Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
Кора хвойных пород древесины иногда используется в качестве топлива для получения тепловой энергии. К очевидным достоинствам коры как топлива относится ее доступность и дешевизна, т.к. она не является дефицитным материалом, использующимся в каком-либо серьезном производстве. При этом у коры есть и существенные недостатки. Во-первых, она обладает более низкой теплотой сгорания, чем другие виды древесного топлива. Во-вторых, у коры всегда большая влажность (до 80%). Кроме того, при падении ствола на землю, практически невозможно избежать попадания в кору частиц песка и грунта. Следовательно, кора содержит песок и при сгорании возникают шлаки, которые приводят к износу утилизационного оборудования. Утилизация пней и корней до настоящего времени не было целесообразным из-за высоких затрат обусловленные наличием включений в виде земли и камней. Включения вызывают проблемы при сжигании, увеличивая зольность и риск шлакования и забивания колосников. Однако при продолжающемся повышении цен на топливо переработка пней и корней может стать экономически выгодной. При сжигании дров нужно отметить, что древесины хвойных пород лучше подходит для сжигания. Проблема заключается в том, что древесина лиственных пород содержит больше тяжелых металлов и иных элементов, губительных как для самой установки, так и для окружающей среды. В отличие от хвойных, лиственные деревья в процессе роста впитывают все вещества, содержащиеся в почве, что и приводит к концентрации вредных элементов. Элементы, содержащиеся в древесине лиственных пород также приводят к упоминавшейся проблеме ошлакования. Важным недостатком свежей древесины является то, что она представляет собой материал, не прошедший "дезинфекцию" в процессе сушки. В этом материале споры функционируют, что может привести к следующим результатам: температура топлива возрастет и произойдет самовоспламенение; может возникнуть аллергическая реакция у обслуживающего котельные установки персонала. 3.2.5. Системы утилизации тепла и возможности повышения КПД установки В таблице 3.5 приведены возможные варианты повышения КПД установок, предназначенных для сжигания биомассы. Таблица 3.5 Влияние различных мер на тепловой КПД установок, предназначенных для сжигания биомассы
Подсушка биомассы обычно обеспечивает умеренное повышение КПД и снижение затрат. Вместе с тем, этот метод позволяет предотвратить самовозгорание в кучах влажной коры, снизить потери сухого вещества, вызываемые процессами микробиологического разложения при хранении топлива, и снизить необходимый объем хранилища на установке. Предполагаемый процесс подсушки биомассы следует подвергнуть тщательному анализу с целью определения возможной экономической выгоды с учетом дополнительных инвестиционных и эксплутационных затрат, включая затраты на электроэнергию, а также человеко- и машино-часы, необходимые для обслуживания процесса. В большинстве случаев подсушка биомассы является экономически оправданной только тогда, когда имеется дешевый или бесплатный подогретый воздух (примерами могут служить солнечные воздушные коллекторы и использование подогретого воздуха, получаемого из установок конденсации топочного газа). Анализ условий при открытом хранении показывает, что подсушивание куч биомассы в течение нескольких месяцев с использованием естественной конвекции в большинстве случаев является экономически невыгодным, так как потери от биологического разложения (1–2% веса в месяц) превышают полученное повышение КПД. 3.2.6. Неглубокая переработка топлива Весьма сложным является вопрос определения оптимальных размеров частиц, до которого надо измельчать топливо перед его сжиганием. Это обусловлено тем, что система технология переработки топлива весьма дорогостоящая и экономически целесообразна только для мощных котельных. После простой переработки древесного сырья могут быть получены следующие виды топлива: Дрова – куски дерева размером от 0,1 до 1 м, полученные путем пиления лесного топлива. Топливная щепа – щепа размером до 5–100 мм, полученная путем измельчения лесного топлива. Топливные брикеты – изделия цилиндрической формы (диаметром 30–100 мм, длиной до 300 мм), спрессованные методом экструзии из предварительно высушенной и измельченной древесины. Топливные гранулы (пеллеты) – изделия цилиндрической формы (диаметром 6–12 мм, длиной до 20–50 мм), спрессованные методом экструзии из предварительно высушенной и измельченной древесины. Физические характеристики отдельных видов топлива представлены в таблице 3.6. Древесная щепа получается после переработки древесины рубительными машинами. По принципу действия рубительные машины для производства щепы подразделяются на дисковые, шнековые и барабанные. В дисковых рубительных машинах механизм резания выполнен в виде вращающегося стального диска 1, на торце которого радиально закреплены 2–4 режущих ножа 2 (рис. 3.4, а). В шнековых рубительных машинах рабочий орган – конусообразный шнек с острыми концами. В барабанных рубительных машинах механизм резания выполнен в виде вращающегося барабана 1, на котором установлены режущие ножи 2 (рис. 3.4, б). Для получения однородной щепы барабанные машины снабжены ситом 4. Таблица 3.6 Физические характеристики отдельных видов топлива
 а б Рис. 3.4. Дисковая (а) и барабанная (б) рубительные машины Дисковые и шнековые машины наиболее пригодны для переработки однородного сырьевого материала – такого, как целые деревья и очищенные от сучьев длинномерные сортименты. Барабанные рубительные машины не так чувствительны к неоднородности состава сырья, поэтому они также могут применяться для переработки лесосечных отходов. Однако у барабанных рубительных машин расход энергии на 50–70% выше, чем у дисковых машин. Большие рубительные машины оснащены одним–двумя устройствами 3, подающими сырьевой материал в рубительную машину. В шнековых рубительных машинах функцию устройства подачи выполняет шнековый нож. Однако производимая им щепа неоднородна по размеру и грубее, чем у дисковых и барабанных измельчителей. Рубительные машины либо имеют собственный двигатель, либо приводится в действие от механизма отбора мощности трактора или грузового автомобиля. Производительность рубительной машины зависит от ее рабочих характеристик, характеристик сырья и условий складирования. Производительность рубительных машин малой мощности, установленных на автомобиле, составляет от 5 до 20 насыпных м3 древесины/рабочий час. Производительность наиболее крупных рубительных машин может достигать 150 насыпных м3 древесины/час. Для дробления топлива, имеющего включения, (продукты сноса деревянных строений, пни) используют дробилки. Наиболее распространены молотковые мельницы, валковые и щековые дробилки. В отличии от рубительных машин дробилки дают древесную массу очень неоднородную по размеру и форме, а оборудование мощное и дорогое. Щепа обладает рядом недостатков: высокая исходная влажность (до 60%), малая насыпная плотность (коэффициент полнодревности 0,36–0,45), быстрое загнивание, самовозгарание. Достоинства – простота и дешевизна получения. Опилки и щепа могут иметь различные характеристики, в зависимости от способа их образовывания. Отходы деревоперерабатывающих производств – сухое топливо с большой теплотой сгорания (  %). Отходы лесопилок – влажное топливо (  %). Отходы при сносе деревянных домов или вырубке деревьев в городе – влажное и химически загрязненное топливо. Производство древесных гранул. Гранулирование – это процесс, заключающийся в измельчении продуктов и их прессовании. Процесс производства древесных гранул классически строится по следующей схеме: 1. Крупное дробление. Крупные дробилки (как правило молотковые мельницы) измельчают сырье для дальнейшей просушки. Измельчение должно дойти до размеров частиц не более 25х25х2 мм. Крупное дробление позволяет быстро и качественно высушивать сырье и подготавливает его к дальнейшему дроблению в мелкой дробилке. 2. Сушка. Древесные отходы с влажностью более 15% очень плохо прессуются. Кроме этого, гранулы с повышенной влажностью не могут сжигаться в топках котлов. Поэтому сырье перед прессованием должно иметь влажность 8–12%. Сушилки бывают барабанного и ленточного типов. В сушилках ленточного типа сушка осуществляется паром, а в сушках барабанного типа – либо паром, либо дымовыми газами. Ленточного типа дороже, но безопасней. 3. Мелкое дробление. В пресс сырье должно заходить с размерами частиц менее 4 мм. Поэтому мелкая дробилка измельчает сырье до необходимых размеров. 4. Водоподготовка. Сырье с влажностью менее 8% плохо поддается склеиванию во время прессования. Поэтому при необходимости слишком сухое сырье увлажняют. Водоподготовку осуществляют и паром и водой. Пар применяют для смягчения древесины твердых пород. 5. Прессование. Для прессования пеллетов применяют цилиндрические матричные или плоскоматричные прессы. В ходе прессования под высоким давлением древесной массы трение между частицами приводит к росту температуры, клеточная структура разрушается, лигнин дерева размягчается и склеивает прессуемые частицы. Чем мощнее сила прессования, тем больше температура сырья, тем лучше гранулы по качеству. 6. Охлаждение и очистка. В процессе прессования температура сырья достигает 70–90С. Охлаждение нужно для прохладного осушения гранул после прессования. Также в схеме после охлаждения могут быть использованы циклоны для очистки готовых гранул от пыли, что существенно улучшает качество продукции. Некоторые очевидные преимущества использования топливных гранул и брикетов: при производстве гранул (брикетов) объем опилок значительно уменьшается, что снижает затраты на перевозку топлива и при его складировании; при хранении гранулы (брикеты) не будут биологически разлогаться, не вызывают аллергической реакции и, следовательно, их можно дольше хранить; однородная влажность и размер кусков прессованого топлива позволяет точнее регулировать режим горения в топке, обеспечивая тем самым более высокий КПД; подача топлива в горелку котла может быть легко сделана автоматической; сжигатели для гранул легко устанавливаются на котлы взамен отработанных горелок для жидкого и газообразного топлива с сохранением высокого уровня автоматизации. Недостаток прессованного топлива – более высокая стоимость. 3.3. Термохимические способы переработки биотоплива 3.3.1. Пиролиз (сухая перегонка) Наиболее научно и технически разработанными способами энергетического использования древесного топлива является его прямое сжигание в топках и пиролиз. Особо привлекателен второй метод, так как он является экологически чистым и более полно использует энергетический потенциал твердых топлив. Пиролиз это процесс, при котором органическое сырье подвергают нагреву без или недостаточном доступе кислорода для получения производных топлив (твердых, жидких и газообразных). Изначальным сырьем могут служить древесина, уголь, сланец, отходы сельскохозяйственной деятельности, бытовой мусор. Продуктами пиролиза являются газы, жидкий конденсат в виде смол и масел, твердые остатки в виде угля и золы. Газификация – это пиролиз, проведенный с целью максимального получения производного газообразного топлива. Устройства для частичного сжигания биомассы, проектируемые на получение максимального выхода горючих газов, называются газогенераторами. Для осуществления процесса газификации древесины необходимо поддерживать равновесную температуру порядка 900С, а для получения угля в результате пиролиза – температуру 600–700С. При температуре выше 900С происходит газификация угля совместно водяным паром и углекислым газом: С + Н2О = СО + Н2 – 11 МДж/кг; С + СО2 = 2СО – 14,6 МДж/кг. Преимуществом газификации биомассы являются: 1. При сжигании биотоплива с высоким содержанием влаги, невозможно получить высокие температуры, тогда как при сжигании газа, полученного из этого же топлива, такие температуры достижимы. Из газа можно удалить содержащуюся в нем влагу, которая является балластом, и газ нетрудно подогреть перед сжиганием. 2. При сжигании газа требуется меньшее количество избыточного воздуха ( = 1,02–1,05), чем для кускового топлива ( = 1,2–1,3), благодаря чему увеличивается температура горения и как следствие повышается эффективность изъятия энергии содержащейся в топливе. 3. Легче автоматизировать процессы сжигания топлива. 4. В процессе пиролиза при температуре ниже 1000ºС не осуществляется плавление золы, а следовательно, не происходит шлакование газогенератора. Перечисленные качества способствовали широкому применению генераторного газа при получении тепловой энергии в 20–60 гг. нашего века – до начала масштабной разработки месторождений нефти и природного газа. Определенную проблему для производства электроэнергии с использованием газификации представляла и представляет низкая теплотворная способность генераторного газа по сравнению с жидкими топливами и природным газом. Эта проблема требует применения особого оборудования – газовых двигателей и турбин, специально сконструированных или переделанных для работы на низкокалорийном топливе. Схема установки для осуществления пиролиза приведена на рис. 3.5.  Рис. 3.5. Установка для осуществления пиролиза Топливо поступает в газогенератор 1, выработанный газ поступает в конденсатоотводчик 2, где от газа отделяется влага. Затем газ поступает в теплообменик 3, где утилизируется остаточное тепло газа для собственных нужд установки (например, для предварительной сушки топлива). Охлажденный газ поступает либо потребителю, либо в емкость для хранения газа под давлением – газгольдер. Наиболее предпочтительными считаются вертикальные устройства, загружаемые сверху. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||