Проблемы, возникающие при сжигании биомассы в теплогенераторе

На Земле имеется множество природных энергетических ресурсов, ископаемое топливо – наиболее востребовано. Чрезмерный спрос на энергию, быстрые темпы модернизации, перенаселенность, растущее потребление, рост населения и индустриализация приводят к очень быстрому истощению источников ископаемого топлива [1]. В течение последних нескольких десятилетий злоупотребление природными ресурсами на планете и деградация окружающей среды растут с угрожающей скоростью. Поэтому все чаще внедряются альтернативные источники энергии, которые должны быть устойчивыми и возобновляемыми [2].

В настоящее время среди всех возобновляемых источников энергии наиболее перспективной для стран с хорошо развитым сельским хозяйством считается биомасса [3]. Это органическое вещество, которое обычно получают из отходов лесной и сельскохозяйственной промышленности. Биомасса значительно дешевле, с точки зрения выработки энергии, чем ископаемое топливо. Кроме того, ее использование для сжигания считается углеродно-нейтральным, положительно сказываясь на окружающей среде. По крайней мере, по этим причинам биомасса все чаще используется в тепловых целях в бытовом, сельскохозяйственном и промышленном секторах, обеспечивая широкий спектр теплопроизводительности [4].

Что касается энергии, получаемой из биомассы, актуальными остаются вопросы конечной стоимости. Да и с самой биомассой также имеется ряд проблем: высокое содержание влаги, разнообразие по форме и размеру, составу, сезонная доступность, низкая эффективность (низкий уровень качества) и отставание в методах утилизации.

Для решения этих проблем необходимы эффективные технологии использования биомассы. К настоящему времени разработаны некоторые интенсифицированные методы использования биомассы, среди возможных технологий ее переработки перспективным считается сжигание в кипящем слое, которое достаточно широко апробируется [5].

Цель исследования – проанализировать проблемы, возникающие в ходе преобразования биомассы термохимическим способом, а именно сжиганием ее в теплогенераторе с кипящим слоем.

Материалы и методы исследования

Из-за большого разнообразия биомассы ее классификация значительно разнится от источника к источнику. На рис. 1 представлена ее общая классификация. Биомассу можно классифицировать: по происхождению, способу использования, энергетическому потенциалу, по свойствам, по источнику биотоплива. Основу состава биомассы составляют белки, лигнин, зола, гемицеллюлоза, сахара, углеводороды, целлюлоза, крахмалы и ряд других, причем количество каждого из этих органических веществ неодинаково для разных видов биомассы, это значительно затрудняет организацию процесса эффективного ее сжигания в теплогенераторе. Поэтому до того как сжигать биомассу, необходимо сначала проанализировать ее состав. Широко применяемые в настоящее время методы – экспресс-анализ и развернутый анализ.

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 4(52)

AGROENGINEERING AND FOOD TECHNOLOGY

По способу использования

По энергетическому потенциалу

Отходы лесного хозяйства трава, щепа, кора плодов, древесные остатки, травянистые растения и т.

(дикая череп, ветки,

Первичные отходы (несъедобная часть продовольственных культур и лесной продукции (древесина, солома, крупы, кукурузная шелуха и

Сельскохозяйственные отходы (масличные заводы, водные растения, сорняки, отходы сечъхоз культур и т.д.)

Вторичные отходы технологических

---- (опилки,

отходы

Отходы животноводства

промы шл енности, бумажных фабрик и т.п.)

или отходы процессов пищевой отходы

Типичная биомасса сельскохозяйственных отходов

• -    ресурсы сельского хозяйства-(продукты питания, материалы и т. д.).

• -    лесные ресурсы (целлюлоза, щепа и т.д.).

• -    морские ресурсы (пищевые, материал и т.д.).

ресурсы (кормовые, т.д.).

жнеотноводсшва-

коммунальные

По свойствам

Третичные отходы или побочный продукт использованной биомассы (порубочные остатки древесины, различные остатки агрооотходов)

Отходы биомассы (сельское хозяйство, лесное хозяйство, промышленные отходы и т.д.)

Древесина и древесное топливо (твердые и хвойные породы, древесина для вырубки и т. д.)

По источнику биотоплива

Растительная биомасса

- деревья (береза, тополь, пальма

Травяное топливо (солома, травы, стебли и т. д.)

травянистые

растения

Производные (отходы бумажной и пищевой промышленности и т.п.)

4 Водные (ламинария, водоросли и т.д.)

Энергетические

культуры

(специально выращиваемые для энергетических целей)

Древесная биомасса (щепа, пеллеты, бревна, опилки и т.д.).

(многолетники, просо, сахарный тростник и т.д.).

- морская биомасса (водоросли, планктон и т. д.).

Травянистая биомасса

Фруктовая биомасса

Комбинированная биомасса

Рис. 1. Общая классификация биомассы

Они позволяют определить состав органических веществ биомассы и химическо-биологические свойства. С помощью экспресс-анализа выявляют содержание связанного углерода (C св ), летучих веществ (Л) и зольности. При развернутом анализе биомассы устанавливают содержание отдельно взятых элементов, таких как азот (N), кислород (O), углерод (C), водород (H) и сера (S).

Экспресс-анализ и развернутый анализ некоторых видов биомассы представлены в таблице.

Содержание компонентов в биомассе (%, сухой вес)

Вид биомассы	Экспресс-анализ			Развернутый анализ
	Л	С св	Зольность	С	О	Н	N	S
Просо	80,4	14,5	5,1	49,7	43,4	6,1	0,7	0,1
Отходы древесины	78	16,6	5,4	51,8	41,9	6,1	0,5	0,08
Подсолнух	76	20,9	3,1	50,4	43	5,5	1,1	0,03

Технические свойства биомассы имеют решающее значение для эксплуатации и проектирования оборудования. К ним относят объемную плотность, размер частиц,

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 4(52) AGROENGINEERING AND FOOD TECHNOLOGY цвет, содержание влаги, температуру плавления золы, плотность частиц, высшую теплоту сгорания, зольность, низшую теплоту сгорания и текучесть. Также важны аспекты углубленного понимания физических и химических свойств, адекватного моделирования влияния этих свойств на эффективный процесс сжигания.

Результаты исследования

Рассмотрим методы утилизации биомассы. Сжигание – сложный многостадийный процесс, включающий удаление летучих компонентов, газификацию, сушку, выгорание кокса и газофазные реакции. Все чаще в теплогенераторах применяют совместное сжигание – это сжигание традиционного топлива с биомассой. В качестве традиционного топлива чаще используют уголь. Применение такого способа позволяет:

• –    преобразовать биомассу невысокого качества в топливо с высокими характеристиками сгорания;

• –    конвертировать даже низкосортные растительные отходы в тепловую энергию;

• –    сократить выбросы вредных веществ с дымовыми газами;

• –    использовать теплогенераторы базовой конструкции за счет их перенастройки или выполнять их переналадку с минимальными конструктивными изменениями.

Под газификацией понимают способ преобразования биомассы в биоуголь и синтез-газ, удобрения посредством гомогенных и гетерогенных термохимических реакций [6]. Процесс протекает без сгорания при температуре более 800°C за счет регулирования количества подаваемого воздуха. При таком способе вырабатывается больше тепловой энергии, чем при прямом сжигании, например, в теплогенераторе. Синтез-газ можно использовать для производства метанола и водорода, а биоуголь в теплоэнергетике как промышленного, так и сельскохозяйственного сектора.

Пиролиз – это процесс термохимического разложения биомассы при регулируемом давлении, температуре и отсутствии кислорода. Биомасса подвергается лишь частичному сгоранию (температура свыше 400°С). В основном происходит разложение и преобразование биомассы в различные формы биоугля, виды нефти и газа и других топлив [7].

Обжиг (торрефикация) биомассы – это своего рода низкотемпературный пиролиз, протекающий при температуре 200–300°С. Преобразование происходит при экзотермической реакции, поэтому скорость протекания реакции необходимо контролировать. Органические вещества биомассы (гемицеллюлоза, целлюлоза, лигнин) преобразуются в биотопливо: биоуголь, гранулы, брикеты.

Сжигание в кипящем слое (псевдоожижение) – наиболее перспективный источник энергии среди других процессов термохимического преобразования биомассы [8]. Такой теплогенератор может работать с топливом с широким диапазоном размеров частиц и топливных смесей. Наилучшая производительность достигается, если размер большинства частиц топлива в диапазоне 5–50 мм. Псевдоожижение – один из наилучших способов утилизации отходов в промышленности, подходит как для небольших, так и крупномасштабных задач, обеспечивает непрерывный процесс, протекает при низкотемпературном сжигании. Применение процессов псевдоожижения уже широко применяется в ядерной технике для выработки ядерного топлива, его переработки и добычи урана.

В ходе сжигания растительных отходов сельскохозяйственного производства в теплогенераторах с кипящим слоем возникает ряд проблем. Нарушение процесса псевдоожижения и спекание твердых частиц могут привести к обрушению пласта. Полнота сгорания битоплива является важным показателем для получения высокой те-плопроизводительности и снижения уровня выброса вредных веществ с дымовами га-

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 4(52)

AGROENGINEERING AND FOOD TECHNOLOGY зами. Параметры, тип материала слоя, температура в топке, режим работы теплогенератора, скорость ожижения значительно влияют на полноту сгорания. Эксплуатационные проблемы, возникающие при сжигании биотоплива, во многом зависят от выбора технологии.

Рис. 2. Классификация методов конверсии основных видов биомассы

Наличие калийных и хлористых соединений в процессе сжигания биомассы приводит к коррозии и нагарообразованию в теплогенераторах, спеканию частиц в кипящем слое. Обеспечение оптимальной и равномерной температуры горения в топке – важное условие для стабильной работы теплогенератора с высоким коэффициентом полезного действия. Достичь этого можно непрерывной подачей дутьевого воздуха, создающего турбулентность в смешанном слое топлива и материала слоя твердых частиц, что приводит к перемешиванию материала слоя и мгновенной передаче тепла. Более высокая температура слоя в основном приводит к нарастанию процесса агломерации и огромным спекшимся твердым частицам.

Нагарообразование – это процесс формирования слоев из частиц золы или других твердых тонкодисперсных материалов на рабочих поверхностях теплообменного оборудования. Коррозия – это оксидный слой, образующийся в процессе самопроизвольного разрушения металлов и их сплавов под влиянием условий окружающей среды. Частой причиной тому служит термохимическая реакция газа в камере сгорания. В результате коррозии и нагарообразования происходит снижение скорости теплопередачи, а также сокращение срока службы оборудования.

Нагарообразования при сжигании растительных отходов содержат высокий процент калийных и хлористых соединений, а также кремния и кальция. Под влиянием температуры и соотношения других химических элементов до 40% хлора в основном присутствует в коррозионных отложениях. Также хлор – основная причина коррозии, возникающей при температуре металлических поверхностей топок в диапазоне от 450 до 900°C [9]. Классификационные признаки коррозионных процессов в теплогенераторах, работающих на биомассе: активное окисление, твердофазная коррозия и коррозия в расплавленной фазе.

Одним из основных способов удаления химических элементов из биомассы является выщелачивание, выполняют его с помощью водного или органического растворителя. При температуре около 500°C происходит улетучивание неорганических частиц

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 4(52) AGROENGINEERING AND FOOD TECHNOLOGY биомассы и снижение щелочного индекса. Повышение температуры плавления щелочных металлов – также один из основных способов предотвращения коррозии и отложений в топке теплогенератора с кипящим слоем. При этом добавляют различные вещества (каолинит, известняк и др.), способствующие повышению температуры плавления золы, вследствие чего происходит высвобождение химических элементов в газовую фазу.

Агломерация (спекание твердых частиц) также является одной из основных проблем, возникающих при сжигании биомассы в теплогенераторе с кипящим слоем [10]. Главная причина ее возникновения – остатки в слое золы, образованной в процессе сгорания биотоплива. В результате может произойти сбой в режиме работы теплогенератора, вплоть до его выключения. В сжигаемой биомассе в основном присутствуют спекшиеся частицы алюминия, кальция, кремния и калия. Образовываться они могут тремя способами: в результате твердотельного спекания частиц, в ходе химической реакции и при наличии жидкой фазы.

Решить основные проблемы, связанные с агломерацией, можно путем выщелачивания самой биомассы, добавления различных веществ при сжигании, совместного сжигания биомассы и ископаемого топлива, а также применяя иные материалы для кипящего слоя (доломит, оксиды железа, магнезит и др.). Основной целью всех средств защиты является предотвращение агломерации путем изменения температуры плавления золы или спекания компонентов. Другими проблемами, связанными с этим материалом слоя, являются высокое истирание, высокая скорость уноса и химическая нестабильность.

У теплогенераторов с псевдоожиженным слоем, работающих на биомассе, еще одна огромная проблема, связанная с выбросами металлов. В золе и дымовых газах при сжигании биомассы образуются такие химические элементы, как свинец, хром, ванадий, никель, марганец, молибден, кобальт, сурьма, цинк и другие. Их наличие в биотопливе может привести к ряду серьезных проблем со здоровьем. В состав сельскохозяйственных отходов входит кадмий, хотя и в небольшом количестве, но он оказывает значительное негативное влияние на кости и почки человека. Тип биомассы напрямую влияет на содержание в ней металлов. Более того, значение имеют и такие факторы, как: условия выращивания; возраст, например, деревьев; способы обработки собранной биомассы и др.

Адсорбция – также способ удаления загрязняющих тяжелых металлов во время процесса сгорания биотоплива в псевдоожиженном слое. Адсорбентный материал вступает в химическую реакцию с тяжелыми металлами. В качестве абсорбирующего материала могут выступать: ионный обмен, активированный уголь, процесс постосаждения и т.д. Применяют адсорбент снаружи для удаления загрязняющих веществ тяжелых металлов в виде концентрированной золы.

Выводы

Биомасса – многообещающий источник энергии в будущем сельскохозяйственного сектора. Значительно дешевле, с точки зрения выработки энергии, чем ископаемое топливо. Кроме того, ее использование для сжигания считается углеродно-нейтральным, положительно сказываясь на окружающей среде. Существует множество методов сжигания биомассы, однако в настоящее время сжигание в кипящем слое – один из наилучших методов борьбы с биоразнообразием и преобразования низкосортного топлива в высокосортное. Такое ее сжигание положительно влияет на снижение выбросов опасных веществ, таких как CO, CO 2 , NO 2 , SO 2 и CH 4 . Однако необходимо решать ряд основных проблем, возникающих при сжигании биомассы в кипящем слое: спекания твердых частиц, выбросов вредных веществ с дымовыми газами, нагарообразования и коррозии.

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 4(52)