2.1
Цель - выработка тепла и электроэнергии В
настоящее время мировым лидером в использовании соломы в энергетических целях
является Дания. В таблице 1 приведены данные о количестве в этой стране
соломосжигающих установок и станций [4].
С
целью получения тепловой энергии солому в Европе используют Австрия (несколько
фермерских установок, 5 тепловых станций) и Швеция (около 70 фермерских
установок и 5 тепловых станций, применяющих солому в качестве дополнительного
сырья). В Финляндии и Франции находятся по одной тепловой станции и несколько
фермерских котлов, использующих солому, мощностью менее 1МВт [5].
Таблица 1
Общее
количество соломы в Дании в 2005
г. составило 6.3 млн. т. Из них - 12,5% было
использовано в качестве топлива (в фермерских котлах — 7,2, на тепловых
станциях — 4,2, на электростанциях — 1,1%), 36,5% пошло на нужды сельского
хозяйства (для корма и подстилки скоту), излишек соломы составил 48%, и он
рассматривается как потенциал для расширения энергетического использования БМ
[6]. В 1996 г.
в Дании за счет использования соломы в качестве топлива было получено 10,6ПДж,
что составляет около 1,37 % общего энергопотреблении (ОЭП) Дании (суммарная
доля БМ в ОЭП Дании — около 6%) [6].
2.2 Свойства соломы как топлива 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 соломы, 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. В таблице 2 приведены типичные характеристики
соломы в сравнении с характеристиками угля и природного газа [6].
Таблица 2.
Примечание. В процессе
увядания цвет соломы изменяется от желтого до сероватого. Термины "желтая
солома" или "серая" указывают на степень увядания и на качество
соломы.
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 низкие 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.
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 % [6].
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
больше вероятность снижения уровня концентрации щелочных металлов и соединений
хлора в соломе 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.
2.3 Сбор, хранение и транспортировка соломы Солому заготавливают в
виде брикетов. В настоящее время в Дании используются брикеты прямоугольной и
цилиндрической формы [6]:
- прямоугольные небольшие брикеты массой 10—15 кг; используются в небольших фермерских
котлах;
- цилиндрические брикеты диаметром 1,5 м, высотой 1,2 м, массой 200-300 кг; используются в
фермерских котлах;
- прямоугольные брикеты среднего размера 0,8х0,8х1,7 м, массой 150 кг; используются в
крупных фермерских котлах;
- прямоугольные крупные брикеты (брикеты "Хесстона") размером
1,2х1,3х2,4 м, массой 450 кг;
используются на тепловых станциях.
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 эти способы располагаются следующим образом: хранение соломы
в амбарах, в "голландских" амбарах (представляет 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.
2.4 Измельчение соломы Измельчение
соломы может производиться с помощью соломорезки или скарификатора. В настоящее
время 13 тепловых станций Дании оборудованы соломорезками, однако на новых
станциях они уже не устанавливаются [6].
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.
2.5 Фермерские котлы 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. Котлы различного размера могут
вмещать от одного цилиндрического брикета до двух брикетов
"Хесстона". Принципиальная схема котла периодического действия
показана на рис.1 [6].
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 приводит к возможности более качественного сжигания,
хотя расход соломы при этом существенно не снижается.
Рисунок 2. Фермерский котел периодической загрузки для сжигания
крупных брикетов соломы: 1 — воздуходувка; 2 — воздушная заслонка, регулируемая
по температуре продуктов сгорания; 3 — температурный датчик; 4 — огнеупорный
материал; 5 — люк для загрузки брикета соломы; 6 — сенсорный датчик для
контроля уровня содержания кислорода в продуктах сгорания; 7 — выход продуктов
сгорания.
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.
Рисунок: Печь для сжигания соломы.
2.6 Тепловые станции. Тепловые
соломосжигающие станции можно классифицировать по типу установленного котла.
Перечень различных видов котлов с указанием количества соответствующих станций
в Дании, по данным на 1992 г.,
приведен ниже [6]:
- котел для сжигания резанной соломы — 13;
- котел для сжигания соломы, измельченной скарификатором — 21;
- котел для сжигания брикетов соломы методом сигарного сгорания — 10;
- котел периодического действия (сжигание целого брикета соломы) — 13;
- котел для сжигания разделенных на части брикетов соломы — 1.
На
рис.2 приведена схема тепловой станции, на которой брикеты соломы сжигаются по
методу сигарного сгорания [6]. Брикеты соломы целиком захватываются подъемным
краном и перемещаются в систему подачи сырья, откуда гидравлическим поршнем
непрерывно проталкиваются в котел. Брикеты сгорают с одного конца по мере
продвижения в топку котла. 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. 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.
Рисунок 3. Схема тепловой станции Sabro: 1 — амбар для хранения
соломы; 2 — подъемный кран; 3 — система подачи сырья; 4 — котел; 5 —
воздуходувки; 6 — система удаления золы и шлака; 7 — тканевой фильтр; 8 —
шнековый конвейер для удаления золы; 9 — дымосос; 10 — дымовая труба.
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.
2.7 Экологические показатели Использование
соломы для прямого сжигания является одним из способов снижения выбросов СО2
в атмосферу. Солома, как и БМ в целом, является СО2-нейтральным
топливом, то есть потребление СО2 из атмосферы в процессе роста
злаковых культур соответствует эмиссии СО2 в атмосферу при сжигании
соломы. Учитывая дополнительные выбросы СО2, которые происходят при
сборе, транспортировке и подготовке соломы для сжигания, снижение эмиссии СО2
при замене угля, сжигаемого в котле, на солому составляет около 90 %.
В
связи с этим датские углесжигающие электростанции обязаны ежегодно использовать
в качестве сырья для прямого сжигания 1,2 млн.т соломы и 0,2 млн.т древесной
щепы [4].
Однако,
в соломе содержатся нежелательные элементы, % (мас): азот — 0,45-1,13, калий —
0,5-1,7, хлор — 0,11-0,77. Азот увеличивает эмиссию NO2, хлор и
щелочные металлы могут вызвать коррозию высокотемпературных поверхностей.
Содержание серы в соломе различных культур колеблется от 0,10 до 0,77 % (мас).
Наименьшая концентрация серы наблюдается в соломе озимой ржи (~0,16 % (мас.)) и
озимой пшеницы (~ 0,18 % (мас.)), наибольшая — в соломе рапса (~ 0,56 % (мас.))
[5]. В целом содержание серы в соломе можно считать низким.
Сбор
биомассы (БМ) и ее использование в энергетических целях влияют на состояние
почвы. Вместе с растительной БМ из почвы удаляются питательные вещества и такие
необходимые элементы, как Са, Mg, К, N. В результате этого, во-первых, замедляется
рост следующих поколений БМ, во-вторых, усиливается опасность окисления 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. На
сегодняшний день проблема обеднения почв за счет энергетического использования
соломы рассматривается как решаемая, однако требует дальнейшего всестороннего
изучения.
