Энергетическое использование коры и отходов лесозаготовки

Для начала опишем саму технологию, подходящую для энергетического использования отходов деревообрабатывающих и лесозаготовительных производств.

Наибольшее распространение в данном сегменте получили топочные устройства с колосниковыми решётками, в которых организованы различные зоны для сгорания топлива. Топливо, подаваемое в топочное устройство податчиком, попадает на первую «зону подсушки». Это принципиально важно для коры, которая зачастую обладает высокой влажностью, а потому требует большего времени для просушки. Сократить его можно воздухоподогревателем за счёт продуктов сгорания. В следующей зоне «пиролиза и выхода летучих» происходит переход топлива из твёрдой в газообразную фазу и воспламенение горючих элементов. В последней «зоне догорания» происходит выгорание на решётке остаточного углерода. В зависимости от влажности топлива производится индивидуальное распределение подогретого воздуха.

Кроме того, топочные устройства подобного типа предполагают так называемое «ступенчатое сжигание» за счёт разделения на две области. В первичной области подаётся минимальное количество воздуха горения, чтобы создать его дефицит. Такое соотношение топлива к воздуху обозначают как гипостехиометрическое. Во вторичной зоне подаётся большое количество воздуха для его избытка (гиперстехиометрическое соотношение). Преимуществом подобного разделения на ступени, по соотношению подводимого воздуха, является снижение образующихся окислов азота (NOx) сразу в топочном устройстве, что обозначается в теплотехнике первичными мерами по снижению образования вредных веществ. Одновременно с этим избыток воздуха во вторичной зоне способствует идеальному дожиганию моноксидов углерода (CO) и несгоревших углеводородов (CxHy).

Из практики известно, что кора, также как и отходы лесозаготовки, зачастую не пригодна для последующей переработки, а потому они образуют издержки для предприятий из-за необходимости их утилизации. Очевидно, что наиболее оптимальным решением данной проблемы является возможность получения энергии, необходимой производству, путём сжигания этих отходов. Однако справиться с подобной задачей под силу не любому оборудованию ввиду определённых особенностей использования данных материалов в качестве топлива.

Основная проблематика сжигания коры и отходов лесозаготовки

Влагосодержание. Кора в зависимости от происхождения, складирования и периода года может содержать до 60% влаги и более. Соответственно, в топочное устройство попадает большая масса и объём топлива, которое требует достаточное время для оптимального выгорания на решётке. При недостаточной длине колосниковой решётки будет возникать значительный механический недожог топлива, что негативно сказывается на коэффициенте полезного действия установки, а также приводит к значительному износу системы золоудаления за счёт повышения температуры золы при догорании материала вне колосниковой решётки. Кроме того, отсутствие системы подогрева воздуха и разделения на зоны по подводу первичного воздуха для колосниковой решётки может привести к нестабильной работе системы или полному затуханию топлива.

Размеры фракций. У коры и отходов лесозаготовки весьма различный фракционный состав. Потому, при некорректном подборе топливоподачи возникают затруднения с постоянным поступлением топлива в топочное устройство. Это ведёт к нестабильным режимам работы и частым остановкам оборудования, что негативно сказывается не только на уровне эксплуатационной готовности оборудования, но и на сроке эксплуатации. На рис.2 представлен пример топлива — коры после окорочного станка без дополнительного измельчения и отходов лесозаготовки, которые успешно сжигают в топочном устройстве на одном из предприятий в Германии.

Зольность. Кора и отходы лесозаготовки из-за включений и загрязнений (земля, песок и т. д.) могут иметь зольность более 10% от общей массы топлива. Повышенная зольность топлива приводит к увеличению загрязнения теплообменных поверхностей и топочного устройства, а также к повышенному расходу в системе отведения золы и дополнительному износу транспортной системы золы.

Оптимальные решения для сжигания коры и отходов лесозаготовки

Для обеспечения номинальной необходимой мощности при использовании коры и отходов лесозаготовки с высокой влажностью в схеме котельной установки применяют воздухоподогреватель. Его положительный тепловой потенциал используют при зональном подводе воздуха к колосниковой решётке для обеспечения зоны просушки материала, для стабилизации последующих процессов выхода летучих, активного горения и догорания топлива на решётке. Кроме того, подогрев воздуха, осуществляемый за счёт применения газо-воздушного теплообменника, позволяет отвести дополнительное тепло от дымовых газов и тем самым повысить коэффициент полезного действия котельной установки. Но нельзя забывать, что высокая влажность топлива приводит к смещению точки росы дымовых газов в сторону увеличения, потому должны быть предприняты соответствующие мероприятия по поддержанию допустимой температуры дымовых газов, для исключения коррозии хвостовых поверхностей нагрева, к которым относятся воздухоподогреватели и экономайзеры. Для оптимального и эффективного сжигания влажного топлива также важна соответствующая длина колосниковой решётки, гарантирующая возможность максимального выгорания материала и исключающая механический недожёг, что гарантирует не только высокий коэффициент полезного действия установки, но и уменьшает износ системы золоудаления. На рис. 3 отображён график зависимости коэффициента полезного действия установки от влажности топлива без воздухоподогревателя и при его наличии.

Для обеспечения надёжной подачи топлива, особенно коры, производители, обладающие многолетним опытом и постоянно оптимизирующие системы подачи предусматривают особую компоновку топливоподачи. Начиная с места перегрузки топлива с подвижного дна на поперечный транспортёр особой конструкции, исключающей застои топлива, и заканчивая оптимизированной подачей топлива на колосниковую решётку с применением податчика, имеющего в своей конструкции обрезное устройство для оптимизация фракционного состава.

Для решения проблематики, связанной с повышенной зольностью топлива таких топлив, как кора и отходы лесозаготовки, применяют адаптированную систему золоудаления с соответствующей производительностью. В конструкции используют специальные материалы для уменьшения износа при транспортировке золы. Конструкцию топочного устройства адаптируют для снижения возможности отложения золы и уменьшения проходного сечения, для исключения увеличения абразивного износа шамотного материала и выдавливания сводов, а теплообменное оборудование обладает резервом поверхностей нагрева для обеспечения номинальной производительности даже при повышенных загрязнениях и отложения золы.
Практический опыт использования подобного топлива и наличие исследовательского опыта, по анализу различных режимов сжигания, в совокупности с грамотными техническими решениями обеспечивают возможность полноценного использования энергетического потенциала отходов.

Подводя итоги, можно заключить, что сжигание коры и отходов лесозаготовки — посильная задача. Однако она требует опыта в производстве и эксплуатации подобного оборудования от поставщика технологии и, конечно же, особого внимания при выполнении инжиниринга и подборе решений, исходя из данных о элементарном составе, влажности, фракционном составе и о зольности топлива, планируемого к применению.

Текст: Томас Коглер, Маттиас Финк, Максим Савченко