Отоплителни системи на биомаса

Проектирането на цялостна система за отопление, работеща на биомаса, изисква задълбочени познания за всеки един от компонентите й. Успехът на тези инсталации зависи от внимателните изчисления на топлинния товар и отчитането на набор от специфични за площадката условия. Поради това всяка система за отопление на биомаса е различна. В допълнение, регулаторните изисквания и стимули в областта варират в широки граници на национално и регионално равнище.

Внедряването на отоплително решение на биомаса за определен обект или клиент е комплексна процедура. Най-простите конвенционални отоплителни системи се състоят от котел и разпределителна инсталация. При системите за отопление на биомаса има редица възможности по отношение на избора на котел и гориво, и въпреки че често могат да бъдат интегрирани в съществуващи разпределителни инсталации, за оптималното им функциониране са необходими няколко допълнителни компонента. Те включват решения за съхранение и манипулиране на горивото, допълнителни котли, системи за съхранение на топлинна енергия и съоръжение за отделяне на пепелта.

Горивни системи

Изгарянето на биомаса е основната технология за получаване на биоенергия и отговаря за над 90% от генерирането й. Изборът на определена конструкция на горивната система се определя в зависимост от редица фактори – характеристиките на горивото, енергийния капацитет и тенденциите в енергийните нужди, разходите и експлоатационните параметри на оборудването, както и местното законодателство.

Системите на биомаса обикновено включват котел, система за съхранение на горивото, изпускащо устройство (комин), система за разпределение на генерираната от котела гореща вода и централно управляващо устройство. В отоплителните системи на биомаса горивото се транспортира от хранилището до горивната камера, където се изгаря. Инсталират се вентилатори, които подобряват топлообмена и осигуряват достатъчно въздух за оптимален горивен процес. Димните газове от горенето преминават през топлообменник и отдават енергията си на вода. С помощта на циркулационна помпа загрятата вода се транспортира през разпределителната система. За да се намалят топлинните загуби в котелното помещение, котелът и всички тръби трябва да бъдат добре изолирани.

Сред характеристиките на съвременните отоплителни системи на биомаса са висока горивна ефективност (80-90%), свръхниски емисии, напълно автоматизирано функциониране (автоматично запалване и спиране, подаване на горивото, отстраняване на пепелта, почистване на топлообменника), високи нива на експлоатационна и пожарна безопасност, ниски разходи за гориво.

Модерните системи използват двустъпален горивен процес, за да се постигне възможно най-пълно изгаряне на горивото. В първичната горивна зона, която се намира върху решетката, протичат процеси на сушене и изгаряне в твърда фаза. При това се отделят летливи газове, които се изгарят с въздуха във вторичната горивна зона. Двустъпалният процес води до пълно изгаряне и много ниски емисии на прахови частици поради липсата на неизгорели въглеводороди в димните газове.

Съществуват три основни вида горивни системи в зависимост от подаването на гориво. При системите с хоризонтално захранване горивната камера е оборудвана или с решетка, или с горивна плоча. Горивото се подава хоризонтално в горивната камера. По време на горенето то се избутва в хоризонтално направление от зоната за захранване върху горивната плоча или решетка. Тези системи могат да работят на дървесен чипс или пелети.

При системите с дънно захранване горивото се подава в горивната камера от долната й страна. Тези инсталации са най-подходящи за горива с ниско пепелно съдържание като дървесен чипс с ниско влагосъдържание или дървесни пелети.

Системите със стъпаловидна или подвижна решетка са предназначени за по-големи котли и нискокачествени горива с високо влагосъдържание. Влажното гориво се подава от горната страната на наклонена подвижна решетка и се избутва към горивната зона, като същевременно се изсушава.

Системи с горно захранване могат да намерят приложение и в малки инсталации, работещи на пелети. Горивото пада през шахта върху горящия слой, поддържан от решетка. Захранващата система и горивният слой са разделени, което намалява риска от пренасяне на пламъка в хранилището за гориво. Отстраняването на пепелта може да се осъществи механично или ръчно.

Избор на гориво

Ключовите характеристики на биомасата като гориво са енергийната плътност, влагосъдържанието, размерът на частиците и пепелните свойства. Горивата се избират така, че да отговарят на технологичните и екологичните изисквания на горивния процес.

По принцип нискокачествените горива демонстрират нехомогенни характеристики, включително високо влагосъдържание, вариращ размер на частиците и недобро топене на пепелта. Такива горива обикновено се използват в мащабни системи, докато по-висококачествените горива са по-подходящи за по-малки инсталации. Това се дължи на сложността и издръжливостта на захранващите системи, горивната технология и управлението на емисии.

Повечето системи на биомаса работят с дървесен чипс или дървесни пелети, въпреки че често в такива инсталации се изгарят и остатъци от селското стопанство. Докато някои котли са проектирани с възможност за изгаряне на няколко горива, други са по-специализирани и при тях смяната на гориво не е практична поради необходимостта от промяна на настройките в съответствие с различните горивни характеристики.

Нискокачественият дървесен чипс може да има влагосъдържание от 50 или повече процента и относително ниска енергийна плътност (630-860 kWh/m3), докато при висококачествения чипс влагосъдържанието е около 30% (690-930 kWh/m3). Дървесните пелети с високо качество следва да са със съдържание на вода под 10% и енергийна плътност около 3100 kWh/m3.

Сред ключовите фактори при избора на гориво са необходимото количество, което ще се съхранява на място, и начинът му на доставка. За обекти с по-ниски или непостоянни топлинни товари и пространствени ограничения са по-подходящи пелетите, докато за обектите с по-големи топлинни товари се смята, че дървесният чипс би бил по-икономичен.

Производителите на котли специфицират кои горива са подходящи за всяко съоръжение в съответствие с предварително дефинирани стандарти. Тези стандарти регулират всички аспекти на характеристиките на горивото, включително енергийна плътност, влагосъдържание, размер и разпределение на частиците.

Оразмеряване

Котлите на изкопаеми горива (особено на газ) имат способността да адаптират производителността си спрямо различните нива на енергийни нужди. По тази причина те често се преоразмеряват, за да се минимизира рискът от това да не се достигне необходимата температура. Котлите на биомаса се отличават с по-малка гъвкавост и в случай че бъдат преоразмерени, може да се стигне до честото им включване и изключване, което да доведе до нискокачествено горене, ниска ефективност, високи нива на емисии, допълнително износване на компонентите и повишен риск от възникване на неизправност.

Затова при планиране на котелната инсталация трябва да бъдат отчетени поотделно основният и пиковият товар. Спецификациите са различни в зависимост от производителя и вида на котела, но по принцип котлите на дървесен чипс не трябва да работят продължително на по-малко от 30% от капацитета си. За котли на дървесни пелети, които са по-гъвкави, стойността може да бъде около 25%.

Съхранение на топлинната енергия

Както беше отбелязано, котлите на биомаса реагират по-бавно на енергийните нужди и затова в повечето случаи отоплителните инсталации на биомаса трябва да включват система за съхранение на топлинна енергия. Когато са подходящо проектирани и интегрирани, системите за съхранение на топлинна енергия увеличават максимално броя часове, в които котелът може да работи на пълно натоварване. Това понижава общите разходи за генериране на топлина и подобрява въглеродните спестявания.

Системите за съхранение на топлинна енергия представляват силно изолирани стоманени резервоари, изпълняващи две основни функции. Те служат като буферен съд и могат да предпазят системата, действайки като топлинен резервоар при спиране на котела, и допринасят за изглаждането на пиковете в енергийните нужди.

Терминът “буферен резервоар” често се използва за акумулаторни резервоари, които са по-големи и предоставят по-добра възможност за системно управление. Акумулаторните резервоари позволяват на котела да работи по-продължително при номинален товар, избягвайки нуждата от многократно спиране и повторно запалване на котела при ниски енергийни потребности.

Размерът на резервоара се определя от фактори като номинален капацитет и размер на котела, както и наличното пространство за разполагането му. Стойности между 20 и 60 литра на kW инсталиран капацитет обикновено се приемат за норма, но не следва да се спазват задължително, тъй като всяка система е различна.

Подаване и съхранение на горивото

Системите за подаване и манипулиране на гориво са необходими за транспортирането му от мястото на доставка до хранилището и от хранилището до горивната инсталация. Поради директното й въздействие върху експлоатационната готовност и ефективността на котела системата за подаване на гориво трябва да бъде проектирана внимателно и да е адаптирана към използваната горивна технология.

В по-големите инсталации и отоплителни централи обикновено се използват лентови конвейери, транспортиращи огромни количества гориво на по-дълги разстояния. Те са надеждни, с относително прост дизайн и ниска цена.

Винтовите конвейери често са със затворена конструкция и позволяват транспортирането на материали без отделяне на прахови емисии. Те могат да бъдат използвани за материали с по-малък размер на частиците (под 50 mm), както и за пелети и дървесен чипс. Сред основните недостатъци на тези конвейери е възможността да се блокират от гориво, което не е по спецификация. Други проблеми могат да възникнат вследствие на натрупания прах от нискокачествени пелети с лоша механична устойчивост. Тези недостатъци могат да бъдат ограничени чрез използването на висококачествени горива и осигуряване на възможно най-малка дължина на конвейера.

Изборът на захранваща система се прави на база характеристиките на горивото, разстоянието и височината, до които трябва да се транспортира то, риска от отделяне на прах, обема и дебита на пренасяното гориво. Механизмите за манипулиране на гориво често са причина за неизправност на системата. Поради това е добре освен капиталовите инвестиции да се отчетат и разходите за поддръжка и експлоатация, както и потенциалните загуби вследствие на непланиран престой на котела.

Ключови фактори при проектирането на хранилище за горивото са обемът и достъпът. Биомасата е с по-ниска енергийна плътност от изкопаемите горива и поради това необходимото пространство за съхранение е по-голямо, за да не се стигне до неприемлива честота на доставките, особено през зимните месеци. Обемът на хранилището трябва да е съобразен и с размерите на използваните за доставка превозни средства.

Пепел и емисии

Пепелните характеристики варират в зависимост от вида на горивото, като по-висококачествените горива обикновено генерират по-малко пепел. За дървесните пелети с най-високо качество пепелното съдържание трябва да е под 0,7 тегловни процента, като може да достигне и стойности между 0,3 и 0,5% в зависимост от условията на изгаряне. Дървесният чипс с добро качество генерира повече пепел – около 1-1,5%.

Автоматичното отстраняване на пепел е стандартна характеристика на всички съвременни котли. Тези системи значително намаляват необходимостта от поддръжка, въпреки че на определени интервали се препоръчва и ръчно почистване. Пепелта може да се натрупа върху решетката (дънна пепел) или да бъде отстранена с димните газове (летлива пепел).

Отделяните фини прахови частици не са с достатъчни размери, за да се отстраняват посредством циклон и поради това се използват керамични филтри. Други емисии от изгарянето на биомаса, които се регулират от законодателството, са азотни и серни оксиди, както и въглероден диоксид. Емисиите на азотни оксиди могат да варират между 60 и 170 mg/MJ, което е повече в сравнение със системите на газ (5-20 mg/MJ) например.

Изгарянето на биомаса води до генерирането на ниски емисии на серни оксиди – около 20 mg/MJ. Емисиите на въглероден диоксид са относително високи, но изгарянето на биомаса с устойчив произход може да се смята за почти въглерод-неутрално.