ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ В КАЧЕСТВЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Статья поступила в редакцию 25.04.12. Ред. рег. № 1313 The article has entered in publishing office 25.04.12. Ed. reg. No. 1313

УДК 621; 662.61

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ В КАЧЕСТВЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА

В.Н. Чмель

Институт технической теплофизики НАН Украины

Украина, 03057, Киев, ул. Желябова, д. 2а Тел.: + 38 044 453 28 65, e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 10.05.12 Заключение совета экспертов: 15.05.12 Принято к публикации: 20.05.12

Представлены результаты исследования топливных характеристик биомассы: отходов древесины и переработки продуктов сельского хозяйства, твердых бытовых отходов.

Показано, что при использовании биомассы в качестве альтернативного топлива, учитывая ее топливные характеристики, необходимо применять новые технологии сжигания топлива.

Рассмотрены высокофорсированные способы сжигания топлива: метод термохимической обработки топлива и горение в прямоточном слое, а также на их основе топливосжигающие устройства для альтернативных топлив.

Ключевые слова: альтернативное топливо, биомасса, отходы, древесина, продукты сельского хозяйства, неотсортированные остатки мукора, топливные характеристики, новые технологии сжигания топлива, топливосжигающие устройства

USE OF BIOMASS AS ALTERNATIVE FUEL V.N. Chmel

Institute of Technical Thermophysics of National Ukrainian Academy of Science 2a Zhelyabova str., Kiev, 03057, Ukraine Tel.: +38 044 453 28 65, e-mail: [email protected]

Referred: 10.05.12 Expertise: 15.05.12 Accepted: 20.05.12

The results of research of fuel descriptions of biomass are presented: wastes of wood and processing of foods of agriculture, hard domestic wastes.

It is shown that at the use of biomass as an alternative fuel, taking into account its fuel descriptions, it is necessary to apply new technologies of incineration of fuel.

The high-forced methods of incineration of fuel are considered: method of thermo-chemical treatment of fuel and burning in a uniflow layer, and also on their basis of fuel burn device for alternative fuels.

Keywords: alternative fuels, biomass, wastes, wood, foods of agriculture, non-assort off remnant of rubbish, fuel descriptions, new technologies of incineration of fuel, fuel burn device.

Введение Таким альтернативным топливом может быть

биомасса, которая, как известно, относится к нетради-

Украина является энергодефицитной страной и ционным возобновляемым источникам энергии и яв-

покрывает свои потребности в топливно-энергети- ляется четвертым по значению видом топлива в мире. ческих ресурсах более чем на 50% за счет импорта, В Украине общие годовые объемы биомассы со-

что ведет к энергетической зависимости страны, по- ставляют 115,3 млн т, из которых возможный энерге-

вышению себестоимости промышленной продукции тический потенциал по биомассе 22,0 млн т у. т. и

и делает ее неконкурентоспособной. Эти обстоятель- только 13,2 млн т у. т. - технически доступный [1]. ства заставляют искать топливо альтернативное тра- Известны три вида биомассы, из которых получа-

диционным - углю, нефти и природному газу, яв- ется наибольшее количество тепловой энергии: от-

ляющимся основными составляющими топливно- ходы древесины, отходы сельского хозяйства и твер-

энергетического баланса страны. дые городские отходы.

gQ International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012 ■ (£? ■ dift H^K? ¿Sei.

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Отходы древесины возникают на всех стадиях ее заготовки и переработки. В лесном хозяйстве Украины они составляют около 1089 тыс. м3 кусковых отходов и 96 тыс. м3 мягких (опилки, щепа и др.) [1].

Отходы сельского хозяйства и отходы предприятий переработки продуктов сельского хозяйства, такие как солома различных культур, костра льна, лузга подсолнуха и зерновых культур, стебельная масса, стержни кукурузы, корзинки подсолнуха и т.п., составляют большой энергетический потенциал. Так, только соломы в Украине накапливается до 4,85 млн т ежегодно. Количество лузги определяется урожаем крупяных культур и подсолнуха. Урожай гречихи достигает 311 тыс. т/год, почти вдвое больше урожай проса, а урожай подсолнуха составляет 2348 тыс. т/год. Соответственно, количество гречневой лузги доходит до 70 тыс. т/год [2], а количество лузги подсолнуха на внутреннем рынке Украины, соответственно, до 300 тыс. т/год [3].

Твердые городские отходы в Украине накапливаются до 40,4 млн м3 ежегодно [3]. Они представляют большую экологическую опасность для окружающей среды, и их использование в качестве топлива требует оборудования для очистки газообразных продуктов сгорания.

Топливные характеристики биомассы

В Институте технической теплофизики Национальной академии наук Украины (ИТТФ НАНУ) были проведены исследования по определению топливных характеристик биомассы [4].

Топливом из древесины могут быть отходы, образующиеся при рубке леса [5], и отходы деревообрабатывающей промышленности. Это сучки, ветки, пеньки, зелень и обрезки, опилки, щепа, древесная пыль.

Состав органической массы древесины практически постоянный и мало зависит от породы дерева. Содержание влаги в свежесрубленном дереве находится в пределах 50-60% и зависит от времени рубки и породы дерева. Содержание минеральной части не превышает 1%, но в топливе может быть выше за счет привнесенной извне.

Реальные отходы древесины, особенно отходы производства мебели, значительно отличаются количеством влаги, минеральной части и летучих. Так, пыль после шлифования может содержать почти до 50% остатков шлифпорошка, а отходы, покрытые лаком, содержат большое количество летучих.

Топливо из отходов сельскохозяйственной промышленности мало отличается по составу органической массы от древесины. Топливо из древесины и отходов сельскохозяйственного производства не содержит в себе ни серы, ни хлора, имеет большое количество летучих, легко воспламеняется, а минеральная часть после сжигания (зола) может быть использована в качестве удобрения.

Твердые городские отходы состоят из продуктов жизнедеятельности человека [6, 7]. В городах с раз-

витой промышленностью и торговой инфраструктурой отходы пополняются за счет их деятельности. В общем, на одного человека приходится в сутки до 3,2 кг отходов, которые состоят из бытовых отходов -1,1 кг, торговых отходов - 0,6 кг, промышленных отходов - 1,4 кг и громоздких вещей - 0,1 кг.

Вследствие неоднородности по составу городских отходов целесообразно в качестве топлива использовать, главным образом, мусор, в основе которого вещества растительного и животного происхождения: бумага, картон, остатки пищи, обувь, одежда и др.

В табл. 1 приведены результаты технического анализа биомассы различного происхождения, которая может быть использована в качестве топлива. Как видно, отходы древесины (березовые дрова, опилки, створки конского каштана) при низкой влажности (воздушносухие пробы) имеют низкую зольность - до 2% и влажность до 8% и большое количество летучих соединений. Благодаря этому независимо от породы дерева теплота сгорания указанных отходов почти одинакова. Однако листья имеют более низкое содержание летучих и низкую теплоту сгорания, что объясняется большим содержанием влаги.

Таблица 1

Результаты технического анализа биомассы

Table 1

Results of the technical analysis of biomass

Вид биомассы W Ар Va QP, ккал/кг

%

Березовые дрова 8,68 1-2 80-87 2990

Опилки (дуб + сосна) 7 1,73 78,08 2990

Опилки дуба 7,58 1,32 72,33 3000

Листья (клен) 45,81 5,99 39,91 2100

Створки конского каштана 5,49 4,77 66,39 2830

Лузга гречихи 7,47 1,5 73,86 4070

Лузга проса 9,63 9,43 70,61 3859

Лузга овса 8,71 4,9 76,21 4128

Лузга подсолнечника 9,01 2,91 68,77 3415

Створки фасоли 9,44 6,59 72,19 4055

Стержни кукурузы 6,59 1,37 74,83 4012,6

Солома (пшеница) 8,095 4,37 69,22 3415

Костра льна 9,67 2,21 71,41 3500

Бумага газетная 6,52 6,09 72,49 4430

Бумага мелованная 3,38 26,77 53,35 3044

Бумага для денежных знаков (гривна) 6,39 4,31 80,25 4400

Торф 35,7 23,2 42,2 3450

Лузга крупяных культур и подсолнуха, створки фасоли, солома пшеницы и костра льна имеют влажность до 9%, большое содержание летучих и малую зольность. Наличие в лузге и створках восков и смол обеспечивает им теплоту сгорания на уровне 4000 ккал/кг, что выше, чем у древесных отходов.

Топливные характеристики бумаги зависят от содержания минеральной части. Мелованная бумага имеет большую зольность, вызванную технологическими добавками (мел и каолин). Это приводит к тому, что при ее сжигании теплота сгорания значительно ниже, чем у обычной газетной бумаги.

В отличие от биомассы торф - это углефициро-ванные растительные остатки. Вследствие этого содержание летучих в торфе меньше, чем у древесины. Но так как метаморфизм горючей массы у торфа ниже, чем у угля, при высокой влажности и зольности теплота сгорания его высока и достигает 3415 ккал/кг.

Бытовые отходы, собираемые в городах, содержат материалы, которые могут быть использованы как сырье. С этой целью бытовые отходы сортируют, извлекают из них металл, стекло и т.п. Неотсортированные отходы могут быть использованы как топливо.

В табл. 2 приведен представленный компанией ГРИКО-Центр (г. Киев) состав неотсортированных отходов - мусора, собираемого по г. Киеву. Как видим, основными составляющими являются древесина, тряпки, пищевые отходы, а также резина и пено-пласты.

Это и определяет элементный состав неотсортированного мусора (табл. 3). Основной составляющей органической массы мусора, как и всей биомассы, являются углерод и кислород, количественно почти отвечающие составу органической массы древесины. Следует отметить наличие в мусоре серы, хлора, большого количества минеральной части, что вызвано их искусственным происхождением.

Элементный состав неотсортиров The elementary composition of non-as

Таблица 2

Состав неотсортированных остатков мусора

Table 2

The composition of non-assort off remnant of rubbish

№ Состав мусора Кол-во,

п/п %

1 Древесина 20

Тряпки, в том числе: 26

2 клочья 13

коллагены (шерсть, кожаная обувь и др.) 13

3 Резина (кабель и подметки) 6

Пенопласт, в том числе: S

4 полиуретановый 2

поливинилхлоридныи 3

полистирольныи 3

Пищевые отходы, в том числе: 40

5 отходы растительной пищи 20

остатки обработки мяса 20

Теплота сгорания мусора (неотсортированного) достигает 3060 ккал/кг при влажности до 35% и зольности до 5%.

Одним из недостатков биомассы является ее малая насыпная плотность. Вследствие этого ее транспортирование на большие расстояния экономически невыгодно. Поэтому она используется главным образом в местах ее происхождения.

Широкому использованию биомассы как топлива способствует создание на ее основе искусственного топлива, которое было бы экономически целесообразно транспортировать на большие расстояния. Согласно мировому и историческому опыту таким топливом являются брикеты или гранулы, производству которых в последнее время уделяется большое внимание.

Таблица 3

ных остатков мусора (расчетный)

Table 3

rt off remnant of rubbish (calculation)

№ п/п Состав неотсортированных остатков мусора С H О N S Cl Зола

%

1 Древесина 49,80 6,10 41,20 0,98 0,00 0,00 2,00

2 Тряпки: клочья коллагены (шерсть, кожаная обувь и др.) 49,03 42,01 40,49 5,32 47,34 22,83 0.95 5,98 0,00 ,00 0,00 0,00 3,60 22,86

3 Резина (кабель и подметки) 53,22 7,09 7,76 0,50 1,34 0,00 30,09

4 Пенопласт: полиуретановый поливинилхлоридный полистирольный 40,44 38,43 92,26 7,92 4,84 7,74 35,92 0,00 0,00 15,72 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 56,73 0,00 0,00 0,00 0,00

5 Пищевые отходы: отходы растительной пищи остатки обработки мяса 49,06 59,59 6,62 9,47 37,55 24,65 1,68 1,02 0,20 0,19 0,00 0,00 4,89 5,08

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Брикеты и гранулы предназначены в основном для сжигания в слое в бытовых топливоиспользую-щих устройствах или котлах в коммунальной и промышленной энергетике. Они также могут быть использованы как сырье для газогенераторов при производстве топливного газа. Монофракционный состав сырья, подвергающийся газификации, позволяет поддерживать нормальный газогенераторный процесс, который сохраняет постоянные параметры во время эксплуатации газогенератора.

При использовании биомассы в качестве топлива необходимо учитывать ее особенности: низкую теплоту сгорания, различное содержание влаги и минеральных веществ, полифракционность и, вследствие большого содержания летучих, длиннопламенность. Это требует предварительной подготовки топлива -подсушки и измельчения, для обеспечения стабильного горения, сжигание его в больших объемах для покрытия тепловых нагрузок.

Все это приводит к тому, что топливосжигающие устройства для биомассы велики по размерам и малоэффективны. Поэтому с целью повышения эффективности использования биомассы как топлива необходимо применять новые технологии сжигания топлива.

Новые технологии сжигания топлива

Новой технологией для сжигания мелкофракционных отходов биомассы, таких как лузга крупяных культур и подсолнуха, опилки древесины, является метод термохимической обработки топлив [8, 9], позволяющий повышать реакционную способность сжигаемого топлива, что приводит к интенсификации процесса горения, его стабильности и высокой полноте сгорания топлива.

Сжигание топлива по методу термохимической обработки осуществляется в режиме самовоспламенения. Последнее обеспечивается подогревом топлива до температуры самовоспламенения продуктами сгорания дополнительного высокореакционного топлива (жидкого или газообразного).

По методу термохимической обработки можно сжигать как твердое, так жидкое и газообразное топливо. Расход дополнительного топлива составляет 16% от общего расхода топлива на горелочное устройство и зависит от вида топлива.

Применительно к сжиганию биомассы по методу термохимической обработки была определена температура самовоспламенения различной биомассы (табл. 4).

Температура самовоспламенения определялась для топлива в слое. Как видно, она почти одна и та же для всех видов биомассы и не превышает 350 °С. Связано это с тем, что термическое разложение биомассы начинается при температуре, близкой к 160 °С [8], что и обеспечивает сравнительно низкую температуру самовоспламенения. Исключение - костра льна, имеющая температуру самовоспламенения

около 500 °С . Вызвано это тем, что по своему составу она подобна коре и имеет большое количество пробковых соединений с высокой температурой выхода летучих.

Таблица 4

Температура самовоспламенения отходов биомассы

Table 4

The temperature of spontaneous combustion of wastes of biomass

Вид биомассы Температура самовоспламенения, °C

Древесина (береза) 290-350

Лузга гречихи 310-340

Лузга проса 315-340

Лузга овса 315-345

Торф 250-270

Костра льна 480-500

В ИТТФ НАНУ создано горелочное устройство для сжигания топлив по методу термохимической обработки. На рис. 1 показано горелочное устройство ППЛГ-8 для сжигания лузги крупяных культур и природного газа, причем природный газ используется и как дополнительное топливо, и как дежурное в случае отсутствия лузги.

Рис. 1. Горелочное устройство ППЛГ-8 для сжигания твердого и газообразного топлива по методу термохимической обработки Fig. 1. Burner ППЛГ-8 for incineration solid and gaseous fuel by the method of thermo-device chemical treatment of fuel

Сжигание топлива горелочным устройством осуществляется очень эффективно. Так, при работе го-релочного устройства на природном газе на котле ДЕ-10-14ГМ (ООО «Сквирский КХП», г. Сквира, Киевская обл., Украина) в продуктах сгорания содержание оксида углерода СО было 0,0025-0,0078% в зависимости от нагрузки на котел.

Как показали проведенные в ИТТФ НАНУ исследования [4, 11], для полифракционного и крупнофракционного твердого топлива биомассы наиболее применим процесс сжигания в прямоточном слое с дожиганием газовой фазы и выноса мелкодисперсных частиц топлива и коксового остатка, имеющих температуру, превышающую температуру самовоспламенения, в системе струй окислителя - воздуха. При этом процесс горения топлива происходит при высоком тепловом напряжении зеркала горения и высоком градиенте скорости окислителя.

При исследовании структуры прямоточного слоя было установлено, что его высота зависит от коэффициента избытка воздуха а. Его уменьшение от стехиометрического (а < 1) приводит к резкому возрастанию высоты слоя и горение сопровождается интенсивными газификационными процессами. Увеличение высоты слоя происходит за счет зоны восстановления. С увеличением а зона восстановления уменьшается и при а > 1 исчезает совсем. При этом высота кислородной зоны при всех изменениях коэффициента избытка воздуха практически постоянна. Однако, как было установлено, ее высота зависит от количества летучих в топливе. С их увеличением она возрастает.

Таблица 5

Скорость горения биомассы в прямоточном слое

Table 5

The velocity of combustion of biomass in a uniflow layer

Биомасса Насыпная плотность, кг/м3 Скорость горения, кг/м^ч при АР, Па

100 250 500

Древесина (береза) 178,46 662,85 712 786,44

Опилки (дуб + сосна) 122,46 383,91 - 836

Опилки (дуб) 187,69 283,72 - -

Листья (клен) 23,85 1083,33 - -

Створки конского каштана 130 344,89 - -

Лузга гречихи 134,1 412,97 469,33 586,5

Лузга проса 219,48 957,89 - 1268

Лузга овса 177,4 832 - 1004,34

Лузга подсолнечника 84,61 628,57 - -

Стержни кукурузы 130 247,41 - -

Пшеница (зерно) 719,99 1712,72 1681,07 2169,76

Солома (пшеница) 66,15 700 - 1760

Костра льна 195,12 779,1 1494,11 2733,33

Стебли подсолнечника 63,07 443,24 - -

Торф 458,08 - 1292 -

Были определены скорости горения различных видов биомассы в прямоточном слое в зависимости от перепада давления на слое. В табл. 5 приведены результаты экспериментальных исследований. Как видно, скорость горения в прямоточном слое зависит не только от перепада давления окислителя на слое, но и вида биомассы и общей поверхности горения.

Искусственное топливо - брикеты, гранулы - в отличие от исходного сырья имеет меньшую скорость горения. Помимо этого на скорость горения влияют формостабилизирующие добавки, используемые при изготовлении брикетов в качестве связующего для снижения усилий прессования и придания брикетам термоустойчивости [2].

На основании проведенных исследований в ИТТФ НАНУ было создано высокофорсированное топочное устройство прямоточного слоя с двухста-дийным процессом сжигания твердых топлив. Топочное устройство может работать как под наддувом, так и под разрежением.

Используя топочное устройство, в ИТТФ НАНУ разработали теплогенератор. Он может быть применен как индивидуальный источник энергии для коммунального хозяйства и промышленной энергетики: для технологических процессов, в частности, для разного вида сушилок. Теплогенератор позволяет получать, в зависимости от установленного на выходе топки устройства, подогретую воду или сушильный агент - продукты горения, смесь продуктов горения с воздухом, подогретый воздух. На рис. 2 показан теплогенератор, работающий на гранулах из лузги подсолнечника, тепловой мощностью 0,3 МВт в составе барабанной сушилки минеральных удобрений. Сушильный агент: смесь воздуха и продуктов сгорания. Теплогенератор установлен на предприятии ООО «ОР1Й» (г. Березань, Киевская обл., Украина). Подобные теплогенераторы могут работать на лузге гречки, овса, проса, риса, подсолнуха, некондиционных отходах древесины, опилках, различных марках угля.

Рис. 2. Теплогенератор тепловой мощностью 0,3 МВт в составе барабанной сушилки минеральных удобрений Fig. 2. Warmth generator of thermal capacity 0,3 MW in the drum-dryer of mineral fertilizer

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Как показал опыт эксплуатации теплогенераторов, использование топочного устройства с прямоточным слоем имеет свои преимущества, а именно, экологичность - применение двухстадийного процесса сжигания топлива, сухое шлакоудаление, нетребовательность к твердому топливу, небольшие габариты. В некоторых случаях габариты топки прямоточного слоя ненамного превышают габариты газовой горелки, что позволяет использовать ее для перевода газовых котлов на альтернативное топливо. Так, топка тепловой мощностью 0,1 МВт имеет габариты: длина - 380 мм, ширина - 380 мм, высота - 290 мм. Топка имеет простую конструкцию, низкую металлоемкость и, соответственно, низкую стоимость.

Выводы

1. Топливные характеристики биомассы позволяют использовать ее в качестве альтернативного углю, нефти и природному газу топлива. Существенным недостатком биомассы является ее малая насыпная плотность. Вследствие этого она используется, главным образом, в местах ее происхождения.

Широкому использованию биомассы как топлива способствует создание на ее основе искусственного топлива - брикетов или гранул, которые возможно транспортировать на большие расстояния.

2. При использовании биомассы в качестве топлива необходимо учитывать ее низкую теплоту сгорания, различное содержание влаги и минеральных веществ, полифракционность и длиннопламенность, а также сжигание ее в больших объемах для покрытия тепловых нагрузок, что приводит к тому, что топливосжигающие устройства для биомассы велики по размерам и малоэффективны. Поэтому с целью повышения эффективности использования биомассы как топлива необходимо применять новые технологии сжигания топлива.

3. Новыми технологиями сжигания являются: для сжигания мелкофракционных отходов биомассы, таких как лузга крупяных культур и подсолнуха, опилки древесины, возможно использовать метод термохимической обработки топлив, а для полифракционного и крупнофракционного твердого топлива - процесс сжигания в прямоточном слое с дожиганием газовой фазы и выноса мелкодисперсных частиц топлива и коксового остатка в системе струй окислителя - воздуха.

4. Создано горелочное устройство для сжигания топлив по методу термохимической обработки и высокофорсированное топочное устройство прямоточного слоя с двухстадийным процессом сжигания твердых топлив. Они имеют простую конструкцию, малые габариты. Их использование позволяет высокоэффективно сжигать биомассу в котлах и теплогенераторах, обеспечивая экологичность и сухое шла-коудаление.

Список литературы

1. Щошн А.Р., Колесник Р.В. Досв1д залучення альтернативних джерел енергп та вид1в палива до паливно-енергетичного балансу Украши у перюд 1998-2003 рошв та шляхи розвитку гх подальшого використання - с. 14-23. В кн. 1нфрмацшно-аналггач-ний доввдник „Енергозбереження в репонах" // Бю-летень „Альтернативна енергетика". - Держкоменер-гозбереження Украши, Укренергозбереження, Кив, 2003.

2. Статистичний щор1чник Украши. К.: Техшка, 2002.

3. Чмель В.М., Нов1кова 1.П. Брикетування бюмаси // Вщновлювана енергетика. 2007. № 4(8). С. 98 103.

4. Чмель В.М., Новшова 1.П. Дослвдження палив-них характеристик в1дход1в б1омаси // Ввдновлювана енергетика. 2006. № 4(7). С. 107-113.

5. Отходы древесины. Общие технические условия. ДСТ Украины 2034-92. Изд. Официальное. ГОССТАНДАРТ УКРАИНЫ. Киев.

6. Гуляев Н. Ф. Удаление, обезвреживание и переработка бытового мусора. М.: Стройиздат, 1973.

7. Сбор, удаление, обезвреживание бытовых отходов. Пер. нем. М.: Стройиздат, 1971.

8. Чмель В.Н., Дунаевская Н.И., Огий В.Н., Бар-бышев Б.Н. Повышение эффективности сжигания низкосортных топлив методом термохимической обработки // Известия вузов. Энергетика. 1985. № 3. С. 96-100.

9. Чмель В.Н., Новикова И.П. Сжигание топлива по методу термохимической обработки. Дисперсш система ХХ наукова конференщя кра!н СНД. 23-27 вересня 2002 року. Одеса, Украша. Тези доповщей. Одеса: Астропринт, 2002. С. 276-277.

10. Кнорре Г.Ф., Арефьев К.М., Блох А.Г. и др. Теория топочных процессов. М.-Л.: Энергия, 1966.

11. Чмель В.М. Дослвдження процесу горшня альтернативного палива в прямоточному шар1 // Ввдновлювана енергетика. 2011. № 4(27). С. 85-92.