Національні особливості твердопаливних технологій

Твердопаливні котли, через різке подорожчання газу в останні два роки, придбали в Україні значної популярності. Дедалі більшого поширення вони отримують не тільки в приватних домогосподарствах, а й для генерації теплової енергії в сфері централізованого опалення підприємств, установ, житлових кварталів, селищ і т.п. При цьому нерідко замовники не мають досвіду експлуатації подібного обладнання і тому мають досить незрозумілі уявлення про нього. Проте, є ряд істотних особливостей «твердопаливників», про які варто знати, щоб вони працювали безпечно, ефективно і тривалий час.

Вибір палива

Вихідний і найважливіший елемент установки – паливо! При виборі котельного устаткування необхідно чітко визначитися, на якому виді палива воно буде працювати. Адже поняття «тверде паливо» неймовірно широке (мал. 1). І ефективність його спалювання безпосередньо залежить від безлічі факторів, наприклад, виду деревини, вмісту вологи, зольності, насипної щільності і т.п.

Звичайно, що при виборі енергоресурсу необхідно орієнтуватися на наявність розташованої поблизу до споживача тепла паливної бази. Якщо котельня знаходиться в степовій зоні, то, ймовірно, немає сенсу проектувати її під спалювання деревини. Для зручності при проектуванні можна скористатися, наприклад, картою розташування ліспромгоспу. Перспективним напрямком для України є використання в якості палива також відходів сільського господарства, якими можуть забезпечити відповідні агропромислові підприємства. Але необхідно розуміти, що спалювання відходів «дешевої» рослинної біомаси (солома, качани кукурудзи, лушпиння соняшника і т.д.) пов'язане зі складнощами під час експлуатації твердопаливної установки: низька температура плавлення золи, наявність більшої кількості хлору, велика зольність і т. д. У комплексі це призводить до подорожчання устаткування, систем очищення димових газів і до збільшення експлуатаційних витрат.

Дуже важливо мати впевненість у тому, що підприємство-постачальник палива зможе забезпечити котельню паливом точно в строк, в потрібному обсязі і належної якості. Також потрібно передбачити склад для палива, прорахувати логістику його безперебійної доставки (кількість транспортних засобів, під'їзні дороги, кількість ходок, зберігання). При цьому економічно доцільно розглядати розташування виробництва деревної тріски на відстані, що не перевищує 100-150 км від котельні, так як даний вид палива має невелику насипну щільність і його собівартість дуже залежить від логістичної складової (мал. 2).

У будь-якому випадку, важливо знати наперед який вид палива буде використовуватися. Зміна палива, як це часто відбувається через зміну кон'юнктури ринку, загрожує значним зниженням не тільки ефективності, але і ресурсу роботи котельного обладнання, передчасним виходом його з ладу.

При цьому дуже ймовірно надмірне утворення і спікання золи. Наприклад, такий параметр, як температура плавлення золи для деревини становить близько 1100 °С (тому температура горіння в котлі підтримується на рівні до 950 ... 1000 °С), а для соломи – температура плавлення значно нижче – 750-800 °С. Тому завантаження соломи (або пелет з неї) в твердопаливний котел, спочатку сконструйований і розрахований на спалювання деревного палива, призводить до такого, вкрай небажаного, явища, як спікання золи (мал. 3). При цьому утворений шлак «забиває» топку і систему золовидалення, створюючи додаткові механічні руйнування внутрішніх частин котла і систем. Він прилипає до шамоту і колосників, приводячи до руйнування котла, через збільшення різниці температур на його внутрішніх поверхнях (неправильним температурним перепадам в різних зонах). Таким чином, обладнання передчасно виходить з ладу.

Приклад переходу з одного палива на інше – твердопаливний котел, який встановлений на одному українському підприємстві. Спочатку обладнання було розраховане на спалювання подрібнених деревних відходів (тріски), а потім, з метою економії, перейшли на відходи сільгосппереработки – кукурудзяні качани. Це призвело до недогару палива і спікання золи (мал. 4).

Через неповне згоряння також погіршився склад викидів – збільшився вміст CO і NOх. У підсумку, для цього конкретного випадку, було вирішено застосувати комбіноване спалювання рослинного і деревного палив в співвідношенні 50/50% (мал. 5).

В принципі, змішувати паливо можна, але в певних межах, рекомендованих виробником. При цьому потрібно контролювати процес горіння і температуру в топці котла. Наприклад, в країнах Євросоюзу, якщо подають солому в топку котла, розрахованого на деревне паливо, то в суміш палив додають розчин вапняку (CaCO3) для підвищення температури плавлення. В Україні це поки не практикується. Крім того, якщо вже мова зайшла про солому, то в її складі – підвищений вміст хлору (Cl) (табл. 1). Тому, в результаті горіння, утворюється соляна кислота (HCl), що руйнує стінки (внутрішні поверхні теплообмінника) котла і погіршує склад викидів.

При спалюванні пелет з іншого рослинного палива – лушпиння соняшнику – утворюється дрібнодисперсна летюча зола, яку дуже складно вловити з газів, що відходять. Повне спалювання лушпиння соняшнику потребує більшого об'єму камери згоряння, так як вона має невелику насиплю щільність і високу летючість. Ці факти необхідно враховувати при проектуванні систем очищення газів, що відходять, щоб палаючі частинки летючої золи не долетіли, наприклад, до рукавів фільтра і не розплавили їх матеріал.

Велике значення має не тільки дотримання в процесі експлуатації рекомендацій виробника щодо типу палива і його використання, але і максимально можлива стабільність якості енергоносія. Наприклад, неможливо «на око» визначити якість деревних пеллет (мал. 6). Твердження про те, що чим світліше гранули, тим вони ефективніше і містять менше золи, невірно. Зазвичай пелети біло-жовтого кольору виготовляються з відходів меблевого виробництва, пелети з додаванням коричневих вкраплень виробляються із сировини з додаванням кори. Однак колір пелет не є критерієм якості. За кольором пелет можна визначити – яка сировина використовувалося, як відбувалося пеллетування і як пелети зберігалися. При цьому світлі пелети в своєму складі можуть містити мікроскопічні частинки піску, що потрапили в пелети при несумлінному виробництві. Щоб не помилитися при замовленні палива потрібно в першу чергу вимагати сертифікат якості, ну а краще взяти невелику партію на пробу, проконтролювати наскільки дотримується технологія виготовлення. Непогано мати і власну міні-лабораторію для вхідного контролю якості (хоча б за основними параметрами – вологовміст, зольність, стирання і т.д.). Потім, за результатами спостережень, вже можна складати довгострокові договори. У них повинні бути чітко прописані штрафні санкції на неякісне тверде паливо або відхилення в параметрах вище допустимої норми.

На визначення вихідного палива впливає і потужність котельні. Так, прораховано, що пелети економічно доцільно використовувати при тепловій потужності котельні до 1,5 МВт, а при потужності понад 2 МВт – краще застосовувати деревну тріску.

Плата за воду

При виборі твердого палива важливо враховувати такий його показник, як вміст вологи. Всім відомо, що, чим нижче відсоток вмісту води, тим більше кількості енергії містить паливо (мал. 7).

Однак, це ще не все. Можна додати, що при цьому ще і значно знижуються капітальні витрати на оснащення котельні. Адже чим менше вологомісткість палива, тим компактніше габарити котла (зона колосникової решітки, в якій відбувається сушка палива) (табл. 2), значить, і не потрібно більшого приміщення котельні, що знижує витрати на будівництво. Це особливо актуально в разі великих потужностей.

Розміри і вага, в свою чергу, безпосередньо впливають на ціну котла. Крім того, є можливість знизити непрямі витрати – на установку менш потужних вентиляторів для подачі повітря, менше нагрівання первинного повітря для сушіння палива, менш продуктивні системи очищення газів, що відходять і т.д.

Відходи від спалювання біомаси

Питанню утилізації золи, що утворюється при спалюванні твердого палива, в нашій країні поки, на жаль, практично не приділяється належної уваги (мал. 8). Широко поширена думка про те, що золу можна використовувати в якості сільськогосподарського добрива. Частково вірно це лише для побутових котлів і подової золи від промислового обладнання.

Особливо токсичним для людського організму є дрібнодисперсний пил (мал. 9), який вловлюється (за допомогою рукавного фільтра або електрофільтру) з відведених газів.

Згодом, оскільки Україна йде шляхом євроінтеграції, так чи інакше доведеться серйозно займатися питаннями, як очищення газів, що відходять, так і утилізації золи. Оскільки її кількість досить значна (навіть при згорянні деревних пеллет зольність становить близько 1%), то проблема досить актуальна.

У країнах Євросоюзу золу частково (мається на увазі, подова зола) (мал. 10) вносять в грунт для добрива плантацій дерев. Можна використовувати золу і шлак для виготовлення будівельних матеріалів (досвід чого був ще в радянські часи), гуми. Все залежить знову ж від складу вихідного палива.

Безпека при експлуатації

Тепер звернемося до такої важливої ​​для котельного обладнання теми, як безпека експлуатації. У випадку з твердопаливними котлами вона забезпечується за рахунок різних технологій. І цей аспект не менш важливий, ніж при експлуатації, наприклад, газового обладнання.

Перш за все, в системах автоматичної подачі палива використовується захист від зворотного горіння. Наприклад, в котлах компанії Viessmann (Німеччина) застосовується відразу три ступені такого захисту. По-перше, за рахунок особливого розташування лінії подачі створюється щільний шар палива, блокуючий поширення вогню. По-друге, при перевищенні допустимих показань датчика температури на лінії подачі палива відбувається короткочасне підвищення витрати палива, що також перешкоджає поширенню вогню. І, по-третє, в разі небезпеки зворотного горіння, або при відключенні подачі електроенергії, приводиться в дію заслінка (горизонтальний відсічний шибер або шлюзовий затвір).

Додатковим засобом механічного захисту від зворотного горіння є система пожежогасіння (мал. 11, 12). Форсунки розпилу забезпечують подачу води в проміжну шлюзову камеру між котлом і бункером палива, таким чином, запобігаючи подальшому поширення вогню.

Особливістю твердопаливних котлів є чутливість до пусків-зупинкам. У цьому випадку внутрішні частини топки котла страждають через різкі перепади температур (температурні розширення) і передчасно можуть вийти з ладу. Пуски-аррестори необхідно мінімізувати. Крім того, в твердопаливних котлах провідних виробників широко застосовується вмонтований теплообмінник аварійного охолодження. Він підключений до трубопроводу холодного водопостачання та забезпечує захист котла від перегріву в разі порушення електропостачання. При цьому в момент перевищення температури котла допустимого рівня (наприклад, 110 °С) спрацьовує термостатичний клапан. Охолодження котельної води водопровідної відбувається за рахунок теплопередачі через захисний теплообмінник. Це запобігає перегріванню води в котлі. В якості додаткових пристроїв безпеки, згідно з європейськими нормами, застосовуються датчики тиску і температури теплоносія, заповненості котлового блоку, а також обмежувачі температури, розширювальні ємності та ін. кращі. Зазвичай мінімальна потужність – 25-30%. Крім того, важлива міцність конструкції, що визначається товщиною сталі і якістю виконання (мал. 13).

Ще одна особливість твердопаливників – велика інерційність. Для забезпечення щадного режиму для внутрішніх частин топки котла, максимальна швидкість набору теплової потужності становить 2% в хвилину. І, якщо котел використовується ще і для гарячого водопостачання, покрити піки водоспоживання (ранкові та вечірні) складно. Адже системи ГВП характеризуються нерівномірністю завантаженості за часом доби. Для згладжування піків споживання та захисту твердопаливного котла в цьому випадку необхідно встановити буферну ємність (мал. 14, нижня права частина). Як правило, її об'єм розраховується виходячи з 10-20 л на 1 кВт потужності обладнання, враховуючи нерівномірність споживання теплової енергії в пікові години.

І ще один важливий момент, в плані безпеки, стосується особливостей зберігання твердого палива. Справа в тому, що при складуванні навалом, наприклад, деревної тріски, всередині куп підвищується температура внаслідок життєдіяльності грибків та інших мікроорганізмів (мал. 15). Подальший підйом температури відбувається в результаті окислювальних реакцій і реакції розпаду деревини, що протікають з виділенням тепла. Це, в свою чергу, може привести до самозаймання палива. Тому важливо дотримуватися правил зберігання і не перевищувати встановлені норми.

Висновки

Сучасні ефективні твердопаливні котли не можуть бути універсальними. Вони розраховані на роботу з певним видом палива. Відхилення основних параметрів можливі лише в допустимих межах. Чим вище якість палива (менше зольність, відсутність сторонніх включень, нижче вологомісткість і вище теплотворна здатність), тим довше буде безвідмовна робота котла. Таким чином, не дивлячись на великі витрати на покупку палива, вартість, в цілому, життєвого циклу обладнання буде нижче. Те ж стосується безпосередньо ціни котла, тобто його дешевизна далеко не завжди гарантує ефективність, безпеку роботи і невеликі експлуатаційні витрати.

В цілому, основні питання при впровадженні твердопаливних технологій в Україні, частково висвітлені в даній статті, представлені в табл. 3.