Сільськогосподарська біомаса, використовувана як паливо, має ряд особливостей, які відрізняють її від традиційних енергоресурсів, що застосовуються для опалення. Деякі з характеристик твердого біопалива, у першу чергу зовнішні (щільність, розміри часток, специфічність поверхні), за допомогою подрібнення та ущільнення можуть бути змінені. У той же час його основні паливно-технологічні характеристики прийнято розглядати як сталі.

Найбільш важливою паливно-технологічною характеристикою біомаси, використовуваної як тверде біопаливо, є її теплотворна здатність, яка залежить від багатьох чинників: генетичних особливостей енергетичних рослин, впливу навколишнього середовища, умов зберігання, вологості тощо. У табл. 1 наведено середню теплотворну здатність сільськогосподарської енергетичної сировини (що раніше відносили до відходів агропромислового виробництва) при абсолютній її вологості на рівні 20%.

Таблиця 1 Середня теплотворна здатність енергетичної сировини

Теплотворна здатність біопалива (кДж/кг) зменшується пропорційно збільшенню вмісту в матеріалі вологи і може бути визначена за формулою

Є_я^Р=Є_а^в-25,5Г,

де Є_я^Р -- вища теплота згоряння біомаси, кДж/кг;

Є_а^в -- вміст вологи у біомасі, %.

Температуру горіння біомаси із сільськогосподарських відходів можна розрахувати, знаючи її складові. У процесі горіння біомаси (її перетворення в ССЬ і НЮ) корисна енергія, що виділяється, складає приблизно 450 кДж на один моль вуглецю (38 МДж на 12 кг вуглецю) при відновленні і?=1. Ця характеристика не завжди стала, бо йдуть й інші перетворення енергії. Так, цукор (-#=1) має теплоту згоряння біля 450 кДж на 12 г вуглецю, що міститься в ньому. Повністю конвертований матеріал, наприклад метан СЩ (Я=2), має теплоту згоряння біля 900 кДж на 12 г вуглецю (або на 16 г самого метану). Присутність вологи в паливі з біомаси часто веде до значних втрат виходу теплової енергії у зв'язку з тим, що випаровування води вимагає її витрат на рівні 2,3 МДж/кг.

Порівняння вмісту окремих хімічних складових соломи та інших матеріалів, що використовуються як тверде біопаливо, наведене в табл. 2.

Таблиця 2 Порівняльна характеристика твердих паливних матеріалів

Як паливо рослинну біомасу характеризують вмістом вологи і вуглецю. Якщо т -- загальна маса матеріалу, а то -- його маса у зневодненому стані, то вологовміст за сухою основою визначають за формулою Є_а^в (т -- то)/то, а вологовміст за сирою основою (просто вологість) за формулою IV = (т -- гт)/т. Волога присутня в матеріалі біомаси у вигляді внутрішньоклітинної і міжклітинної води, тому сушіння біомаси може бути обов'язковим. На момент збору врожаю вологість може досягати 90% (маються на увазі водорості, що ростуть у водоймах, а не на суші). Матеріал вважається «сухим», якщо перебуває у тривалій рівновазі із середовищем, при цьому він вміщує від 10 до 15% вологи. При використанні соломи для спалювання найбільш важливими є дві основні характеристики -- вологість і ступінь її підв'ялення. Діапазон вологості, допустимий для спалювання соломи на теплових станціях, складає 10--20%. Оптимальне значення вологості -- 15%. При перевищенні цього значення вартість соломи зменшується.

Чинниками, що лімітують якість твердого біопалива, вважають процентні вмісти азоту, хлору, сірки, кальцію, магнію, калію, натрію, цинку і кадмію у фітомасі, призначеній до енергетичного використання. Ступінь підв'ялення фіксує, як довго солома залишалась на полі після збирання врожаю і якою була кількість опадів за цей період. Найбільш лімітуючим фактором у твердому біопаливі є концентрація хлору, корозійні наслідки від його взаємодії з лужними елементами. Чим вищий ступінь підв'ялення, тим більша ймовірність зменшення рівня концентрації лужних металів і сполук хлору в соломі внаслідок їх вимивання. У процесі в'янення колір соломи змінюється від жовтого до сірого. Для вимивання хлоридів із соломи достатньо 5--7 днів. Таким чином, зменшується небезпека корозії поверхонь елементів обладнання і появи на них шлакових утворень. Велика кількість хлору спостерігається в соломі вівсу та ячменю. Тому потребують відповідного уточнення технології збирання та зберігання їх соломи.

Великий вміст кисню в сільськогосподарських твердих біопаливах означає, що в процесі їх горіння потреба в повітрі та кількість утвореного диму менші, ніж при спалюванні різних видів вугілля (табл. 3). Вміст вологи в паливі несприятливий не лише з точки зору теплотворної здатності матеріалу. Зі збільшенням вологості зростає кількість водяної пари, а це внаслідок процесів її конденсації створює проблеми при відведенні диму.

Таблиця 3 Потреба в повітрі та вміст золи в різних твердих паливних матеріалах

До основних видів біомаси, що використовується як тверде біопаливо для безпосереднього спалювання, відносять деревину разом із сировиною з енергетичних рослин, таких як верба та міскант, а також солому та зрубки з різного роду насаджень. Спалюванню деревини та соломи в печах передує збирання, у випадку необхідності висушування та зберігання зібраної сировини. Важливою характеристикою даної біомаси є її щільність. Звичайно сухі біологічні матеріали мають щільність у 3-4 рази нижчу, ніж вугілля. Доставка і переробка таких матеріалів є трудомісткими і високовартісними, особливо якщо утилізація ведеться вдалині від джерел виробництва біомаси.

Тому важливим чинником якості твердого біопалива є технологія приготування біомаси до спалювання. Вона обумовлює конструктивно-технологічне виконання теплотехнічного обладнання, істотно впливає на економічні показники його роботи (табл. 4).

Таблиця 4 Характеристика енергомісткості твердих біопалив в залежності від технологій їх приготування до спалювання

У табл.5 представлено результати порівняльної комплексної оцінки рослинної біомаси (соломи пшениці, тритікале, ріпаку, стебел конопель й деревини з тополі) як твердого біопалива при його спалюванні, проведеної в Інституті сільськогосподарської техніки (Прага). Концентрації N (азоту), 8 (сірки), СІ (хлору), а також основних елементів, що утворюють золу, Са (кальцію), М§ (магнію) і К ; (калію), у біопаливі є дещо великими. Отже, через високу кількість мінеральних речовин -- зольних залишків -- солому й інші органічні відходи сільськогосподарських культур необхідно віднести до технічно більш проблематичного палива. Біопаливо з деревної фітомаси під впливом високих концентрацій Са і М§ має більш високу точку плавлення золи, ніж стеблеплідні культури. Дослідження зі спалювання різних видів сировини свідчать, що при спалюванні соломи злакових рослин і сіна температура камери згоряння в зоні нагромадження золи не повинна бути вищою, ніж 850 -- 900°С, а для деревини -- 1150°С. Як випливає з табл. 2.5, стеблеплідне і деревне біопалива належать до палив з високим вмістом летких речовин. Леткою горючою речовиною є безліч газоподібних сполук, що звільняються з горючої речовини палива при його нагріванні без доступу повітря до температури більш 200°С, за винятком води. Через високий вміст леткої горючої речовини генеровані гази горять довгим факелом ("високим полум'ям").

Таблиця.5 Характеристика енергетичної біосировнни при спалюванні

Дослідження свідчать про необхідність детального врахування основних характеристик твердої біомаси при створенні котлів для її використання як основного палива.

Сьогодні до найбільш поширених в країнах Європи твердих палив з біомаси відносять деревину та солому, а потім -- за чергою -- енергетичні рослини та деревину з енергетичних лісів. Вибір техніки та технологій отримання енергії з цього виду сировини залежить від теплоефективності, емісії забруднень в атмосферу, а також кількості поточних газів біомаси. Важливим елементом є економічна характеристика об'єктів оцінки, зокрема вартість палив з біомаси (табл. 6).

Солому готують до енергетичного використання у вигляді брикетів, зберігають у коморах, у «голландських» коморах (покрівля з опорами), під брезентом або плівкою, під відкритим небом. При зберіганні у скирдах біля 10% соломи стають непридатними для подальшого енергетичного використання.

Таблиця 6. Вартість твердого біопалива в Європі

* Середня вартість.

Практика показує, що найбільші економічний та енергетичний ефекти отримують при спалюванні зрубок дерев. Промислові ж відходи (тирса, стружка тощо) перед спалюванням необхідно брикетувати, що вимагає додаткових витрат енергії, але поліпшує ефективність спалювання. Не дивлячись На це, лише незначна частина (15--- 20%) біомаси дерев використовується на енергетичні потреби. Це пояснюється відсутністю автоматизації завантаження полін, нестабільною якістю деревних зрубок та брикетів. Зрубки та брикети з об'ємною масою 650 кг/м³ повинні мати вологомісткість, що не перевищує 10%, і вміст попелу нижчий 0,5%. У свою чергу діаметр полін не повинен бути більшим за 0,15 м при довжині до 1,0 м та вологомісткості до 20%, що відповідає дворічному періоду зберігання та висушування на повітрі.

В Україні є досвід використання біомаси як палива. Він охоплює розробку відповідних технологій виробництва біомаси, спеціальних котлів, установок та обладнання для транспортування і підготовки до зберігання соломи у вигляді брикетів, гранул і тюків тощо.

2. Спалювання

Основними технологіями термічної переробки твердого біопалива (рослинної біомаси та деревини) є пряме спалювання, газифікація і піроліз.

Спалювання біомаси є найбільш старим та простим способом отримання енергії. У багатьох випадках цей спосіб вважають найекономічнішим. У хімічному розумінні спалювання полягає в конверсії всіх органічних матеріалів на двоокис вуглецю та воду при наявності кисню (звичайно атмосферного). Дуже велика неоднорідність біомаси з точки зору хімічного складу та фізичних властивостей викликає певні труднощі як в процесі спалювання, так і емісії компонентів, які є побічними продуктами процесу.

Отже, спалювання соломи, деревини тощо через високий вміст вологи (до 60% від загальної маси), велику кількість попелу (до 10%), низьку щільність та значний вміст летких складових (до 70-80%) характеризується низькою питомою теплотою згоряння на одиницю маси, значними коливаннями фізико-хімічних властивостей, значною емісією токсичних елементів, обумовлює складності контролю швидкості горіння й забезпечення постійного дозування, потребу великої площі складування та проблеми з транспортуванням.

Процес спалювання потребує забезпечення доступу кисню (повітря), кількість якого залежить від маси та властивостей сировини, що спалюється. Процес спалювання деревини проходить три фази:

висушування біомаси;

термохімічний розклад (газифікація та спалювання);

перетворення деревного вугілля на попіл.

Підтримання безперервності процесу спалювання викликає "поглинання" частини виробленої теплової енергії біомасою, зокрема на її висушування. При розкладі твердого" біопалива леткі речовини (гази) спалюються полум'ям, а тверді частинки тліють. Якщо це деревина, то до 80% паливної речовини перетворюються на газ, а з іншою частиною проходить процес перетворення на деревне вугілля і потім на попіл. Подрібнення біомаси дозволяє поліпшити контакт кисню з паливними компонентами, що сприяє кращому спалюванню. Вологомісткість опалювальної сировини знижує теплоту згоряння, впливаючи на теплоефективність процесу спалювання (рис. 1).

Рис. 1. Вплив вологості деревини на теплоефективність її спалювання

Спалювання біомаси вологомісткістю 55--60% робить практично неможливим не лише одержання теплової енергії, але й утримання безперервності процесу спалювання. Правильний перебіг спалювання потребує відповідної температури, надлишку кисню та відповідного за тривалістю проміжку часу. Незадовільний перебіг спалювання збільшує емісію СО, ИО та інших токсичних речовин, а також кількість деревного вугілля в попелі, що не згоріло. На вибір техніки та технології спалювання палива із соломи та деревини істотно впливають спосіб отримання та ступінь подрібнення сировини. Спалювання дерева та соломи способом, який забезпечує задовільну охорону навколишнього середовища, є складним процесом, оскільки у поточних газах, крім продуктів теплового розпаду біомаси, таких як СО, N0^, 50г, летких органічних сполук та пилу, часто знаходяться і токсичні сполуки (феноли з деревини, особливо її відходів). Додатковою проблемою при спалюванні соломи є плавлення попелу та обліплювання шлаками колосникових решіток.

Деревина серед твердих палив найбільш багата газом. У першій фазі спалювання при недостатній кількості кисню відбувається виділення газів які легко спалюються, таких як водень та окис вуглецю, котрі згорають у другій фазі процесу при надлишку кисню і викликають швидкий ріст температури. Як залишок від газифікації утворюється деревне вугілля, яке спалюється при температурі близько 500°С (тверде дерево). У випадку великого вмісту смоли у деревині температура згоряння може знизитись навіть до 180°С. Раціональне протікання процесу горіння вимагає сталості його стехіометрії, тобто забезпечення відповідного надлишку кисню (повітря), що обумовлюється стехіометричним коефіцієнтом X. Для ефективного протікання процесу горіння деревини у природному вигляді величина А, повинна знаходитись в межах 1,4-1,6 (рис. 2).

Рис. 2. Раціональний коефіцієнт надлишку повітря X при спалюванні деревини (ефективне спалювання)

За такої величини X у виробленому газі буде знаходитись близько 7,5% сухого Ог і близько 13% СОг. Враховуючи практичну неможливість регулювання величини стехіометрії в процесі горіння, спалювання деревини має проходити при надлишковій кількості кисню. У залежності від виду палива та заповнення камери згоряння дійсний коефіцієнт надлишку повітря складає 1,5-2,0. Найвищі величини А, (навіть >2,0) можливі при спалюванні полін, середні (1,4--1,6) відносяться до зрубок деревини, а найнижчі (1,2--1,3) необхідні для пилу, тирси та брикетів (гранул). Надлишкова величина коефіцієнту X підвищує температуру в камері спалювання і може викликати плавлення попелу.

У найбільш простих печах для зрубок (рис. 3, а) з проточною системою спалювання паливо спрямовується шнековим транспортером знизу, а вторинне (додаткове) повітря, іноді й третинне підводяться особливими каналами до камери згоряння. Топочні гази відводяться в теплообмінник і далі у комин.

Рис..3. Схеми печей для спалювання зрубок дерев: а -- проточна, б -- протиточна

За протиточною схемою (рис. 3, б) спалювання деревної чи рослинної біомаси відбувається в протитоці повітря. За наведеною технологією паливо завантажується зверху, що поліпшує вивільнення печі від попелу, який збирається на дні топки, але це порушує рівномірність подачі біопалива.

Теплотехнічні особливості сільськогосподарських твердих біопалив, що полягають у вивільненні великої кількості летких сполук при температурі 250--300°С, використовують в установках з камерами попереднього спалювання, з'єднаних з котлами, що працюють на рідкому або газовому паливі (рис. 4). Паливо із сільськогосподарських відходів газифікують за допомогою звичайного колосникового пристрою і з підведеним вторинним повітрям подають у топку газового котла.

Рис. 4. Установка з камерою попереднього спалювання біопалива, поєднана з газовим котлом

Спеціалізовані установки для спалювання деревної біомаси часто мають дві розташовані послідовно камери згоряння (рис.5), в яких конструктивно розділено дві основні фази енергоперетворення біомаси (газифікації та спалювання виробленою газу з підведенням вторинного повітря). Як видно, в камері попереднього спалювання проходить горіння (тління) біомаси без достатнього доступу кисню (газифікація). Підігрівання органічної речовини в першій камері необхідне для швидкого виділення летких сполук. У другій камері з допомогою додатково поданого повітря відбувається спалювання леткого газу.

Рис.5. Схема установки двокамерного типу для спалювання біопалива з його гравітаційною подачею

Такі установки в першу чергу застосовують при необхідності отримання невеликих теплових потужностей і використанні подрібнених відходів деревопереробної промисловості.

Солома в залежності від форми її збирання може бути в різному вигляді: маленьких прямокутних тюків, циліндричних рулонів великого розміру, прямокутних тюків великого розміру, міцно або вільно зв'язаних. Враховуючи таке велике різноманіття форм соломи, що збирається, у поєднанні з видовим розмаїттям (пшениця, ріпак, міскант), підготовка соломи до спалювання є більш трудомісткою, ніж дерева. У печі солому можна завантажувати вручну або механічним шляхом. Конструкції печей для спалювання соломи мають різну продуктивність й займають діапазон від печей з малою тепловою продуктивністю, пристосованих для одноквартирних домівок, до печей, які забезпечують цілі села теплою водою для опалювання в зимовий період і на протязі всього календарного року.

У печах, призначених для спалювання тюків із соломи, застосовують досить прості технологічні рішення. Солому в пресованому вигляді розміщують у середині камери згоряння (рис.6). Такі пристрої дають низький тепловий коефіцієнт корисної дії, який не перевищує 40%, і обумовлюють викиди в атмосферу досить великої кількості СС>2 та пилу.

Рис.6. Котел для спалювання великогабаритних тюків соломи: 1 -- повітродувка; 2 -- заслінка; 3 -- датчик температури; 4 -- вогнетривкий матеріал; 5 -- люк; 6 -- сенсор контролю вмісту кисню в спалинах; 7-- вихід продуктів спалювання

Оскільки такі печі призначені для невеликих теплових потужностей (до кількох МВт), у них спалюють незначну кількість біопалива. Тому топочні гази, що виділяються цими печами, не являють серйозної екологічної загрози.

Рис.7. Схема установки для спалювання тюків соломи з періодичним завантаженням та винесеним теплообмінником

Для спалювання соломи у тюках існують котли з циклічною (рис.6,7) або безперервною (рис.8) схемами виконання роботи. Такі котли являють собою двостінні місткості, на передній поверхні яких є люк таких розмірів, щоб тюк через нього вільно проходив до камери згоряння. При відкритому люці котел може вистигати, тому завантаження тюків повинно проходити швидко. Існують також котли, де тюки подаються через шлюз (див. рис.8). Для збільшення ефективності на котлах установлюють камери допалювання.

Рис.8. Котел для безперервного спалювання тюків соломи

Спалювання соломи в печах проходить подібно до спалювання дерева. У першій фазі із соломи виділяються вода та леткі речовини, а у другій фазі відбувається безполуменеве спалювання» вугільних сполук. У порівнянні зі спалюванням деревини обидві фази спалювання соломи проходять повільніше, що при застосуванні подрібненої соломи робить необхідним постійну подачу матеріалу. До того ж при спалюванні соломи проблемами є у 10--20 разів більша кількість попелу, ніж при спалюванні вугілля, а також тенденція до його агломерації вже при температурі 700--1100°С. У зв'язку із цим застосовують спеціальну конструкцію рухомого ростверка (наприклад із шнековою системою видалення відходів). Найкращого перебігу процесу спалювання соломи досягають при температурі в межах 850--1100°С. Коефіцієнт корисної дії котла значно зменшується, якщо солома волога, що викликає труднощі з підтриманням необхідної температури в камері згоряння. Частинки пилу, які утворюються під час спалювання соломи, характеризуються дуже малими розмірами, оскільки близько 50% їх маси мають розміри менші, ніж 10--15 мкм, що викликає знижену ефективність знепилювання топочних газів у циклонах та мультициклонах.

При підвищенні одиничної потужності установок камери попереднього спалювання не застосовують (рис.9). У цьому випадку використовують ступінчастй колосник, шнекову або пневматичну подачу біопалива.

Рис.9. Схема спалювання подрібненої біомаси з пневматичною подачею

В усіх цих випадках для повного згоряння газів, які утворюються в процесі газифікації органічної речовини, застосовують підведення вторинного повітря, а також встановлюють у топці додаткові поверхні для спалювання біомаси. Установки з автоматичним завантаженням сировини відрізняються тим, що до їх складу входить пристрій для дозування кількості біопалива та автоматичної безперервної або циклічної подачі соломи в топку.

Незручності спалювання, викликані властивостями біомаси як твердого палива, стали причиною створення печей, в яких біомаса, подрібнена на частинки розміром не більше 5 мм, спалюється в камері у зваженому стані. Таке спалювання повинно проходити при наявності великої кількості повітря (відносно дійсної необхідності в кисні) і стає причиною великих його втрат в топочних газах, що значно зменшує теплоефективність установок.

Вдосконаленням даного способу є сучасне спалювання в флюїдальних печах. Паливо у вигляді-подрібнених частинок біомаси підвішують в потоці повітря (рис.10) разом із частинками матеріалів, що спеціально додаються (вугілля, пісок), створюючи шар, який поводиться як кипляча рідина й частинки якого не виносяться потоком повітря, котре нагнітається з дна камери.

Рис. 10. Флюїдальна піч для спалювання відходів деревини

При перемішуванні частинок палива з повітрям на великій поверхні їх контакту збільшується інтенсивність спалювання. Існування киплячого шару забезпечується вентилятором, продуктивність якого регулюється. Клапан (3), закріплений на верхній частині кришки, виконує функцію запобіжника і запобігає вибуху. Піч завантажується гравітаційно трісками через трубчастий дозатор і загрузочну горловину (2) завдовжки приблизно 4 м (діаметр -- 150 мм). Бункер для відходів знаходиться ззовні котла. Така конструкція печі дозволяє зменшити розміри камери згоряння (4), а також знизити температуру спалювання до 800-900^оС. Флюїдальне спалювання при атмосферному або підвищеному тисках збільшує коефіцієнт корисної дії і зменшує розміри установок. Флюїдальні напірні печі вимагають застосування відповідного компресора.

3. Газифікація та піроліз

За останній час в Україні виконано декілька демонстраційних проектів в галузі біоенергетики. Однак розвиток використання біомаси як енергоресурсу досі перебуває на початковому рівні. Для прискорення впровадження сучасних енергетичних установок, що працюють на біомасі, необхідно:

створити відповідне обладнання для брикетування, перевезення, навантаження, зберігання і подрібнення соломи та деревини;

розпочати виведення енергетичних культур та розміщення енергетичних лісів;

розгорнути розробку та виготовлення вітчизняних котлів для спалювання біомаси;

підготувати законодавчу базу впровадження економічного стимулювання виробників і споживачів обладнання для енергетичного використання соломи і деревини (надання субсидій на виробництво тепла та електроенергії, інвестування частини капітальних витрат тощо).

Список використаної літератури

1. Корчемний М. О., Федорейко В. С., Щербань В. В., Енергозбереження в агропромисловому комплексі. - Тернопіль: Підручники та посібники, 2001. - 984 с.

2. Гелетуха Г.Г., Железная Т. А., Обзор технологий зжигания соломы с целью выроботки тепла и электроенергии. - // Экотехнологии и ресурсозбережение. 1998. - №6. - С. 3--11.

3. Технология использования биомассы в биогазовых установках // Т. Амон, Б. Амон, В. Дубровин и др. // Зб.,наук праць НАУ. - 2003. -№60. - С. 18-22.

4. Дубровін В., Євич П., Шедіва З. передумови розвитку виробництва біодизелю в Україні.// Матеріали Міжнародної конференції з біодизелю. - К.: AgriUkreine, 2003. - С. 35-39