Енергетичне використання деревних відходів - Напрямки використання вторинної сировини

Використання біомаси як паливо - одна з небагатьох реальних альтернатив зниження парникового ефекту, оскільки рослинні відходи є нейтральними по відношенню до балансу вуглекислого газу (2) в атмосфері. Тобто при їх спалюванні виділяється така ж його кількість, яка була поглинена в процесі росту рослин. Використання нафти, вугілля та газу для отримання енергії призводить до збільшення концентрації СО2 в атмосфері, оскільки при цьому спалюється вуглець, що накопичувався в цих енергоносіях протягом мільйонів років. Відповідно до "Протоколу про спільні зусилля щодо зниження випромінювання парникових газів в атмосферу", підписаного 1997 року в Кіото, промислово розвинені країни повинні до 2010 року знизити порівняно з 1990 роком викиди цих газів у середньому на 5,2 %. У Європі таке зниження має становити 8 %, у США - 7 %. в Японії - 6%. Соціальний аспект енергетичного використання біомаси полягає в тому, що технології її переробки мають значний потенціал для створення нових робочих місць.

Лісова, деревообробна та целюлозно-паперова промисловість є однією з ключових галузей України, яка має великий потенціал зростання, у тому числі на зарубіжних ринках. Однією із стратегічних завдань галузі є збільшення частки продукції глибокого ступеня переробки. У міру розширення виробництва такої продукції зростатимуть обсяги деревних відходів, ефективна утилізація яких стає дедалі актуальнішою також у світлі збереження природного середовища. У той же час будь-яке підприємство галузі зацікавлене у тому, щоб утилізація деревних відходів із статті витрат перейшла до статті доходів.

Одним з основних напрямків утилізації деревних відходів є їхвикористання для вироблення теплової та електричної енергії. В останні роки енергетичне використання деревних відходів сприймається як альтернатива традиційним видам палива. Це пов'язано з тим, що деревні відходи як паливо мають багато переваг:

є CO2-нейтральними;
відносяться до відновлюваних джерел енергії;
у складі практично немає сірки;
можливість спалювати вологі відходи (до 55 – 60% вологи);
зменшення емісії двоокису вуглецю;
низька корозійна агресивність димових газів;
можливість конденсувати вологу димових газів та звільнити приховану теплоту пароутворення;
низька, порівняно з копалинами, ціна.

Використання в Україні деревних відходів не тільки менше шкодить навколишньому середовищу, але і служить джерелом економії коштів, призначених для купівлі палива. Ресурси деревних відходів оцінюються в 36 млн. м3 на рік, що еквівалентно 59 млн. МВт/год теплової енергії і дозволяє замінити 7820 тис. тонн мазуту вартістю $745 млн.

Це шлях обліку та економії невідновлюваних енергетичних природних ресурсів, шлях, яким йде цивілізований світ і який дозволить Україні наблизитися до індустріально розвинених країн за показниками питомої енергоємності промислового виробництва. Все це призвело до того, що технології енергетичного використання деревних відходів останніми роками розвиваються та вдосконалюються. Основними технологіями є: Спалювання, Швидкий піроліз та Газифікація.

Спалювання деревних відходів базується на кількох методах спалювання, у тому числі:

Пряме спалювання,
Спалювання в киплячому/циркулюючому шарі,
Газифікація (спалювання газів у вторинній камерізгоряння),
Спалювання пилоподібного палива.

Пряме спалювання відбувається в топках з горизонтальними, конусоподібними, похилими або рухливими колосниковими гратами. Даний метод використовується у водогрійних котлах та печах малої потужності (менше 20 МВт) для спалювання деревного палива, у тому числі з високою вологістю: шматкових та довгомірних відходів, тріски, кори, тирси, паливних брикетів та гранул тощо. Для автоматизованого спалювання подрібнених відходів також використовують трубчасті пальники зі шнековою подачею. Звичайне використання тепла - для сушіння деревини в сушильних камерах, водогрійних котлах для обігріву виробничих та/або житлових приміщень. Для вироблення електричної енергії відходи спалюються в паровому казані з подальшим використанням пари в паровій турбіні. Ця технологія має низький електричний к.п.д. близько 8-13% (для міні-ТЕЦ потужністю 600-1000 кВт), що підвищується завдяки використанню більш досконалих методів спалювання, таких як спалювання в киплячому/циркулюючому шарі або спалювання пилоподібного деревного палива. Однак ці методи використовуються в електростанціях потужністю не менше 5 МВт, будівництво яких потребує великих капітальних витрат. Недоліком цього є низька ефективність і високий рівень емісії відходів горіння в димових газах.

Спалювання в киплячому/циркулюючому шарі дозволяє досягти більшої ефективності та економічності за рахунок майже 100% згоряння палива при меншому рівні емісії відходів горіння порівняно з прямим спалюванням. При використанні даного методу подрібнене деревне паливо подається в киплячий шар, створений шляхом продування повітря або газу через шар інертного матеріалу, наприклад, піску. Кількість інертного матеріалу істотно більша за кількість палива, томупроцес горіння протікає стабільно із високою ефективністю. Залежно від швидкості продування частинки інертного шару залишаються в ньому або виносяться з шару разом з продуктами горіння і збираються за допомогою циклонів, після чого повертаються в киплячий шар (метод циркулюючого шару). Метод спалювання в киплячому шарі використовується в комерційних або муніципальних котельнях та ТЕЦ у діапазоні потужностей від 5 до 600 МВт для отримання електричної та теплової енергії. Додатковою перевагою даного методу є можливість спалювання різних видів палива (всього до 70 видів), включаючи низькосортне вугілля, торф, побутові тверді відходи, відходи ЦПК і т.д.

Газифікація (спалювання газів у вторинній камері згоряння) є двоетапним процесом. На першому етапі паливо подається шнековим живильником на похили решітку в первинній камері (передтопці), де воно нагрівається до такої температури, при якій відбувається процес газифікації. Перегрітий і змішаний з вторинним повітрям газ згоряє у вторинній камері практично без залишку. Продукти згоряння використовуються в котлі або в печі для отримання гарячої води, пари або повітря. У когенераційному режимі пара може використовуватись у паровій турбіні для отримання електроенергії. Діапазон потужностей систем спалювання такого роду від 150 кВт до 30 МВт. Недолік – висока вартість.

Спалювання пилоподібного палива здійснюється за допомогою спеціальних пальників, призначених для спалювання деревного пилу, що утворюється в процесі виробництва або в результаті подрібнення відходів дерев у пил. Весь процес від вихідних деревних відходів, подрібнення в пилюку з вологістю близько 8%, подачі та спалювання пилу - повністю автоматизований. Одержання енергії з використанням тільки деревного пилу використовуєтьсядосить рідко; зазвичай це паливо використовується в котельнях або ТЕЦ, що працюють на пилоподібному вугіллі та/або торфі. Вартість комплектного обладнання для спалювання деревного пилу також висока.

Швидкий піроліз

Піролізний газ спалюється в пальнику реактора, однак цього тепла недостатньо для підтримки процесу. Тому потрібне додаткове джерело тепла, наприклад природний газ. Основний продукт піролізу – синтетичне рідке паливо (піропаливо) – має калорійність, що становить приблизно 55% від калорійності дизельного палива. Використовується шляхом спалювання у газотурбінних установках (ГТУ) або дизельних двигунах. Незважаючи на високу ефективність та зручність використання рідкого синтетичного палива, відсутність відходів, піроліз тільки нещодавно вийшов зі стадії досліджень та дослідних розробок (максимальна продуктивність діючої пілотної установки складає 10 тонн на добу), що обумовлює високу вартість обладнання, що використовується.

Газифікація

Газифікація являє собою процес високотемпературного перетворення деревини у формі тріски (та інших видів біомаси, а також вугілля та торфу) при нормальному або підвищеному тиску в газ, званий деревним або генераторним газом, а також невелика кількість золи у спеціальних реакторах (газогенераторах) з обмеженим доступом повітря чи кисню.

Модулі газифікації комплектуються газогенераторами, що працюють на деревних відходах, подрібнених в енергетичну тріску завдовжки від 10 до 150 мм і завтовшки від 10 до 100 мм, до якої допускається додавання до 10-15% тирси. Є Модулі газифікації, що працюють повністю на тирсі, а також на інших видах біомаси - рисовому лушпинні, лушпинні соняшнику, жомі цукрових буряків та ін. При використанні тирси споживанняпалива збільшується на 20% порівняно із твердими деревними відходами. Паливо подається у газогенератор за допомогою автоматичного скіпового витягу.

Для отримання палива з потрібними характеристиками Завантаження палива в газогенератор здійснюється за допомогою скіпового підйомника, пов'язаного з автоматичним механізмом дверного газогенератора. Модулі газифікації комплектується Модулем підготовки палива, головними елементами якого є одна або кілька Рубільних машин для перетворення деревних відходів на енергетичну тріску і одна або кілька Сушарок для тріски, продуктивність яких відповідає потужності встановлених Модулів газифікації. Якщо відходи без підготовки мають допустимі розміри та/або вологість, непотрібні компоненти Модуля підготовки палива виключаються. Замовник може укомплектувати Станцію подібним обладнанням на свій вибір. Модуль газифікації призначений для отримання генераторного газу з відходів деревини та інших видів біомаси. Генераторний газ використовується у котлах, печах та інших теплових установках для одержання теплової енергії. Одне з теплових застосувань полягає у використанні для малих ТЕЦ з метою переходу на дешевше паливо та інші види біомаси. Для цієї мети генераторний газ, отриманий у Модулі газифікації, спалюється в пальниках, у тому числі в суміші з мазутом або пальним пальним. Завантаження палива в газогенератор проводиться за допомогою скіпового підйомника, пов'язаного з автоматичним механізмом дверного газогенератора.

Генераторний газ має температуру 300 - 600 °З складається з горючих газів (CO, H 2, CH 4), інертних газів (CO 2 і N 2), парів води, твердих домішок і піролізних смол. З 1 кг тріски отримують близько 2.5 Нм 3 газу з теплотою згоряння 900 - 1200 Ккал/Нм 3.Ефективність газифікації сягає 85-90%. Завдяки цьому, а також зручності застосування газу газифікація є більш ефективним і чистим процесом, ніж спалювання.