Теплогенератор. Как выбрать?

При производстве гранул, брикетов, древесной муки, древесно-полимерных композитов, пористого керамического кирпича и многих других видов продукции, исходное сырье необходимо измельчить и высушить. Подавляющее большинство типов оборудования сушки требует подведения к ним внешнего источника тепла.
 Предприятия производят 3 вида теплогенераторов:

1) пиролизные – для сжигания сухого измельченного топлива;

2) вихревые – для сжигания сухого измельченного и влажного кускового топлива;

3) с наклонной колосниковой решеткой – для сжигания влажного топлива.

В этой статье попробуем разобраться, – какие теплогенераторы лучше использовать в различных ситуациях.


Сначала - совсем немного теории.

Общеизвестно, что для производства гранул и брикетов необходима относительная влажность сырья около 10%, тогда как его исходная влажность чаще всего составляет в среднем 55%. Таким образом, принято считать, что из 2 т. влажного сырья будет получена 1 т. готовой продукции и будет удалена 1 т воды. Как правило, с этой целью необходимо приложить 1 МВт тепловой мощности. При сжигании 1 кг древесины с влажностью 10% выделяется около 18 МДж чистой тепловой энергии (низшая теплота сгорания). Следовательно, для получения мощности 1 МВт - необходимо в течение часа сжечь около 200 кг древесины с влажностью 10% (1 МВт х 3600 с /18 МДж = 200). Поскольку КПД теплогенератора составляет около 90%, реально необходимо в течение часа сжечь 220 кг древесины. Вывод: для того, чтобы получить 1 т. продукции (гранул, брикетов и др.) в любом случае необходимо сжечь не менее 220 кг сухих опилок (влажных, соответственно, еще больше). А далее, начинаются варианты. Рассмотрим их по отдельности.

Вариант 1. Сжигаем часть полученной сухой биомассы в пиролизном теплогенераторе, ведь, казалось бы, потеря составит всего лишь 22%. Зато, налицо явный выигрыш – отсутствие истопника ввиду возможности полностью автоматической подачи топлива в теплогенератор. Но, на самом деле, всё не совсем так. У нас имеется 1000 кг, сжигаем 220 кг, остается 780 кг, но 220 к 780 – это уже не 22, а 28%. Иными словами, в этом варианте мы экономим на зарплате одного работника, но сжигаем почти треть потенциальной продукции. Дополнительные преимущества пиролизного теплогенератора – низкая стоимость (~ 900 000 рублей при мощности более 1 МВт), возможность транспортировки после первого использования, высокая ремонтопригодность, очень быстрый старт и остановка, минимальное потребление электроэнергии (~ 2 кВт на 1 МВт тепловой мощности). Однако, главное преимущество такого решения – более стабильная работа завода, больший коэффициент использования оборудования. Поэтому, данный вариант наиболее подходит предприятиям, которые имеют большие объемы сырья и значительное удаление от рынков сбыта готовой продукции.

Вариант 2. Сжигаем в вихревом теплогенераторе отходы, не представляющие ценности для дальнейшей переработки: кора, горбыль, грязное и гнилое сырье, поленья (при отсутствии рубительной машины). В этом варианте проигрываем на зарплате рабочего, но сохраняем сырье. Для сравнения с Вариантом 1 рассмотрим в качестве примера производство древесных топливных гранул. Предположим, что влажное сырье – собственное и бесплатное. После сушки и измельчения от готовых гранул его отделяет только стоимость прессования, просеивания и упаковки. Для простоты в данном расчете приведем готовую цифру – не более 900 руб/т гранул.

Средняя цена продажи гранул – 800 грн/т (80 Евро/т). Следовательно, с каждой недополученной тонны гранул в нашем примере будет потеряно 525 грн. И это при предположении, что сырье – бесплатное. Если же оно привозное и платное – разница будет намного больше. Еще более заметной разница становится при производстве брикетов, т.к. их цена продажи превышает 1050грн/т. Еще нагляднее ситуация выглядит в масштабах месячного производства. За рабочую смену на заводе мощностью 1 т/час производится не менее 8 т гранул. За 21 рабочую смену в месяц завод может произвести 168 т продукции. Если количество сырья ограничено, и часть его сжигать в теплогенераторе, за месяц будет потеряно 47 т продукции (28%) на сумму более 37500 грн, при двухсменной работе потеря составит более 75000грн. Экономия на зарплате истопников составит 3700 и 7500 грн. соответственно. Таким образом, данный вид теплогенератора наиболее подходит предприятиям, у которых имеется ограниченный объем качественного сырья и отсутствуют проблемы со сбытом продукции.

Вариант 3. Сжигаем в теплогенераторе влажные измельченные отходы. На первый взгляд – самое правильное решение, т.к. мокрые отходы имеют минимальную стоимость (чаще всего – нулевую), но это не совсем так. Главным недостатком данного способа сжигания является его крайняя неэффективность, особенно при использовании в процессе сушки биомассы. При горении влажной биомассы огромное количество энергии потребляется на испарение содержащейся в топливе воды (~2,3 МДж/кг). В результате – существенное снижение температуры горения, и, как следствие, - снижение его эффективности (КПД). Поэтому, при таком способе сжигания расход топлива будет самым высоким не только в абсолютном выражении, но и в относительном (при пересчете на сухое вещество). Кроме того, полученный в результате теплоноситель будет иметь максимальное содержание водяных паров, полученных как от испарения, так и в результате реакции окисления (горения).

Следовательно, ценность этого теплоносителя как сушильного агента при отсутствии теплообменника будет минимальной. Дополнительные существенные недостатки данного варианта: самая высокая сложность конструкции теплогенератора и, как следствие, - самая высокая цена (около 1 млн. грн. при мощности 2 МВт), самая низкая ремонтопригодность и самые высокие эксплуатационные расходы; самый длительный период старта и остановки; невозможность транспортировки после первого использования; высокое удельное энергопотребление. Таким образом, данный вариант может быть предпочтителен только для очень крупных предприятий с круглосуточным режимом работы, большим количеством влажных отходов и серьезными инвестициями.

2. Качество (эффективность) сжигания биомассы.

Давно доказанными считаются следующие факты:

- наиболее эффективным способом сжигания древесины (и другой биомассы) является пиролиз, т.е. если древесину сначала разложить при высокой температуре и недостатке кислорода до пиролизных газов, а затем эти газы сжечь с избытком кислорода, - тепла выделится больше, чем при обычном сжигании этой древесины;

- процесс пиролиза наиболее эффективен при температуре 700о С и выше;

- для поддержания высокой температуры в зоне пиролиза дутьевой воздух должен быть обязательно горячим;

Вывод: Для эффективного сжигания биомассы теплогенератор должен иметь: как минимум 2 зоны (пиролиза и дожига), подогреваемое и распределенное дутье, высокую температуру горения.

3. Соответствие поставленной задаче.

Генерация тепла для сушки измельченной биомассы в производстве биотоплива и других перечисленных выше продуктов имеет специфические требования:

- минимальное искрообразование, и, как следствие, - минимальная пожароопасность;

- минимальный вынос золы и попадание её в перерабатываемый продукт;

- максимальная стабильность работы (стабильность удерживания заданной температуры и производительности).

Третье условие выполняют многие теплогенераторы, а вот с первыми двумя хорошо справляются далеко не все. Наиболее эффективными в этом являются вихревые (циклонные) цилиндрической формы, т.к. закрученное в вихрь пламя проходит в десятки раз больший путь, что обеспечивает сжигание искр именно в самом теплогенераторе, а также пиролизные теплогенераторы с прижимающими экранами. В устройствах иных конструкций искры просто гасятся во всевозможных последующих циклонах, лабиринтных искрогасителях и т.п., что снижает КПД генератора и увеличивает трудоемкость его обслуживания. Что касается теплогенераторов с теплообменниками, то, безусловно, они имеют минимальную пожароопасность, но, поскольку огромное количество тепла теряется в теплообменнике, такие теплогенераторы существо проигрывают с точки зрения экономики. Не смотря на это, они находят применение при производстве пищевых и кормовых продуктов, поэтому мы их также изготавливаем.

Вывод: Наиболее подходящим для генерации тепла в процессе сушки биомассы являются вихревые (циклонные) и пиролизные теплогенераторы прямого нагрева.

4. Качество исполнения и срок службы.

Один из важнейших показателей качества теплогенератора – футеровка. В чем здесь кроются подвохи? При нагреве и остывании на футеровку и металлический корпус теплогенератора (особенно при отсутствии принудительного охлаждения футеровки) действуют очень мощные (молекулярные) силы линейного расширения (сжатия). В прямоугольных теплогенераторах в углах эти силы складываются, что приводит к постепенному, но довольно быстрому разрушению футеровки (иногда – всего за несколько месяцев). Поэтому такая форма теплогенератора является не самой удачной для рассматриваемого нами применения. Цилиндрическая футеровка – наиболее долговечная, но и самая трудная в изготовлении, особенно, - для вихревых теплогенераторов, т.к. должна содержать в себе дутьевые сопла. Далеко не каждому производителю даже в заводских условиях удается сделать её качественно, и практически невозможно сделать качественную футеровку теплогенератора в условиях площадки Покупателя. К чему будет приводить некачественное исполнение теплогенератора? К частым и длительным простоям завода. Это даже опаснее, чем разница в экономической эффективности выбора топлива, описанная выше.

Вывод: Теплогенератор должен длительно выдерживать многократные циклы нагрева-остывания, следовательно, он должен иметь футеровку, выполненную качественно и исключительно в заводских условиях (лучше – цилиндрическую), в идеале – футеровка должна иметь принудительное охлаждение.

5. Возможность демонтажа и транспортировки на новую площадку.

Далеко нередки случаи, когда завод по выпуску гранул или брикетов остается без сырья (для примера: владелец сырья построил себе собственный завод по производству гранул). Что делать в этом случае? Необходимо переносить завод на новое место. Более того, возможность таких переносов некоторые инвесторы рассматривают с самого начала – на стадии принятия решения о выборе площадки под строительство. Практически всё оборудование завода можно демонтировать и перевезти на новое место. Однако, несколько иначе дело обстоит с теплогенератором. Без разрушения футеровки, и, даже, стального корпуса генератора, большинство из них перевезти невозможно. Существуют ли такие, которые можно перевозить? Да, это теплогенераторы с цилиндрической футеровкой, сложенной вокруг горизонтальной оси таким образом, что ни один кирпич просто не в состоянии из неё выпасть. Такой теплогенератор можно перевозить на любое расстояние даже без устройства поддерживающей опалубки. Также возможна транспортировка пиролизного теплогенератора, но при условии перевода его в транспортное положение, на что требуется несколько часов времени.

Общий вывод.

Как мы видим из приведенных доводов, идеального и подходящего ко всем ситуациям теплогенератора не существует и не может существовать. Поэтому, самое разумное решение при выборе оборудования для каждой конкретной задачи – обратиться к профессионалам, которые помогут сделать правильный и осознанный выбор.