Влажность не порок: повышаем эффективность сжигания щепы

Проблему утилизации древесных отходов, актуальную для современных деревообрабатывающих производств, позволяет решить использование щепы и опилок в качестве топлива. С появлением разнообразных дробилок и шредеров вопрос размера щепы перестал быть существенным. Принципиальный момент заключается в её влажности, которая определяет количество тепла, произведённого из этого топлива, и может в разы менять способность автоматического котла выполнять свои функции.

Чем выше влажность твёрдого топлива, тем ниже его теплотворная способность, образуется больше сажи и конденсата, снижается эффективность работы котла.

Для получения одного и того же количества тепловой энергии топлива с влажностью 25% нужно меньше, чем с влажностью 55%. Котлы, работающие на щепе влажностью 25%, меньше размерами, чем для влажного топлива. Это связано с тем, что для сжигания влажного топлива необходимо иметь большую массу теплоизоляционного материала, которая накапливает необходимое тепло для сушки поступающей влажной щепы. И чем влажность выше, тем больше масса теплоизоляции.

Утилизация древесных отходов: удобное решение

Стандартное котельное оборудование предназначено для сжигания щепы влажностью до 30%, однако для потребителей актуальна задача утилизация древесных отходов влажностью от 30 до 70% без предварительного подсушивания. Типовое решение, к которому прибегают производители котлов, — увеличение зоны подсушки топлива на длинной колосниковой решётке (предтопок).

Топливо в естественном виде подают в котёл, а раскаленные газы из основной топки, проходя в верхней части предтопка под сводом, за счёт лучистой энергии сушат топливо. Конструктив такого котла позволяет утилизировать топливо влажностью до 55% без предварительного подсушивания, что упрощает эксплуатацию оборудования. Это удобно, когда у пользователя нет возможности подсушивать сырьё перед отправкой в котёл.

В перспективе перед производителями котельного оборудования стоит задача обеспечить эффективное сжигание древесного сырья влажностью до 70% в самом котле, без предварительного подсушивания. Очевидно, что такое решение привлекательно для пользователей твердотопливных котлов, поскольку не потребует дополнительных действий и позволит упростить работу.

Большие потери: почему важна сушка древесины

Опыт сжигания влажной щепы непосредственно в котле имеется у фирмы «Светлобор». И опыт этот отрицательный.

«Два года назад мы, подражая лучшим австрийским производителям, изготовили и поставили водогрейный котел по классической схеме: горячая адиабатная керамическая топка, колосниковая решётка с переталкивающими колосниками и отдельный вертикальный теплообменник с дымогарными трубами. Интересен практический опыт запуска этого оборудования. Котёл запускается на сухой щепе или пеллетах. При повышении температуры топки до 700-800 °C его стенки начинают розоветь. Переходим на щепу влажностью 50% — котёл устойчиво работает.

При кратковременной (более 5 минут) подаче щепы влажностью более 50% исчезают языки пламени, начинается тление и появляется парение. При снижении влажности щепы в рабочее состояние котёл самостоятельно не переходит. Нужно начинать всё с начала.

Некоторые отечественные производители котлов утверждают, что сжигают щепу влажностью в 65%. В нашем понимании это возможно только в котлах большой мощности — 1000 кВт и более. Имеет место фактор масштаба: отношение наружной поверхности топки (пропорциональное квадрату длины) к объёму топки (пропорциональное кубу) становится более благоприятным. Кроме того, КПД у таких котлов вообще не рассматривается в качестве важного фактора», — подчёркивает генеральный директор ООО «Светлобор» Олег Шаров.

Опираясь на опыт двухлетней эксплуатации котла, выполненного по классической схеме, руководитель компании пришёл к выводу, что сжигание влажной щепы (более 25-30%) непосредственно в котле — это тупиковый путь. Также он ссылается на мнение австрийских производителей, которые в последние 2-3 года заявляют об экономической неэффективности сжигания влажного сырья. Какие же аргументы приводят специалисты?

Во-первых, стоимость: по их оценке, каждый квадратный сантиметр предтопка стоит значительно больше равноценной площади по выпариванию воды в простой сушилке. И хотя площадь предтопка для выпаривания литра воды значительно меньше площади сушилки для того же количества жидкости, но стоимость площади предтопка и функционально соответствующей площади примитивной сушилки будет различаться на порядок.

Во-вторых, теплопотери: в процессе сжигания из древесины выпаривают воду, водяные пары разогревают до 1000 °C в камере сгорания, затем охлаждают в теплообменнике до 120 °C и выбрасывают в атмосферу. Очевидно, что на каждой стадии будут потери тепла. И чем выше влажность топлива, тем они больше. Соответственно, если сравнивать сжигание щепы влажностью 50% и 25%, то во втором случае количество воды, проходящей в виде балласта через котёл, и связанные с ней потери значительно меньше.

Сушим щепу правильно

Итак, возвращаемся к технологии предварительной сушки сырья. Традиционно для этого используют сушильные барабаны, в которых влагу из материалов мелкой фракции удаляют при помощи топочных газов или горячих воздушных потоков. Непрерывное воздействие вращения, ворошения и горячего воздуха позволяют быстро и равномерно испарить влагу из большого объёма сырья. Конструкция проста и удобна в эксплуатации. Для контроля сушки нужен один оператор, который отслеживает баланс температуры и объёма древесной фракции: при повышенной температуре подаётся большее количество щепы или снижается температура на входе; и наоборот, при температуре на выходе ниже среднего оператор повышает её на входе или снижает объём щепы.

К недостаткам барабанной сушилки можно отнести большие размеры, из-за которых её бывает сложно встроить в общую цепь комплекса оборудования, а также высокую стоимость из-за металлоёмкости и сложности производства.

«Производственная культура котельной значительно выше, чем в цехе по производству пеллет. Это обогреваемое помещение, где недопустимы утечки дымовых газов, запылённость и периодические взрывы. Барабанные сушилки по этому критерию не проходят. Кроме того, оборудование вызывает вопросы с точки зрения пожарной безопасности. Использование дымовых газов температурой до 600 °C в качестве теплоносителя требует динамического контроля влажности щепы на входе и в процессе сушки. Таких надёжных средств автоматизации не существует, поэтому регулярно происходят возгорания и даже взрывы», — приводит пример Олег Шаров.

Альтернативой барабанной сушилке может стать пресушилка косвенного нагрева. При исходной влажности щепы в 30-35% в котёл поступит топливо в 5-10% (на уровне пеллет), а при исходном показателе в 60% конечная влажность составит 30%. Котёл в обоих случаях сожжёт щепу с максимальным КПД с той лишь разницей, что тепловой энергии в виде горячей воды, выдаваемой внешнему пользователю для котла, в первом случае будет больше. Произойдет саморегуляция работы комплекса по влажности исходного топлива.

По своим размерам пресушилка сопоставима с размерами котла: например, габариты пресушилки для котла мощностью 300 кВт составляют 3500х2500х1700 мм. Над горизонтальной перфорированной поверхностью установлены водяные калориферы, питающиеся горячей водой от котла, под перфорированной поверхностью размещены вытяжные центробежные вентиляторы. Горячий воздух от калориферов проходит через слой щепы и выбрасывается наружу. Щепу передвигает скребковый конвейер.

Такая конструкция позволяет снизить количество образующейся пыли, поскольку поток воздуха проходит через материал сверху и прижимает его к перфорированной поверхности. Нет необходимости оснащать производство циклоном или мощными вентиляторами, а это означает экономию электроэнергии. К тому же щепу в такой установке невозможно пересушить, и она не загорится ни при каких условиях.