Методы промышленного сжигания древесных отходов

Технический прогресс в использовании древесных отходов в последние годы развиваются и совершенствуются. Основными технологиями являются: сжигание, быстрый пиролиз и газификация.

Сжигание древесных отходов (рис.1.11.) базируется на нескольких методах сжигания, в том числе:

1) Прямое сжигание,

2) Сжигание в кипящем/циркулирующем слое,

3) Газификация/Сжигание газов во вторичной камере сгорания,

4) Сжигание пылевидного топлива.

Рис.1.11. Сжигание древесных отходов.

Прямое сжигание происходит в топках с горизонтальной, конусообразной, наклонной или подвижной колосниковой решеткой. Данный метод используется в водогрейных котлах и печах малой мощности (менее 20 МВт) для сжигания древесного топлива, в том числе с высокой влажностью: кусковых и длинномерных отходов, щепы, коры, опилок, топливных брикетов и гранул и т.д. Для автоматизированного сжигания измельченных отходов также используются трубчатые горелки со шнековой подачей. Обычное использование тепла - для сушки древесины в сушильных камерах, в водогрейных котлах для обогрева производственных и/или жилых помещений. Для выработки электрической энергии отходы сжигаются в паровом котле с последующим использованием пара в паровой турбине. Эта технология имеет низкий электрический к.п.д. порядка 8-13% (для мини-ТЭЦ мощностью 600-1000 кВт), который повышается благодаря использованию более совершенных методов сжигания, таких как сжигание в кипящем/циркулирующем слое или сжигание пылевидного древесного топлива. Однако эти методы используются в электростанциях мощностью не менее 5 МВт, строительство которых требует больших капитальных затрат. Недостатком этого метода является низкая эффективность и высокий уровень эмиссии отходов горения в дымовых газах.

Сжигание в кипящем/циркулирующем слое позволяет достичь большей эффективности и экономичности за счет почти 100%-го сгорания топлива при меньшем уровне эмиссии отходов горения по сравнению с прямым сжиганием. При использовании данного метода измельченное древесное топливо подается в «кипящий» слой, созданный путем продувания воздуха или газа через слой инертного материала, например, песка. Количество инертного материала существенно больше количества топлива, поэтому процесс горения протекает стабильно с высокой эффективностью. В зависимости от скорости продувки частицы инертного слоя остаются в нем или же выносятся из слоя вместе с продуктами горения и собираются с помощью циклонов, после чего возвращаются в кипящий слой (метод циркулирующего слоя). Метод сжигания в кипящем слое используется в коммерческих или муниципальных котельных и ТЭЦ в диапазоне мощностей от 5 до 600 МВт для получения электрической и тепловой энергии. Дополнительным достоинством данного метода является возможность сжигания различных видов топлива (всего до 70 видов), включая низкосортный уголь, торф, твердые бытовые отходы, отходы ЦБК и т.д.

Газификация/Сжигание газов во вторичной камере сгорания (газогенераторная топка) представляет собой двухэтапный процесс. На первом этапе топливо подается шнековым питателем на наклонную решетку в первичной камере (предтопке), где оно нагревается до такой температуры, при которой происходит процесс газификации. Перегретый и смешанный со вторичным воздухом древесный газ сгорает во вторичной камере практически без остатка. Продукты сгорания используются в котле или печи для получения горячей воды, пара или воздуха. В когенерационном режиме пар может использоваться в паровой турбине для получения электроэнергии. Диапазон мощностей систем сжигания такого рода от 150 кВт до 30 МВт. Недостаток - высокая стоимость.

Сжигание пылевидного топлива осуществляется с помощью специальных горелок, предназначенных для сжигания древесной пыли, образующейся в процессе производства или в результате измельчения древесных отходов в пыль. Весь процесс от исходных древесных отходов, измельчения в пыль с влажностью порядка 8%, подачи и сжигания пыли - полностью автоматизирован. Получение энергии только из древесной пыли применяется достаточно редко; обычно это топливо используется в котельных или ТЭЦ, работающих на пылевидном угле и/или торфе.

Быстрый пиролиз (рис.1.12.) представляет собой процесс, при котором сухие (<10% влажности), измельченные в порошок древесные отходы, включая опилки, кору и т.д., быстро нагреваются в кипящем слое инертного материала внутри реактора до температуры 450 - 500 °С при отсутствии воздуха. Продуктами пиролиза являются частицы древесного угля, неконденсирующийся газ, конденсирующиеся пары и аэрозоли. Частицы древесного угля отделяются в циклоне, а летучие вещества подвергаются быстрому охлаждению, в результате которого образуется жидкость - синтетическое жидкое топливо (пиротопливо), поступающее в накопительный резервуар.

Пиролизный газ сжигается в горелке реактора, однако, этого тепла недостаточно для поддержания процесса. Поэтому требуется дополнительный источник тепла, например, природный газ. Основной продукт пиролиза - синтетическое жидкое топливо (пиротопливо) - имеет калорийность, составляющую примерно 55% от калорийности дизельного топлива. Используется путем сжигания в газотурбинных установках (ГТУ) или дизельных двигателях. Несмотря на высокую эффективность и удобство использования жидкого синтетического топлива, отсутствие отходов, пиролиз только недавно вышел из стадии исследований и опытных разработок (максимальная производительность действующей пилотной установки составляет 10 тонн в сутки), что обусловливает высокую стоимость используемого оборудования.

Рис.1.12. Быстрый пиролиз.

Газификация (рис.1.13.) представляет собой процесс высокотемпературного превращения древесины (и других видов биомассы, а также угля и торфа) при нормальном или повышенном давлении в газ, называемый древесным или генераторным газом, а также небольшое количество золы, в специальных реакторах (газогенераторах) с ограниченным доступом воздуха или кислорода. Генераторный газ имеет температуру 300 - 600 °С и состоит из горючих газов (CO, H₂ , CH₄), инертных газов (CO₂ и N₂), паров воды, твердых примесей и пиролизных смол. Из 1 кг древесной щепы получают около 2.5 Нм³ газа с теплотой сгорания 900 - 1200 Ккал/Нм³ . Эффективность газификации достигает 85-90%. Благодаря этому, а также удобству применения газа, газификация является более эффективным и чистым процессом, чем сжигание.[27]

Рис.1.13. Газификация.

Несмотря на вышесказанное гранулирование древесных отходов, позволит повысить теплотворную способность топлива, эффективность их транспортировки, хранения, а также еще повысит по сравнению с выше указанными способами эффективность использования в автоматических котельных установках.

Топливные гранулы

Пеллеты – спрессованные, измельченные изделия цилиндрической формы предназначены для получения тепла методом сжигания. Прессуются опилки под давлением около 300 атм., без каких-либо добавок и клея. Длина древесных гранул составляет в среднем 20-50 мм, диаметр - 4-10 мм. Обладают большей теплотворной способностью, а также большей компактностью. Простота их использования в том, что пеллеты не требуют специальных условий для хранения и транспортировки, обладают низкой пожароопасностью, удобством загрузки, возможностью автоматизации подачи топлива.

У этого продукта очень много названий. Из иностранных распространены два: Wood pellets и Holz-Pellets, или Holzpellets. Из русских - "биогранулы", "топливные гранулы", "биомасса", "опилочные гранулы". Но наиболее правильное название - "древесные топливные гранулы" или просто "пеллеты".[28]

Пеллеты – это биотопливо получаемое из отходов.

Сырье для получения топливных гранул:

1) Отходы деревообработки - баланс, низкотоварная древесина, пни, горбыль, щепа опил, кора, ветки и прочее.

2) Также при производстве древесных топливных гранул перерабатываются лесосечные отходы: тонкомерная и дровяная древесина, верхушки, откомлевки, ветки, искривленные стволы и т.п.

Отходы сельскохозяйственной переработки (солома, лузга, шелуха…). Получаемый продукт также является топливной гранулой - «растительная гранула». Основные отличия от древесной гранулы: цвет, повышенная зольность. Как и древесная гранула широко используется для котельных установок промышленного и бытового назначения.