Використання деревини для виробництва енергії у Данії

1. Енергетична програма

Енергетична програма Данії "Енергія 21", прийнята в 1996 р., передбачає, що відновлювана енергія в 2005 р. буде забезпечувати 12-14% загального енергоспоживання країни, а до 2030 р. перевищить 50-відсотковий рівень в загальній структурі палив, які використовуються при виробництві теплової та електричної енергії.

Найбільш значним джерелом поновлюваної енергії є і залишатиметься в майбутньому біомаса. Вклад біомаси становив 61 ПДж в 1996 р., і він повинен збільшитися до 85 ПДж в 2005 р. і до 145 ПДж в 2030 р. Приріст використання біомаси до 2005 р. буде досягнутий, перш за все, шляхом збільшення використання соломи та деревної тріски на котелень.

У Програмі передбачено збільшення використання соломи та деревної тріски на ТЕЦ, а також переобладнання до максимально можливого ступеня блокових опалювальних установок потужністю понад 250 кВт в сільських районах з переведенням їх з викопного палива на біомасу.

Відповідно до оглядом Енергетичного Агентства Данії, присвяченим виробництву енергії в 1997 р., деревина покривала приблизно 21 тис. ТДж, що становить 28% загального виробництва енергії з поновлюваних джерел і еквівалентно приблизно 500 тис. т. нафти.

Майбутні постачання енергетичної деревини повинні бути забезпечені, в тому числі, за рахунок лісонасадження. Виробництво енергетичної деревини може бути збільшено шляхом більш щільної посадки дерев, в порівнянні зі звичайним лісонасадженням, і шляхом використання 2-х ярусних насаджень дерев. До 2025 р. в Данії планується збільшення площ лісу на 5 тис. га в рік.

2. Деревина як паливо для котелень і ТЕЦ

Для котелень і ТЕЦ деревина є простим для використання паливом. Для забезпечення спалювання паливо повинне пройти три стадії: сушка, газифікація і спалювання, догорання деревного вугілля. Крім високого ступеня утилізації енергії, процес спалювання повинен забезпечувати повне розкладання деревини і відсутність формування не екологічних компонентів. Ефективне і повне спалювання є передумовою використання деревини як екологічного палива.

3. Малі котли

З існуючих в Данії 80 000 малих котлів для твердого палива приблизно 70 000 спалюють дрова, деревну тріску або деревні гранули.

Необхідно розрізняти котли, що працюють на деревному паливі, які обслуговуються вручну, і автоматичні котли, що спалюють деревну тріску і деревні гранули. Котли, які обслуговуються вручну, повинні встановлюватися з накопичувальним баком, щоб акумулювати теплову енергію від однієї завантажується дози палива (повного завантаження). Автоматичні котли повинні бути обладнані контейнером для деревних гранул або деревної тріски. Шнековий живильник подає в котел паливо, залежно від потреби в теплі того чи іншого жилого будинку.

За останні 10 років був досягнутий великий прогрес у підвищенні ефективності та зменшення емісії твердих частинок і моноксиду вуглецю (СО) в атмосферу. Покращення були досягнуті частково в конструкції топки, подачі дуттьового повітря і автоматики, що управляє процесом спалювання. В області котлів, що обслуговуються вручну, ККД зріс з 50% до 75-90%. Зростання ККД автоматичних котлів склав від 60% до 85-92%.

4. Централізовані котельні

Централізованими називаються котельні, які постачають теплоенергію в тепломережа, до якої можуть приєднатися всі споживачі, які живуть в цьому районі.

Використання лісової тріски на централізованих котелень значно зросло за останні 20 років. У той час як в 1984 р. в Данії було тільки 3 котельні, що спалюють деревну тріску, їх кількість збільшилася в даний час приблизно до 50. Споживання деревної тріски за той же період збільшилося приблизно до 725 тис м3/рік, що еквівалентно кількості енергії в 1800 тДж.

Котельні, що спалюють деревну тріску, створюються з метою заміщення мазутних і вуглевмісних котелень, з'єднаних з існуючими тепломережами, або як нові котельні й тепломережі (так звані "урбанізаційні" проекти). Котли для спалювання деревної тріски на котельних Данії проектуються для виробництва тепла в діапазоні потужності від 1 до 10 МВт, з середнім значенням 3,5 МВт.

До технологій отримання енергії з біомаси останнім часом зріс інтерес з боку торгових компаній і промисловості. Це відбувається внаслідок того, що компанії не можуть більше виплачувати енергетичний та екологічний податки на опалення приміщень. Торгівлі та промисловості пропонується можливість отримати субсидії від Енергетичного Агентства Данії для інвестицій в установки, які можуть зменшити викиди, наприклад, СО2.

Типова котельня для спалювання деревної тріски будується навколо твердопаливного котла із ступінчастою або  колосниковими гратами які рухаються. Котел має вогнетривку футеровку на стінах топки з метою забезпечення необхідної температури згоряння для відносно вологого палива. Системи котельні є високо автоматизованими. Наприклад, завантаження палива зі сховища на грати здійснюється за допомогою крана, керованого комп'ютером.

Для якісного згоряння деревини температура повинна бути досить високою, щоб забезпечити ефективну сушку, газифікацію і згоряння. Повітря і горючі гази повинні бути змішані в достатній мірі. Необхідно забезпечити достатній "час перебування" в топкової зоні утворюються при газифікації горючих газів до їх охолодження в зоні парогенератора котла.

Більшість котелень обладнана мультициклонна, призначеними для очищення димових газів від летючої золи. Добре спроектована система може очищати гази до рівня 200 мг/нм3.

Тканинні фільтри можуть очищати викиди до рівня 10-50 мг/нм3. Зазвичай тканинні фільтри здатні витримувати температуру до 180 ° С. Для того, щоб уникати попадання іскор і гарячих вуглинок в тканинні фільтри, димові гази повинні пройти циклони або фільтри, розташовані перед тканинними фільтрами. Тканинні фільтри автоматично відключаються, якщо максимально допустима температура або максимальне значення концентрації кисню в димових газах будуть перевищені.

Подібно тканинному фільтру, електростатичний фільтр очищає ефективно, але є більш дорогим при установці на відносно невеликих системах для спалювання деревної тріски. Однак експлуатаційні витрати при цьому нижче, ніж для тканинних фільтрів. Тканинні фільтри, електростатичні фільтри і т.п. в даний час не знаходять широкого застосування на централізованих котельнях.

На існуючих і проектованих котельнях використовуються системи конденсації димових газів. Ця технологія дозволяє очищати димові гази від часток до рівня, майже рівного рівня тканинних фільтрів, і в той же час збільшує ККД котельні. Більшість датських централізованих котелень, що спалюють деревну тріску, обладнані системами конденсації димових газів.

Зола містить негорючі компоненти, що включають ряд поживних речовин, таких як калій, магній, фосфор. Тому зола може бути використана як добриво в лісах, якщо вміст інших речовин, небезпечних для навколишнього середовища, не є занадто високим.

З соломою і деревиною, які залишаються на полях або в лісах, важкі метали будуть повертатися в ґрунт. При спалюванні соломи або деревної тріски, важкі метали будуть концентруватися в золі. Якщо зола повертається в розумних кількостях в ґрунт, ситуація з важкими металами не відрізнятиметься від ситуації, при якій солома та деревина залишаються в полі або в лісі.

Високий вміст монооксиду вуглецю (СО) є індикатором неповного згоряння і має бути, по можливості, знижене. Відповідно з керівництвом Агентства захисту навколишнього середовища Данії, вміст СО у димових газах не повинно перевищувати 0,05% для котелень, що спалюють солому та деревну тріску.

Емісія вуглекислого газу (СО2) вважається основною причиною парникового ефекту. При спалюванні деревної тріски та інших деревних видів палива, утворюється СО2 в кількості, що не перевищує ту кількість, яка була поглинена при зростанні деревини. Більш того, при спалюванні утворюється та ж кількість СО2, що і при природному розкладанні, яке є альтернативою використанню деревини в енергетичних цілях. Тому деревна тріска вважається СО2-нейтральним паливом.

При спалюванні деревної тріски в реакціях бере участь сірка із з'єднань сірки, які були абсорбовані деревами під час їхнього росту. Спалювання деревної тріски не змінює загальної кількості сірки, присутньої в навколишньому середовищі, але воно викликає забруднення повітря викидами сірки в димових газах. Однак чиста деревина з лісу містить дуже обмежена кількість сірки. При спалюванні приблизно 75% сірки, що міститься в деревині, буде знаходитися в золі під гратами і летючої попелі, і лише решта 25% перейдуть у вигляді SО2 в димові гази.

Багато аналізи вмісту сірки в деревній трісці показують значення, які нижче меж вимірювань стандартного лабораторного обладнання. Спалювання деревної тріски на котельних викликає набагато меншу емісію SО2, ніж спалювання мазуту або вугілля, які часто заміщуються деревної тріскою.

При спалюванні деревної тріски формується приблизно та ж кількість оксидів азоту (NОx), що і при спалюванні інших видів палива. Основними умовами формування низького рівня NОx є: низький вміст азоту в паливі, ступінчасте спалювання при низькому надлишку повітря на першій стадії, низька температура полум'я, рециркуляція димових газів.

5. Електростанції, що використовують деревину

В Мобьерге близько Хольстебро побудована ТЕЦ, що працює на твердих побутових відходах (ТПВ), соломі, деревної трісках і природному газі. Комбіноване використання відновлюваних і викопних видів палива дозволяє збільшити загальну енергетичну потужність ТЕЦ без марнотратного використання газу. Електрична потужність становить 30 МВт, теплова - 67 МДж / с. Система обладнана накопичувальним баком для тепломереж об'ємом приблизно 5000 м3. Тепло подається в тепломережі міст Хольстебро і Стрюер.

ТЕЦ в Вейен є спеціальною системою з комбінованим паливом. Паровий котел може спалювати ТПВ, солому, деревну тріску або подрібнений вугілля. Електрична потужність - 3,1 МВт, теплова - 9 МДж / с тепла при виробництві пара 15,7 т / год з параметрами 50 бар і 425 ° С.

В Маснеде була введена в експлуатацію в 1995 р. ТЕЦ, що працює на біомасі. Котел спроектований для спалювання соломи з виробленням 20% поставляється енергії при спільному з соломою спалюванні деревної тріски. Щорічне споживання становить до 40 тис. т. соломи і 5-10 тис. т. деревної тріски. Електрична потужність ТЕЦ - 9,5 МВт, теплова - 20,8 МДж / с.

Найбільший в Данії котел для електричної станції, який спалює виключно біопаливо, був введений в дію в 1998 р. в Енстеде. Система складається з двох котлів: котла, що спалює солому, що виробляє пар з температурою 470 ° С, і котла, що спалює деревну тріску, в якому пара з соломоспалювального котла перегрівається до 542 ° С. Перегрітий пар передається в систему високого тиску (200 бар) вугільного блоку 3 ТЕЦ в Енстеде.

Щорічне споживання палива складає 120 тис. т. соломи та 30 тис. т. деревної тріски, що еквівалентно потужності 95,2 МДж / с. Теплова потужність котла на біопаливі становить 88 МВт, з яких 39,7 МВт становить виробляється електроенергія (приблизно 6,6% загальної електричної потужності, що виробляється блоком 3). Таким чином, котел для біомаси значно більше аналогічних котлів на децентралізованих ТЕЦ. ККД вироблення електроенергії (брутто) складає приблизно 41%.

У 2001 р. передбачається ввести в експлуатацію ТЕЦ Аведере 2. Проект включає паротурбінних електростанцій з турбіною, котлом і системами десульфуризації та видалення NОx. Додані окремий котел для спалювання біомаси та газова турбіна, поєднана паралельно. Біомаса спалюється в окремому котлі, який виробляє пар. Пар переходить в електростанцію з підвищеними параметрами пари, де він використовується для генерування електроенергії в паровій турбіні. При цьому ефективність використання біомаси виходить набагато вище, ніж на окремій ТЕЦ для спалювання біомаси. Проект представляється великим кроком вперед, так як він пропонує можливість використання трьох різних видів палива, забезпечуючи більш гнучку та надійну вироблення енергії. Основні параметри ТЕЦ: пар - 300 бар/582 ° С, електрична потужність - 365 МВт (нетто) при експлуатації з протитиском, теплова потужність - 480 МДж / с. Проект передбачає ККД вироблення електроенергії з біомаси на рівні 43%.