4. Сжигание биотоплива для получения тепла

С помощью тепла сжигаемой биомассы приготовляют пищу, обогревают жилище, осуществляют целый ряд технологических процес­сов при переработке урожая. Его используют для получения электро­энергии, необходимой для работы различной техники.

В большинстве развивающихся стран сжигание биомассы обеспе­чивает покрытие наибольшей доли потребности в топливе. Это является следствием как экстенсивного применения отапливаемых древесиной печей для приготовления пищи, так и крупномасштабного потребления биомассы для получения энергии, необходимой, чтобы приводить в действие мельницы при переработке сахарного тростника, сушилки чая, копры, технику для переработки пальмового масла и изготовления бу­маги. Совершенно иначе обстоит дело в промышленно развитых стра­нах: здесь доминирует использование ископаемого топлива и в некото­рых случаях - атомной энергии.

Приготовление пищи и обогрев жилищ. Почти половина населе­ния планеты использует древесину и другие виды биотоплива для при­готовления пищи и других домашних нужд. Средний уровень потребле­ния топлива составляет примерно 0,5 .1 кг сухой биомассы на человека в сутки (10.20 МДж/сут, что соответствует примерно 150 Вт). Если умножить это значение на 2-10⁹ человек, получим 300 ГВт. Непрерыв­ное потребление 150 Вт только для приготовления пищи может пока­заться неоправданно большим. Это связано с использованием малоэф­фективных методов, в большинстве случаев основанных на применении открытого огня. Соответствующие «устройства» имеют КПД всего око­ло 5 %. Остальное теряется вследствие неполного сгорания, за счет уно­са части тепла дуновениями ветра, потерями на излучение и т. д., возни­кающими от несоответствия размеров очага и котла. Значительное ко­личество энергии теряется, кроме того, в результате испарения из не­прикрытого котла и из-за использования сырого топлива. Дым (недого­ревший углерод и смолы) от огня - следствие неполного сгорания. Про­дукты полностью сгоревшей древесины (побочные продукты сгорают во вторичных реакциях) содержат только СО₂ и Н₂О. Следует отметить, что дым представляет опасность для здоровья, а скорость сгорания ни­как не регулируется.

Эффективность приготовления пищи можно поднять за счет: 1) использования альтернативных видов пищи и методов ее приготов­ления, например паровых скороварок; 2) уменьшения тепловых потерь путем использования более совершенных нагревателей и хорошо по­добранных кастрюль с крышками; 3) интенсификации догорания несго­ревших топочных газов; 4) применением простых и надежных методов управления нагревателями.

С учетом подобных усовершенствований наилучшие кухонные плиты на древесном топливе с естественной циркуляцией воздуха дают возможность до 20 % энергии сгорания использовать по прямому на­значению. Использование принудительной подачи воздуха с помощью электровентилятора позволяет повысить эффективность плит до 50 %.

Параллельно разрабатываются методы замены дровяных плит аль­тернативными устройствами, работающими на биогазе (метане) и топ­ливе из отходов сельскохозяйственных культур, солнечными кухнями, мелкомасштабными гидроэнергетическими установками. Потребность в соответствующих устройствах в условиях уничтожения лесов и роста пустынь крайне высока.

Большинство замечаний, сделанных по поводу приготовления пищи, относится и к обогреву жилищ. Необходимо иметь управляемую скорость горения при хорошем дожигании первичных продуктов сгора­ния. В некоторых устройствах воздух вводится в печь прямо с улицы. Это уменьшает в обогреваемом помещении циркуляцию воздуха и по­тери тепла.

Сушка технических культур (копра, какао, кофе, чай, фрукты) для обеспечения их сохранности обычно сопровождается сжиганием древесины или отходов от переработки самих культур либо использова­нием излишков тепла от производства электроэнергии. Чтобы высушить материал, его можно непосредственно поместить в поток газообразных продуктов сгорания, однако при этом существует опасность воспламе­нения и ухудшения пищевых качеств. Более приемлем способ, при ко­тором сушку ведут воздухом, нагретым в теплообменниках.

Сжигание отходов - рациональный способ использования био­топлива, находящегося вблизи от места потребления энергии. Сжигание в эффективных печах позволяет получать потоки чистых горячих вы­хлопных газов при температуре около 1000 °С, которые могут быть при­ведены к требуемой температуре за счет подмешивания холодного воз­духа. Почти всегда выигрыш, получаемый от такой утилизации отходов биомассы, связан с тем, что их общее количество превышает необходи­мую потребность на сушку собственно конечных продуктов, обеспечи­вая получение избытка энергии для других целей, например промыш­ленного получения пара.

Производство тепла и электроэнергии. Пар для обеспечения производства обычно получают, сжигая различные отходы биомассы в топках паровых котлов. При этом возможно использование метода сжи­гания в псевдоожиженном слое. Физически наиболее выгодно исполь­зовать для производства электроэнергии высокотемпературное тепло. Это приводит к тому, что получение электроэнергии сопровождается непрерывным сбросом низкотемпературного тепла. Отметим, кроме то­го, что паровые котлы в общем-то дороги, суммарная эффективность получения электроэнергии достаточно низка, так как в нее преобразует­ся только часть тепла. В некоторых случаях за счет получения электро­энергии и подачи ее в местные энергосети удается оптимизировать про­изводство тепла для нужд производства.

В качестве примера рассмотрим ТЭЦ, работающую на биомассе с органическим циклом Ранкина (ОЦР), Адмонт.

Общие данные

В 1999 г. установка комбинированного производства тепловой и электрической энергии (ТЭЦ) на биомассе с ОЦР была введена в экс­плуатацию на деревообрабатывающем заводе «STIA» в Адмонте (Авст­рия). Установка предназначена для электроснабжения деревообрабаты­вающего завода и местного монастыря бенедиктинцев. Все потребности в технологическом и отопительном тепле завода «STIA» удовлетворя­лись за счет выработки тепла одним котлом на биомассе и двумя котла­ми на мазуте. Три мощные топки, работающие на мазуте, осуществляли теплоснабжение бенедиктинского монастыря. Когда эти старые уста­новки перестали соответствовать требованиям технических стандартов, «STIA» было принято решение заменить их на полностью новую систе­му, работающую на биомассе. Этот проект, являвшийся первым демон­страционным проектом, реализуемым в рамках ЕС-15, предусматривал введение в эксплуатацию первой установки комбинированного произ­водства тепловой и электрической энергии (ТЭЦ) на биомассе с ОЦР. Ранее технологии ОЦР, которые использовались, в основном, на гео­термальных установках, не применялись на установках, работающих на биомассе.

Описание

Установка состоит из двух котлоагрегатов, один из которых вклю­чает тепловой котел (с номинальной мощностью 3,2 МВт) и другой - водогрейный котел (с номинальной мощностью 4,0 МВт). В качестве топлива используются опилки и древесные отходы, не подвергавшиеся химической обработке. За каждой топкой установлен электроосадитель, соединенный с устройством конденсации топочного газа обычного ти­па. После введения в эксплуатацию новой установки ТЭЦ на биомассе пять старых котлов на мазуте были остановлены; два котла используют­ся в качестве резервных.

Процесс ОЦР (номинальная электрическая мощность - 400 кВт, номинальная тепловая мощность - 2,25 МВт) соединен с топкой на биомассе через цикл теплового масла и котел с тепловым маслом (но­минальная мощность - 3,2 МВт; 0,95 МВт мощности теплового масла подаются непосредственно на прессы горячего прессования).

Схема ОЦР показана на рис. 11.1. ОЦР представляет собой полно­стью замкнутый процесс, в котором в качестве органического рабочего тела используется безвредный для окружающий среды кремний. Пода­ваемое в испаритель под давлением органическое рабочее тело испаря­ется и затем расширяется в двухступенчатой осевой турбине, соединен­ной непосредственно с асинхронным генератором. Затем расширившее­ся кремниевое масло пропускается через регенератор (в котором проис­ходит внутрицикловая рекуперация тепла) и подается в конденсатор. Конденсация рабочего тела происходит при температуре от 80 до 90 °С. Затем жидкое рабочее тело, проходя через питательные насосы, снова достигает необходимого давления горячей стороны цикла.

Рис. 11.1. Схема рабочего процесса ОЦР установки на биомассе

Котел с тепловым маслом обеспечивает выработку тепла в соот­ветствии с базовой тепловой нагрузкой установки. В случае, если по­требности в теплоте превышают мощность котла, запускается водо­грейный котел обычного типа. Новая установка на биомассе осуществ­ляет теплоснабжение по сети теплоснабжения длиной 470 м бенедик­тинского монастыря и потребителей технологического тепла на заводе «STIA». Короткая длина сети (около 470 м) обеспечивает низкие потери тепла и очень высокий показатель установленной тепловой мощности на метр сети теплоснабжения.

Одним из инновационных аспектов установки ТЭЦ, работающей на биомассе, является использование нового экологически безвредного и приемлемого органического рабочего тела. Необходимость его при­менения обусловлена более высокими температурами горячей и холод­ной сторон процесса ОЦР по сравнению с процессами ОЦР установок, предназначенных только для производства электричества (геотермаль­ных установок). Другим инновационным аспектом является первое де­монстрационное применение установки с ОЦР, соединенной с топкой на биомассе через цикл теплового масла. Другие инновационные реше­ния (такие, как применение ротационного сепаратора для осаждения частиц и введения клеевой жидкости непосредственно через топку с це­лью снижения содержания NOx) заменены стандартными решениями (применение мультициклона для контроля содержания частиц и введе­ния клеевой жидкости прямо в топливо) в связи с тем, что не были ре­шены эксплуатационные проблемы, возникшие в процессе работы уста­новки.

Финансирование

Общие инвестиционные затраты на строительство установки ТЭЦ на биомассе (без учета системы водогрейного котла) составили

3. 200 000 евро, включая затраты на мониторинг и распространение ин­формации.

Годовые затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание составляют 381 000 (данные приведены ниже). Приведенная разбивка затрат демонстрирует одно из наиболее важных преимуществ техноло­гии ОЦР - низкие объем технического обслуживания и потребность в персонале:

• затраты на топливную биомассу (евро/год) 256 000 (67 %)

• затраты на персонал (евро/год) 34 000

• затраты на техническое обслуживание и ремонт (евро/год) 50 000

• затраты на удовлетворение потребности в выработке вспомога- ₉6 000 тельной энергии (евро/год)

• другие затраты (административные, страховые, и т. д.) (евро/год) 10 000

Доходы проекта составляют средства от продажи тепла деревооб­рабатывающему предприятию «STIA», бенедиктинскому монастырю и местному коммунальному предприятию. Расчетный срок окупаемости проекта составляет 7 лет.

Результаты

В течение первого года установка работала с постоянной произво­дительностью. Установку отключали только на несколько дней в летний период для технического обслуживания и из-за незначительных про­блем, связанных с ошибками измерений различных параметров прибо­рами. После монтажа и испытания установки были удалены два конст­руктивных компонента системы - система подачи клеевой жидкости и ротационный сепаратор частиц в связи с тем, что не были решены вы­званные ими эксплуатационные проблемы.

Общий объем произведенной электроэнергии составил в 2001 г. более 1 900 МВт (4 750 часов работы с полной нагрузкой). Промышлен­ный КПД по электроэнергии поддерживался на уровне 18 % при работе с частичной нагрузкой, что чрезвычайно важно при работе установки в режиме регулируемого производства теплоты. Выходная тепловая мощ­ность составила приблизительно 10 000 МВт. Доходы от продажи тепла и электроэнергии составили, соответственно, 620 000 евро и 210 000 ев­ро в год.

Новая установка ТЭЦ позволила прекратить использование иско­паемого топлива в бенедиктинском монастыре и на деревообрабаты­вающем заводе «STIA», а также мазута для производства электроэнер­гии, заменив пять прежних котлоагрегатов, работавших на мазуте. Ус­тановки на мазуте на предприятии «STIA» используются в настоящее время только в качестве резервного оборудования. Также новые уста­новки обеспечивают более низкие уровни выбросов, способствуя сдер­живанию изменения климата и повышению качества воздуха в регионе.

Снижение уровня выбросов CO₂ составляет около 68 % (2 800 т усл. топл в пересчете на нефть в год), SO₂ - 86 % (15 т усл. топл в пересчете на нефть в год), NO_X - 48 % (11 т усл. топл в пересчете на нефть в год), общего количества органических соединений - 44 % (4 т усл. топл в пересчете на нефть в год), CO - 77 % (21 т усл. топл в пересчете на нефть в год) и пыли - 75 % (10 т усл. топл в пересчете на нефть в год).

Результаты проекта становятся новым техническим стандартом для установок ТЭЦ, работающих на биомассе, в диапазоне мощностей от 0,3.1,2 МВт. В г. Льенц была введена в эксплуатацию в 2002 г. но­вая более крупная установка на биомассе системы централизованного теплоснабжения (1 МВт) в рамках программы последующей деятельно­сти в период после реализации демонстрационного проекта. Также на­чалось строительство еще четырех установок ТЭЦ с ОЦР. Проект слу­жит моделью для децентрализованных установок, работающих на био­массе, в лесообрабатывающей промышленности и установок регио­нальных систем централизованного теплоснабжения, применяемых с целью удовлетворения соответствующих потребностей в технологиче­ском/отопительном тепле и производства электроэнергии для внутрен­него потребления и сетей электроснабжения.

Ресурсы древесины. Мы снова обращаем внимание на то, что дре­весину можно считать возобновляемым источником энергии только в том случае, если скорость ее прироста превышает скорость уничтоже­ния. Возобновление может происходить в природном лесу или на ис­кусственных плантациях (здесь рост обычно идет быстрее). Мировые источники древесины расходуются не только для сжигания, но и для выпуска строительных материалов, для производства бумаги и на дру­гие промышленные нужды. Вдобавок большое количество леса сжига­ется в процессе санитарных рубок.

Во многих странах (например, Судане, Кении, Непале) расходы древесины на топливо превышают ее прирост: запасы топлива истоща­ются. Более того, прирост населения стран, использующих древесное топливо, составляет 2.3 % в год. Вследствие этого растут потребности в топливе для приготовления пищи. Чтобы устранить эту проблему, не­обходимо одновременно с интенсификацией восстановления лесов пе­реходить на более эффективные методы приготовления пищи.