Использование древесины для производства энергии в Дании

1. Энергетическая программа

Энергетическая программа Дании “Энергия 21”, принятая в 1996 г., предполагает, что возобновляемая энергия в 2005 г. будет обеспечивать 12-14% общего энергопотребления страны, а к 2030 г. превысит 50-процентный уровень в общей структуре топлив, используемых при производстве тепловой и электрической энергии.

Наиболее значительным источником возобновляемой энергии является и будет оставаться в будущем биомасса. Вклад биомассы составлял 61 ПДж в 1996 г., и он должен увеличиться до 85 ПДж в 2005 г. и до 145 ПДж в 2030 г. Прирост использования биомассы до 2005 г. будет достигнут, прежде всего, путем увеличения использования соломы и древесной щепы на котельных.

В Программе предусмотрено увеличение использования соломы и древесной щепы на ТЭЦ, а также переоборудование до максимально возможной степени блочных отопительных установок мощностью свыше 250 кВт в сельских районах с переводом их с ископаемого топлива на биомассу.

В соответствии с обзором Энергетического Агентства Дании, посвященным производству энергии в 1997 г., древесина покрывала приблизительно 21 тыс. ТДж, что составляет 28% общего производства энергии из возобновляемых источников и эквивалентно приблизительно 500 тыс. т. нефти.

Будущие поставки энергетической древесины должны быть обеспечены, в том числе, за счет лесонасаждения. Производство энергетической древесины может быть увеличено путем более плотной посадки деревьев, по сравнению с обычным лесонасаждением, и путем использования 2-х ярусных насаждений деревьев. До 2025 г. в Дании планируется увеличение площадей леса на 5 тыс. га в год.

2. Древесина как топливо для котельных и ТЭЦ

Для котельных и ТЭЦ древесина является простым для использования топливом. Для обеспечения сжигания топливо должно пройти три стадии: сушка, газификация и сжигание, догорание древесного угля. Кроме высокой степени утилизации энергии, процесс сжигания должен обеспечивать полное разложение древесины и отсутствие формирования неэкологичных компонентов. Эффективное и полное сжигание является предпосылкой использования древесины как экологичного топлива.

3. Малые котлы

Из существующих в Дании 80 тысяч малых котлов для твердого топлива приблизительно 70 тысяч сжигают дрова, древесную щепу или древесные гранулы.

Необходимо различать котлы, работающие на древесном топливе, обслуживаемые вручную, и автоматические котлы, сжигающие древесную щепу и древесные гранулы. Котлы, обслуживаемые вручную, должны устанавливаться с накопительным баком, чтобы аккумулировать тепловую энергию от одной загружаемой дозы топлива (полной загрузки). Автоматические котлы должны быть оборудованы контейнером для древесных гранул или древесной щепы. Шнековый питатель подает в котел топливо, в зависимости от потребности в тепле того или иного жилого дома.

За последние 10 лет был достигнут большой прогресс в повышении эффективности и уменьшении эмиссии твердых частиц и моноксида углерода (СО) в атмосферу. Улучшения были достигнуты частично в конструкции топки, подачи дутьевого воздуха и автоматики, управляющей процессом сжигания. В области котлов, обслуживаемых вручную, КПД вырос с 50% до 75-90%. Рост КПД автоматических котлов составил от 60% до 85-92%.

4. Централизованные котельные

Централизованными называются котельные, поставляющие теплоэнергию в теплосеть, к которой могут присоединиться все потребители, живущие в этом районе.

Использование лесной щепы на централизованных котельных значительно выросло за последние 20 лет. В то время как в 1984 г. в Дании было только 3 котельные, сжигающие древесную щепу, их количество увеличилось в настоящее время приблизительно до 50. Потребление древесной щепы за тот же период увеличилось приблизительно до 725 тыс м3/год, что эквивалентно количеству энергии в 1800 тДж.

Котельные, сжигающие древесную щепу, создаются с целью замещения мазутных и углесодержащих котельных, соединенных с существующими теплосетями, или как новые котельные и теплосети (так называемые “урбанизационные” проекты). Котлы для сжигания древесной щепы на котельных Дании проектируются для производства тепла в диапазоне мощности от 1 до 10 МВт, со средним значением 3,5 МВт.

К технологиям получения энергии из биомассы в последнее время вырос интерес со стороны торговых компаний и промышленности. Это происходит вследствие того, что компании не могут больше выплачивать энергетический и экологический налоги на отопление помещений. Торговле и промышленности предлагается возможность получить субсидии от Энергетического Агентства Дании для инвестиций в установки, которые могут уменьшить выбросы, например, СО2.

Типичная котельная для сжигания древесной щепы строится вокруг твердотопливного котла со ступенчатой или движущейся колосниковой решеткой. Котел имеет огнеупорную футеровку на стенах топки с целью обеспечения необходимой температуры сгорания для относительно влажного топлива. Системы котельной являются высоко автоматизированными. Например, загрузка топлива из хранилища на решетку осуществляется посредством крана, управляемого компьютером.

Для качественного сгорания древесины температура должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить эффективную сушку, газификацию и сгорание. Воздух и горючие газы должны быть смешаны в достаточной степени. Необходимо обеспечить достаточное “время пребывания” в топочной зоне образующихся при газификации горючих газов до их охлаждения в зоне парогенератора котла.

Большинство котельных оборудовано мультициклонами, предназначенными для очистки дымовых газов от летучей золы. Хорошо спроектированная система может очищать газы до уровня 200 мг/Нм3.

Тканевые фильтры могут очищать выбросы до уровня 10-50 мг/Нм3. Обычно тканевые фильтры способны выдерживать температуру до 180° С. Для того, чтобы избегать попадания искр и горячих угольков в тканевые фильтры, дымовые газы должны пройти циклоны или фильтры, расположенные перед тканевыми фильтрами. Тканевые фильтры автоматически отключаются, если максимально допустимая температура или максимальное значение концентрации кислорода в дымовых газах будут превышены.

Подобно тканевому фильтру, электростатический фильтр очищает эффективно, но является более дорогим при установке на относительно небольших системах для сжигания древесной щепы. Однако эксплуатационные расходы при этом ниже, чем для тканевых фильтров. Тканевые фильтры, электростатические фильтры и т.п. в настоящее время не находят широкого применения на централизованных котельных.

На существующих и проектируемых котельных используются системы конденсации дымовых газов. Эта технология позволяет очищать дымовые газы от частиц до уровня, почти равного уровню тканевых фильтров, и в то же время увеличивает КПД котельной. Большинство датских централизованных котельных, сжигающих древесную щепу, оборудованы системами конденсации дымовых газов.

Зола содержит негорючие компоненты, включающие ряд питательных веществ, таких как калий, магний, фосфор. Поэтому зола может быть использована как удобрение в лесах, если содержание других веществ, опасных для окружающей среды, не является слишком высоким.

С соломой и древесиной, которые остаются на полях или в лесах, тяжелые металлы будут возвращаться в почву. При сжигании соломы или древесной щепы, тяжелые металлы будут концентрироваться в золе. Если зола возвращается в разумных количествах в почву, ситуация с тяжелыми металлами не будет отличаться от ситуации, при которой солома и древесина остаются в поле или в лесу.

Высокое содержание моноксида углерода (СО) является индикатором неполного сгорания и должно быть, по возможности, снижено. В соответствии с руководством Агентства защиты окружающей Среды Дании, содержание СО в дымовых газах не должно превышать 0,05% для котельных, сжигающих солому и древесную щепу.

Эмиссия углекислого газа (СО2) считается основной причиной парникового эффекта. При сжигании древесной щепы и других древесных видов топлива, образуется СО2 в количестве, не превышающем то количество, которое было поглощено при росте древесины. Более того, при сжигании образуется то же количество СО2, что и при естественном разложении, которое является альтернативой использованию древесины в энергетических целях. Поэтому древесная щепа считается СО2-нейтральным топливом.

При сжигании древесной щепы в реакциях участвует сера из соединений серы, которые были абсорбированы деревьями во время их роста. Сжигание древесной щепы не изменяет общего количества серы, присутствующей в окружающей среде, но оно вызывает загрязнение воздуха выбросами серы в дымовых газах. Однако чистая древесина из леса содержит очень ограниченное количество серы. При сжигании приблизительно 75% серы, содержащейся в древесине, будет находиться в золе под решеткой и летучей золе, и только оставшиеся 25% перейдут в виде SО2 в дымовые газы.

Многие анализы содержания серы в древесной щепе показывают значения, которые ниже пределов измерений стандартного лабораторного оборудования. Сжигание древесной щепы на котельных вызывает намного меньшую эмиссию SО2, чем сжигание мазута или угля, которые часто замещаются древесной щепой.

При сжигании древесной щепы формируется приблизительно то же количество оксидов азота (NОx), что и при сжигании других видов топлива. Основными условиями формирования низкого уровня NОx являются: низкое содержание азота в топливе, ступенчатое сжигание при низком избытке воздуха на первой стадии, низкая температура пламени, рециркуляция дымовых газов.

5. Электростанции, использующие древесину

В Мобьерге около Хольстебро построена ТЭЦ, работающая на твердых бытовых отходах (ТБО), соломе, древесной щепе и природном газе. Комбинированное использование возобновляемых и ископаемых видов топлива позволяет увеличить общую энергетическую мощность ТЭЦ без расточительного использования газа. Электрическая мощность составляет 30 МВт, тепловая — 67 МДж/с. Система оборудована накопительным баком для теплосетей объемом приблизительно 5000 м3. Тепло подается в теплосети городов Хольстебро и Стрюер.

ТЭЦ в Вейене является специальной системой с комбинированным топливом. Паровой котел может сжигать ТБО, солому, древесную щепу или измельченный уголь. Электрическая мощность — 3,1 МВт, тепловая — 9 МДж/с тепла при производстве пара 15,7 т/ч с параметрами 50 бар и 425° С.

В Маснедё была введена в эксплуатацию в 1995 г. ТЭЦ, работающая на биомассе. Котел спроектирован для сжигания соломы с выработкой 20% поставляемой энергии при совместном с соломой сжигании древесной щепы. Ежегодное потребление составляет до 40 тыс. т. соломы и 5-10 тыс. т. древесной щепы. Электрическая мощность ТЭЦ — 9,5 МВт, тепловая — 20,8 МДж/с.

Крупнейший в Дании котел для электрической станции, сжигающий исключительно биотопливо, был введен в действие в 1998 г. в Энстеде. Система состоит из двух котлов: котла, сжигающего солому, производящего пар с температурой 470° С, и котла, сжигающего древесную щепу, в котором пар из соломосжигающего котла перегревается до 542° С. Перегретый пар передается в систему высокого давления (200 бар) угольного блока 3 ТЭЦ в Энстеде.

Ежегодное потребление топлива составляет 120 тыс. т. соломы и 30 тыс. т. древесной щепы, что эквивалентно мощности 95,2 МДж/с. Тепловая мощность котла на биотопливе составляет 88 МВт, из которых 39,7 МВт составляет вырабатываемая электроэнергия (приблизительно 6,6% общей электрической мощности, вырабатываемой блоком 3). Таким образом, котел для биомассы значительно больше аналогичных котлов на децентрализованных ТЭЦ. КПД выработки электроэнергии (брутто) составляет приблизительно 41%.

В 2001 г. предполагается ввести в эксплуатацию ТЭЦ Аведёре 2. Проект включает паротурбинную электростанцию с турбиной, котлом и системами десульфуризации и удаления NОx. Добавлены отдельный котел для сжигания биомассы и газовая турбина, соединенная параллельно. Биомасса сжигается в отдельном котле, который производит пар. Пар переходит в электростанцию с повышенными параметрами пара, где он используется для генерирования электроэнергии в паровой турбине. При этом эффективность использования биомассы получается намного выше, чем на отдельной ТЭЦ для сжигания биомассы. Проект представляется большим шагом вперед, так как он предлагает возможность использования трех различных видов топлива, обеспечивая более гибкую и надежную выработку энергии. Основные параметры ТЭЦ: пар — 300 бар/582° С, электрическая мощность — 365 МВт (нетто) при эксплуатации с противодавлением, тепловая мощность — 480 МДж/с. Проект предполагает КПД выработки электроэнергии из биомассы на уровне 43%.