Инсталации за изгаряне на твърда биомаса

Прахово изгаряне, неподвижен и псевдотечностен слой

В областта на изгарянето на твърда биомаса е постигнат значителен напредък по отношение на технологиите. Термичният цикъл в инсталациите е оптимизиран по отношение на надеждността на котлите, продължителността на експлоатационния срок и строгите изисквания на законите за опазване на околната среда. В първата част на статията разказахме за свойствата, етапите и променливите характеристики на изгаряне на твърдата биомаса в инсталациите, за видовете технологии за промишлено изгаряне на твърда биомаса. Във втората част ще се спрем на технологичните особености на инсталациите за изгаряне на твърда биомаса в неподвижен слой, псевдотечностен слой, прахово изгаряне.

Текст: списание Енергия

снимка: AF

Значителният технологичен напредък в областта на изгарянето на биомаса засяга оптимизирането на термичния цикъл за максимална енергийна ефективност. Топлинните свойства на биомасата зависят от характеристики, които варират в широки граници. Някои от тях са топлина на изгаряне, химическия състав, съдържание и състав на пепелта, характеристики на топене и ошлаковане на пепелта, количеството на замърсители, прах, спори от гъбички. Изгарянето на твърдата биомаса е сложен процес с много променливи, сред които са механизмите на топлопредаване, акумулирането на топлина, изолацията, предварителното загряване на въздуха, коефициента на излишния въздух, вида и състава на биомасата, съдържанието на летливи компоненти, плътността, шупливостта, площта на активната повърхност, конструкцията. Значителен ефект върху процеса на изгаряне има конструкцията на горивната инсталация - конструкцията и работата на горивната камера, избора на материалите и възможностите за контролиране на технологичния процес. Основните технологии за изгаряне на твърда биомаса са в неподвижен слой, изгаряне в кипящ и циркулиращ кипящ слой, прахово изгаряне.

Технологии за изгаряне на биомаса

От известните към момента методи за енергийно използване на твърдата биомаса, изгарянето в неподвижен слой (fixed bed combustion) е най-широко разпространено в единичните мощности на промишлените и битовите енергийни предприятия (500КW до 50MW). Известни са няколко типа решетки, използвани в конструкциите на пещите за слоево изгаряне - неподвижни решетки, подвижни решетки, решетки с подвижно платно, въртящи се решетки и вибриращи решетки. Тези технологии имат определени предимства и недостатъци, свързани и с конкретните свойства на биомасата, така че изборът на горивен метод трябва да се направи въз основа на внимателен анализ. Решетките са предназначени за изгаряне на биомаса, която се характеризира с високо съдържание на влага, състои се от различни по размер частици и има високо съдържание на пепел. Възможно е да се използват смеси от различни видове дървесина, но съществуващите технологии позволяват и изгарянето на комбинации от различни видове биомаса, като например смес от дървесина със слама, с житни растения и треви. Изгарянето на подобни съчетания е свързано с различия в характеристиките на горене, ниска влажност и ниска точка на топене на пепелта.

Ефективната конструкция и добре управляваната решетка осигуряват равномерно разпределение на горивния слой и биовъглищата по повърхността на решетката. Това е необходимо, за да се осигури еднакво подаване на първичен въздух към различни зони над повърхността на решетката. Неравномерното подаване на първичен въздух може да предизвика ошлаковане, образуване на големи количества прах от пепел и увеличаване на необходимостта от излишък на кислород, необходим за пълно изгаряне на биомасата. Също така движението на биомасата по решетката трябва да е плавно и равномерно, защото по този начин един слой от биовъглища върху решетката остава равен и хомогенен, без образуването на "трапове" и разделяне на пепелен прах от неизгорели частици.

Технологията, която осигурява разрешаването на тези проблеми, включва използване на решетки с непрекъснато движещо се платно, система за управление на височината на горивния слой, например с инфрачервени лъчи, и вентилатори за първичния въздух с контрол на честотата на въртене, предназначени за подаване на въздух към различни участъци на решетката. Разделянето на захранването с първичен въздух по участъци е необходимо, за да се регулира подаването на определено количество въздух към зоните, в които се осъществяват сушенето, газификацията и овъгляването на биомасата. Това регулирано отделно подаване на първичен въздух осигурява ефективна работа на пещите с решетки при частично натоварване до 25% от номиналното натоварване на пещта и позволява поддържане с необходимия въздух. В пещите с решетки може да се използва и водно охлаждане, което предотвратява ошлаковането и удължава експлоатационния живот на материалите.

В пещите с решетки се използват различни горивни системи, базирани на посоката на движение на биомасата и потока на димния газ като насрещен поток (посоката на факела е противоположна на посоката на движение на горивото,) паралелен поток (посоката на факела съвпада с посоката на движение на горивото), кръстосан поток (отвеждане на димния газ в средата на пещта).

Изгарянето с насрещен и с напречен поток

Изгарянето на биомасата с насрещен поток е най-приемливият метод за изгаряне на гориво с ниска топлина на изгаряне като мокра кора, дървесен чипс, стърготини. Горещият димен газ, преминаващ над повърхността на влажната горивна биомаса, създава конвекцията в пещта. Тя ускорява сушенето и пренасянето на водна пара от горивния слой, т.е. допълва се излъчването на топлина от повърхността на горивото. За използването на този метод е необходимо ефективно смесване на димния газ с вторичния въздух, което предотвратява образуването на гелове, обогатени с неизгорели газове.

Изгарянето на биомаса с паралелен поток се използва при изгаряне на сухо гориво (отпадъци от дървесина или слама) или се използва в инсталации с предварително подгряване на първичен въздух. Инсталацията за напречен поток, която представлява комбинация от инсталация с паралелен поток и инсталация с насрещен поток, е специално проектирана за приложение в инсталации с вертикални вторични горивни камери. За постигане на ефективно регулиране на температурата в пещта трябва да се използват камери с рециркулация на димни газове и камери с водно охлаждане. Също така се използват различни комбинации от тези различни технологии.

В двукамерна пещ се извършва първично и вторично изгаряне на биомасата във физически отделени един от друг горивни модули. Двукамерните пещи се използват, когато като гориво се употребява относително влажен дървесен чипс. Двукамерната пещ включва шнеково захранващо устройство за гориво със защита от разпространение на пламъка в противоположна посока, камера с подобрена изолация с решетка, обикновено с паралелен поток и отделен котелен модул. Предварителната пещ е инсталирана, обикновено пред и понякога под съществуващия котлоагрегат. Най-добри резултати се постигат, когато предварителната пещ и котелът имат подобна конструкция.

Различни видове решетки и тяхното приложение

Решетките с подвижно платно се сглобяват от решетъчните елементи, образуващи безкрайна лента, движеща се като ескалатор през горивната камера. Така неподвижният слой биомаса се движи през горивната камера заедно с решетката. Скоростта на движение на решетката с подвижно платно се регулира непрекъснато, така че да се осигури пълно изгаряне на въглените. Предимствата на инсталациите с решетка с движещо платно са еднаквите условия на горене на дървесния чипс и гранулирано дървесно гориво и ниско ниво на емисиите на прах заради стабилното положение на почти неподвижния слой на въглените.  Неподвижните решетки се използват само в инсталациите с малка мощност. При тези системи горивото се премества под въздействието на гравитацията, когато решетката е наклонена.

Подвижната решетка е наклонена и се състои от редуващи се фиксирани и подвижни решетъчни елементи. Сменяйки хоризонталното постъпателно и възвратно движение на подвижните секции, биомасата се придвижва по повърхността на решетката. По този начин се извършва смесване на неизгорели и изгорени горивни частици, като повърхността на горивния слой се обновява. Така се постига по-равномерно разпределение на биомасата по повърхността на решетката. Тя е разделена на няколко участъка, които могат да се движат с различни скорости в зависимост от степента на изгаряне на горивото. 

Пещите с подвижни въздушно-охлаждащи решетки, в които първичният въздух се използва за охлаждане на скарата, се използват за изгаряне на мокра кора, дървесни стърготини и дървесен чипс. За изгаряне на сухо биогориво и биогориво с ниска температура на агломериране на пепелта се препоръчва използването на инсталации с решетки с водно охлаждане.

На хоризонталната подвижна решетка слоят биомаса се поставя в строго хоризонтално положение благодарение на диагоналните решетки. Предимството на тази технология е, че горивото е възпрепятствано от неконтролирано движение по решетката под действие на силата на тежестта. Увеличава се и ефективността на добавяне на биогориво в слоя при преместване на решетката. Така се получава по-равномерно разпределение на горивния материал над повърхността на решетката и се намалява образуването на шлака поради появата на горещи петна. Предимството на хоризонталната подвижна решетка е и възможността за намаляване на общата височина на слоя.

Пещта с вибриращата решетка включва наклонена оребрена тръба, разположена върху пружини. Биомасата се подава в горивната камера чрез разпръсквачи, винтови транспортьори или хидравлични подавачи. В зависимост от вида на процеса на изгаряне на биомаса, две или повече вибриращи устройства транспортират гориво и пепел до мястото за изхвърляне на пепелта. Първичният въздух се подава отдолу през слоя биомаса през отвори в стените на ребрата в оребрената тръба. Краткото периодично вибрационно действие на решетката, в рамките на 5-10 секунди на всеки 15-20 минути, предотвратява образуването на големи частици от шлака. Методът, използващ тази решетка, често се използва за изгаряне на биомаса, склонна към спичане и шлакообразуване, например дървесни отпадъци.

Изгаряне на твърда биомаса на въртяща се решетка с долно подаване на горивото е нова финландска технология, която включва използването на конусообразни секции на решетката, въртящи се в противоположни посоки, с долно подаване на въздух. Тази система, която осигурява ефективно смесване на влажно и нагорещено гориво, може да се използва за изгаряне на биомаса с високо съдържание на влага, например дървесни кори, стърготини и чипсове със съдържание на влага до 65%. Инсталацията е оборудвана с компютърна система за управление, която осигурява нейната експлоатация в напълно автоматичен режим.

Основният елемент на конструкцията с въртяща се конусова пещ е вдлъбнатата конична решетка, въртяща се при ниска скорост. Въртящият се конус образува безкрайна решетка със самодобавяне на гориво, която осигурява ефективно смесване и бързо запалване на биомаса, която се състои от частици с различни размери и с различно съдържание на влага. Въртящите се конусовидни пещи са разработени в Германия и се използват и до момента за изгарянето на дървесни отпадъци и въглища. Пещите се доставят за използване в котли с номинална мощност от 0,4KW до 50KW.

Пещите с долно подаване на гориво се използват за изгаряне на горивна биомаса с ниско съдържание на пепел. Такъв тип биомаса са дървесният чипс, дървените стърготини, както и дървесните пелети, състоящи се от малки частици (с размери до 50mm). Максималната допустима влажност не трябва да превишава 40%, тъй като цялата изпаряваща се влага преминава през фиксирания горивен слой. В случай на прекомерно висока влажност на биомасата, тя оказва значително влияние върху концентрацията на кислорода. Предимството на пещите с долно подаване на гориво е ефективната работа на инсталациите при частични натоварвания и простото управление на процеса на зареждане с биомаса, което позволява по-лесно и по-бързо управление на натоварването, отколкото при инсталациите с решетки.

Инсталации за изгаряне на твърда биомаса в псевдовтечнен слой

Инсталацията с псевдовтечнен слой се състои от цилиндричен съд с перфорирана долна решетка, напълнена със слой от гранулиран горещ инертен материал и гориво - дървесна биомаса, интензивно разбъркван от първичен въздух. Обичайните материали на псевдовтечнения слой са пясък, доломит или варовик. Инертният материал на кипящия слой е 90-98% от сместа. Първичният въздух за изгаряне, който влиза в пещта отдолу през решетката за разпределение на въздуха, псевдо-втечнява слоя, превръща го в "кипяща" маса от частици и въздушни мехурчета. Интензивният топлообмен и ефективното смесване на материала в слоя осигуряват благоприятни условия за пълно изгаряне с нисък коефициент на излишък от въздух.

Поради високата степен на смесване в псевдовтечнения слой, инсталациите могат успешно да се използват за изгаряне на различни горивни смеси, като например дървесина и слама. Тяхната способност се ограничава от размера на частиците на горивото и замърсителите, които се съдържат в него. Ето защо, за да се гарантира надеждна експлоатация на инсталацията, е необходимо да се използва подходяща система за предварителна обработка на горивото, включваща намаляване на размера на горивните частици и отделяне на металните примеси.

В технологично отношение се различават пещи с кипящ и такива с циркулиращ кипящ слой. Пещите с кипящ слой се използват в котелни инсталации с номинална мощност над 20MW. Те имат достатъчно продължително време на разгряване (до 15 часа), което се извършва с нафтови или газови горелки. В тези пещи материалът се поставя в долната част на пещта. Първичният въздух, подаван през разпределителя на дюзата, флуидизира (псевдовтечнява) материала на слоя. Като материал в кипящ слой обикновено се използва силициев пясък с частици с диаметър около 1mm и биомаса с размер на частиците до 40mm. Скоростта на въздушния поток за флуидизиране на слоя е от 1,0 до 2,5m/s. Вторичният въздух се подава през няколко групи пускателни отвори с дюзи, разположени хоризонтално в горната част на пещта, като по този начин се осигурява стъпаловидно подаване на въздух, което позволява да се намалят емисиите от азотни оксиди. Така се поддържа и ниска температура, обикновено между 800°С и 900°С.

Основното предимство на пещите с кипящ слой е тяхната гъвкавост по отношение на размера на частиците и нивото на влага на горивната биомаса. Също така е възможно да се използват смеси от различни видове биомаса и тяхното съвместно изгаряне с други видове горива. Увеличаването на скоростта на въздушния поток до 5-10m/s и използването на по-малки частици от пясък-0,2-0,4mm, правят възможно създаването на циркулиращ кипящ слой. Частиците от пясък, увличани в димния газ, се улавят в горещ циклон или ударен сепаратор с елементи на П-образна конфигурация (U-beam separator), и се връщат обратно в горивната камера.

Температурата на слоя (800-900°C) се регулира чрез външни топлообменници за охлаждане на използвания пясък или стени с водно охлаждане. По-високата турбулентност на слоя в пещи с цирколиращ кипящ слой подобрява ефективността на топлообмена и осигурява по-равномерно разпределение на температурата в слоя. Това позволява да се осигурят стабилни условия за изгаряне на биомасата, ефективно регулиране на стъпаловидното подаване на въздух и разполагане на нагревателни повърхности в горната част на пещта. Недостатъците на пещите с циркулиращ кипящ слой са големите им размери и следователно по-висока цена. По-високо, в сравнение с инсталациите с кипящ слой, е праховото натоварване и увличане на големи количества прах с димния газ. По-голямата загуба на горивен материал заедно с пепелта и необходимостта от малки частици биомаса (диаметър 0,1 до 40mm) увеличават разходите за предварителна обработка на биогоривото. Също така са ограничени възможностите на инсталациите при работа с частично натоварване. Пещите с висока специфична топлообменна ефективност и ниска скорост на димния газов поток са от интерес за използване в инсталации, по-големи от 30MW.

Инсталации за прахово изгаряне на твърда биомаса 

При инсталации, предназначени за изгаряне на прах, процесът на изгаряне протича, когато биогоривото е в суспензно състояние. Въздухът за флуидизация се използва като първичен въздух. Пещта се запалва посредством спомагателна горелка. Когато температурата на горене достигне определена стойност, започва зареждането на биомаса и спомагателната горелка се изключва. Сместа от гориво и въздух обикновено се подава тангенциално в цилиндрична пещ, създавайки кръгов-вихров поток. Вихровото движение може да бъде увеличено чрез рециркулация на газ в горивната камера. Наклоненото подаване на въздух създава вихров поток и спомага за доброто смесване на въздуха с горивото. Използва се механично или пневматично подаване на биомасата. Високата енергийна плътност в стените на пещта и високата температура на горене изискват използването на система за водно охлаждане на пещта. Тъй като биомасата се състои от малки частици, се извършва едновременно газификация и изгаряне на въглените, което позволява бърза промяна на натоварването и извършване на ефективен контрол на параметрите по натоварване на пещта. Тъй като газификацията на ситно-дисперсни и дребни частици има "експлозивен" характер, необходимо е да се осигури ефективен контрол на системата за подаване на гориво, която е основният технологичен компонент на инсталацията. Циклонните пещи са широко използвани за изгаряне на биомаса с прахово съдържание не по-малко от 50%, с размер на частиците 10-30mm и влажност до 10%.

Муфелните пещи за изгаряне на прах се използват все повече за изгаряне на дребни дървесни отпадъци от производството на плочи от дървесни частици (ПДЧ). Изходният отвор на муфела образува гърло, където се подава вторичен въздух, за да се осигури ефективно смесване на въздуха с горивните газове. Високоскоростния поток от димен газ увлича пепелните частици, които частично се утаяват в горивната камера. Използването на подходящ режим на стъпаловидно подаване на въздух осигурява ниска потребност от излишък на въздух и ниски емисии на азотни оксиди. Тази технология се използва в инсталации с мощност от 2MW до 8MW. Размерът на частиците на биомасата не трябва да надвишава 10-20mm, а влажността не трябва да надвишава 20%. Инсталациите за изгаряне на биомаса се развиват технологично, но правилният избор трябва да бъде следствие от анализ на обстоятелства като капацитет на предприятието, вид на биомасата, използвана като гориво, нуждата от намаляване на емисии от прах или вредни газове.