ГЛАВА 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ БИОМАССЫ

7.1. Рациональное использование биомассы для производства энергии

Биотопливо является одним из самых распространенных источников возобновляемой энергии, используемым в мире в настоящее время, имеющим высокий технический потенциал для будущего глобального энергоснабжения. Основными потребителями биотоплива являются низкоэффективные энергетические системы приготовления пищи и отопления, а также транспортные энергетические установки, потребляющие жидкое биотопливо.

Серьезное внимание, привлеченное в настоящее время в мире к производству первичного биотоплива, определяется сравнительно высокой рентабельностью его производства во многих странах мира (Бразилии, Индонезии и др.), позволяющей ему конкурировать с дефицитными ныне видами минеральных энергоресурсов (нефтью, природным газом и др.), цены на которые на мировом рынке имеют устойчивую тенденцию роста.

Объемы использования биомассы в мире в настоящее время точно неизвестны, однако ее использование для производства энергии эксперты оценивают примерно в 10 % глобального потребления энергии всех видов или около 1070 ± 240 млн т нефтяного эквивалента (н.э.) в год [1].

По прогнозу МЭА, использование биотоплива в мире к 2050 г. возрастет почти в 4 раза и может составить 23 % общего потребления первичной энергии, или 3604 млн т н. э. в год, что потребует производства 15,0 млрд т биомассы. Примерно половина этого объема будет обеспечиваться естественным приростом биомассы с полей и лесов, а другая половина потребует ее искусственного воспроизводства на соответствующих плантациях, площадь которых может составить примерно 50 % всех земельных площадей Африки. Назовем оба указанных воспроизводимых вида биомассы первичным биотопливом. В отличие от них торф будем называть накопленным биотопливом.

Примерно 700 млн т н. э. в год общего объема первичного биотоплива потребуется для транспортных двигателей, примерно столько же необходимо для генерирования электроэнергии в объеме 2450 ТВт ч/год, а оставшиеся 2200 млн т н. э. в год будут использованы для производства биохимических продуктов, приготовления пищи и теплоснабжения.

В 2000 г. мировой рынок биотоплив оценивался 866 млн долл. США, в 2004 г. – 1,28 млрд долл. США, а к 2015 г. этот показатель достигнет 2,14 млрд. долл. США [19].

Прогнозируется, что в следующем десятилетии около 18 млрд долл. США будет инвестировано в крупномасштабное производство тепловой энергии с дальнейшей выработкой электрической и локальной тепловой энергии – 13,9 млрд долл. США (78 % инвести-

164

ций); производство биогаза – 1,3 млрд долл. США (7 %). Биогазовые заводы по мощности значительно уступают крупным предприятиям по производству тепловой и электрической энергии из биомассы. Но централизованные биогазовые заводы по переработке отходов животноводства и пищевой индустрии (не менее 10 тыс т/год), на которых производится не менее 0,15 МВт тепловой энергии, а также электрическая энергия и топливо для двигателей играют важную роль вследствие их вклада в переработку отходов и защиту окружающей среды – в радикальное решение проблем экологии. Кроме того, в производство лендфиллгаза (биогаза из мусорных свалок) будет вложено 2,7 млрд долл. США (15 % инвестиций) для получения тепловой и электрической энергии.

Вклад биомассы в мировую энергетику в 2001 г. составил 1,1– 1,2 млрд т н.э. при вкладе всех возобновляемых источников энергии

– 1,36 млрд т н.э. и общем количестве топлива для производства энергии – 10 млрд т н.э.

Прогнозируется, что к 2040 г. общее потребление энергии в мире достигнет 13,5 млрд т н.э. (100 %), вклад всех ВИЭ составит 6,44 млрд т н.э. (47,7 %), а вклад биомассы будет равен 3,21 млрд т

н.э. (23,8 %).

В2003 г. доля биомассы в общем энергетическом балансе Европейского союза (15 стран, до вступления 10 восточно-европейских стран в 2004 году) составила 3,6 %, что несколько выше, чем вклад всех остальных возобновляемых источников энергии (3,4 %).

Основными направлениями использования биомассы в энергетике Европейского союза выступают следующие:

–производство пиллет (цилиндрических брикетов) и древесной щепы для непосредственного сжигания;

–получение синтезгаза (биосингаза, сингаза) и биометанола для нужд транспорта;

–производство биоэтанола (спирта), биодизельного топлива, биоводорода и биогаза.

Производство пиллет включает в себя пять основных стадий: складирование и подготовка сырья; сушка сырья до влажности 18–19 %; изготовление пиллет; их охлаждение; упаковка и складирование.

Пиллеты имеют следующие характеристики: теплота сгорания 17 –18 МДж/кг; плотность 650–700кг/м3; диаметр 6–16 мм; длина 20–

30 мм; содержание золы 0,4–1,0 %; влажность 1–12 %.

По теплоте сгорания 3 м3 древесных пиллет эквивалентны 1 м3 нефти. Стоимость 1 т пиллет составляет 60–90 евро. Они могут быть использованы для производства синтезгаза и биоводорода, для быстрого пиролиза, получения метанола, газификации и прямого сжигания.

165

Однако следует иметь в виду, что производство биомассы для получения первичного биотоплива в мире может иметь и существенные отрицательные экономические и политические последствия. Известно, что площадь пашенных земель в мире неуклонно сокращается. Если в середине прошлого столетия она составляла 1,5 млрд га, то к настоящему времени – не более 1,3 млрд га [19].

Наиболее крупное изъятие пашенных земель из сельскохозяйственного оборота произошло в таких странах, как Китай, Индия и Россия. Только за последнее десятилетие в Китае площадь сельскохозяйственных угодий сократилась на 62 млн га, из которых более 8 млн га – это потери пашенных земель, в Индии соответственно 45 и 11 млн га, в России – 35 и 17 млн га.

Между тем потенциал продовольственных рынков этих стран в значительной степени определяется импортом сельскохозяйственной продукции.

Вусловиях роста численности населения стран и повышения требований к качеству питания (его калорийности) со стороны населения развивающихся стран массовое производство первичного биотоплива будет иметь не только серьезные экономические, но и геополитические последствия вследствие усиления борьбы стран и транснациональных компаний за контроль над сельскохозяйственными землями, что происходит в настоящее время в некоторых штатах Бразилии, где до 60 % объема регионального ВВП контролируется иностранным, главным образом, североамериканским капиталом [19]. Поэтому проблема производства первичного биотоплива в условиях сокращения земельных угодий во многих странах мира становится важным фактором обеспечения их национальной безопасности

игеополитических интересов, как и проблема национального контроля над ТЭР.

Внастоящее время многими международными организациями торф также рассматривается в качестве возобновляемого топлива, поскольку торфяные месторождения представляют собой естественные биологические системы, находящиеся в стадии непрерывного роста. Так Межправительственная панель по изменению климата (IPCC) не рассматривает торф в качестве ископаемого топлива, а Европейский парламент включает торф в категорию биомассы как медленно возобновляемый энергетический ресурс для производства энергии.

Торфяные ресурсы широко распространены в мире, особенно в странах, расположенных в высоких широтах (Канаде, Ирландии, Шотландии, Северной Германии, в скандинавских странах, в России и др.), и широко используются во многих из них для производства электроэнергии (например, в Финляндии и Ирландии) и тепла в топливном балансе ЖКХ. Запасы торфа в России составляют 235 млрд т (около 70 млрд т у. т), однако его доля в топливно-энергетическом балансе страны составляет всего 0,05 % [2].

166

Реальная возможность экономии традиционных топлив может быть достигнута в ближайшее время и на перспективу за счет утилизации отходов лесной, деревообрабатывающей, гидролизной, целлюлозно-бумажной промышленности, сельскохозяйственного производства (животноводства и птицеводства), осадков сточных вод, органических отходов ряда отраслей промышленности, в том числе пищевой, мясомолочной, а также твердых отходов коммунального хозяйства [2 ].

Общий запас древесины в стране – 85 млрд м3, в том числе запас спелых и перестойных насаждений – 85 млрд м3. Средний ежегодный прирост древесины в настоящее время оценивается в размере 800…900 млн м3, а ежегодный (общий) объем лесозаготовок составляет около 400 млн м3. Санитарные рубки, рубки ухода дают около 40 млн м3 древесины, т. е. примерно 1/10 общего объема лесозаготовок. Удельный же вес их в перспективе может достигать 30…50 %.

Около 60 млн м3 древесины, или 15 млн т у. т., используют в качестве топлива, что составляет примерно 1 % в топливном балансе страны. Из 60…80 млн м3 ежегодных древесных отходов всего лишь 6…8 % утилизируют, несмотря на то, что это самое высококачественное сырье для целлюлозно-бумажной промышленности.

Древесина – экологически чистый вид топлива, минимально загрязняющий окружающую среду. В ней практически отсутствует сера, а содержание азота не превышает 1 % массы, т. е. при сжигании древесины образуется очень мало вредных окислов азота и серы. Для большинства лесоизбыточных регионов использование растительной биомассы и отходов ее переработки позволит полностью исключить потребность в привозном жидком топливе.

Для нужд энергетики без нанесения ущерба лесным плантациям можно использовать до 0,16 % всех запасов ежегодно, т. е. 130 млн м3 (65 млн т). Стоимость экспорта такого количества древесины может составить 3,9 млрд евро/год по цене 60 евро/т.

7.2. Электростанции, использующие химическую энергию биомассы

В странах Европейского союза для получения тепловой и электрической энергии широко используется сжигание пиллет. В 1992 г. в графстве Суффолк (Англия), в местечке Аи, введен в эксплуатацию завод по сжиганию птичьего помета и производству электроэнергии (мощность 12,7 МВт) для обеспечения 22 тыс. домов. Второй аналогичный завод мощностью 13,5 МВт построен в 1993 г. в местечке Гланфорд графства Линкольншир. Третий завод (местечко Тетфорд, графство Норфолк) – самый крупный в Европе по выработке электроэнергии из биомассы – построен в 1998 г. (он сжигает до 450 тыс.

167

т/год птичьего помета и других видов биомассы, обеспечивает электроэнергией 93 тыс. домов и имеет мощность 38,5 МВт). Этот завод строили в течение 2 лет, общий объем инвестиций составил 133 млн долл. США. Такие заводы могут представлять значительный интерес для крупных российских птицефабрик.

При производстве электроэнергии биотопливо в основном будет использоваться в качестве добавок к углю на ТЭС. Соответствующие техни- ко-экономические параметры использования биотоплива в энергетических установках приведены в табл. 7.1. Примеры двух энергетических установок для совместного сжигания биотоплива с углем или мазутом, а также с его газификацией на ТЭЦ показаны на рис. 7.1 и 7.2.

Таблица 7.1 Параметры электростанций, использующих первичное биотопливо

для производства электрической и тепловой энергии

тп – топка; с – существующие; н – новые; б – будущие; д – демонстрационные; н. д. – нет данных.

Сжигание древесных отходов базируется на нескольких методах сжигания, в том числе:

прямое сжигание,

168

сжигание в кипящем/циркулирующем слое,

газификация (сжигание газов во вторичной камере сгорания),

сжигание пылевидного топлива.

Рис. 7.1. Пример многотопливной энергетической установки со сжиганием топлива в кипящем слое

Рис. 7.2. Демонстрационная ТЭЦ с газификацией биомассы в Финляндии

Прямое сжигание происходит в топках с горизонтальной, конусообразной, наклонной или подвижной колосниковой решеткой. Данный метод используется в водогрейных котлах и печах малой мощности (менее 20 МВт) для сжигания древесного топлива, в том числе с высокой влажностью: кусковых и длинномерных отходов, щепы, коры, опилок, топливных брикетов и гранул и т. д. Для автоматизированного сжигания измельченных отходов также используются трубчатые горелки со шнековой подачей. Обычное использование тепла – для сушки древесины в сушильных камерах, в водогрейных котлах для обогрева производственных и/или жилых помещений. Для выработки электрической энергии отходы сжигаются в паровом котле с последующим использованием пара в паровой турбине. Эта технология имеет низкий электрический КПД порядка 8–13 % (для мини-ТЭЦ мощностью 600–1000 кВт), который повышается благодаря использованию более совершенных методов сжигания, таких как сжигание в

169

кипящем/циркулирующем слое или сжигание пылевидного древесного топлива. Однако эти методы используются в электростанциях мощностью не менее 5 МВт, строительство которых требует больших капитальных затрат. Недостатком этого метода является низкая эффективность и высокий уровень эмиссии отходов горения в дымовых газах.

Сжигание в кипящем/циркулирующем слое позволяет достичь большей эффективности и экономичности за счет почти 100 %-го сгорания топлива при меньшем уровне эмиссии отходов горения по сравнению с прямым сжиганием. При использовании данного метода измельченное древесное топливо подается в «кипящий» слой, созданный путем продувания воздуха или газа через слой инертного материала, например, песка. Количество инертного материала существенно больше количества топлива, поэтому процесс горения протекает стабильно с высокой эффективностью. В зависимости от скорости продувки частицы инертного слоя остаются в нем или же выносятся из слоя вместе с продуктами горения и собираются с помощью циклонов, после чего возвращаются в кипящий слой (метод циркулирующего слоя). Метод сжигания в кипящем слое используется в коммерческих или муниципальных котельных и ТЭЦ в диапазоне мощностей от 5 до 600 МВт для получения электрической и тепловой энергии. Дополнительным достоинством данного метода является возможность сжигания различных видов топлива (всего до 70 видов), включая низкосортный уголь, торф, твердые бытовые отходы, отходы ЦБК и т. д.

Газификация (сжигание газов во вторичной камере сгорания) представляет собой двухэтапный процесс. На первом этапе топливо подается шнековым питателем на наклонную решетку в первичной камере (предтопке), где оно нагревается до такой температуры, при которой происходит процесс газификации. Перегретый и смешанный со вторичным воздухом древесный газ сгорает во вторичной камере практически без остатка. Продукты сгорания используются в котле или печи для получения горячей воды, пара или воздуха. В когенерационном режиме пар может использоваться в паровой турбине для получения электроэнергии. Диапазон мощностей систем сжигания такого рода от 150 кВт до 30 МВт. Недостаток – высокая стоимость.

Сжигание пылевидного топлива осуществляется с помощью специальных горелок, предназначенных для сжигания древесной пыли, образующейся в процессе производства или в результате измельчения древесных отходов в пыль. Весь процесс от исходных древесных отходов, измельчения в пыль с влажностью порядка 8 %, подачи и сжигания пыли – полностью автоматизирован. Получение энергии с использованием только древесной пыли используется достаточно редко; обычно это топливо используется в котельных или ТЭЦ, работающих на пылевидном угле и/или торфе. Стоимость комплектного оборудования для сжигания древесной пыли также высока.

170

Внаши дни, применение биомассы в бытовой и промышленной областях растёт экспоненциально, хотя её доля в энергетике всё ещё мала. Биоэнергетика становится естественной альтернативой за сокращение масштабов глобального потепления за счёт использования топлива с минимальным образованием СО2, как это было установлено Киотским протоколом.

Фирма Wartsila Biopower является частью корпорации Wartsila и обладает мировой известностью благодаря своим разработкам в области энергетике в своей стране и за рубежом [32]. Wartsila обладает большим опытом в области использования биомассы в качестве возобновляемого источника энергии. Основой решений в области биоэнергетики является запатентованная технология BioGrate .

Запатентованная технология сжигания на вращающейся конусообразной решетке BioGrate осуществила продвижение общей решеточной технологии на новый уровень по таким эксплуатационным показателям:

• низкий уровень выбросов: выбросы окислов азота и окиси углерода соответствуют наиболее строгим ограничениям;

• высокая эффективность сжигания, обеспечивающая низкое содержаниене прогоревшихвеществ в золе;

• отсутствие необходимости дополнительной поддержки горения: воспламенение и горение в BioGrate осуществляется полностью на биотопливе, дажевслучаесжиганиямокрого топлива с содержанием влаги 65 %.

Современная автоматика позволяет осуществлять эксплуатацию без постоянного присутствия персонала, с ежедневным кратковременным посещением. Возможность дистанционного контроля обеспечивает дальнейшую рационализацию эксплуатации, поскольку контроль работы установки можно совмещать спрочей деятельностью.

Воснове стандартного исполнения установки BioPower заложены современные архитектурные принципы, что обеспечивает возможность ее строительства в городских условиях. В сочетании с оборудованием снижения уровня шума, электростанция может располагаться даже рядом с жилыми районами.

Основа установок Wartsila BioPower, система сжигания BioGrate, была разработана более 15 лет назад. В настоящее время в эксплуатации находятся около 100 установок BioGrate.

Запатентованная система BioGrate с подвижной решеткой является технологией нового поколения. Энергетический эквивалент потребляемого топлива составляет от 3 до 25 МВт.

BioGrate представляет собой вращающуюся решетку с конической первичной камерой сжигания. Подача топлива производится снизу из центра решетки. Благодаря радиации тепла от кирпичной футеровки и пламени, топливо подсушивается в центральной части решетки, не нарушая подушку горения топлива в зоне сжигания.

171

После полного выгорания остаточного углерода, зола ссыпается с

края решетки в поддон, наполненный охлаждающей водой. Основное оборудование системы BioGrate:

вращающаяся решетка BioGrate для обеспечения чистого и эффективного сжигания;

высоконадежный паровой котел с пароперегревателем:

–конструкция с мембранными стенками,

–естественная циркуляция,

–пароперегреватели в защищенном от излучения исполнении,

–паровые обдувочные аппараты для очистки нагреваемых поверхно-

стей;

паровая турбина:

–реактивная турбина конденсационного типа только для производства электроэнергии,

–противодавленческая импульсная турбина для комбинированных тепло- и электростанций.

Система обработки дымовых газов с электростатическим фильтром для эффективного удаления пыли. Охладители дымового газа для дополнительной утилизации тепла.

Котел на биомассе, поставленный компанией "Вартсила Финлэнд Ой", оснащен патентованной системой сжигания топлива "БиоГрэйт" ("BioGrate"), обеспечивающий сжигание топливной биомассы с содержанием влаги от 30 % до 65 %. Котел, оснащенный системой "БиоГрэйт", (см. рис. 7.3) оборудован вращающейся колосниковой решеткой с нижней подачей топлива с гидравлическим приводом, осуществляющей цикличное перемещение топлива. Перемещение решетки регулируется таким образом, чтобы обеспечить распределение топлива ровным слоем по всей площади решетки. Топливо подсушивается и воспламеняется на решетке. Основными преимуществами вращающееся решетки является то, что: а) отсутствуют холодные пятна в первичной топочной камере; б) обеспечивается равномерная поверхность горения; в) обеспечивается плавное перемещение зон горения; г) во вторичной топочной камере происходит полное сгорание топлива.

172

Рис. 7.3. Котел компании "Вартсила", оснащенный системой "БиоГрэйт"

Электроэнергия вырабатывается генератором, приводимым в действие паровым двигателем. Современная конструкция парового двигателя обеспечивает высокую величину отношения электроэнергия/тепловая энергия при полной тепловой нагрузке, что позволяет эффективно применять эту установку при производстве малых объемов электроэнергии. Эта установка имеет высокий КПД в диапазоне частичных нагрузок, является полностью автоматической и работает без обслуживающего персонала.

На рис. 7.4 представлена технологическая схема производства электрической энергии на древесном топливе.

Технические данные

173

Рис. 7.4. Технологическая схема производства электрической энергии на древесном топливе: 1 – система "БиоГрэйт"; 2 – котел; 3 – паровая турбина; 4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – градирня; 7 – конденсатные насосы; 8 – деаэратор; 9 – питательные насосы; 10 – водоподготовка; 11 – задвижка; 12 – электрофильтр; 13 – топливоподача; 14 – дымосос рециркуляции; 15 – дымосос; 16, 17 – контейнеры длят золы

Сегодня отечественные производители котельного оборудования располагают достаточно широкой номенклатурой котлоагрегатов для сжигания древесных отходов, оснащенных как традиционными топками, например, системы Померанцева, так и топками кипящего слоя, предназначенными для всех видов древесных отходов, включая кородревесные. Мощностной ряд выпускаемого оборудования включает котлы производительностью от 10 до 35 т/ч на параметры пара – 1,4–4,0 МПа и 194–440 o С. Данные котлы по параметрам и производительности хорошо сочетаются с турбинами, изготавливаемыми Калужским турбинным заводом, и совместно с последними являются эффективным надежным оборудованием для комплектации мини–ТЭЦ.

В котлах с топками кипящего слоя (рис. 7.5) Бийского котельного завода помимо древесных отходов могут также сжигаться низкокалорийные высоковлажные бурые угли, что обеспечивает возможность проектирования и строительства мини–ТЭЦ с такими котлами для случаев, когда требуется совместное сжигание древесных отходов и углей. Работа котлов кипящего слоя при сжигании древесных отходов характеризуется высокой экономичностью (КПД брутто 82–84 %), слабой чувствительностью к колебаниям качества топлива (по калорийности и дисперсному составу), вы-

174

сокой стабильностью нагрузки и параметров пара и может быть полностью автоматизирована.

Рис. 7.5. Котел для сжигания топлива в кипящем слое

Как правило, котельные заводы наряду с основной продукцией производят полный набор котельно-вспомогательного оборудования, обеспечивающего экономичную и надежную работу котлов. Это вентиляторы и дымососы, питатели топлива, оборудование шлакозолоудаления, встроенные и санитарные золоуловители, воздухоподогреватели, экономайзеры, оборудование водоподготовки и теплообменное оборудование.

Отделения мини–ТЭЦ по приему, подготовки и подачи топлива также могут быть полностью укомплектованы отечественным оборудованием (транспортеры ленточные, цепные, скребковые и шнековые, дезинтеграторы, корорубки, бункеры–питатели и др.), обеспечивающим подготовку и подачу в котлы любых видов отходов древесины.

НИЦ ПО «Бийскэнергомаш», занимается разработкой котельного оборудования для ОАО «Бийский котельный завод» на нетрадиционные топлива, в частности древесные отходы. В эксплуатации находятся котлы КЕ–6,5–14–225 на деревообрабатывающих предприятиях в г. Череповце и в п. Шексна (Вологодская область), котлы КЕ–10–14 в котельной ОАО «Тернейлес» (Приморский край), котел КЕ–20–16–320 на Пермском фанерном комбинате. В настоящее время монтируется котел КЕ–20–40–440 на ТЭЦ Вишерской бумажной компании. Котел рассчитан на выработку 20 т/ч перегретого до 440 o С пара давлением 4 МПа при сжигании древесных отходов и включает в себя топочный блок с ширмовой ступенью паропере-

175

гревателя и реактором кипящего слоя, конвективный блок, состоящий из конвективной ступени пароперегревателя и испарительного пучка с двумя барабанами. Котел агрегатирован системой вторичного дутья, системой регенерации и удаления материала слоя и системой возврата уноса со встроенным золоулавливающим пучком.

Разработан также котел КЕ–20–24–370 на параметры пара 2,4 МПа 370 o С, который предполагался к установке (6 котлов) на мини–ТЭЦ по проекту «Владимирский лес» и 2 котла – на второй очереди мини–ТЭЦ Лесосибирского ЛДК–1 в Красноярском крае. Однако данные проекты не состоялись ввиду отсутствия финансирования.

В Олонецком районе Карелии имеются большие запасы такого биотоплива – лесосечных отходов на вырубках, коры деревьев, горбыля и опилок на лесопилках, торфа на обследованных Сарьмяжских и других болотах. До настоящего времени в котельных г. Олонца сжигался привозной каменный уголь – природное углеводородное топливо, которое в результате горения выделяет много шлака и вредных выбросов в атмосферу в виде двуокиси углерода, соединений серы, азота и мелких частиц (сажи). В мире наметилась тенденция по замене каменного угля на биотопливо. Кроме того, привозное топливо невыгодно использовать, поскольку затрачиваемые на закупку угля деньги не поступают в бюджет района. При использовании местного биотоплива этого не происходит и обеспечивается надежное бесперебойное снабжение теплостанции топливом при минимальных транспортных издержках ввиду небольшого расстояния до своих торфоразработок. При этом большое значение имеет также обеспеченность местного населения работой по заготовке и переработке лесосечных отходов, добыче кускового торфа с учетом его сушки, складирования и транспортировки до котельной. В [19] было указано о значительном износе всего котельного оборудования и теплосети в целом и об отсутствии современных систем автоматического управления и механизации тяжелых работ. Все это приводило к большим теплопотерям и частым ремонтам оборудования и трубопроводов в последние годы. Поэтому с переходом на местное биотопливо в г. Олонце полная замена котельного оборудования, обновление теплосети и ввод теплопунктов в жилых домах для снабжения абонентов теплой водой станет технически возможным и экономически обоснованным решением в кратчайшие сроки.

Г. Олонец (население около 11 000 чел.) как объект централизованного теплоснабжения хорошо подходит для осуществления мероприятий по теплофикации и в первую очередь для замены устаревших котельных и теплосети новыми, поскольку при коротких теплопередающих сетях обеспечивается возможность реализации столь ответственных задач. При этом максимально могут быть ис-

176

пользованы отдельно существующие здания прежних котельных для размещения и эксплуатации в них новой теплостанции, а также дизельных котлов пиковой и резервной мощности. Это в значительной степени улучшает рентабельность строительства и эксплуатации современной мини-станции для централизованного теплоснабжения города, поскольку существенно снижаются необходимые инвестиционные затраты. Для обеспечения требуемых параметров по теплоснабжению такая теплофикационная система должна обладать высоким коэффициентом использования установленной мощности. Это достигается благодаря применению в г. Олонце оборудования и технологий, подтвердивших высокую эксплуатационную надежность на ряде западных и российских станций теплоснабжения. Кроме того, существенно снижается количество выбросов в атмосферу вредных газов и твердых частиц (сажи).

Администрация г. Олонца и финской фирмы-изготовителя котлов «Путкимаа» начали переговоры и сотрудничество с целью строительства котельного комплекса на биотопливе для теплоснабжения жилищного и социального сектора. В результате было установлено, что создание тепловой станции при использовании котла с перемещающейся колосниковой решеткой было бы наиболее оптимальным решением, выгодным и наиболее надежным с точки зрения конструкции.

Исходя из имеющегося многолетнего опыта тепловая мощность такого котельного комплекса должна составить 5–6 МВт при использовании щепы и торфа в качестве топлива. Помимо основного котла в поставку входят: два котла на дизельном топливе, устройство для загрузки топлива в топку, вентиляторы для подачи воздуха в различные зоны топки, мультициклонный отделитель сажи в дымовых газах, мокрый скребковый конвейер для золоудаления, система управления и комплект технической документации (рис.7.6).По отдельному договору изготовлен и поставлен второй аналогичный котел для обеспечения теплоснабжения дополнительного числа потребителей.

Котел с перемещающейся колосниковой решеткой используется довольно широко на аналогичных объектах теплоснабжения, поэтому можно утверждать, что он представляет собой надежную и испытанную технику и технологию. Использование дизельных котлов в качестве резервного и пикового на Олонецкой теплостанции обеспечивает теплоснабжение в случаях пиковых нагрузок, аварийной ситуации, а также при проведении ремонтно-профилактических работ на основном котле. Подобная организация теплоснабжения города считается нормальной, благоприятной и экономически выгодной.

177

Рис.7.6. Принципиальная схема Олонецкой станции для централизованного теплоснабжения с котлами РМА-5 - 6 МВТ (щепа + торф), РМ 4 МВт и ВМ 2 МВт (дизельное топливо) (предпроектный вариант)

В котлах с колосниковой решеткой топливо подается на изготовленное из чугунных частей наклонное основание, которое может приводиться в механическое движение. В таких котлах твердое топливо при горении на колоснике превращается в газообразное. Необходимый для этого воздух подается снизу сквозь решетчатую конструкцию. При этом часть образующегося газа загорается сразу, а остальную сжигают во второй зоне горения котла. Подача воздуха во вторую зону горения осуществляется при помощи регулируемых форсунок. Путем регулирования соотношения подаваемого количества воздуха снизу сквозь колосниковую решетку и во вторую зону горения обеспечивается возможность оптимизации процесса горения. Регулирование количества подаваемого воздуха и давления производится при помощи частотного регулирования электродвигателя первичного и вторичного вентилятора.

Основной целью является газификация максимальной части горящего топлива на колосниковой решетке для того, чтобы доля несгоревшего топлива в золе была минимальной, и тем самым обеспечивался бы максимальный коэффициент полезного действия.

Циркуляция воды в котле предусмотрена таким образом, чтобы вода сначала поступала в конвективную зону удаленной части котла. Циркуляция воды осуществляется при помощи двух насосов, один из

178

которых постоянно находится в работе, а другой – в резерве. Газогенераторы. Россия обладает давними традициями в обла-

сти энергетического использования растительной биомассы. В работах В.В. Померанцева и его последователей Д. Б. Ахмедова, Ю.А. Рундыгина, С. М. Шестакова и других заложены основы прямого сжигания низкосортных топлив и отходов растительной биомассы. Теоретические и практические вопросы пиролиза в газификации биомассы нашли отражение в трудах В.А. Лямина, А.К. Леонтьева, В.Н. Пияткина и др. Однако промышленные газогенераторы у нас не сооружались уже более 60 лет, поэтому опыт их проектирования и особенно эксплуатации в значительной степени утрачен. Тем не менее, на протяжении последних лет в рамках Федеральной научнотехнической программы «Топливо и энергия» разрабатывается проект по комплексному решению задач термохимической газификации топлив.

Несмотря на конструктивное многообразие типов газогенераторов, важной их особенностью является «всеядность». В них может использоваться топливо практически любой сортности. Так, газогенераторы работают на измельченной древесине любых пород и любого качества (с корой, хвоей, подгнившей и др.). Существенную роль играет только влажность. Возможно применение топлива влажностью до 45– 50 %, но для наиболее эффективной работы и обеспечения максимального срока службы агрегата влажность топлива не должна превышать 35 %. Технически нетрудно подсушивать влажное топливо частью тепла, вырабатываемого газогенератором.

Газогенераторная тепловая электростанция (ГГТЭС) может быть изготовлена в нескольких модификациях. Первый вариант предполагает установку ГГТЭС на отдельной платформе или прицепе, второй – размещение энергомодуля, состоящего из газогенераторного модуля (газогенератор, фильтры грубой и тонкой очистки, охладитель), двигателя внутреннего сгорания (ДВС), электрогенератора или камеры сгорания с теплообменником в кузове грузового автомобиля с высокой проходимостью. В третьем варианте используется ДВС газогенераторного автомобиля, который и вращает ротор электрогенератора.

Предлагаемая схема компоновки оборудования позволяет вырабатывать электрическую и тепловую энергию непосредственно на объектах (в поселках, на предприятиях). Горючий газ, получающийся в процессе термохимического превращения древесных отходов, подается в автомобильный ДВС, который, как известно, работает на смеси топлива (бензина или дизельного топлива) с воздухом. Эта смесь воспламеняется, и двигатель совершает полезную работу. Точно такую же горючую смесь можно получить и из древесины, ведь

179

дрова – это тоже углеводороды, как бензин и солярка. При работе на газе ресурс двигателя значительно повышается, так как не происходит образования сажи, обеспечиваются хорошие условия теплообмена. Двигатель работает намного мягче и тише, уменьшается расход масла. Выбросы в атмосферу несравнимо меньше, чем у угольных котельных и ТЭЦ.

Автомобильный двигатель вращает ротор электрогенератора, который выдает электроэнергию. Возможен другой вариант, когда горючий газ из газогенератора подается в камеру сгорания, оборудованную теплообменником, что позволяет нагреть воду до 100–120 °С. Проведенные расчеты показывают [19], что при использовании двигателя от автомашины ЗИЛ-131, работающего на газе из транспортного газогенератора обращенного горения и вращающего ротор электрогенератора, можно получить следующие характеристики:

Применение ГГТЭС способствует улучшению экологической обстановки:

–позволяет использовать в качестве топлива отходы деревообработки и гидролизного производства, ранее вывозившиеся на свалку;

–делает экономически выгодной очистку леса от отходов лесозаготовок;

–позволяет значительно уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу.

Газогенераторы очень выгодны для применения в отдаленных поселках, на фермерском подворье (получение биогаза), в городе (для экологически чистой переработки мусора), местах заготовки леса и т. д. При работе таких котлов с газогенераторами концентрация оксида углерода в продуктах сгорания не превышает нормативного значения, вследствие чего уменьшаются выбросы в атмосферу.

Анализ показывает, что затраты на топливо для отопления предприятий, применяющих газогенераторы, в 1,5–1,8 раз меньше, чем при традиционном его сжигании в котлах или отоплении электронагревательными установками.

При использовании же собственных древесных отходов или при самозаготовках щепы стоимость тепловой энергии еще ниже. Для оценки экономической эффективности применения газогенера-

180