Технологии энергетического использования биомассы

Теплотворная способность определяется высшей теплотой сгорания (высшая теплотворная способность (ВТС) или низшей теплотой сгорания (низшая теплотворная способность (НТС). Величина низшей или высшей теплоты сгорания может определяться на единицу сухого топлива (как правило, кг или м³) или на единицу топлива с учетом его влажности. Кроме влаги, содержащейся в топливе, влага также образуется при сгорании водорода. Уровень влажности определяет различие между высокой и низкой теплотой сгорания. При определении значения ВТС допускают, что влага конденсируется в воду, а при вычислении значения НТС предполагается, что влага находится в виде насыщенного пара. Теплотворная способность обычно выражается в МДж/кг. Значение ВТС топливной биомассы обычно составляет от 18 до 21 МДж/кг, что соответствует ВТС торфа, но значительно ниже, чем ВТС нефти.

Структурными элементами (по данным элементарного анализа) органической части древесины являются углерод (45–50 %), кислород (40–45 %), водород (4,5–6%) и азот (0,3–3.5 %). Содержание золы обычно составляет несколько процентов или доли процента (0,3 % в ели или березе без коры, 1,6 % в березовой коре и 3,4 % в еловой коре). Очевидным преимуществом древесной биомассы перед ископаемым топливом является низкое содержание в ней серы.

2.2. Особенности процесса сжигания биомассы в топочных устройствах

Процесс сжигания местных видов топлива при смешивании с воздухом состоит из нескольких этапов. На рис. 2.1. представлена диаграмма горения древесины и выделения тепла.

Рис. 2.1. Диаграмма горения топлива и выделения тепла

Как видно из рис. 2.1, на первом этапе требуется дополнительное тепло для испарения влаги, высушивания и воспламенения топлива. При температуре свыше 100oС начинается процесс пиролиза, при котором летучие вещества углеводородных соединений начинают испаряться.

В интервале 200–300oС происходит воспламенение твердого топлива. Сухая солома воспламеняется при температуре около 200oС, сухой торф – при температуре 225–280oС, сухая древесина – 220–300oС. При температуре 500–600oС начинается процесс горения летучих компонентов, содержание которых в горючем веществе составляет около 75 %. В интервале 800–900oС происходит сгорание твердого углерода и смолы, образующие при этом дымогарные газы дожигаются в камере с подачей воздуха (газогенераторный процесс). При этом дополнительное выделение тепла повышают температуру газов до 1000–1100oС. В полученной газо-воздушной смеси сгорают токсичные образования, тяжелые соединения и частицы сажи.

Процесс горения и, соответственно, уровень выбросов и энергетический КПД зависят от большого числа переменных. Это следует учитывать при проектировании и эксплуатации любых установок, работающих на биомассе.

В зависимости от технологии сгорание топлива может быть полным и неполным. При полном сгорании происходит выброс двуокиси углерода, оксидов азота и серы, хлористого водорода, частиц и тяжелых металлов. При неполном сгорании топлива образовываются и происходят выбросы моноокиси углерода, несгоревшие углеводороды, частицы, полихлорированные диоксины и фураны, аммиак.

Рассмотрим ряд факторов, влияющих на процесс сгорания топлива.

1. Механизмы теплопередачи. Теплообмен может осуществляться посредством передачи, конвекции и излучения теплоты. Для обеспечения низкого уровня выбросов при неполном сгорании топлива необходимо минимизировать потери тепла в топочной камере посредством оптимизации переменных характеристик, оказывающих прямое воздействие на механизмы теплопередачи. Также для получения высокого теплового КПД необходимо обеспечить эффективный теплообмен между топочной камерой и впуском дымовой трубы. Эффективный теплообмен необходим для получения высокого теплового КПД. Управление активным процессом теплообмена осуществляется с помощью систем управления, регулирующие переменные параметры технологического процесса, такие, например, как количество воды, протекающее через котел.

2. Аккумулирование теплоты. Значительное количество теплоты аккумулируется в стенках топочной камеры, забирающих теплоту из объема топочной камеры на первоначальном этапе процесса горения. Это явление играет особенно важную роль при сжигании биомассы в установках малой мощности. Аккумулированное тепло, передаваемое в окружающую среду со значительной задержкой во времени, используется в печах с аккумуляцией тепла (теплоаккумулирующие печи). Однако на начальном этапе процесса горения может наблюдаться высокий уровень выбросов от неполного сгорания.