевская обл., эл. мощность – 4,8 МВт, тепловая мощность – 5,2 МВт

УДОБРЕНИЯ ТЕПЛО

Рис. 2.176. Достоинства биогазовых технологий

Одним из направлений биогазовых технологий является использования свалочного газа. Как упоминалось в начале раздела, в нашей стране имеется большое количество полигонов бытовых отходов (свалок), которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду (выделение парниковых газов, загрязнение грунтовых вод и др.). Применение технологии использования свалочного газа позволяет в определенной степени снизить это воздействие. Как видно из рис. 2.177, 2.178 процесс заключается в сверлении скважин в свалочном пространстве, с опусканием в них труб с системой от-

200