Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 220.

Соломенная энергия

В России биомасса растительного происхождения в качестве источника энергии практически не используется. Между тем, во многих странах мира давно по достоинству оценили этот вид альтернативного топлива. В Африке, Азии и Южной Америке немалую часть электроэнергии получают именно из сырья растительного происхождения. С этой целью, например, выращивают рапс и другие пригодные для сжигания культуры. Впрочем, растительное топливо можно получать и без культивации - просто используя то, что в буквальном смысле валяется под ногами. В первую очередь - это солома, остающаяся на полях в огромных количествах.

Основными технологиями термохимической переработки биомассы являются прямое сжигание (наиболее изучено и коммерчески развито), газификация и пиролиз.

В настоящее время мировым лидером в использовании соломы в энергетических целях является Дания. Здесь доля соломы в общем энергопотреблении составляет около 1,5% (а биомассы в целом - около 6%). При этом три четверти соломы остаются неиспользованными, то есть ее долю в энергопотреблении можно увеличить в четыре раза - примерно до 60 ПДж.

С целью получения тепловой энергии солому в Европе используют Австрия (несколько фермерских установок и пять тепловых станций) и Швеция (около 70 фермерских установок и 5 тепловых станций, применяющих солому в качестве дополнительного сырья). Тепловые станции и фермерские котлы, использующие солому, есть также в Финляндии и Франции.



Растительное топливо

Солому достаточно сложно использовать в виде сырья для прямого сжигания как на этапах сбора, транспортировки и хранения, так и на этапе непосредственного сжигания. Это связано с неоднородностью продукта, относительно высокой влажностью, малым объемным энергосодержанием, достаточно низкой температурой плавления золы и повышенным содержанием хлора. Объемы соломы и угля, равные по энергосодержанию, различаются примерно в 10-20 раз.

Выход летучих компонентов при сжигании соломы (около 70%) обусловливает необходимость специальных требований к распределению и смешиванию воздуха, поступающего в зону горения, а также к конструкции топки котла.

Температуры размягчения и плавления золы соломы относительно низки из-за высокого содержания щелочных металлов. Как следствие, на низкотемпературных поверхностях могут появляться шлаковые образования. Большое содержание хлора, наблюдающееся в соломе овса, ячменя и рапса, приводит к повышенной коррозии элементов котлов.

В контрактах между тепловыми станциями, использующими солому в качестве сырья для сжигания, и поставщиками обычно оговариваются две основные характеристики: влажность соломы и степень ее увядания. Диапазон влажности, допустимый для сжигания соломы на станциях, составляет 10-25%. Оптимальное значение влажности - 15%. При превышении этого значения цена, по которой станция закупает солому, снижается. Требования к максимально допустимому значению влажности соломы не совпадают для различных станций, но обычно находятся в пределах 18-22%.

Степень увядания показывает, как долго солома оставалась на поле после сбора урожая и каково было количество осадков за этот период. Чем больше степень увядания, тем ниже уровень концентрации щелочных металлов и соединений хлора - вследствие их вымывания. Для вымывания хлоридов из соломы достаточно 5-7 дней. Таким образом, уменьшается опасность коррозии поверхностей элементов оборудования и появления на них шлаковых образований.



Хранение и транспортировка

Солому заготавливают в виде брикетов.

После формирования брикетов их погружают на транспортные средства при помощи ковшового погрузчика, установленного на тракторе, и доставляют в фермерские хозяйства для хранения.

Хранение соломы может осуществляться различными способами. По степени удешевления стоимости хранения они располагаются следующим образом: хранение соломы в амбарах, в "голландских" амбарах (представляют собой крышу и опоры), под брезентом, под пластиком, под открытым небом. Способ хранения влияет на качество соломы. При хранении в стогах под открытым небом около 10% соломы становится непригодной для энергетического использования. Хранение в "голландском" амбаре также может привести к ухудшению качества соломы, поскольку влажность наружного слоя толщиной 0,5 м при этом возрастает до 20-25%.

Измельчение соломы может производиться с помощью соломорезки или скарификатора. Первые соломорезки имели большую скорость вращения, что приводило к опасности искрообразования, высокому энергопотреблению, необходимости технического обслуживания, непригодности их для влажной соломы. Им на смену пришли более совершенные соломорезки с небольшой скоростью вращения (около 30 об/мин). Некоторые тепловые станции Дании оборудованы соломорезками, однако на новых станциях они уже не устанавливаются.

Соломорезки постепенно вытесняются скарификаторами, при работе которых брикеты соломы разделяются на части, и солома фактически возвращается к своему исходному состоянию перед брикетированием. При этом сводятся до минимума указанные выше недостатки. Измельченная солома вдувается в котел с помощью воздуходувок. Производительность скарификаторов составляет 15-1000 кг/ч, скорость вращения - до 30 об/мин.
Разновидностью скарификаторов являются так называемые соломоразделители, в которых нет вращающихся частей, а брикеты соломы измельчаются при продвижении между парой зубчатых полос.



Технологии выработки энергии

Типичное оборудование для производства энергии из соломы - это фермерский соломосжигающий котел, тепловая станция и станция комбинированной выработки тепла и электроэнергии (КТЭ).

К фермерским относятся котлы мощностью менее 1 МВт. Они подразделяются на котлы периодического действия и котлы с автоматической загрузкой сырья. В настоящее время большая часть фермерских котлов периодического действия предназначена для сжигания средних и крупных брикетов соломы.

Для улучшения условий протекания процесса горения и снижения эмиссии частиц в продуктах сгорания расход воздушного дутья регулируется, постепенно изменяясь от верхней до нижней секций котла. При постепенном перемещении области подачи воздуха можно достичь равномерного горения брикета соломы. Для обеспечения тщательного перемешивания продуктов сгорания воздух должен подаваться в направлении, противоположном выходу дымовых газов из топки котла (горизонтально с того же конца топки, где расположен выход дымовых газов, или вертикально сверху вниз из-под трубок, по которым выходят продукты сгорания). Топка фермерского котла теплоизолирована. Как правило, влажность соломы не должна превышать 15-18 %. КПД работы котла периодического действия - около 75 %, уровень содержания СО в продуктах сгорания - менее 0,5 %. Практически все фермерские котлы оборудованы баком-аккумулятором для хранения горячей воды, что дает более качественное сжигание, хотя расход соломы при этом существенно не снижается.

Котлы с автоматической загрузкой сырья отличаются тем, что в состав установки входит устройство дозировки, автоматически непрерывно подающее солому в котел. Существуют устройства дозировки для целых брикетов соломы, измельченной соломы и соломенных гранул.



Соломосжигающие станции

Тепловые соломосжигающие станции можно классифицировать по типу установленного котла. Используются следующие виды котлов:
- котел для сжигания резаной соломы;
- котел для сжигания соломы, измельченной скарификатором;
- котел для сжигания брикетов соломы методом сигарного сгорания;
- котел периодического действия (сжигание целого брикета соломы);
- котел для сжигания разделенных на части брикетов соломы.

Тепловые станции, на которых брикеты соломы сжигаются по методу сигарного сгорания, работают следующим образом. Брикеты соломы целиком захватываются подъемным краном и перемещаются в систему подачи сырья, откуда гидравлическим поршнем непрерывно проталкиваются в котел. Они сгорают с одного конца по мере продвижения в топку котла. То есть фронт горения неподвижен, а через него, сгорая, перемещаются брикеты. При нагреве соломы выделяются летучие вещества, которые сгорают вследствие подачи вторичного воздуха через ряд форсунок. Несгоревшие частицы соломы и зола из фронта горения падают на водоохлаждаемую решетку, где происходит полное догорание сырья. Очистка продуктов сгорания происходит в тканевом фильтре.

В котлах, использующих солому, измельченную скарификатором, горение происходит в нескольких зонах на подвижной литой металлической решетке. Сырье на решетку подается пневмотранспортом и шнеком. В каждую зону сквозь решетку подается первичный воздух. Для обеспечения сгорания летучих веществ подается вторичный воздух, который подводится через форсунки, расположенные определенным образом на стенке котла. Из топки продукты сгорания попадают в конвективный отсек котла, где через стенки отдают основную часть своего тепла циркулирующей воде. На большинстве станций имеется экономайзер-теплообменник, расположенный за конвективным отсеком, что приводит к повышению общей эффективности работы установки.

На тепловой станции с котлом периодического действия брикеты соломы из загрузочного канала поступают в предтопок, который работает как газификационная камера. В предтопке брикеты воспламеняются от контакта с уже горящим сырьем. Подвод воздуха корректируется в зависимости от степени сгорания газов. В нижней части предтопка расположен конвейер, который медленно перемещает горящие брикеты по направлению к топке котла.

Типичная тепловая станция Hvidebek (Дания), снабжающая теплом 560 потребителей, оборудована котлом мощностью 5МВт, конструкция которого рассчитана на сжигание смеси топлив: соломы (60%) и отходов различного происхождения (40%). Солома перед подачей в котел измельчается скарификатором. Выработка тепловой энергии на станции составляет 66 тыс. ГДж/год, расход соломы - 3,8 тыс. т/год, уровень эмиссии твердых частиц - менее 40 мг/нм3. Капитальные затраты на сооружение тепловой станции (без учета затрат на строительство тепловой сети) составляют около 12,25 млн долл.



Комбинированные установки

Станции комбинированной выработки тепла и электроэнергии (КТЭ) имеют мощность от 7 до 68 МВт.

Почти все установки этого типа оборудованы котлами, работающими под высоким давлением, паровыми турбинами, электрогенераторами и теплообменниками. Солома перед подачей в котел измельчается скарификатором и через три загрузочные воронки поступает в котел на систему решеток, состоящую из неподвижной водоохлаждаемой решетки и вибрационной, на которой заканчивается процесс горения. Шлак ссыпается в водоохлаждаемый бункер и удаляется. Станция также оборудована буферным резервуаром для сохранения тепла конденсации при низком уровне расхода тепла потребителем. Размер резервуара позволяет станции работать 5-10 ч в зимний период.

Из-за относительно низкой температуры размягчения золы соломы существует опасность того, что липкие частицы уносимой золы сформируют твердые отложения на трубах котла, если температура продуктов сгорания и пара превысит определенный уровень. Для предотвращения указанных проблем температура перегрева пара ограничивается 450С. Температура продуктов сгорания в пароперегревателях обычно ограничивается 650-700С. Кроме того, при температуре поверхности труб выше 400-450 С увеличивается опасность коррозии. Таким образом, максимальная температура пара не может определяться только на основе характеристик прочности материала труб.

Неочищенные продукты сгорания соломы содержат в себе частицы уносимой золы на уровне 1000-5000 мг/нм3 в зависимости от типа котла и других причин. Для очистки продуктов сгорания используется электрофильтр. Эмиссия твердых частиц после электрофильтра ниже 40 мг/нм3. Эмиссия SO2, СхНу, полиароматических углеводородов и диоксинов очень низкая. Таким образом, станция отвечает нормативным требованиям по выбросам в окружающую среду.



Экологические показатели

Использование соломы для прямого сжигания является одним из способов снижения выбросов СО2 в атмосферу. Солома, как и биомасса в целом, является СО2-нейтральным топливом, то есть потребление углекислого газа из атмосферы в процессе роста злаковых культур соответствует эмиссии СО2 в атмосферу при сжигании соломы. Учитывая дополнительные выбросы углекислого газа, которые происходят при сборе, транспортировке и подготовке соломы для сжигания, снижение эмиссии СО2 при замене угля, сжигаемого в котле, на солому составляет около 90 %.

Сбор биомассы и ее использование в энергетических целях влияют на состояние почвы. Вместе с биомассой из почвы удаляются питательные вещества и такие необходимые элементы, как Са, Mg, К, N. В результате этого, во-первых, замедляется рост следующих поколений биомассы, во-вторых, усиливается опасность кислования почвы. Решаются указанные проблемы внесением удобрений, возвратом золы и известкованием почвы. Дополнительные затраты на удобрение почв, которые могут понадобиться при неиспользовании соломы в качестве удобрения, оцениваются примерно в 7 долл./т соломы и не превышают 10% стоимости соломы как топлива.

Авторы провели исследование совместного сжигания соломы с углем в котле с кипящим слоем при атмосферном давлении. При увеличении энергетической доли соломы в смеси с углем от 0 до 36% уровень эмиссии СО снижается от 145 до 96, NOx - от 960 до 555, SO2 - от 795 до 470 мг/нм3. Выбросы НСl при этом увеличиваются от 58 до 152 мг/нм3 вследствие относительно высокого уровня содержания хлора в соломе (около 915 мг/кг сухого обеззоленного сырья).



Стоимость тепла и электроэнергии

Стоимость тепловой энергии для потребителей в Дании при покупке ее у тепловой станции, работающей на биомассе (частично или полностью), составляет 26,25 долл./ГДж. Указанная цена включает в себя следующие составляющие, долл./ГДж: покупка соломы - 7, техническое обслуживание установки - 5,25, прибыль и амортизация оборудования - 8,75, потери тепла в сети - 5,25. По соглашению между датскими станциями комбинированной выработки цена тепловой энергии, вырабатываемой на них, не должна превышать цену тепловой энергии, вырабатываемой на тепловых станциях.

Авторами было проведено сравнение экономических показателей соломосжигающих установок различного типа, наиболее перспективных для дальнейшего развития технологий сжигания соломы.

1. Установка, состоящая из двух отдельных котлов. В первом происходит сжигание соломы и выработка пара умеренной температуры. Во втором котле сжигаются традиционные топлива (уголь, природный газ, нефть). Преимущества такой технологии заключаются в приемлемой степени коррозии элементов оборудования и раздельном получении золы угля и соломы. Недостаток - небольшой КПД выработки электроэнергии.

2. Установка, состоящая из двух отдельных котлов. В первом происходит сжигание соломы/древесины и выработка пара высокой температуры. Во втором котле сжигаются традиционные топлива (уголь, природный газ, нефть). К настоящему времени эта технология находится в стадии технического развития. Преимущества такие же, как в предыдущей установке, но при этом значительно повышается КПД выработки электроэнергии.

3. Соломосжигающая станция КТЭ с противодавлением. Преимущество такой технологии состоит в умеренном уровне коррозии элементов оборудования. Недостатки - низкий КПД выработки электроэнергии и высокие капитальные затраты.



Газификация и пиролиз

Газификация соломы представляет интерес с точки зрения замены ископаемых видов топлива биомассой на небольших электростанциях мощностью 0,2-3 МВт и электростанциях мощностью 50-100 МВт. Газ из небольшого газификатора может использоваться в газовом двигателе, приводящем во вращение электрогенератор. Охлаждающая вода нагревает сетевую воду системы централизованного теплоснабжения.

На электростанции газ может сжигаться в котле высокого давления, а пар подаваться в турбину, соединенную с электрогенератором.

С 1988 г. проводились различные эксперименты по газификации соломы, например, на электростанции в Кондбю.

Исследования по газификации соломы выполняются на двух видах газификационных установок:

1. Небольшие газификаторы электрической мощностью 0,2-3 МВт и тепловой мощностью 0,5-8 МВт, которые могут заменить существующие котлы на централизованных котельных, где в настоящее время не вырабатывается электроэнергия.

2. Крупные газификаторы электрической мощностью 50-100 МВт для электростанций, на которых газ с низким содержанием щелочных металлов и хлора можно сжигать в котле высокого давления. Эта концепция называется "спаренный газификатор-котел".

Высокое содержание хлора и щелочных металлов в соломе делает ее непригодной для прямого сжигания в котлах с высокими параметрами пара, которые необходимы для повышения КПД выработки электроэнергии. В процессе пиролиза основная часть хлора и щелочных металлов остается в древесном угле, если температура поддерживается на уровне не более 550 С. Кроме того, в циклоне горячий газ очищается от твердых частиц. Таким образом, пиролизный газ может использоваться для перегрева пара без сколько-нибудь серьезного риска коррозии, эрозии и образования отложений на пароперегревателе.

С 1996 г. проводились испытания пиролизной установки на электростанции в г. Хаслеве. Расход соломы для пиролизной установки составил 675 кг/ч, что приблизительно эквивалентно 2,7 МВт. Мощность, получаемая при сжигании пиролизного газа, приблизительно равна 1 МВт. Остальные 1,7 МВт получают из древесного угля при его сжигании в котле.

Использование пиролиза на электростанциях может привести к увеличению электрической мощности на 10-15% при заданной тепловой мощности. Это эквивалентно повышению КПД выработки электроэнергии на 2-3%.

Георгий ГЕЛЕТУХА, Татьяна ЖЕЛЕЗНАЯ

В 221 выпуске: Теплоснабжение от земли