Технологични новости при котлите на биомаса

През 2012 г. общото количество произведена енергия от биомаса е било над 51 EJ, което представлява около 10% от генерираната енергия в световен мащаб. Около 50% от тази енергия е използвана в развиващите се страни за традиционните битови нужди (отопление и готвене) с ниска ефективност.

Модерното производство на електроенергия от биомаса понастоящем съставлява 1,5% от глобално потребяваната електроенергия, което се равнява на около 280 TWh. Високоефективното използване на биомаса, като изгаряне във флуидизриран слой, съвместно горене с изкопаеми горива, комбинирано производство на топлинна и електроенергия и газификация, бележи висок ръст в развитието си в световен мащаб.

Цялостната ефективност на когенерационните инсталации за промишлено или централно отопление, работещи на биомаса, е от порядъка на 70-90%. Широкият спектър на техники за предварителна обработка на биомаса, като пелетизиране, нискотемпературна и конвенционална пиролиза, имат за цел да подобрят характеристиките й, способствайки за по-ефективното и евтино транспортиране, обработка и употреба.

Ефективността на инсталациите на биомаса и когенерационните системи зависи от използваните за тях горелки и котли. Котлите с водно охлаждане и вибрационна решетка намират приложение за производство на енергия от дървесни остатъци.

Работещи на принципа на естествената циркулация, тези котли са проектирани да изгарят дървесни остатъци с 30% влажност и с ниска калоричност от приблизително 13,8 MJ/kg. Средната мощност на тези инсталации е от порядъка на 10 MWe.

Котлите с флуидизиран слой и барбутиращ флуидизиран слой за твърда биомаса са сред предлаганите на пазара днес технологии, които осигуряват висока ефективност, ниски нива на емисии и голяма гъвкавост по отношение на използваното гориво. За по-мащабни инсталации обаче (над 20 MWt) се изисква солидно начално капиталовложение.

Непрекъснатият прогрес в развитието на когенерационната технология позволи появата на ново поколение инсталации с подобрени работни параметри по отношение генерирането на пара и по-висока ефективност. Котлите с изгаряне в циркулиращ флуидизиран слой предлагат нови възможности за когенерационните инсталации, работещи с биомаса. Изборът между барбутиращ и циркулиращ флуидизиран слой зависи в най-голяма степен от използваното гориво.

Котлите с изгаряне в циркулиращ флуидизиран слой се прилагат в големи когенерационни инсталации или в електроцентрали, имащи капацитет от стотици MWe, но също така и в по-малки централи с неконвенционални горива, като отпадъчна биомаса например, с по-ниски работни показатели и предоставящи по-голяма възможност за избор на гориво.

Комбинираното изгаряне на биомаса в централи, използващи въглища, също е предпоставка за висока ефективност - между 36 и 44%. Съвместното изгаряне в централи на въглища обаче изисква значително модернизиране на котлите, както и инсталирането на специфично оборудване и осигуряването на пространство за съхранение на биомасата.

Необходими са и съоръжения за пречистване на отпадъчните газове, особено при използване на значителни количества биомаса. В сравнение с горенето на въглища, изгарянето и на биомаса може да намали емисиите на азотни оксиди, поради по-ниското съдържание на азот в нея.

Предварителна обработка на биомасата

Най-често срещаните видове предварителна обработка на биомасата включват: изсушаване за намаляване съдържанието на влага и транспортните разходи, както и за подобряване ефективността на горене; пелетизиране и брикетиране за механично вплътняване на насипна биомаса като дървесни стърготини или селскостопански остатъци; нискотемпературна пиролиза (за дървесна биомаса), при която биомасата се нагрява в отсъствието на кислород до около 200-300°C и се овъглява, като процесът е подобен на този за производство на дървени въглища.

След нискотемпературната пиролиза, дървесната биомаса обикновено се пелетизира, достигайки енергийна плътност, която е с 25-30% по-висока от тази на конвенционалните пелети, а качеството й е близко до това на въглищата.

Пиролизата е още един термохимичен процес за предварително третиране, при който биомасата се нагрява до температури от 400-600°C в отсъствието на кислород до получаване на пиролизно масло (наричано още био масло), заедно с твърд овъглен остатък и газ като страничен продукт. Маслото от пиролизата има енергийна плътност, която е двойно по-голяма от тази на дървесните пелети. Това го прави по-подходящо за транспортиране на големи разстояния.

И докато предварителната обработка на биомасата и подобряването на свойствата й улесняват транспортирането й и повишават горивната ефективност, енергийната й плътност остава по-ниска от тази на въглищата. Поради тази причина в повечето случаи използването на биомаса е икономически обосновано, само ако ресурсите са налични на местно ниво, а въглищата трябва да бъдат внасяни.

Котли със стокер

В котлите с механично зареждащо устройство (стокер) се извършва директно изгаряне на твърдо гориво в среда с излишък на въздух, в резултат на което се получават горещи димни газове, от които в топлообменната зона на котела се генерира пара. Парата се използва директно за отопление, или се подава към парогенератор с турбина за производство на електроенергия.

Механичните стокери са традиционната технология, прилагана за автоматично подаване на твърдо гориво към котела. Всички стокери са проектирани да подават гориво към решетката, върху която протича изгарянето, като въздухът преминава през нея. Стокерът се намира в пещта на котела и е проектиран така, че да осигурява и отстраняване на натрупаната пепел след изгарянето.

Стокерите механично подават гориво към горящия слой върху и над решетката, намираща се в основата на котела. Топлината от пламъка и газовете се отдава на водопроводи, разположени на стените на котела.

Модерните механични стокери се състоят от 4 компонента: система за прием на гориво; стационарна или подвижна решетка, която служи за опора на изгарящото гориво и позволява преминаването на въздуха; въздушна система, разположена над огъня, подаваща допълнително въздух за протичане на горенето и минимизиране на емисиите, отделяни в атмосферата; система за отделяне на пепелта.

Успешната инсталация на такъв котел изисква избор на правилния размер и вид на стокера спрямо използваното гориво, условията на зареждане, както и необходимите количества за подаване. Котлите със стокери се класифицират според метода на подаване и разпределяне на горивото, като те биват два вида - с долно и горно зареждане.

Стокерите с долно зареждане подават и горивото, и въздуха от долната страна на решетката, докато тези с горно зареждане подават гориво над решетката, а въздух - изпод нея. Стокерите с горно зареждане, от своя страна, се подразделят на още два вида - с масирано захранване и разпределител. При масираното захранване горивото се подава непрекъснато от единия край на решетката и минава хоризонтално към другия край, откъдето се отделя пепелта.

Въздухът за горенето се подава изпод решетката, преминавайки през горящия слой гориво. При втория вид въздухът отново се подава от долната страна на решетката, но горивото се разпределя равномерно върху нея. По-дребните частици от горивото изгарят, попадайки в движещия се нагоре въздух. Оставащите по-тежки частици падат и изгарят върху решетката, като получаващата се пепел се отделя от долната й страна.

Котлите с верижна, подвижна или вибрираща решетка и водно охлаждане са други по-малко разпространени конфигурации, използващи различни начини за поддържане на равномерен, тънък пласт от горящо гориво върху решетката.

Котли с флуидизиран слой

Котлите с флуидизиран слой са най-новият вид котли, предназначени за изгаряне на твърдо гориво. Главната движеща сила за разработването на тази технология са редуцираните емисии на серен диоксид и азотни оксиди при изгаряне на въглища. С развитието й става видно, че процесът може да се използва за ефективно изгаряне и на биомаса, и на други нискокачествени горива, които са трудни или непрактични за изгаряне посредством конвенционалните методи.

При тази технология горивото се изгаря в пласт от горещи инертни или негорими частици, намиращи се във възходящ поток горивен въздух, подаван от дъното на горивната камера и поддържащ слоя в плаващо или флуидизирано състояние. Материалът от флуидизирания слой подобрява условията на горене, тъй като улавя емисиите на въглероден диоксид и едрите овъглени частици, които обикновено се натрупват около горивото.

Процесът позволява на кислорода да достига до горимия материал по-лесно и увеличава ефективността на горене. Едно от предимствата на смесването във флуидизиран слой е възможността за по-компактна конструкция на котела. За запалване на котела или подгряване на флуидизирания слой могат да се използват природен газ или нафта, които са подходящи и за помощни горива, когато е необходима допълнителна топлина.

Ефективното смесване прави котлите с флуидизиран слой много подходящи за изгаряне на твърди остатъци, дървесни отпадъци и други нестандартни горива.

Процесът на изгаряне във флуидизирания слой дава възможност за ефективно смесване на горивото с въздуха за изгарянето.

При подаване на гориво към слоя, то мигновено се нагрява до температура над точката му на запалване, възпламенява се и става част от горящата маса. Притокът на въздух и гориво към слоя се контролират така, че от пещта на котела да се отделя желаното количество топлина. Обикновено биомасата се изгаря с 20 или повече процента излишък на въздух.

Само малка част от флуидизирания слой е горим материал - остатъкът се състои от инертен материал като пясък например. Този инертен материал предоставя голямо количество топлина в пещта, компенсирайки кратките колебания при подаването на гориво или при изпускането на пара.

Котлите с флуидизиран слой могат да работят при атмосферно или по-високо налягане. Атмосферните котли от своя страна се делят на такива с барбутиращ и с циркулиращ флуидизиран слой. При котлите с циркулиращ флуидизиран слой твърдите горивни частици, унесени с изпусканите с много висока скорост димни газове, се улавят и връщат в горящия слой до пълното им изгаряне.

Атмосферните котли с барбутиращ флуидизиран слой се използват най-често за изгаряне на биомаса. Видът на избрания флуидизиран слой се определя в зависимост от посочената калоричност на биомасата. Технологията с барбутиращ флуидизиран слой обикновено се предпочита за горива с по-ниски калорични стойности, а циркулиращият слой е по-подходящ за горива с големи калоричности.

При котлите под налягане цялата горивна камера с флуидизирания слой е разположена в голям съд под налягане. От изгарянето на твърди горива в котел под налягане се получава поток от горивни газове под високо налягане. След преминаването на горещите газове през система за пречистване те се подават към газова турбина за производство на електроенергия. Котлите с флуидизиран слой под налягане са по-ефективни, но и по-сложни и скъпи в сравнение с тези със слой под атмосферно налягане.