Использование соломы в качестве топлива

Аннотация

Компания ПроЭнергоМаш предлагает схему использования соломы в качестве топлива для котлов. Замещение традиционных видов топлива соломой позволит сельхозпроизводителям минимизировать затраты в энергетическом секторе. Наиболее перспективно использования схемы агрохолдингами, располагающими одновременно как производственными мощностями, так и значительным количеством потребителей тепловой энергии.

 

Современное общество пребывает в состоянии дисбаланса. С одной стороны, запасы традиционных источников энергии – ископаемых органических топлив являются ограниченными, с постепенным удорожанием продукции по мере исчерпания наиболее доступных и разработанных месторождений. С другой стороны, человеческая деятельность сопровождается постоянной выработкой и накоплением различных горючих отходов, в том числе твердых бытовых, отходов деревопереработки и сельского хозяйства. Помимо неиспользованного энергетического потенциала горы этих отходов представляют серьезную экологическую угрозу. Например, только бытовых и производственных отходов к 2016 году в России накоплено около 100 млрд тонн, которые занимают порядка 4 млн гектар. 

Экономическая ситуация в процессе реформирования сельского хозяйства России привела к образованию агрохолдингов. При такой структуре в рамках одного комплекса находятся как источник растительных отходов, так и потребители тепловой и электрической энергии, например, пшеничные поля, элеваторы, мукомольные заводы.

Использование соломы, как и биомассы в целом, в качестве топлива, имеет ряд особенностей, отличных от традиционных энергоресурсов. Загрязнение поверхностей нагрева котлов на соломенном топливе происходит значительно интенсивнее, чем при сжигании угля или жидкого печного топлива. Из-за отложений повышается температура уходящих газов, снижается тяга и мощность котла, падает коэффициент полезного действия. Места шлакования и способы их очистки определяются конструкцией котла, а интенсивность загрязнения, в большей степени, определяется режимом горения.

Энергетическая ценность соломы зависит от ее влажности, а также от химического состава, который изменяется в зависимости от типа соломы (зерновые, рапс и т. д.) и от условий вегетации растений. Все твердые топлива, в том числе и биомасса, содержат в своем составе негорючие компоненты – золу. Часть зольного остатка соломы происходит от частиц почвы и песка, которые оседают на листостебельную массу в процессе роста, уборки и т. п., другие частицы попадают из почвы в стебли с солями Si, Ca, Mg, K, Na, P в период вегетации растений.

Таблица 1.

Зольность соломы злаковых культур [1]

Зольность на сухую массу, %	Культуры
	Рожь	Пшеница	Ячмень	Овес	Средняя
	4,5	5,1	5,2	4,9	5

Небольшое количество образующейся при сжигании золы не создает проблем с ее утилизацией (таблица 1), образованную золу можно вывозить на поля в качестве удобрения. Основные трудности связаны с низкой температурой плавления и возгонки некоторых ее компонентов, особенно соединений калия и натрия, в результате слой топлива на колосниковой решетке может спекаться, интенсивно шлакуются поверхности топочной камеры и конвективных газоходов котла, препятствуя его нормальной работе. Сравнение [2] основных характеристик соломенного топлива с традиционными энергетическими углями представлено в таблице 2. Как видно из таблицы, несмотря на близкие количественные показатели для горючей массы бурого угля, температура размягчения золы у соломы гораздо ниже.

Таблица 2.

Сравнительные характеристики топлив

Характеристики	Желтая солома	Темная солома	Березовский 2Б	Кузнецкий Д
Влажность,	15	15	33	11,5
Зольность	4	3	4,7	15,9
Углерод	42	43	44,2	56,4
Кислород	37	38	14,4	9,9
Водород	5,0	5,2	0,4	4
Сера	0,16	0,13	0,2	0,4
Выход летучих	70	73	48	40
Теплота сгорания, МДж/кг	14,4	15	15,66	21,9
Температура золы,0С Начала деформации Размягчения Жидкоплавкого состояния	950 1050 1150	1100 1150 1250	1270 1290 1310	1160 1310 1400

Главная проблема использования соломы в качестве топлива состоит в создании эффективного и экономичного топочного устройства, которое позволило бы сжигать парусное и склонное к зашлаковыванию поверхностей нагрева топливо.

Обзор использования соломы как топлива показал, что в Европейских странах накоплен большой практический опыт. Солому применяют в качестве топлива в Дании, Швеции, Польше, Украине и т.д. При этом, демонстрируется достаточно широкий спектр конструкций: от фермерских котлов с большой жаротрубной топкой до топочных устройств с циркулирующим слоем. Солома может подаваться в топку, как в виде тюков, так и измельченная в различных устройствах.

Выявленные проблемы можно классифицировать следующим образом:

1. Малые объёмы производства сырья у одного поставщика;
2. Нестабильное качество подаваемого сырья, которое зависит от условий и места произрастания и хранения соломы;
3. Зашлаковывание стенок топочных камер при сжигании;
4. Трудность удержания легких, парусных частиц топлива до полного выгорания в топке;
5. Значительные содержания оксидов азота и соединений хлора в продуктах сгорания.

Решение для первых двух пунктов в рамках одного агрохолдинга не вызовет трудностей. Остальные же требуют взвешенного подхода к проектированию топочных устройств.

На европейских станциях применяются следующие основные технологии сжигания биомассы:

• сжигание топлива на слоевой решетке, движущейся или неподвижной;
• сжигание топлива в псевдоожиженном слое;
• факельное сжигание пылевидного топлива.

Использование каждой из обозначенных технологий для сжигания соломенного топлива сопряжено с рядом трудностей и недостатков. Основные и них:

• при работе слоевой топки в очагах сжигаемого топлива, из-за неравномерного распределения по решетке, присутствуют зоны высоких и низких температур. В зонах перегрева происходит расплавление, испарение золы с последующим шлакованием котла, а в низкотемпературных – интенсивный выход химического недожога, СО.
• низкотемпературный кипящий слой практически невозможно использовать для сухих и парусных частиц, так как сильно различается скорость витания частиц топлива и инертного заполнителя слоя.
• пылевой факел горит при высоких температурах, неизбежно происходит расплавление и возгонка легкоплавких компонентов золы с последующим шлакованием конвективных поверхностей нагрева, а также повышенное образование термических оксидов азота.

Наиболее распростаненными в Европе котлами в области промышленной теплоэнергетики, работающими на биомассе, являются жаротрубные. Это котлы с большой футерованной топочной камерой, скомпонованной с наклонно-переталкивавшей решеткой. Распространен котел такого типа фирмы Vyncke. Конструкция проверена десятилетиями и обладает не плохими эксплуатационными качествами, однако является очень громоздкой, с высокой металлоемкостью и, соответственно, стоимостью.

Из российских разработок, наиболее подходящей для утилизации сухих парусных топлив, является вихревая низкотемпературная топка «Торнадо» компании ПроЭнергоМаш [3]. Вихревая топка успешно применяется для сжигания шелухи подсолнечника, овса и др. сильношлакующих сухих растительных отходов, с характеристиками близкими к соломе. Вихревая топка обладает рядом преимуществ перед описанными выше вариантами сжигания:

• частицы удерживаются внутри топочной камеры до полного выгорания за счет циклонного эффекта, не требуется наличие большого объема для гравитационной сепарации уноса;
• ступенчатая подача дутья и хорошее перемешивание продуктов сгорания обеспечивают низкий недожог;
• полностью экранированная камера позволяет удерживать процесс горения в низкотемпературном диапазоне, предотвращая интенсивное шлакование;
• Для котлов большой мощности используется установка спаренной дубль-топки, с двумя циклонными камерами.

Рисунок 1. Паровой котел на соломе с вихревой топкой «Торнадо».

Вихревые топочные камеры имеют форму, близкую к цилиндру, выполненную из сварных мембранных панелей. Наиболее близкая к форме вихря геометрия топочной камеры позволяет избавиться от застойных зон, распределить горение по всему объему. Настенные отложения срываются потоком топочных газов еще на начальной, стадии упрочнения, в рыхлом состоянии.

Продукты сгорания на выходе из вихревой топки не забалластированы уносом и имеют приемлемую температуру для непосредственной подачи в плотные конвективные пучки без опасности шлакования. Благодаря этому, отсутствует необходимость в длинных экранированных охладительных газоходах, характерных для жаротрубных котлов с футерованными топками. За счет этого, и с учетом отказа от многотонной огнеупорной футеровки топки, массогабаритные характеристики котла с вихревой топкой относительно, например, котла фирмы Vyncke аналогичной мощности, уменьшаются в несколько раз, рисунок 1.

Рисунок 2. Сравнительные размеры котлов для сжигания лузги фирм ПроЭнергоМаш и Vyncke, паропроизводительностью 25 и 24 тонны в час соответственно.

Поскольку в вихревых топках наилучшим образом сжигаются мелкие парусные частицы, солому перед сжиганием требуется измельчить до фракции 0-15 мм. Для этого в топливном складе устанавливается измельчительная машина. Подача в топочные камеры котлов осуществляться по системе пневмотранспорта.

Предлагаем использовать в агрохолдингах энергосберегающую технологию, основанную на схеме сжигания измельченной соломы в котлах с вихревыми топками с целью покрытия потребностей в технологическом паре и тепловой энергии перерабатывающих подразделений хозяйственного комплекса. Зола от сжигания соломы может возвращаться на поля для восстановления минерального баланса, либо использоваться в строительных смесях в качестве заполнителя.

Рисунок 3 – Схема котельной установки с паровым котлом на соломе

1 – Котел; 2 – Вихревая топка, 2шт; 3 – Кипятильный пучок; 4 – ГПЗу; 5 – Дозатор шлюзовый, 2шт.; 6 – Устройство шурования, 2шт.; 7 – Вентилятор дутьевой, 2шт.; 8 – Вентилятор пневмоподачи, 2 шт.; 9 – Устройство золоудаления; 10 – Экономайзер, 2 шт.; 11 – Дымосос; 12 – Золоуловитель; 13 – Аппарат обдувочный, 2шт.; 14 – Транспортер золоудаления; 15 –Затвор с электроприводом 500х600; 16 – Вентилятор слоевого дутья; 17 – Шибер золоудаления; 18 – Измельчитель рулонов соломы, 2 шт.; 19 – Пылевой вентилятор, 2 шт; 20 – Циклон- разгрузитель; 21 – Ворошитель бункера; 22 – Бункер расходный. 23 – Рольганг подачи рулонов, 2 шт.

Литература

1. Семирненко С. Л. Исследование рационального использования соломенной биомассы с целью уменьшения техногенной нагрузки // Молодой ученый. — 2013. — №3. — С. 98-102.
2. Справочник потребителя биотоплива / [Виллу Варес, Юло Каськ, Пеэтер Майсте и др.]; под ред. Виллу Вареса. — Таллин, 2005. -183 с. — ISBN 9985–59–586–6.
3. В.А. Голубев, Е.М. Пузырёв, М.Е. Пузырёв. Использование вихревых топок для сжигания низкосортных видов топлива в паровых котлах. Новости теплоснабжения №2, февраль 2015г – стр. 29 – 33.