Котли за изгаряне на биомаса

Видове биомаса и особености на съоръженията за нейното оползотворяване

Намаляващите запаси от първични енергийни източници и екологичните проблеми, възникващи от тяхното използване са само част от причините довели до търсенето на алтернативни източници на енергия и разработването на нови технологии за тяхното оползотворяване. Значителните горски ресурси, с които разполага страната ни и сравнително развитото ни селско стопанство, определят висок потенциал за развитие на технологиите за оползотворяване на биомаса. Спадаща към възобновяемите енергийни източници, биомасата е сред енергоносителите, които за разлика от част от другите възобновяеми източници, са добре познати и намиращи широко приложение в практиката. Сред съвременните технологии за оползотворяване на биомасата са отоплителните котли, разработени за изгаряне на различни видове биомаса, от които най-познати сред потребителите са котлите за изгаряне на пелети.

Предимства на биомасата

Биомасата се приема за екологично чисто гориво. Използването й допринася за намаляване на емисиите от въглеродни окиси, които са сред основните газове, благоприятстващи парниковия ефект и разрушаването на озоновия слой. Количествата въглеродни окиси отделяни при изгарянето на биомаса са в граници, при които се счита, че те не оказват съществено вредно влияние върху околната среда. Сред основните предимства на биомасата в сравнение с други възобновяеми енергийни източници, е способността й директно да се превръща в течни горива като биодизел и етанол, а също така и възможността да се използва за производството на газ. Твърди се, че биомасата превъзхожда като цена на добиваната топлинна енергия и по топлотворна способност голяма част от използваните горива.

Основни източници на биомаса

Терминът биомаса е общо понятие, което се използва за органична материя с растителен произход, която може да бъде рециклирана, преработена и използвана за добиване на енергия. Преди всичко, това са отпадни продукти с растителен произход от дървообработващата промишленост, селското стопанство, хранително-вкусовата промишленост, бита, индустрията и други. Източници на биоенергия са дървесината и дървесните стърготини, като освен отпадни продукти от лесовъдството, за производството на биомаса се използват и бързо растящи дървесни видове с твърда дървесина. Обикновено това са специално селектирани дървесни видове като хибридни върби и тополи, клен, ясен, орех и чинар, които се използват от пет до осем години от засаждането им. Към отпадните продукти от лесовъдството спадат биомасата, която не е прибрана или премахната от сечищата, както и материали, добивани чрез действия за горско управление, като разреждане или премахване на загиващи дървета.  Източници на биомаса са и твърдите и течните селскостопански отпадъци. От твърдите селскостопански отпадъци за производство на енергия се използват най-вече слама, царевични стебла, оризови стебла и други, като един сериозен дял се пада на царевичния фураж. Течните селскостопански отпадъци, които основно са отпадни продукти от животновъдни и птицевъдни ферми, се използват за производството на биогаз. Освен селскостопански култури, към биомасата спадат и някои водни култури. Това предимно са различни видове водорасли. Към биомасата се включват и някои твърди промишлени отпадъци като масла и мазнини от растителен и животински произход, както и част от битовите отпадъци, които съдържат значителна част от органичния материал, добиван от растения, който е съставен от ресурс на възобновяема енергия.

Потенциал на биомасата

Показателят потенциал на възобновяемите енергийни източници, включително и на биомасата се разглежда в четири основни аспекта:

теоретичен потенциал, обхващащ целия физически наличен ресурс. За биомасата това е цялото количество стояща на корен дървесна маса. Теоретичният потенциал е основа за оценката на техническия потенциал;

технически потенциал - определя се като частта от теоретичния потенциал, чието използване е ограничено от технически и нетехнически условия, възпрепятстващи използването на цялото количество дървесна маса. Пример за нетехническо условие, ограничаващо оползотворяването на ресурса на биомасата, са защитените от закона територии, където е забранено извършването на стопанска дейност;

пазарен потенциал - дефинира се като налични и прогнозни потребности от енергия (електрическа и топлинна);

пазарно проникване - представлява част от пазарния потенциал, съответстващ на реалната пазарна ниша за съответната технология. Показателят е пряко свързан със себестойността на произвежданата (предлаганата) енергия. Например използването на дървесни отпадъци от дървопреработвателната индустрия с цел производството на топлинна енергия за собствени нужди е икономически изгодно и инвестициите са оправдани, защото себестойността на енергията е по-ниска в сравнение с технологии, използващи други енергоносители. На практика, пазарното проникване се основава на т.нар. принцип “cost benefit analysis”, а именно - конкурентна цена за конкретния случай.

Оползотворяване на биомасата

За оползотворяване на биомасата се използват няколко основни технологии. Сред тях са директното изгаряне, успоредното горене, газификацията, пиролизата и анаеробно асимилиране. Успоредното горене, газификацията и анаеробното асимилиране са технологии, все още намиращи сравнително ограничено приложение. Подходящи са предимно в индустрията. При успоредното горене, биомасата се използва като допълнителен източник на енергия във високоефективни парни котли, задействани с въглища. Газификацията е свързана с производството на биогаз, който се използва като гориво в енергийни заводи с комбинирани цикли на производство. Анаеробното асимилиране е процес, при който се получават метан и други вторични продукти. При този процес органичната материя се разлага от бактерия в среда без кислород.

Безспорно, директното изгаряне в котел е най-лесният начин за оползотворяване на биомасата. Основният недостатък на този вид горене е по-ниската му ефективност, поради загубите на топлина през корпуса на котела или чрез димните газове.

Условия за ефективен горивен процес

Известно е, че за осъществяване на ефективен горивен процес е необходимо да се осигури подържането на достатъчно висока температура, подаването на достатъчно количество въздух и достатъчно време за осъществяване на пълното изгаряне на горивото. От основно значение е подаването на точното количество въздух необходим за горенето. Подаването на недостатъчно въздух би довело до непълно горене, в следствие на което в димните газове ще се съдържат значително количество въглеродни окиси. При подаване на повече въздух от необходимото, част от топлината се губи с димните газове. Точното определяне на необходимото количество въздух гарантира ефективен горивен процес. Обикновено, регулирането на подавания въздух се осъществява чрез димохода или вентилатора. Устройството и ефективността на котела за директно изгаряне зависи и от вида на използваното гориво.

Принципно, технологията за изгаряне на биомаса е подобна на тази на изгаряне на въглища. Въглищата и биомсата, на практика, се подават и изгарят по подобен начин, поради което те биха могли да се използват едновременно като се смесват в определени пропорции.

Процесът пиролиза

В последните години пиролизните котли, поради високия си КПД, все повече разширяват пазарния си дял. Предназначени са предимно за изгаряне на дървесина, а също така и за изгаряне на пелети и дървесни брикети.  Пиролизата на биомаса представлява процес, при който биомасата се излага на висока температура, обикновено до 300 - 500 °С в отсъствието на въздух, което я разлага. Крайният продукт на пиролизата е смес от твърди (въглен), течни (оксидирани масла) и газови (метан, въглероден монооксид и въглероден диоксид) съставки.  Конструктивно, пиролизните котли са разработени така, че да се осигури протичането именно на този процес. Камерата, в която се намира дървесината, е добре херметизирана, с което се ограничава проникването на кислород в нея. Дървесината се загрява до висока температура, обикновено в диапазона от 200 до 800 °С. В така създадените условия, дървата в котела не горят, а тлеят, при което се осъществява термичното им разлагане. Крайният продукт от този процес е смес от твърди (въглен), течни (оксидирани масла) и газови (окиси на въглерода и водорода, въглероден диоксид и азот) съставки. Комбинацията от така получените газове се нарича пиролизен газ, който, изгаряйки в горивната камера, отделя определено количество топлина.

Класификация на котлите на биомаса

Основно, котлите на биомаса могат да се разделят на три групи: котли, предназначени за изгаряне на пресована биомаса – брикети и пелети, котли, в които може да се изгаря биогориво с влажност до 30% и котли за влажни биогорива, т.е. горива с влажност до 55%. Отделно, в зависимост от вида на използваната биомаса, могат да бъдат котли специално предназначени за изгаряне на пресовано биогориво, за изгаряне на дървесни трески и стърготини, костилки, за изгаряне на торф и смес от торф и други.

Котли за изгаряне на пелети

През последните години, котлите на пелети са сред решенията, придобиващи все по-голяма популярност. Сравнително нови като технология, те намират все по-широко приложение, поради съчетанието на висок КПД, лесно обслужване и възможността да се използват за загряване на вода за отопление и за битово горещо водоснабдяване. Произвеждат се в голям диапазон от мощности подходящи за отопление на еднофамилни къщи, по-големи жилищни и административни сгради, както и на производствени помещения.

Комфортът, който осигуряват котелните инсталации, работещи на пелети, обикновено се сравнява с комфорта, осигуряван от котлите на течно или твърдо гориво. Това се дължи на фактори като високия коефициент на полезно действие на пелетните котли, движещ се в границите 84 - 93% (някои производители посочват и значително по-висок КПД, достигащ 97%), автоматизираното подаване на гориво, доброто поддържане на необходимата температура на въздуха в отопляваните помещения, възможността за програмиране на работата на инсталацията за седмици напред и други. Котлите са снабдени и със система за защита от аварии, което гарантира сигурността на потребителя. Мощността на котлите на пелети варира в много широк диапазон. Обикновено, битовите котли се произвеждат с мощност от 15 до 100 kW, докато мощността за промишлените може да достигне до 20 МW.

Фактори влияещи върху ефективността

Достигането на висок коефициент на полезно действие при котлите на пелети, е в пряка зависимост от начина на изгаряне на пелетите и технологията за гранулиране на дървесината.

Например, в зависимост от използваната горелка, котлите на пелети могат да се подразделят на два вида – котли с вградена в тях горелка и котли с външна горелка. Котлите с вградена горелка са предназначени предимно за отоплителни инсталации в жилищни сгради, поради което тяхната мощност обикновено не превишава 300 kW. Към предимствата на подобни системи, могат да се посочат малкото енергопотребление, ниското шумово ниво при работа, високата икономичност. Вторият вид котли се използват предимно в различни производства, характеризират се с висока точност на дозиране на горивото и бързо изменение на мощността.

От значение за достигане на висок КПД е и фактът дали котелът е специално конструиран за изгаряне на дървесни гранули или към котел на дърва е добавена пелетна горелка. Висок КПД може да се достигне в първия случай, при котела предназначен за изгаряне на пелети. Тогава може да се очаква котелът да достигне КПД до 93%, при минимални експлоатационни разходи. Вторият вид котли, обикновено достигат максимално КПД 60% и то при много по-големи експлоатационни разходи.

Автоматизирано подаване на пелетите

Всички отоплителни инсталации с котел на пелети са с автоматизирано подаване на пелетите като обикновено се използва шнеково устройство. По този начин се осигурява точно дозиране и подаване на пелетите директно в горивната камера и се постига ефективното изгаряне на горивото. Пепелта, отделена при изгарянето на пелетите е около 0,5%, а съдържанието на сажди в изходящите газове е сведено почти до минимум. Благодарение на малкото количество пепел, котелът не изисква всекидневно обслужване. Често котлите са и с автоматизирано отвеждане на пепелта, при което котелът може да работи самостоятелно дълго време.

Разпалването на пелетите в котела, също в повечето случаи е автоматично. Използването на автоматична горелка позволява гъвкаво регулиране на мощността на котела.

Изисквания към комина

Коминът за котела на пелети обикновено се изпълнява от неръждаема стомана. В ниската му част задължително се предвижда отводяща тръба за отвеждане на кондензата. При правилен монтаж на комина и точна настройка на котела, се отделя около 4-5 л кондензат за седмица, но при грешка в монтажа,  количеството отделян кондензат нараства в пъти. За очистване на димоотводните канали на пелетния котел от сажди, някои модели пелетни котли са оборудвани с турбулизатори – очистители. Обикновено, почистването се прави по сигнал от автоматиката, което е признак, че е настъпил критичен момент – увеличаване на температурата на изходящите газове.

Котли за изгаряне на слама

Приема се, че сламата като източник на биомаса, също предоставя сравнително голям потенциал за производство на топлина. Котлите за изгаряне на слама са добре познати на специалистите, но до преди години не бяха широко разпространени поради ниската им ефективност. Те се характеризираха с изключително нисък КПД, който варираше в порядъка на 30-35%. Днес, коефициентът им на полезно действие надвишава 70%. Обикновено се подразделят в две основни групи – котли с периодично действие и котли с автоматично зареждане.

Трудностите при използването на котли за изгаряне на слама е свързано със сравнително сложното събиране, транспортиране и съхраняване на сламата. Трудности възникват и в етапа на нейното изгаряне. Сламата като гориво се характеризира с нееднородна структура, относително високата влажност, нисък енергиен потенциал, ниска температура на възпламеняване. Обикновено, за котлите се използват два основни типа суровина. В по-малките съоръжения се оползотворява мляна слама, която наподобява дървесните трески. За котли с по-високи мощности се доставят бали със слама.

Специфики при процеса на изгаряне на сламата

По време на изгаряне на сламата се отделят летливи вещества, които налагат специфични изисквания към разпределението и смесването на въздуха, постъпващ в зоната на горене, а така също и към конструкцията на горивната камера на котела. Например, при изгарянето на ечемик се отделят захари, които могат да доведат до понижаване ефективността на съоръжението.

За подобряване условията на протичане на горивния процес, потокът въздух в котела се регулира като постепенно се изменя от горната към долната секция. При постепенно преместване на областите на подаване на въздуха, може да се достигне равномерно изгаряне на сламата. Препоръчва се, с цел осигуряване на добро смесване на продуктите на горене, въздухът да се подава в направление противоположно на посоката на изхвърляните димни газове от горивната камера. Върху ефективността на котела, влияние оказва и влажността на сламата. Допустими стойности са от 10 до 25% влажност, като специалистите препоръчват да се използва слама с влажност не по-висока от 15-18%.

Ефективност на котлите

По данни на производители, котлите с периодично действие постигат КПД около 75%. Съдържанието на въглеродни окиси в отделяните продукти от горенето е по-малко от 0,5 %. Към тези котелни инсталации често се включват и акумулатори за съхраняване на топла вода.

Котлите с автоматично зареждане се отличават с това, че към него се включва и устройство за дозиране, което непрекъснато подава слама в котела. Предлагат се устройства за зареждане с цели бали слама, натрошена слама и слама във вид на гранули.

За да бъде една котелна инсталация за изгаряне на слама ефективна, се препоръчва тя да е с мощност от около 1 MW.  Не се препоръчва използването на съоръжения с мощност по-малка от 200-300 kW.

При използването на котли за изгаряне на слама, от голямо значение е осигуряването на добри условия за складиране и съхранение, особено през зимата, тъй като тя се отличава със силно изразен сезонен характер. Сламата може да се съхранява и на открито, но е добре да се има предвид, че начинът на съхранение оказва влияние върху качеството й.

Избор на котел за изгаряне на биомаса

При избор на котел на биомаса е добре предварително да се знае видът на използваното биогориво. Причината е, че един котел, предназначен за един вид биомоса, не би работил ефективно с друг вид биомаса поради специфичните характеристики на отделните биогорива. Пълната ефективност на котела би се постигнала само тогава, когато той работи с вида гориво, за което е предназначен. Например, котлите за изгаряне на биомаса с влажност не повече от 30%, не биха били ефективни при изгарянето на биомаса със съдържание на вода около 50%, нито за рафинирано биогориво. Причината е, че за изгарянето на суровините с по-висока влажност е необходимо достигането на по-висока температура във вътрешността на котела, а когато котелът е предназначен за суровина с по-малка влажност, достигането на необходимата температура съществено би намалила неговата ефективност като цяло.

Важен критерий е икономическата ефективност на инсталацията, работеща на биомаса. За определянето й се взимат предвид комплекс от фактори, сред които са цена на биомасата, годна за енергийна преработка, вид на генерираната енергия (гореща вода, пара или комбинирано производство на топло- и електроенергия) и други.