Тверде біопаливо з агробіомаси загалом вважається складнішим для спалювання, порівняно з деревною біомасою. Тому перед виробниками котлів стоїть непросте завдання: досягти високої ефективності та низьких викидів під час використання біопалив з агробіомаси.
Загалом агробіомасу можна класифікувати за трьома великими групами:
- сільськогосподарські залишки (наприклад, солома, кукурудзиння, виноградна лоза);
- агропромислові залишки (наприклад, лушпиння соняшнику);
- енергетичні культури (наприклад, міскантус, енергетична верба і тополя).
Варто зазначити, що ці групи агробіомаси мають різноманітні паливні характеристики, на які впливає багато факторів, зокрема сорт культури, агротехніка, ґрунтові та погодні умови, терміни збирання, технологія заготівлі тощо.
Типові паливні характеристики біопалив з агробіомаси представлені у таблиці.
Більше інформації про типові зміни цих властивостей можна знайти у ДСТУ EN ISO 17225-1:2019 «Тверде біопаливо. Технічні характеристики та класи палива. Частина 1. Загальні вимоги».
Ефективного спалювання агробіомаси найчастіше досягають шляхом комплексного застосування низки заходів, що передбачають дотримання жорстких вимог до якості, складу палива (вологість, зольність, розмір та ін.), вибору спеціального обладнання призначеного для використання палива, встановлення додаткового газоочисного обладнання та виконання режимно-налагоджувальних і теплотехнічних випробувань, що забезпечують найкращі екологічні показники роботи обладнання та забезпечують допустимі викиди забруднюючих речовин в атмосферне повітря.
У процесі виробництва теплової енергії з біомаси можна виокремити такі етапи:
- вхідне біопаливо системою паливоподачі завантажується у топку котла і спалюється;
- димові гази надходять у теплообмінник, забезпечуючи нагрів теплоносія;
- охолоджені димові гази подаються до системи газоочистки;
- димові гази доходять до димової труби та викидаються в атмосферу, а зола видаляється системою золовидалення.
Котли простої конструкції, наприклад, обладнані нерухомою колосниковою решіткою, можуть бути непридатними для ефективного спалювання агробіомаси, але існує багато сучасних котлів, які спеціально розроблені з урахуванням особливих характеристик біопалив з агробіомаси, починаючи від системи подачі такого палива та його спалювання до обладнання для очищення димових газів.
Під час вибору відповідного котла кожна його складова – системи паливоподачі та спалювання, теплообмінник, системи видалення золи, управління та очищення димових газів – повинна бути сумісною з конкретними властивостями твердого біопалива з агробіомаси. Зазвичай такі системи контролюються автоматично, забезпечують багатоступеневу подачу повітря та мають рухому колосникову решітку, яка дозволяє ефективно та повноцінно спалювати такі біопалива, а також автоматично очищувати теплообмінники від відкладень з метою запобігання утворенню золи та корозії.
Гідравлічна рухома підлога
Більшість сучасних котлів на біомасі мають автоматичну систему подачі палива. Залежно від доступної на ринку форми агробіомаси та способу її зберігання, можуть знадобитися різні системи паливоподачі.
Найпоширеніші системи подачі палива, що використовуються в системах опалення на агробіомасі:
- система паливоподачі гранульованих біопалив (шнекова подача, шнекова подача зі змішувачем, система всмоктування та шнековий транспортер);
- система паливоподачі тріски / кускового біопалива (розвантажувальна мішалка зі шнеком, гідравлічна рухома підлога («живе дно»);
- система паливоподачі цілих тюків (штовхач тюків з гідравлічним поршнем, конвеєру з подрібнювачем).
Для малих та середніх систем виробництва теплової енергії з біомаси спалювання у фіксованому шарі є однією з найбільш поширених технологій, оскільки при цьому можна використовувати широкий спектр палива та застосовувати менш складну його підготовку та обробку. Первинне повітря проходить через зафіксований шар палива, в якому відбувається сушіння, газифікація та спалювання коксового залишку. Гази, що утворюються у процесі згорання, спалюються після того, як відбулося вторинне додавання повітря, як правило, в зоні горіння, відокремленій від паливного шару. Таке розділене подавання первинного та вторинного повітря називається «поетапним горінням».
Доступні різні технології топок із фіксованим шаром:
- нерухомі решітки,
- рухомі ланцюгові решітки,
- перештовхувальні решітки,
- обертальні решітки,
- вібраційні решітки,
- пальники з нижньою подачею.
Котел з похило-перештовхувальною колосниковою решіткою
Усі ці технології мають певні переваги та недоліки залежно від властивостей палива, тому на етапі планування проєкту потрібно здійснити їх ретельний підбір. Добре спроєктована і добре контрольована решітка гарантує рівномірний розподіл палива та шару коксозольного залишку по всій поверхні решітки.
Первинне повітря слід розділити на секції, щоб мати можливість регулювати питомі кількості повітря відповідно до вимог різних зон, дозволяючи топці працювати за часткових навантажень і контролювати коефіцієнт первинного повітря, необхідний для забезпечення відновної атмосфери над колосниковою решіткою (необхідний для роботи з низьким вмістом азоту).
Гази, що виділяються у процесі перетворення біомаси на решітці, продовжують горіти над шаром, і вторинне повітря відіграє важливу роль у змішуванні, догоранні та викидах. Удосконалена система подачі вторинного повітря є одним із найважливіших елементів оптимізації згорання газової фази. Камера згорання може охолоджуватися водою або мати вогнетривку футеровку із зовнішнім водяним або повітряним охолодженням, що особливо важливо під час спалювання біопалив з агробіомаси з низькою температурою плавлення золи, зокрема, соломи.
Пневматична система очищення теплообмінника
Теплообмінники можуть бути розташовані як вертикально, так і горизонтально. Зазвичай у малих та середніх котлах на біомасі застосовують теплообмінники з димогарними трубами (гарячі димові гази рухаються всередині труб, тоді як вода тече у об’ємі навколо них).
Чистий теплообмінник має вирішальне значення для тривалості життєвого циклу котла та ефективності його роботи на агробіомасі.
Існують дві основні технології очищення теплообмінника:
- за допомогою механічних засобів,
- з використанням стиснутого повітря.
Автоматизована системи золовидалення
З огляду на значний вміст золи в агробіомасі для забезпечення тривалої та безперервної експлуатації котлів необхідно забезпечити належний вибір системи золовидалення.
Видалення золи зазвичай виконується автоматично спеціальним шнеком. Подова зола і зола від очищення теплообмінника збираються у зольний ящик або контейнер. Крім того, іноді використовуються додаткові системи ущільнення золи, які дозволяють подовжити інтервали її накопичення.
Хоча робота сучасних котлів на агробіомасі спрямована на досягнення не тільки високої ефективності спалювання, але й низьких викидів, для виконання вимог різних нормативних документів щодо допустимих значень викидів необхідно застосовувати додаткові системи очищення димових газів, зокрема, циклони, тканинні або електростатичні фільтри.
Джерело: Звіт AgroBioHeat “Біопалива з агробіомаси та системи для їх використання”.