АГРОБИО ТЕХНИКА - растениевъдство, животновъдство, биоенергетикагодина V, брой 7, 2017

Приложение на дървесна биомаса за отопление в селското стопанство

Много сфери в селското стопанство са енергоемки и зависимостта им от изкопаеми горива, като например дизелово гориво, газ и пропан-бутан (LPG) за отопление, добавя значителни разходи в цялостната им дейност. В същото време ферми и земеделски стопанства имат добра възможност да се възползват от отпадъчна дървесна биомаса като гориво за отоплителните си системи. Тогава енергийните разходи могат да поемат нов обрат в посока източник на приходи. Съществуват системи за отопление, работещи на дървесна биомаса, които са подходящи за много специфични приложения в селското стопанство: като започнем от сушене на зърно, преминем през отопление на парници и птицеферми и стигнем до отопление на помощни, административни и жилищни постройки в стопанствата.


Дървесната биомаса се смята за първия източник на енергия в историята на човечеството. Сега тя все още е сред най-важните източници на възобновяема енергия, осигурявайки около 6% от общата доставка на първична енергия в света по данни на ФАО. Днес обаче дървесната биомаса навлиза в нова фаза от употребата си като енергиен източник, предвид загрижеността за изменението на климата и опасенията за енергийната сигурност. Приема се, че дървесината като енергиен източник има неутрално въздействие върху климата заради нулевия въглероден отпечатък, а освен това е и социално жизнеспособен източник на възобновяема енергия, но само когато отговаря на определени условия.

Дървесината трябва да произлиза от гори и стопанства с устойчиво управлявани ресурси. Важно е също дървесното биогориво да е с подходящи параметри като например форма, размери, съдържание на влажност, калоричност и други. Освен това е необходимо оборудването, което се използва, да гарантира ефективно изгаряне или газификация, като се минимизират вътрешните и външните емисии. Друг съществен момент е така нареченото каскадно използване на дървесината, което препоръчва по възможност първоначално използване, повторната употреба и рециклиране, преди използването на суровините като енергиен източник.

Защо стопанствата да се обърнат към отопление с дървесна биомаса?
Тъй като много ферми и селскостопански процеси са силно енергоемки и все още разчитат на скъпи изкопаеми горива, преимуществата за ефективността и финансовите ползи от системите за отопление на дървесна биомаса могат да бъдат забележителни. За целта се използват котли, работещи с твърдо дървесно гориво (например дървесни пелети, чипс, дърва и екобрикети), вместо с течни или газови горива. Освен разликата в типа гориво те работят по абсолютно същия начин както конвенционалните котли и отговарят на всички изисквания за отопление по надежден и изключително ефективен начин.

Системите за отопление на дървесна биомаса са едновременно сигурни и с изключително добър коефициент на полезно действие, с ефективност на котлите от над 90%. Освен това дървесните екогорива като пелети и брикети са значително по-евтини от съществуващите изкопаеми горива и са лесно достъпни от много доставчици в цялата страна.

Особености на горивния процес
Изгарянето на дървесина и производни от нея екогорива има три изисквания – гориво, въздух и топлина. Ако някой от изброените компоненти се отстрани, отоплението ще се преустанови. Когато и трите компонента са на разположение в правилната пропорция, горенето се самоподдържа, защото дървесината освобождава достатъчно топлина, за да инициира продължително изгаряне. Скоростта, с която изгаря дървесната биомаса, се контролира от количеството въздух. Липсата на въздух причинява тлеене на дървесината и емитиране на замърсители. От друга страна, твърде много въздух ще охлади горивната среда и генерирането на топлина ще намалее.

Друг важен аспект на горенето е енергийното съдържание на горивото. То е силно зависимо от съдържанието на влага и теглото на дървесината. Ето и някои примерни параметри в това направление, изразени в Британски термални единици (British thermal units, Btu), 1Btu/lb=2.326kJ/kg=0.55kcal/kg:

Например дървесина с 50% влага ще има енергийно съдържание около 4700Btu/lb, докато същата дървесина при 20% влага ще съдържа енергия около 6200Btu/lb. Твърда дървесина, която е с два пъти по-голямо тегло от мека дървесина, ще има два пъти по-голямо съдържание на топлина. Същото се отнася и за дървесния чипс, който има енергийно съдържание 4000Btu/lb в зелено състояние (при 50% съдържание на влага) и 7400Btu/lb в сухо състояние (при 10% съдържание на влага). Дървесните пелети със своята висока енергийна плътност, ниско съдържание на влага (под 10%) и хомогенност в размер и форма, са предпочитани и това не е случайно. Калоричността им е приблизително равна на тази при въглищните брикети и е само около 2 пъти по-малка в сравнение с дизеловото гориво. Например, при 7% влажност показват енергийно съдържание около 7800Btu/lb.

В процеса на изгаряне дървесината минава през три етапа. В първия дървеният материал се нагрява при около 100°С, за да се изпари и излезе влагата. Топлината, която се генерирана тук не може да служи за отопление, освен ако не се използва в кондензационна технология. Във втория етап горенето протича при около 260°С и дървото започва да се разгражда химически при изпарение на различни летливи съединения. Парите съдържат между 50 и 60% от стойността на топлина на дървесината. Тези пари трябва да се нагреят до около 600°С, защото в противен случай ще се образува дим, който ще покрие повърхностите на топлообменниците с креозот. В третия етап, след като летливите газове се отделят, останалият материал (активен въглен) доизгаря при температури над 800°С. Всички три етапа могат да протичат по едно и същото време.

Котли за изгаряне на пелети и друг тип дървесна биомаса
Старите котли с директно изгаряне на дърва имат сериозни недостатъци като голям разход на гориво и ниска ефективност. Това се дължи на загубата на голяма част от топлината чрез димните газове и през тялото на котела. Ефективността на процесите в такива котли не надвишава 50-60%, а неоползотворената топлина се изхвърля в околната среда, създавайки екологични проблеми. Новото поколение котли, работещи с дървесна биомаса, се отличава от старите именно по своята висока ефективност.

Дървесните пелети, които са на пазара повече от 15 години, изиграха ролята на ново гориво, дало мощен импулс за развитието на изгарящите дървесина отоплителни системи в посока по-висока производителност с особено ниски емисии. Съществено подобрение е използването на кондензационна технология. При нея котела оползотворява не само топлината от изгаряне на горивото, но и тази от кондензация на водните му пари. Това е хитро решение за използване на енергията от димните газове. Парата в димните газове се охлажда до точката, в която кондензира, и така освобождава енергията, която притежава. Това се отразява в печалбата на топлина с добавяне на допълнителни от 10% до 15%.

Съществува голямо разнообразие от оферти за котли на пелети, работещи с водни или въздушни системи за отопление. В зависимост от избора горивото може да се подава ръчно или автоматично. Тенденциите са при котлите за изгаряне на пелети коефициентът на полезно действие да надвишава 90%, при котлите за изгаряне на твърди горива, но не пелети, с автоматично подаване на горивото е 85%, а при ръчно подаване – 80%.

Новите котли са програмируеми, с висока степен на автоматизация. Имат интелигентна измервателна и регулираща техника, която оптимизира процеса на производство на топлина. Те са оборудвани с електронен блок за управление, от който се регулират съответстващите на нуждите нива на отопление и се осигурява оптимално изгаряне с ниски нива на емисии на всеки етап от използване на производствените мощности. В повечето случаи елементите за контрол са така разположени, че да служат на планирания брой отоплителни контури, а също така да се свържат със системи на други топлогенератори, например на термосоларни системи. Със специални сонди се определя точно необходимото количество въздух за гарантиране на ефективен горивен процес.

Дозиране и подаване на горивото
Точното дозиране и подаване на горивото в камерата при съвременните котли става с автоматизирано съоръжение. Лесното транспортиране на пелетите и дървения чипс е предпоставка за автоматизирано подаване. Предимство при тях е, че могат да се подават в горелката на малки порции, така че да се оптимизира горенето, получаването на топлина и разхода на гориво. Обикновено за дървения чипс се използва механично устройство или хидравлично бутало за подаване, а при дървесните пелети подаването е механично или с пневматично устройство.

При някои модели пелетите се зареждат ръчно в междинен резервоар над горивната камера и падат в нея под силата на тежестта си. При наличие на завои и наклони се избира пневматично устройство, а механичните устройства са шнекови транспортьори. Препоръчва са те да са къси, за да не се задръстват. При необходимост се поставят няколко къси транспортьора. От съображения за сигурност се следи температурата на шнека, и ако тя премине дадена граница, се пуска вода от дюза. Контролери за нивото на горивото предпазват от препълване на горивната камера. Сензор за откриване на обратно горене идентифицира опасността още в начален стадий и тя се неутрализира с кратковременно увеличаване в подаването на материал.

Котли с вътрешна и външна горелка
Външна горелка се инсталира на вече монтирани котли. Горивото се подава в междинен резервоар и от там чрез ротационен механизъм се регулира преминаването му по-нататък в горивния шнек. Обикновено такава горелка има външен шнек за транспорт на гориво, гъвкава тръба и основен модул. Тя има микропроцесорен контролер за управление работата на модулите, вентилатор за подаване на въздух за горене (датчик следи честотата на въртене), електрически нагревател за разпалване на горивото, горивна камера, в която се реализира горивният процес, сонда за следене на процеса, интерфейсен панел и други подобряващи процеса допълнения. Котлите с външна горелка са подходящи за големи селскостопански обекти, като дават възможност за бърза промяна в мощността в зависимост от текущото потребление.

При котлите с вградена горелка е най-популярно скарното горене. Процесът протича в три етапа – сушене, разлагане и изгаряне. При подаване на дървесината в горивната камера започва процес на изпарение на влагата в нея. Следва термично разлагане с отделяне на летливите газове на горивото и най-накрая е изгарянето с пълно окисляване. Котлите с вградена горелка се използват за по-малки обекти, обикновено са с по-малка мощност и се характеризират с по-ниски нива на шум.

Подаване на въздух в котлите
В горивния процес се въвежда първичен и вторичен въздух. Първичният въздух се прилага в мястото на влизане на горивото в камерата, под самото гориво. Неговата роля е да повиши температурата на горене, за да се отделят газовете от тлеещата дървесина. При новите модели котли се използва вентилатор с електродвигател, който контролира процеса на горене. Дозирането на въздуха при различните мощности става с изменение оборотите на вентилатора. Това се случва автоматично. По този начин се гарантира ефективно изгаряне и ниски емисии на замърсители в димните газове. Вторичният въздух се подава след горивната камера. За да се определи количеството необходим въздух, се използват уреди, измерващи температурата и съдържанието на кислород и въглеводороди.

Пиролизни котли
Днес много популярни, особено в селскостопанските райони, са пиролизните котли. Те са подходящи за потребители със собствен източник на дървесина или лесен достъп до дърва, каквито са повечето селскостопански производители. Те могат да се възползват и от близо разположени фирми за преработка на дървесина, с големи обеми отпадъчна дървесина, от горски стопанства, както и от по-далечни доставки, стига да са на изгодна цена. За експлоатация на пиролизни котли трябва да имате достатъчно място за съхранение на горивото. То трябва да е защитено от дъжд, а доставките да могат да покриват пиковите периоди на консумация.

Днес пиролизните котли за дървесина са много близки по ефективност и ниво на емисиите до котлите за изгаряне на пелети, благодарение на огромния технологичен напредък, който се наблюдава през последните години. Те абсолютно не могат да бъдат сравнявани с традиционните котли (печки) за дърва и въглища, с ниската им ефективност и вреда за околната среда. Диапазонът на мощността на пиролизните котли варира, например от 5кВт до стотици кВт. Най-съвременната технология на пиролиза гарантира ефективно и чисто изгаряне.

Процесът на горене в такива котли се извършва на няколко етапа. Първо, идващият от горната част на горивната камера нагрят въздух изсушава дървото и помага частично за пиролизирание (газификация) на целулозата, съдържаща се в него. След това на дъното на камерата, в резултат на смесване на горими газове с вторичен въздух протича тяхното пълно изгаряне при температура над 1000°С и доизгаряне на твърдите частици, които падат от скарата.

Ниски емисии на въглероден оксид и въглеводороди се поддържат, благодарение на дългото време за изгаряне при висока температура и достъп на кислород. Подава се първичен и вторичен въздух. Първичният участва в газификацията, а вторичният – за изгаряне на летливите вещества.



Реклама