Проект «Брошюры по биоэнергетике

Проект №
BYE/03/G31
Название
Использование энергии биомассы для
отопления и горячего водоснабжения в
Республике Беларусь
Брошюра "Энергия древесины"
Первая редакция, 23 декабря 2004 г.
Дата
Декабрь, 2004 г.
Публикация
подготовлена для
ПРООН/ГЭФ
Применение энергии биомассы для
отопления и горячего водоснабжения в
Республике Беларусь (BYE/03/G31)
Брошюра"Энергия древесины"
Выходные данные
Авторы:
Джон Вос
John Vos
BTG Biomass Technology Group BV
c/o University of Twente
P.O. Box 217
7500 AE Enschede
The Netherlands
Тел.: +31-53-4861186
Факс: +31-53-4861180
www.btgworld.com
office@btgworld.com
1
СОДЕРЖАНИЕ
1
2
ПОЛИТИКА РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ В
ОБЛАСТИ ЭНЕРГЕТИКИ
6
ДРЕВЕСИНА КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
7
2.1 ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ДРЕВЕСИНЫ
7
2.2 ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА
8
2.2.1
Топливная древесина
8
2.2.2
Щепа
9
2.2.3
Кора
10
2.2.4
Стружка и опилки
11
2.2.5
Древесные брикеты и гранулированная древесина
11
2.2.6
Утилизированная древесина
12
3
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДРЕВЕСИНЫ КАК
ТОПЛИВНОГО МАТЕРИАЛА
13
3.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
13
3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОПЛИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДРЕВЕСИНЫ
14
3.2.1
Технический анализ
15
3.2.2
Элементарный анализ
15
3.2.3
Теплотворная способность (кДж/кг)
16
3.2.4
Состав золы (вес.% в материале золы)
18
3.2.5
Анализ биомассы (мг/кг сухого материала)
18
3.2.6
Биохимический состав (вес.%)
18
3.3 СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА 18
4
ПРОИЗВОДСТВО ЛЕСНОЙ ЩЕПЫ
4.1 ПРОИЗВОДСТВО ЛЕСНОЙ ЩЕПЫ
4.1.1
Прореживание молодых хвойных насаждений
4.1.2
Очистка леса от лесосечных отходов
4.2 ЗАГОТОВКА ЛЕСНОЙ ЩЕПЫ
4.2.1
Валка деревьев для производства щепы
4.2.2
Измельчение
4.2.3
Транспортирование вне дороги
4.2.4
Хранение в лесу
4.2.5
Транспортирование по дороге
5
ПОКУПКА И ПРОДАЖА ДРОВЯНОЙ ДРЕВЕСИНЫ
И ЛЕСНОЙ ЩЕПЫ
5.1 ПОКУПКА И ПРОДАЖА ДРОВЯНОЙ ДРЕВЕСИНЫ
5.2 ПОКУПКА И ПРОДАЖА ДРЕВЕСНОЙ ЩЕПЫ
6
ПРОИЗВОДСТВО ЩЕПЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ
ВЕДЕНИЕ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА
6.1 ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА РАСТЕНИЙ
6.2 СОДЕРЖАНИЕ ГУМУСА
6.3 РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕСУРСОВ
7
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ДРЕВЕСИНЫ ДЛЯ ТОПКИ
22
22
22
23
23
23
25
29
29
30
31
31
34
36
36
38
39
40
2
СТАДИИ СГОРАНИЯ
РАЗМЕР ЧАСТИЦ ТОПЛИВА
ВЛАЖНОСТЬ
ЗОЛЬНОСТЬ
ЛЕТУЧИЕ ВЕЩЕСТВА
ИЗБЫТОЧНЫЙ ВОЗДУХ
ВЫБРОСЫ В АТМОСФЕРУ ГАЗООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ
8
КОНСТРУКЦИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ УСТАНОВКИ,
РАБОТАЮЩЕЙ НА ЩЕПЕ
8.1 ХРАНЕНИЕ ЩЕПЫ
8.2 ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ ТОПЛИВА
8.3 ПОДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
8.4 КАМЕРА СГОРАНИЯ И КОТЕЛ
8.5 КАЧЕСТВО СГОРАНИЯ
8.5.1
Котел
8.5.2
Очистка дымового газа  зольная пыль
8.5.3
Конденсирование дымового газа
8.5.4
Конденсат
8.5.5
Дымоход
8.6 УДАЛЕНИЕ ЗОЛЫ
8.7 ШУМ
8.8 ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА
8.9 УПРАВЛЕНИЕ, РЕГУЛИРОВАНИЕ И КОНТРОЛЬ
8.10 ПЕРСОНАЛ УСТАНОВКИ
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
9
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СЖИГАНИЯ БИОМАССЫ
9.1 ВЫБРОСЫ, ОБРАЗУЮЩИЕСЯ ПРИ ПОЛНОМ СГОРАНИИ
9.2 ВЫБРОСЫ, ОБРАЗУЮЩИЕСЯ ПРИ НЕПОЛНОМ СГОРАНИИ
9.3 МЕРЫ ПО СНИЖЕНИЮ ВЫБРОСОВ
9.4 ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЙ УРОВЕНЬ ВЫБРОСОВ
9.5 ЗОЛА
9.5.1
Определение
9.5.2
Содержание золы в древесном топливе
9.5.3
Фракционный состав золы при сжигании древесины
9.5.4
Использование и удаление золы
10
ПРИМЕНЕНИЕ БИОМАССЫ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА
В СИСТЕМЕ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
10.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ
10.2 ГРАФИК НАГРУЗКИ ПО ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ
10.3 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНФИГУРАЦИИ И
ПАРАМЕТРОВ
10.4 ЛЕТНЯЯ НАГРУЗКА
10.5 ЗИМНЯЯ НАГРУЗКА
10.6 ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР
10.7 ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ В СЕЛЬСКОЙ
МЕСТНОСТИ
10.8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТАРИФОВ НА ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ
40
41
42
42
43
43
45
46
46
47
49
50
52
52
53
53
55
56
57
58
58
59
59
60
60
62
66
66
67
67
67
69
70
73
73
74
75
76
77
78
79
79
3
ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
11
81
11.1 ПРЕИМУЩЕСТВА КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ
И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
81
11.2 ОБЪЕКТЫ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
83
11.3 ТЕХНОЛОГИИ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОМАССЫ В КАЧЕСТВЕ
ТОПЛИВА
84
11.4 ЭКСПЛУАТАЦИЯ УСТАНОВОК КОМБИНИРОВАННОГО
ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И
85
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
85
11.5 РАЗВИТИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОМАССЫ В
КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА
86
11.6 ПОТЕНЦИАЛ ПРИМЕНЕНИЯ БИОМАССЫ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ
КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ
87
12
УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА
ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ/СИСТЕМ
ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В ОТДЕЛЬНЫХ
ЕВРОПЕЙСКИХ СТРАНАХ
89
12.1
12.2
12.3
12.4
12.5
12.6
АВСТРИЯ
ФИНЛЯНДИЯ
ЛИТВА
ПОЛЬША
СЛОВЕНИЯ
ШВЕЦИЯ
13
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО
ТЕПЛООСНАБЖЕНИЯ И КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА
ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
13.1 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ В СООТВЕТСТВИИ С
МЕТОДИЧЕСКИМИ РЕКОМЕНДАЦИЯМИ VDI 2067
13.2 МЕТОДОЛОГИЯ КАЛЬКУЛЯЦИИ ЗАТРАТ НА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ, ТЕПЛО И ВЫРАБОТКУ ЭНЕРГИИ
89
90
93
93
95
95
98
98
99
БИБЛИОГРАФИЯ
100
ПРИЛОЖЕНИЕ A: ГЛОССАРИЙ
103
14
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИПОВ ТОПЛИВА
ОБЪЕМ И ПЛОТНОСТЬ ТОПЛИВА
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ, ОБОЗНАЧАЮЩИХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫЕ
ОПЕРАЦИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
103
104
105
ПРИЛОЖЕНИЕ Б: КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕСЧЕТА ДЛЯ ДРЕВЕСНОГО
ТОПЛИВА
106
ЕДИНИЦЫ И ЗНАЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЛЕСНОЙ ЩЕПЫ
106
4
ЗАВИСИМОСТЬ ПЛОТНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ БЕРЕЗЫ И ЕЛИ ОТ МЕТОДА
ШТАБЕЛИРОВАНИЯ И ВЛАЖНОСТИ
107
СРАВНЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ СО ЗНАЧЕНИЯМИ
ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ДРУГИХ ВИДОВ ТОПЛИВА/ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ108
КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕСЧЕТА ДЛЯ СТАНДАРТНОГО СОРТИМЕНТА
ТОПЛИВНОЙ ДРЕВЕСИНЫ
110
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА И ЭНЕРГОСОДЕРЖАНИЕ
112
5
1
ПОЛИТИКА
РЕСПУБЛИКИ
ЭНЕРГЕТИКИ
БЕЛАРУСЬ
В
ОБЛАСТИ
(в процессе написания)
6
ДРЕВЕСИНА КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
2
Древесина является важным источником энергии во всем мире. Топливная
древесина имеется в виде древесной щепы, отходов переработки древесины,
древесных гранул, и, в некоторых странах ее в ограниченном количестве
производят посредством лесоразведения с коротким периодом смены лесных
культур. В Австрии ежегодно используется 3 000 000 твердых м3 древесины (или
около 20% годового объема производства древесины) в качестве топливной
древесины, в основном, в частных хозяйствах. В свете поставленной
правительством Австрии задачи повысить производство энергии из биомассы на
75% в период между 2002 г. и 2010 г., энергоснабжение за счет использования
биомассы в Австрии должно увеличиться не менее чем до 5 000 000 твердых м2.
2.1
Потребление энергии древесины
В 2001 г. энергоснабжение в Австрии осуществлялось за счет использования
нефти (42,4%), газа (22,.8%), возобновляемых источников энергии (22,6%) и
угля (12,1%). Таким образом возобновляемые источники энергии играют
значительную роль в энергоснабжении. В 2001 г. потребление энергии достигло
1291 ПДж. Доля возобновляемых источников энергии составила
приблизительно 293 ПДж, при этом 11,7% общего объема произведенной
энергии составила гидроэнергия, и 11,0% энергии было получено из других
источников, в основном, из твердой биомассы. Биомасса используется в
различных формах и в различных применениях.
Древесная щепа является продуктом первых и вторых операций прореживания,
вырубки перезревших и погибающих лесонасаждений, вырубки насаждений,
поврежденных насекомыми или в результате климатических воздействий, вырубки
защитных деревьев (видов, высаживаемых одновременно с основными видами
деревьев для их защиты от заморозков и сорняков) и сплошнолесосечной рубки
(рубка всех насаждений в конце периода смены лесных культур). Значение
древесной щепы возрастало в течение последних двух десятилетий.
Топливную древесину получают, в основном, в результате прореживания и
сплошнолесосечной рубки лиственных насаждений в виде вершин, ветвей и
комлевых торцов. Ранее топливная древесина была наиболее важным источником
энергии, но в начале 20 века на смену древесине как источнику энергии пришли
уголь и затем нефть. В результате снижения цен на ископаемые виды топлива до
традиционного уровня в середине 90-х гг. в Австрии за последнее десятилетие
заметно уменьшилось использование лесной древесины в домашних хозяйствах.
Древесные отходы, состоящие из коры, опилок, стружки, древесных отходов,
полученных в результате сноса зданий и сооружений, используются, в основном,
для топки котлов на объектах лесной промышленности. Часть древесных отходов
используется в производстве древесных гранул и брикетов.
7
Рис.@@: Отходы промышленной переработки
древесины.
2.2
Физические характеристики древесного топлива
В Австрии древесина, полученная в результате лесохозяйственной и
лесопромышленной деятельности, используется в виде дров, древесной щепы,
коры, стружки, брикетов, гранул и древесных отходов, полученных при сносе
зданий и сооружений, для топки дровяных печей, котлов, использующих
гранулированную
древесину,
установок
систем
централизованного
теплоснабжения и комбинированного производства тепловой и электрической
энергии (ТЭЦ). Технологии, применяемые на этих установках, определяют
различные требования к физическим свойствам древесины, т.е. размеру,
гранулометрическому составу, содержанию влаги, зольности и содержанию
примесей (камней, земли, песка).
Физические характеристики древесного топлива учитываются при выборе
топлива для различных типов котлов и методов топки. Кроме того, данные о
физических свойствах древесного топлива могут использоваться при
составлении контрактов на будущие поставки, в которых указываются виды
топлива, используемые в определенных моделях котлов, а также описаний
характеристик качества древесного топлива. Знание свойств различных видов
древесного топлива способствует оптимальному с экономической и
экологической точек зрения применению соответствующих топливных
материалов.
2.2.1
Топливная древесина
Топливная древесина включает расщепленный, круглый или колотый
лесоматериал, полученный при очистке стволов от ветвей и сучьев, отсеченные
корни и вершины и ветви деревьев лиственных и хвойных пород. Готовую к
использованию топливную древесину обычно расщепляют на отрезки толщиной 15
– 35 см. Отрезки древесины толщиной 6 – 8 см являются наиболее подходящим
материалом для топки большинства дровяных печей. Топливная древесина состоит
из древесины и коры.
Древесина свежесрубленной ели имеет влажность приблизительно 55-60% от
общей массы, а свежесрубленной березы  45% от общего веса древесины. При
просушке в летний период содержание влаги снижается приблизительно до 15% от
общего веса древесины в зависимости от погодных условий, укладки и покрытия,
8
что составляет рекомендуемое содержание влаги при использовании древесины для
топки дровяных печей. Зольность часто составляет менее 2% от сухого вещества.
2.2.2
Щепа
Щепа представляет собой измельченные частицы древесного материала длиной 5 –
50 мм вдоль волокон, частицы большей длины (щепки) и мелкую фракцию
(мелочь). Щепу целых деревьев получают измельчением целых деревьев, включая
ветви, при первом прореживании лесонасаждений. Источником щепы являются
также вершины и другие отходы сплошнолесосечных рубок. Щепа также является
побочным продуктом распилки бревен на лесопильнях.
Требуемый вид щепы зависит от типа котельной установки. Ниже приведен метод
описания качества древесной щепы, основанный на классификации размеров щепы,
приведенный в австрийских нормах Önorm M7133.
Класс
щепы
Допустимая массовая доля и
гранулометрический состав (ситовой
анализ)
макс. 20 %
G 30
G 50
G 100
60-100 %
> 16 мм
16-2,8 мм
> 31,5 мм 31,5-5,6 мм
> 63 мм 63-11,2 мм
макс. 20 %
2,8-1 мм
5,6-1 мм
11,2-1 мм
Допустимые
максимальные
размеры частиц
макс.
макс. сечение
4%
< 1мм
3 cм²
< 1мм
5 cм²
< 1мм
10 cм²
Класс щепы
Значения
Классы
влажности
(влажная основа)
W 20
W 30
W 35
W 40
W 50
< 20 %
20-30 %
30-35 %
35-40 %
40-50 %
Классы объемной
плотности
(значения для
безводного
состояния)
S 160
S 200
S 250
< 160 кг/м³
160-250 кг/м³
> 250 кг/м³
Классы зольности
A1
A2
<1%
1-5 %
макс.
длина
8,5 cм
12 cм
25 cм
Описание
"воздушно-сухая”
"с длительным сроком
годности при хранении”
"с ограниченным сроком
годности при хранении”
"влажная”
"свежесрубленная"
"низкая объемная
плотность"
"средняя объемная
плотность "
"высокая объемная
плотность "
"низкая зольность"
"повышенная зольность"
В спецификации качества, приведенном в нормативном документе Önorm M7133,
щепа подразделяется на три типа: G30, G50 and G100, причем классификация
осуществляется по гранулометрическому составу, а не по характеристикам
9
качества. В настоящее время рабочая группа CEN (CEN TC 335) осуществляет
разработку европейского стандарта, содержащего классификацию твердых видов
биотоплива. Целью деятельности рабочей группы является стандартизация методов
измерений, которая позволит унифицировать описание характеристик качества.
При производстве щепы из целых деревьев ее влажность зависит от метода
производства щепы. Влажность щепы, полученной из свежесрубленных деревьев,
составляет приблизительно 50-60% от общего веса, однако после просушки
деревьев в летний период в течение 3-6 месяцев влажность понижается до 35-45%
от общего веса. Для топки котлов с механическим забрасывателем (стокером),
работающих на щепе, допустимо использование щепы влажностью от 20 до 50% от
общего веса, а топка установок систем централизованного теплоснабжения, как
правило, осуществляется щепой с содержанием влаги 30-55%. Для топки установок
систем централизованного теплоснабжения с конденсацией дымового газа, как
правило, требуется щепа с высоким уровнем влажности, позволяющим
использовать теплоту конденсации.
Щепа может быть загрязнена камнями, землей и песком, которые повышают
зольность. Уровень зольности целых деревьев зависит от вида древесины и
количества хвои, ветвей и стволовой древесины. Естественная зольность хвои
составляет 5%, ветвей и коры  приблизительно 3% и стволовой древесины 
приблизительно 0,6% от веса сухого вещества. Зольность древесного топлива,
используемого для топки установок систем централизованного теплоснабжения,
составляет 1-2% от веса сухого вещества.
2.2.3
Кора
Кору, используемую для производства энергии, получают путем окорки деревьев
на лесопильнях, предназначенных для переработки хвойной древесины, и отрезков
горбылей на лесопильнях, предназначенных для переработки лиственной
древесины. Строго говоря, измельченная кора не может считаться древесной
щепой, однако гранулометрический анализ материала коры, основанный на
классификации щепы, показывает, что кора характеризуется широким диапазоном
размеров с высоким содержанием мелких частиц. Кора имеет высокую влажность,
которая составляет приблизительно 55-60% от общей массы, и обычно
используется для топки котлов специальной конструкции из-за проблем,
вызываемых высоким содержанием влаги. Кора представляет собой наружный слой
дерева, в котором часто обнаруживаются примеси в виде земли, песка и некоторого
количества свинца от патронов.
.
10
\
Рисунок @@:
Летняя просушка отходов
прореживающей рубки.
2.2.4
Рисунок @@: Кора.
Стружка и опилки
Стружка и опилки, полученные при резании древесины на стружечных станках, ее
распиловке и т.д., являются побочными продуктами или отходами
деревообрабатывающего производства. Опилки и стружка имеют диаметр и длину
от 1 до 5 мм. Опилки имеют различную влажность, которая зависит от типа
материала, подвергшегося распиловке на деревообрабатывающих предприятиях по
производству стропил, окон и т.д., и может составлять 6-10% от веса сухого
вещества или 45-65% от общего веса, если использовалась древесина
свежесрубленных деревьев.
Стружка представляет собой очень сухой материал с содержанием влаги,
сотавляющим от 5 до 15% от общего веса. Поэтому стружка обычно используется в
производстве гранулированной древесины и древесных брикетов. Она содержит
очень мало загрязняющих веществ, так как является продуктом обработки
стволовой древесины, и, следовательно, имеет низкую зольность, которая
составляет менее 0,5 от веса сухого вещества.
Рис. @@: Опилки.
2.2.5
Рис. @@: Стружка.
Древесные брикеты и гранулированная древесина
Древесные брикеты представляют собой топливные брикеты квадратной или
цилиндрической формы длиной 10-30 см и диаметром/шириной 6-12 см. Древесные
гранулы имеют цилиндрическую форму, длину 5-40 мм и диаметр 8-12 мм.
Брикеты и гранулы состоят из сухой измельченной древесины, состоящей, в
основном, из стружки и опилок подвергнутых сжатию под высоким давлением. Эти
топливные материалы удобны в использовании так как имеют высокую
11
однородность гранулометрического состава. Гранулы одной партии имеют
одинаковый диаметр. Также они имеют низкую влажность, которая составляет 810% от общего веса. Сжигание брикетов и гранул характеризуется низким уровнем
ошлакования, при этом образуется малое количество золы, приблизительно 0,5-1%
от массы сухого вещества.
2.2.6
Утилизированная древесина
Утилизированная
древесина
определяется
как
"древесные
отходы",
представляющие собой такое изделие из дерева, которое применялось для какой-то
определенной цели (например, в строительстве) и после окончания применения
перешло в категорию отходов. Такие древесные отходы включают, например,
строительные древесные материалы, полученные в результате сноса зданий и
сооружений, старую кухонную мебель, грузовые паллеты и т.д. Пропитанная
древесина
классифицируется
как
опасные
отходы.
"Отходы"
деревообрабатывающей промышленности, такие как опилки, стружка и т.д.
являются не отходами как таковыми, а скорее представляют собой побочные
продукты производства. Это же относится к "отходам" от рубки деревьев,
например, "лесосечным отходам", включенным в категорию древесных отходов.
.
Имеются значительные различия в размере древесных отходов, измельчаемых
перед сжиганием. Строительные древесные материалы, полученные при сносе
зданий и сооружений, часто являются относительно сухими с содержанием влаги,
составляющим приблизительно 10-20% от общей массы. Сжигание древесных
материалов, полученных в результате сноса зданий и сооружений, может
представлять определенные проблемы, так как древесина в зависимости от
предыдущего применения может быть загрязнена остатками краски, клея,
консервантами древесины, металлическими, резиновыми, пластмассовыми
материалами.
.
Рис. @@: Гранулы из опилок.
Рис. @@: Несортированные древесные
отходы.
12
ХАРАКТЕРИСТИКИ
МАТЕРИАЛА
3
3.1
ДРЕВЕСИНЫ
КАК
ТОПЛИВНОГО
Общие положения
Свойства древесины как топливного материала определяются рядом характеристик,
таких как теплота сгорания, химический состав (например, содержанием таких
элементов, как хлор Cl, углерод С, водород Н, азот N, водород Н и сера S),
влажность, твердость, количество летучих веществ, количество твердого углерода,
содержание и состав золы, характеристики
плавления золы, характеристики
ошлакования золы, количество загрязняющих веществ, пыли, спор грибов.
Топливную древесную щепу часто производят из различных пород деревьев с
различным соотношением стволовой древесины, коры, листвы, ветвей, почек и
даже шишек, содержание которых изменяет свойства топлива.
Основными компонентами клеток древесины являются целлюлоза, гемицеллюлоза
и лигнин, которые составляют 99% массы древесного материала. Целлюлозу и
гемицеллюлозу образуют длинные цепи углеводородов (таких как глюкоза), лигнин
же является осложненным компонентом полимерных фенольных смол. Лигнин
тесно связан с гемицеллюлозой, так как он действует как склеивающий агент,
склеивая пучки цепей целлюлозы и растительные ткани. Таким образом лигнин
придает растению механическую прочность. Он богат углеродом и водородом,
которые являются основными элементами производства теплоты. Поэтому лигнин
обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с
углеводородами. Древесина и кора также содержат так называемые экстрактивные
вещества, такие как терпены, жиры и фенолы. Многие из них растворимы в
органических растворителях (гексане, ацетоне, этаноле) и горячей воде. Древесина
содержит относительно малое количество экстрактивных веществ по сравнению с
количеством экстрактивных веществ, содержащихся в коре и листве.
Приблизительно половина массы свежесрубленного дерева состоит из воды. Вторая
половина представляет собой сухое древесное вещество, содержащее 85% летучих
веществ, 14,5% твердого углерода и 0,5% золы (см рис. @@@)). В безводной
древесине общее содержание углеродного компонента составляет приблизительно
50%. При сжигании древесины составляющие ее компоненты превращаются в
водяной пар (H2O), двуокись углерода (CO2), окислы азота (NOx), окись серы (SO2)
и золу. Древесина практически не содержит серы, максимальное содержание серы в
древесине составляет 0,05%.
Рис. @@@: Среднее содержание химических веществ в древесных видах топлива
Средняя влажность
Зола
Сухое вещество
Вода
в % от общего веса
13
ТВЕРДЫЙ
ЛЕТУЧИЕ МАТЕРИАЛЫ
УГЛЕРОД
84-88%*
КОРА
прибл. 60 %
ОПИЛКИ
прибл. 55 %
ЛЕСНАЯ
(C)
11.4-15.6%*
Углерод (C)
прибл. 35.5 %  CO,
ЩЕПА
 CO2
Водород (H)
CO2,
КОЛОТАЯ
Килород (O)
6.0 - 6.5%  H,O
ТОПЛИВНАЯ
Азот (N)
38 - 42% 
ДРЕВЕСИНА
прибл. 25 %
Сера (S)
0.1 - 0.5%  NOx
БРИКЕТЫ
прибл. 5 %
прибл. 40 %
макс. 0.05%  SO2
* Доля в % от веса сухого вещества
Различные породы деревьев имеют различное содержание азота, которое
составляет в среднем 0,75%. Например щепа, полученная из так называемой
азотфиксирующей древесины таких деревьев, как ольха (Ainus sp.), содержит более
чем в два раза больше азота, чем щепа, полученная из древесины хвойных пород,
таких как сосна (Pinus sp.) и ель (Picea sp.). Древесная кора также содержит больше
азота, чем древесный материал.
Таким образом, теплотворные характеристики различных типов топлива зависят от
соотношения содержащихся в них элементов. Углерод и водород увеличивают
теплоту сгорания, в то время как высокое содержание кислорода в древесине ее
уменьшают. По сравнению с другими видами топлива древесина имеет довольно
низкое содержание углерода (около 50% сухого веса) и высокое содержание
кислорода (около 40%), и. следовательно, довольно низкую теплоту сгорания на
единицу сухого веса. Сухие древесина и кора также характеризуются очень низким
уровнем зольности при сгорании, так, один твердый кубический метр древесного
топлива дает только 3-5 кг чистой золы. Однако на практике зола часто содержит
некоторое количество песка и продуктов неполного сгорания углерода.
Горючую часть твердого топлива можно разделить на две группы: летучие
вещества и такие горючие компоненты, как твердый углерод. Обычно древесина
имеет высокое содержание летучих веществ и низкое содержание твердого
углерода. Восемьдесят процентов энергии древесина генерирует за счет сгорания
летучих веществ и двадцать процентов  в результате сгорания твердого углерода
(раскаленные угли). Так как из-за большого количества летучих веществ,
содержащихся в древесине, при ее горении образуются высокие языки пламени, для
сгорания топлива требуется значительное пространство. Кора дуба и торф имеют
аналогичные характеристики горения.
3.2
Определение топливных характеристик древесины
В этом разделе дается описание некоторых терминов и методов анализа различных
характеристик древесного топлива.
14
Технический анализ
3.2.1
Так называемый технический анализ проводится с целью определения таких
характеристик, как содержание твердого углерода, летучих веществ и влажности,
определяемых следующим образом:
Зола
Зольность выражается в весовых % от сухой основы (со) и от веса материала при
получении (мп). Различные типы зольности соотносятся через содержание влаги:
Зольность (вес.% со) = зольность (вес.% мп)* 100 / (100 - влажность (вес.%))
Влажность
Влажность в вес.% от влажной основы (при получении материала). Следует
учитывать, что возможно значительное различие во влажности материала во время
получения и во время анализа материала. Также содержание влаги может
понизиться в процессе естественного высыхания во время хранения.
Летучие вещества и фиксированный углерод
Количество летучих веществ определяется с применением стандартных методов.
Количество летучих веществ выражается в весовых % от веса сухого материала,
материала при получении (мп) и или сухого и беззольного материала (сбзм).
Определение содержания фиксированного (твердого) углерода как оставшейся
части производится по следующим формулам:
сухой материал фиксированный C = 100 – зола (сухой материал)  летучие
вещества (сухой материал)
сбзм
фиксированный C = 100 – летучие вещества (сбзм)
мп
фиксированный C = 100 - зола (мп) – содержание воды - летучие
вещества (мп)
3.2.2
Элементарный анализ
При проведении элементарного анализа доля различных элементов сухого
материала определяется следующим образом: содержание углерода (C), водорода
(H), кислорода (O), азота (N), серы (S), хлора (CI), фтора (F) и брома (Br) в весовых
% от сухого материала (вес.% от сухого материала), сухого и беззольного
материала (вес.t% от сбзм) и материала при получении (вес.% от мп).
сухой материал C + H + 0 + N + S + Cl + F + Br + зола = 100
сбзм
C + H + 0 + N + S + Cl + F + Br = 100
мп
C + H + 0 + N + S + Cl + F + Br + зола + содержание воды = 100
Во многих случаях содержание водорода не измеряется, а определяется расчетом
как разность между 100 и значениями измеренных компонентов. При измерении
содержания кислорода общая сумма может превысить 100% из-за
экспериментальных ошибок, которые могут иметь место в процессе анализа. Для
каждого компонента указывается, было ли его содержание определено измерением
или расчетом.
15
Как показано на рис. @@@, биомасса имеет относительно высокое содержание
водорода и кислорода по сравнению с другими видами твердого топлива.
Рис. @@: Химические составы различных видов твердого топлива.
Atomic H:C ratio x 10
Атомное отношение H:C х 10
Atomic O:O ratio
Атомное отношение О:С
Antracite
Антрацит
Coal
Уголь
Lignite
Лигнит
Peat
Торф
Biomass
Биомасса
Increased heating value
Повышенная теплота сгорания
Источник: "Руководство по сжиганию биомассы и комбинированной топке
различными видами топлива".
3.2.3
Теплотворная способность (кДж/кг)
Теплотворная способность определяется высшей теплотой сгорания (ВТС) или
низшей теплотой сгорания (НТС). Величина низшей или высшей теплоты сгорания
может определяться на единицу сухого топлива (как правило, кг или м3) или на
единицу топлива с учетом влажности. Кроме влаги, содержащейся в топливе, влага
также образуется при сгорании водорода. Уровень влажности определяет различие
между высшей и низшей теплотой сгорания. При определении значения ВТС
допускают, что влага конденсируется в воду, а при вычислении значения НТС
предполагается, что влага находится в виде насыщенного пара.
ВТС
НТС
высшая теплота сгорания
теплотворная способность
теплота, выделяемая при горении
низшая теплота сгорания
16
эффективная теплота сгорания
Значение калориметрической теплоты сгорания используется, если после сгорания
материала оставшаяся вода находится в жидком состоянии. Значение эффективной
теплоты сгорания, Hi, используется, если после сгорания материала оставшаяся
вода находится в парообразном состоянии. Как правило, применяется это значение
теплоты сгорания, так как в технических процессах горения отработанный газ
редко охлаждается до температуры, при которой пар конденсируется в воду.
Теплота сгорания обычно выражается в единицах МДж/кг или кДж/кг (таблица
@@@).
Таблица @@@: Значения теплоты сгорания отдельных видов топлива.
Топливо
Hi (МДж/кг)
Древесина
18,5-21,0
(сухая)
Торф
20,0-21,0
(сухой)
Углерод
23,3-24,9
Нефть
40,0-42,3
Расчет с целью определения теплотворной способности обычно дает значение ВТС.
Расчет с целью определения ВТС или НТС может выполняться следующим образом
с использованием значений зольности, доли влаги в материале и доли водорода (по
данным элементарного анализа): w = доля влаги (при получении материала); a =
доля золы (сухой материал); Н = массовая доля водорода в пробе (сухой материал).
ВТСпп
ВТСсух
НТСсух
НТСпм
НТСпп
= ВТСсух * (1-w/100)
= ВТСсбзм * (1-a/100)
= ВТСсух – 2.442 * 8.396 * H/100
= НТСсух * (1-w/100) – 2.442 * w/100
= ВТСсух – 2.442 * {8.396 * H/100 * (1-w/100) + w/100}
На рис. … показано отношение между различными значениями теплоты сгорания
Рис. @@: Отношение между имеющими различные определения значениями
теплоты сгорания:
17
Mass
Energy
Wet mass
Dry mass
Water mass
Dry+ash free mass
Combustible fibre
Ash
Water
LHV
Water
Other losses
HHV
Масса
Энергия
Влажная масса
Сухая масса
Водная масса
Сухая+беззольная масса
Горючее волокно
Зола
Вода
НТС
Вода
Другие потери
ВТС
Состав золы (вес.% в материале золы)
3.2.4
Имеется большое количество данных о составе золы. В основном, эти данные
выражены в весовых % окислов. Отдельные окислы не представляют
действительную химическую форму компонентов. Содержание свинца (Pb), кадмия
(Cd), меди (Cu), ртути (Hg), марганца (Mn) и хрома (Cr) выражается в мг/кг золы.
Анализ биомассы (мг/кг сухого материала)
3.2.5
Содержание металла в золе выражается в мг/кг сухого (первоначального)
материала. Для каждого элемента указывается, было ли измерено его содержание,
или измеряемое значение находилось ниже предела обнаружения.
Биохимический состав (вес.%)
3.2.6
Биохимический состав материалов выражается в весовых % от сухого материала
(целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, жиры, протеины).
3.3
Средние значения характеристик древесного топлива
В это разделе описываются наиболее важные характеристики топлива, включая:
 Влажность
 Плотность
18






Теплоту сгорания
Гранулометрический состав частиц
Содержание и характеристики золы
Химический состав
Количество летучих веществ
Результаты технического и элементарного анализов.
Основное внимание уделяется характеристикам древесной щепы.
Влажность оказывает значительное воздействие на величину низшей теплоты
сгорания, так как испарение воды требует затрат энергии. Например, влажность
свежего древесного топлива составляет от 50 до 60% веса общей массы щепы. В
основном, влажность древесного топлива составляет обычно от 20 до 65% и
зависит от ряда условий, включая климатические условия, время года, породу
дерева, используемую часть ствола и срок хранения. Степень воздействия
влажности на величину теплоты сгорания показана на рис. @@@.
Рис. @@@. Воздействие влажности на величину теплоты сгорания.
Calofic value (MJ/kg)
25
20
15
10
5
0
0%
20%
40%
60%
80%
100%
-5
Moisture content (wet basis)
Calorific value (MJ/kg)
Moisture content (wet basis)
Теплотворная способность (МДж/кг)
Влажность (влажная основа)
Примечание: Зависимость значений низшей и высшей теплоты сгорания (НТС и
ВТС) от уровня влажности в процентах от общего веса. Красная линия: НТС. Синяя
линия: ВТС).
Таким образом, очевидно, что выделение энергии на м3 древесины возрастает с
увеличением содержания сухого вещества и уменьшением уровня влажности
Содержание сухого вещества в щепе колеблется в значительных пределах в
зависимости от удельной плотности и содержания твердого вещества щепы.
Удельная плотность (кг/м3) обозначает отношение сухой массы к объему твердого
материала, т.е. определяет вес сухой древесины на единицу объема твердого
материала.
Содержание твердого объема щепы обозначает отношение масс единиц так
называемого общего объема материала и объема твердого материала, т.е.
определяет, сколько твердых м3 содержится в одном м3 общего объема.
19
Содержание твердого объема щепы определяется главным образом техническими
характеристиками рубительной машины, такими, как гранулометрический состав
частиц, мощности выдувного потока и метода погрузки. Однако время сушки и
степень уплотнения, которое происходит при транспортировании на большие
расстояния не оказывают значительного воздействия на содержание твердого
объема. Определение содержания твердого объема (части твердого объема)
требуется для преобразования единиц общего объема в единицы объема твердого
вещества. Объемная плотность древесины австрийской березы (40%
влажн.сух.осн..) составляет около 327 кг/м3 навального материала и австрийской ели
 221 кг/м3 навального материала.
Необработанные древесные топливные материалы и лесные топливные материалы
часто имеют чрезвычайно разнородный гранулометрический состав частиц и
различную влажность. Эти материалы содержат фракции различных размеров  от
опилок, иголок, коры, до деревянных палок и веток. Размеры древесных фракций
зависят как от исходного сырья, из которого получают щепу, так и от типа
рубительной машины. Чем большее количество стволовой древесины используется
для производства щепы, тем более однородным являются гранулометрический
состав щепы. Размер фракций также зависит от состояния ножей рубительной
машины и размера отверстия сортировочного сита. Щепа, полученная с помощью
дробильных машин обычно имеет большие размеры по сравнению со щепой,
полученной на рубительных машинах.
Значения теплотворной способности древесной щепы не отличаются в
значительной степени в зависимости от используемых для ее производства пород
деревьев (18,7-21,9 МДж/кг), хотя хвойные породы имеют несколько более
высокую теплотворную способность, чем широколиственные или листопадные
породы деревьев.
Структурными элементами (по данным элементарного анализа) органической
части древесины являются углерод (45-50%), кислород (40-45%), водород (4,5-6%)
и азот (0,3-3.5%). Содержание золы обычно составляет несколько процентов или
доли процента (0.3% в ели или березе без коры, 1,6% в березовой коре и 3.4% в
еловой коре).
Очевидным преимуществом древесной биомассы перед ископаемым топливом
является низкое содержание в ней серы. Элементарный анализ древесины
некоторых пород деревьев показывает, что содержание углерода и кислорода в
древесине различных пород является довольно однородным. Кора имеет более
высокое содержание углерода и кислорода чем древесина. В этом отношении
наиболее наглядными примерами являются береза и ольха. По данным
технического анализа количество летучих веществ составляет 65-95%,
фиксированного углерода  17-25% и зольность  0,08 - 2.3%.
Во многих источниках приводятся данные о свойствах древесного топлива.
Наиболее полной базой данных о характеристиках древесного топлива является
база данных Phyllis ЕСN, центра исследований в области энергетики Нидерландов,
20
к которой можно получить доступ на вебсайте по следующему URL:
http://www.ecn.nl/phyllis/
Значения влажности, теплоты сгорания, объемной плотности и энергетической
плотности различных видов древесного топлива приведены в табл. @@@.
Таблица @@@: Физические характеристики отдельных древесных видов топлива
Древесный материал
Влажность ВТС [(кВт-
НТС
Объемная
Плотность
[вес.%
ч /кг
[(кВт-ч
плотность
энергии
влаж.осн]
(сух.осн)]
/кг
{кг
[кВт-ч/м3]
(сух.осн)] (влаж.осн)
/м3]
Гранулированная древесина
10,0
5,5
4,6
600
2,756
Древесная щепа (твердая
30,0
5,5
3,4
320
1,094
50,0
5,5
2,2
450
1,009
30,0
5,5
3,4
250
855
Древесная щепа (мягкая древесина)
50,0
5,5
2,2
350
785
Кора
50,0
5,6
2,3
320
727
Опилки
50,0
5,5
2,2
240
538
древесина, подвергнутая
предварительной сушке)
Древесная щепа (твердая
древесина)
Древесная щепа (мягкая древесина,
подвергнутая предварительной
сушке)
Сокращения: ВТС = высшая теплота сгорания; НТС = низшая теплота сгорания;
сух.осн. = сухая основа; влаж.осн. = влажная основа.
Источник: "Руководство по сжиганию биомассы и комбинированной топке
различными видами топлива".
21
ПРОИЗВОДСТВО ЛЕСНОЙ ЩЕПЫ
4
4.1
Производство лесной щепы
Использование лесной щепы в качестве топлива имеет большое значение для
лесного хозяйства, так как производство и продажа лесной щепы позволяет
осуществлять необходимый уход за лесонасаждениями и производить смену
лесных культур древостоя.
Производство лесной щепы, в основном осуществляется при выполнении двух
различных операций:
 Прореживание молодых хвойных насаждений.
 Очистка леса от отходов лесозаготовок.
В количественном отношении большее количество щепы производится при
выполнении операций прореживания, однако в настоящее время возрастают
объемы щепы, заготавливаемой при уборке отходов лесозаготовок.
4.1.1
Прореживание молодых хвойных насаждений
Прореживание молодых насаждений осуществляется для стимулирования их роста
и увеличения общего количества полезного материала, получаемого от деревьев,
оставшихся в древостое. Дополнительные положительные результаты
прореживания включают улучшение здоровья деревьев и повышение
оздоровительной ценности леса, посещаемого людьми.
При высадке хвойных насаждений высаживают 3 500 – 5 000 деревьев на гектар.
Перовое прореживание производится, когда высота деревьев достигнет
приблизительно 8 м. При этом удаляют 25-50% деревьев, снижая их количество до
2 000 – 2 500 деревьев на гектар. Когда высота деревьев достигает 10 м,
осуществляют второе прореживание, которое часто является выборочным, снижая
количество деревьев до 1 000-1 500 на гектар.
Так как деревья, удаленные при первом прореживании, имеют очень малые
размеры, их трудно продать как поделочную древесину, поэтому использование
этих деревьев для производства щепы является широко распространенной
практикой. В период снижения цен на целлюлозу деревья, удаленные при втором
прореживании также используются для производства щепы.
Продажа лесной щепы является необходимым условием выполнения владельцем
леса ранних прореживаний с низкими затратами или вообще без затрат. При
отсутствии рынка сбыта рубки ухода в большинстве случаев откладываются до тех
пор, пока деревья не достигнут размеров, которые позволят компенсировать
затраты на прореживание доходами от
продажи древесины. Выполнение
прореживания в соответствующие сроки является необходимым условием
производства высококачественной товарной древесины. Другими словами,
22
производство высококачественной товарной древесины невозможно обеспечивать
без одновременного производства (и продажи) древесного топлива.
Очистка леса от лесосечных отходов
4.1.2
После сплошнолесосечных рубок на участке рубки остается большое количество
лесосечных отходов, содержащих, в основном, вершины срубленных деревьев, и, в
меньшем количестве, ветви и срубленные подгнившие деревья. В соответствии с
австрийским законодательством участки насаждений должны очищаться от
лесосечных отходов. Часто лесосечные отходы собирают и укладывают длинными
рядами. Эти ряды могут использоваться как проходы с настилом, по которым позже
или в течение срока жизни насаждения смогут перемещаться транспортные
средства, однако требуется не менее 5-10 лет для того, чтобы уложенные ряды
разложились до такой степени, чтобы по ним могли передвигаться транспортные
средства.
Исследования показали, что
вершины деревьев, остающиеся после
сплошнолесосечной рубки, могут выгодно использоваться посредством
переработки их на щепу и применения щепы в качестве топлива. Таким образом,
производство щепы делает более эффективным процесс лесозаготовки и часто
избавляет от необходимости производить очистку участка рубки, так как при
производстве щепы удаляется большая часть отходов.
Рис. @@: Переработка удаленных при Рис. @@: Отходы сплошнолесосечной
рубки в Беларуси (не используемые в
прореживании деревьев на щепу.
производстве щепы).
4.2
Заготовка лесной щепы
Процесс производства лесной щепы можно разделить на несколько этапов:
 Валка деревьев для производства щепы.
 Измельчение.
 Транспортировка вне дороги.
 Складирование в лесу.
 Транспортировка по дороге.
4.2.1
Валка деревьев для производства щепы
23
Валку деревьев для производства щепы необходимо осуществлять таким образом,
чтобы обеспечить получение максимально сухой щепы. Деревья имеют
минимальную влажность в период с января по март, поэтому рубка деревьев для
производства щепы должна происходить в течение первых трех месяцев года. Это
также может снизить риск заражения пней фитопатогенным грибом Heterobasidion
annosum, который впоследствии может распространиться с корней пней на другие
деревья древостоя. Срубленные деревья оставляют на лето на лесосеке. Это
делается для того, чтобы дать деревьям подсохнуть, а также для того, чтобы хвоя и
мелкие ветки отделились от дерева перед его переработкой на щепу. Таким образом
влажность щепы уменьшается с 50-55% до 35-45%, и большая часть питательных
веществ, содержащихся в хвое и мелких ветвях, остается на участке рубки.
Валка деревьев производится с помощью цепной пилы или валочно-пакетирующей
машины Валочно-пакетирующая машина представляет собой специальную машину
с установленной на кране головкой с пилой для валки деревьев. При прореживании
для передвижения валочно-пакетирующей машины через древостой необходим
проход с настилом. Проход с настилом обычно формируется в процессе ручной
валки с использованием цепных пил.
При устройстве прохода с настилом и валке деревьев следует помнить о том, что
рубительная машина имеет ограниченную проходимость на мягких участках, при
пересечении канав и работе на крутых склонах. Также для заезда на путь с
настилом рубительной машине требуется широкий радиус поворота и значительное
свободное пространство. Валочно-пакетирующая машина укладывает деревья
рядами так, чтобы их комлевые концы были направлены в одну сторону, что
позволяет рубительной машине легко подбирать уложенные деревья и направлять
их в рубительный орган машины, одновременно медленно продвигаясь вперед.
При валке древостоев, состоящих из старых елей, валка обычно производится
цепными пилами или с использованием лесозаготовительных машин. При валке
леса с помощью однозахватной лесозаготовительной машины после переработки
поделочной древесины вершины следует укладывать рядами в одном направлении
с тем чтобы облегчить выполнение операций по производству щепы.
Лесозаготовительные работы также необходимо планировать таким образом, чтобы
обеспечить укладку рядами максимального количества вершин. Чрезвычайно
важно не допускать проезда по уложенным вершинам транспортных средств при
трелевке и транспортировании лесоматериалов, так как это приведет к увеличению
количества поврежденного материала и содержания песка.
24
Рис. @@: Валочно-пакетирующая
машина в действии.
4.2.2
Измельчение
При прореживании или сплошной рубке лесонасаждений остается большое
количество различных лесосечных отходов, включая ветви, вершины, стволы и
кору, частицы которых имеют разнообразные формы и размеры. Измельчение
(уменьшение размеров частиц), как правило, применяется целью получения более
однородного материала, пригодного для использования в качестве древесного
топлива. Измельчение обычно осуществляется разрезкой или разрубкой (когда
инструмент с острой режущей кромкой используется для разделки или разрезки
биомассы на частицы требуемой формы) лесоматериалов, или применяется тупой
ударный инструмент, которым обрабатываемый материал дробят или расщепляют с
образованием частиц неопределенной формы; этот процесс часто называют
дроблением или расщеплением.

Резка

Ударное
воздействие
Разрезка
Разрубка
Дробление/расщепление
Фрезерование
В продаже имеется большое число измельчительных установок, предлагаемых для
применения в лесной промышленности, которые могут быть легко адаптированы
для производства биотоплива. При выборе измельчительного оборудования
необходимо обеспечить, чтобы приобретаемое оборудование составляло часть
общей системы обработки и транспортировки с учетом, того что его спецификации
должны соответствовать характеристикам конечного продукта. Наиболее
распространенным типом оборудования является рубительная машина.
Рубительная машина состоит из самоходной (или монтируемой на трактор)
основной машины с кабиной, рубительного органа и кранового оборудования,
установленного в передней части машины. В задней части основной машины
установлен высокий самосвальный бункер. Имеются как специальные машины,
предназначенные только для выполнения рубительных операций, так и мощные
сельскохозяйственные трактора, оборудованные рубительным органом и высоким
самосвальным прицепом. На рис. @@ показаны различные конфигурации
25
рубительных машин, а в табл. @@@ приводятся характеристики различных
классов рубительных машин.
Табл. @@@: Характеристики рубительных машин различных размеров
Размеры Производительность Диаметр материала Система подачи Мощность ном.
(м3 материала /ч)
(см)
(кВт)
Малые
3-25
8-35
ручная, кран
20-100
Средние
25-40
35-40
кран
60-200
Большие
40-100
40-55
кран
200-500
Источник: "Руководство по сжиганию биомассы и комбинированной топке
различными видами топлива".
Рис. : Различные конфигурации рубительных машин
Рис. (a): Рубительная машина на прицепе с
дополнительным источником питания вместо соединения с
механизмом отбора мощности трактора.
Рис. (б): Рубительная машина на тракторе с питанием от
механизма отбора мощности трактора.
Рис. (в): Самоходная рубительная машина представляет
собой машину специального назначения с установленным
в передней части кузова захватом, используемым для
подачи материала в рубительный орган, монтируемый в
передней или боковой частях кузова, и бункером,
установленным в задней части кузова машины.
Рис. (г): Рубительная машина на форвардере
представляет собой самоходную измельчительную
установку больших размеров с источником питания и
бункером для щепы, смонтированную на шасси
форвардера.
.
26
Рис. (д): Рубительная машина на прицепе для тяжелых
условий работы с источником питания, смонтированная
на высокопрочном шасси, буксируемая грузовым
автомобилем или лесозаготовительной машиной.
Рис. (е): Рубительная машина на грузовом автомобиле с
дополнительным источником питания и захватом,
смонтированным на шасси грузового автомобиля.
Рис. (ж): Рубительная машина на грузовом автомобиле
с источником питания и захватом, смонтированным на
шасси грузового автомобиля, используемая совместно с
подъемником, предназначенным для подъема кусков
материала, которые имеют слишком большой вес,
затрудняющий их выдувание.
Источник: Sims, 2002
Наиболее распространенными типами рубительных машин являются дисковые
рубительные машины и барабанные рубительные машины. Различие между ними
заключается только в методе измельчения. Все рубительные машины оснащены
вентилятором, предназначенным для выдувания щепы из корпуса рубительной
машины через желоб в бункер.
Дисковые рубительные машины
Дисковые рубительные машины оснащены тяжелым вращающимся диск диаметром
от 600 до 1000 мм и 2 - 4 ножами. Размер фракций можно изменять, регулируя
положение ножей и стола. Дисковые рубительные машины обеспечивают
получение довольно однородной по размерам щепы, так как угол резания
относительно направления волокон остается неизменным независимо от толщины
ствола.
Барабанные рубительные машины
Барабанные рубительные машины снабжены вращающимся барабаном диаметром
от 450 до 600 мм, в котором закреплены ножи в 2 – 4 продольных канавках на
криволинейной поверхности. Как и в дисковой рубительной машине, ножи
вращаются на определенном расстоянии от неподвижного стола, и размер щепы
регулируется аналогичным образом. В результате осевого вращения рубительного
барабана угол резания относительно направления волокон дерева изменяется в
зависимости от диаметра ствола. Поэтому полученная щепа имеет менее
27
равномерные размеры по сравнению со щепой, полученной на дисковой
рубительной машине.
Рис. 1: Принцип работы дисковой рубительной
Рис.
машины
позволяет
Осевое
движение
рубительного
довольно
барабана вызывает изменение угла входа ножа
равномерный фракционный состав щепы, так
относительно направления волокон дерева в
как угол входа относительно направления
зависимости от диаметра ствола.
волокон
полученная щепа имеет менее равномерные
дерева
получать
2:
остается
неизменным
независимо от толщины дерева.
Поэтому
размеры по сравнению со щепой, полученной
на дисковой рубительной машине.
Anvil
Стол
Knife
Нож
Fan blade
Лопасть
вентилятора
Вал диска
Дерево
Disc shaft
Tree
Anvil
Knives
Axial drum
movement
Drum
Стол
Ножи
Осевое движение
барабана
При производстве лесной древесной щепы используются различные методы
снижения производственных затрат. В случае переработки на щепу лесоматериала
после ранних прореживаний (стволы диаметром менее 15-20 см и вершины), метод,
предусматривающий производство лесозаготовительных работ и производство
щепы в рамках одного технологического этапа является более перспективным, так
как требует меньше затрат. При использовании лесосечных отходов (ветвей,
вершин срубленных деревьев) целесообразным, по-видимому, является
применение рубительной машины большой мощности для централизованной
переработки отходов, установленной на предприятии по сжиганию отходов или
центральном складе.
28
Рис. @@: Рубительная машина на тракторе в
процессе работы.
4.2.3
Транспортирование вне дороги
Так как рубительная машина является дорогостоящим оборудованием, рабочий
процесс должен быть организован таким образом, чтобы обеспечить работу
машины в соответствии с требованиями ее технических спецификаций. Как
правило, за рубительной машиной следует трактор с высоким самосвальным
прицепом или специально оборудованный форвардер, что позволяет рубительной
машине продолжать производство щепы в то время, как форвардер транспортирует
щепу к дороге.
4.2.4
Хранение в лесу
Хранение щепы является важным элементом процесса доставки топлива из леса на
отопительную установку. Хранение щепы необходимо по ряду причин:
 Уровень потребления щепы колеблется в значительной степени в зависимости
от времени года.
 Существуют периоды, когда заготовка щепы невозможна.
 В летний период щепы производится больше, чем потребляется.
Производство щепы предпочтительно осуществлять тогда, когда в ней возникает
потребность на отопительной установке. Однако без хранения щепы невозможно
обойтись, так как леса должны удовлетворять большую потребность в древесном
топливе в холодные периоды года и должны обеспечивать поставки щепы даже
тогда, когда состояние древостоя делает работу в лесу невозможной. Как правило, в
контракте оговаривается объем поставок щепы поставщиком лесоматериалов в
течение отопительного сезона (обычно 10-20% годового потребления котельной
установки).
Необходимо тщательно выбирать место хранения. Прежде всего следует
расположить запасы щепы в месте, расположенном рядом с дорогой, пригодной для
проезда грузовых автомобилей в любую погоду. Дорога должна быть сухой, иначе
кипу щепы будут забрызгивать проезжающие мимо нее автомобили. Кипа должна
быть расположены выше дороги, так как в противном случае вода будет стекать с
полотна дороги и просачиваться в нее. Земля под кипой должна быть ровной, без
пней, крупных камней и отходов. Кипы щепы должны иметь максимальные
размеры, так как это минимизирует потери в основании кипы. Однако высота кипы
не должна превышать 7-8 м в связи с риском самовозгорания щепы в кипе.
29
Предназначенная для хранения щепа должна иметь максимально возможные
степень сухости и высокое качество. Если щепа предназначена для хранения в
течение более двух недель, кипу щепы необходимо закрыть брезентом. При этом
происходит подсыхание щепы в центральной части кипы, закрытой брезентом.
Испаряющаяся вода конденсируется в наружных слоях щепы, влажность которых
соответственно повышается. Если щепа помещается на хранение с целью
понижения влажности, она должна храниться в закрытом помещении.
Экспериментальные данные показывают, что хранение в закрытом помещении в
течение 4-6 месяцев может привести к снижению влажности щепы приблизительно
с 45% до 25-30%. В случае хранения на открытом воздухе без брезента влажность
щепы повышается, в то время как влажность щепы, хранящейся под брезентом,
остается постоянной.
4.2.5
Транспортирование по дороге
Транспортирование щепы по дороге обычно осуществляется в контейнерных
грузовых автомобилях, которые в двух контейнерах, один из которых расположен
на тягаче и один  на прицепе, могут за один раз перевезти приблизительно 80 м3
погруженной навалом щепы. При поставке щепы в процессе ее производства на
лесосеке необходимо поместить не менее двух или, предпочтительно, более
контейнеров. Контейнеры загружаются по мере производства щепы и
одновременно на грузовом автомобиле доставляются на котельную установку или к
месту хранения. При погрузке с места хранения, для заполнения контейнеров
щепой обычно используют колесный погрузчик. Рубительная машина
производительностью 30-50 м3 щепы в час, производит количество щепы,
необходимое для заполнения двух контейнеров в течение 2-3 часов.
Рис. @@: Разгрузка лесной щепы.
Рис. @@: Прицеп, специально оборудованный
для перевозки щепы.
30
5
ПОКУПКА И ПРОДАЖА ДРОВЯНОЙ ДРЕВЕСИНЫ И ЛЕСНОЙ
ЩЕПЫ
В Австрии используют большое число различных видов древесного топлива,
таких, например, как дровяная древесина, древесная щепа, гранулированная и
брикетированная древесина, кора, опилки, стружка. В этой главе описываются
наиболее распространенные методы покупки и продажи дровяной древесины и
лесной щепы.
5.1
Покупка и продажа дровяной древесины
При покупке дровяной древесины стандартного размера оплачивается
закупаемый объем древесины. Имеется большое число методов определения
объема, но все они основаны на двух имеющих принципиальное отличие
единицах объема:
 Одном кубическом метре складочного объема, включая воздух, равном
содержимому куба (с шестью равными сторонами), имеющего наружные
размеры 1 м х 1 м.
 Одном кубическом метре твердого объема, равном количеству твердой
древесины, содержащейся в 1 м3, который, например, может иметь форму
блока сплошной древесины, длина, высота и ширина которого равны 1 м.
В Австрии продажа дровяной древесины осуществляется, в основном, по
складочному объему (м3 распиленного, расколотого и штабелированного
древесного материала, м3 штабелированных целых деревьев или м3 уложенного
навалом материала). Из этих трех единиц измерения более всего древесины
содержится в м3 распиленного, расколотого и штабелированного древесного
материала, однако количество древесины зависит от плотности штабеля и
размеров отрезков древесины. Чем больше размер отрезков древесины, тем
больше древесины содержится в м3 штабеля.
На рис. @@ показаны различные типы штабелей с описанием их
характеристик, а в табл. @@ приводятся средние значения коэффициентов
пересчета значений объемов древесины, содержащейся в навальном,
штабельном и твердом кубическом метре дровяной древесины.
31
Рис. 8. Один кубический метр
складочного объема распиленного,
расколотого и штабелированного
древесного материала.
Теплотворная способность 1
штабельного м3 древесины березы
влажностью 20% составляет 7,6 –
8,6 ГДж.
Рис. 9. Один кубический метр
складочного объема древесного
материала целых деревьев. 1 м3
складочного объема отрезков
стволов березы
длиной 1 м
содержит 65% твердой массы; 1
м3 складочного объема отрезков
стволов березы
длиной 3 м
содержит 55% твердой массы.
Теплотворная способность 1
штабельного
м3
отрезков
стволов березы длиной 2 м и
влажностью 20% составляет
приблизительно 6,5 ГДж.
Рис. 10. Кубический метр
уложенного навалом древесного
материала. Древесина березы и
ели влажностью 20% от
общего веса содержит 45%
твердой массы. Теплотворная
способность 1 навального м3
березовых поленьев длиной 40
см
и
влажностью
20%
составляет приблизительно 4,8
ГДж.
Рис. @@@: Характеристики различных типов штабелей топливных древесных
материалов.
Таблица @@@: Средние коэффициенты пересчета значений объема колотых
топливных древесных материалов
Навальный Штабельный Твердый
м3
м3
м3
1 навальный м3
1
0,6
0,4
3
1 штабельный м
1,68
1
0,67
3
1 твердый м
2,5
1,49
1
Источник: "Сборник основной информации о древесном топливе".
1 штабельный м3 целых деревьев содержит древесный материал, уложенный в
штабели после валки и укорачивания стволов. Часто стволы распиливают на
отрезки длиной два метра; стволы деревьев хвойных пород также распиливают
на отрезки длиной один и более метров. Обычно такая древесина поставляется
для резки/обработки в самодеятельном производстве. Такой штабель может
содержать большой объем воздуха. Если отрезки стволов имеют большую
длину и искривленную форму и, возможно, были уложены краном, то
состоящие из них штабели имеют низкое содержание древесины. Штабель,
32
состоящий из коротких отрезков большого диаметра содержит больше
древесины, чем штабель, состоящий из тонких длинных отрезков.
1 навальный м3 содержит древесный материал, который не был уложен в
штабель, а был просто загружен навалом в куб со стороной длиной 1 м. При
этом в нем остается большой объем свободного пространства, так как такая
укладка древесного материала осуществляется беспорядочно. Расчеты
показывают, что количество твердой массы, содержащейся в навальном м3
дров, составляет от половины до двух третей твердой древесины, содержащейся
в м3 распиленной, расколотой и штабелированной древесины.
.
При определении содержания древесины в м3 штабелированного дровяного
материала следует учитывать степень обработки древесного материала, вид
древесины, а также количество твердой массы или процентное содержание
твердой массы.
При оценке степени обработки определяют, был ли распилен и расколот
дровяной материал на отрезки требуемых длины и ширины. Все
произрастающие в Австрии виды деревьев имеют аналогичную теплотворную
способность на кг сухого вещества, при этом сухой вес на единицу объема этих
деревьев колеблется в широких пределах.
Количество твердой массы или процентное содержание твердой массы обозначают
количество твердой массы древесины на 1 м3 складочного объема топливного
древесного материала. Если, например, коэффициент твердой массы равен 0,65,
то процентное содержание твердой массы составляет 65%, что в обоих случаях
означает, что 1 м3 складочного объема дровяной древесины содержит 0,65 м3
твердой древесины, а остальной объем занимает воздух.
Количество твердой массы колеблется в широких пределах, при этом важную роль
играет порядок укладки дровяного материала. Данные, приведенные в табл. @@@,
показывают, что количество твердой массы также зависит от породы дерева и
длины отрезков дровяного материала.
Таблица @@: Процентное содержание твердой массы в 1 м3 складочного объема
дровяной древесины, соответственно, березы и ели,
уложенных в штабели различной длины.
Длина отрезков
Твердая масса в
Твердая масса в
дровяного
штабеле дровяного
штабеле дровяного
материала
материала (береза)
материала (ель)
(м)
0,40
0,70
0,80
1,00
0,65
0,75
2,00
0,60
0,70
3,00
0,55
0,65
Источник: "Использование древесины для производства энергии, 2002".
33
Содержание древесины при одном значении твердой массы является постоянным в
штабельном м3 топливной древесины независимо от ее влажности. Поэтому при
покупке и продаже топливной древесины содержание влаги в ней, как правило, не
учитывается. Однако при топке дровяной печи топливной древесиной необходимо,
чтобы топливная древесина была сухой. Это означает, что влажность в процентах к
общему весу древесины должна составлять менее 20%.
5.2
Покупка и продажа древесной щепы
При покупке щепы для топки щепу измеряют с целью установления ее стоимости.
Однако цена должна определяться в зависимости от качества и теплотворной
способности щепы. Характеристики теплотворной способности рассматривались в
главе 3.
Качество щепы зависит от гранулометрического состава, влажности и содержания
примесей (земля, камни и т.д.). Качество щепы часто определяется удобством
обработки и характеристиками горения щепы. Таким образом, низкое качество
щепы часто означает, что она вызывает затруднения при обработке, т.е. имеет
неблагоприятные характеристики угла трения, угла скольжения, и подвержена
сводообразованию. От качества щепы также в значительной степени могут зависеть
характеристики горения и содержание вредных веществ в дыме/дымовом газе и
золе.
Большинство операторов отопительных установок и ТЭЦ, работающих на щепе,
осуществляют платежи за лесную щепу по цене, определяемой по
энергосодержанию материала щепы, выражаемому значением низшей теплоты
сгорания (НТС) на тонну общего веса. В некоторых случаях, оплата поставок щепы
может производиться из расчета за м3 щепы. Общую формулу, используемую для
расчета НТС для лесной щепы, можно упростить следующим образом:
Для лесной щепы, содержащей, в основном, НТС = 19.2 - 0.2164 × F (ГДж на
древесину сосны, ели и березы:
тонну общего веса)
Для смешанного состава щепы различного НТС = 19.0 - 0.2144 × F (ГДж на
происхождения, содержащей, в основном, тонну общего веса)
неизвестную смесь древесных материалов
твердых пород:
где F  влажность щепы в % от общего веса щепы.
Определение веса щепы, погруженной в грузовой автомобиль, требует знания веса
груза и влажности. Вес груза определяется с помощью мостовых весов как вес
брутто автомобиля с грузом минус собственный вес автомобиля. Полученная
разность  это вес груза, т.е. содержание сухого вещества + содержащаяся в грузе
вода.
Примечание @@ : Определение влажности
34
На практике влажность груза определяется путем отбора репрезентативных проб
общим объемом 5-10 литров ведром в 3-5 точках кипы после разгрузки щепы.
Затем пробы тщательно перемешиваются, и из полученного объема берется одна
проба объемом приблизительно 3 литра, по которой определяется содержание
влаги в грузе. Как правило, влажность выражается в процентах от общего веса.
Определение выполняется следующим образом:
 Проба взвешивается после отбора.
 Проба высушивается в сушильном шкафу при температуре 105°С до
постоянного веса. На практике сушка трех литров щепы, распределенных на
поддоне в вентилируемом сушильном шкафу, до постоянного веса занимает 16
часов.
 Разность между весом свежего образца и весом высушенного образца,
выраженная в процентах, обозначает влажность в процентах (F) от общего веса.
Водосодержание = (вес свежей пробы минус вес пробы, высушенной в печи),
деленный на вес свежей пробы, умноженный на 100%
Значение теплотворной способности груза в ГДж на тонну общего веса
определяется с использованием двух вышеуказанных формул по которым
выполняется расчет низшей теплоты сгорания (НТС). Затем общий вес груза в
тоннах умножается на количество ГДж на тонну и на согласованную цену 1 ГДж.
(например, 7,70 Евро за 1 ГДж).
Пример расчета для хвойной щепы:
 Влажность щепы: 55% от общего веса
 Вес груза: 15 тонн
 Цена энергии (на выезде из лесопильни): 7,70 Евро/ГДж
 Низшая теплота сгорания (НТС) щепы: 19,2 ГДж/тонна - (0,2164 × 55) = 7,30
ГДж/тонна
 Энергосодержание щепы: 15 тонн х 7,30 КДж/тонна = 109,50 КДж
 Цена щепы: 7.70 Евро/ КДж × 109.50 КДж = 843,15 Евро
Вышеописанный метод, используемый в Дании с 1980 г., является простым и
удобным в практическом применении;
отмечались только отдельные
незначительные проблемы, связанные с его использованием. Этот метод может
быть упрощен в случае, когда он применяется для расчета цены большого числа
грузов, отгружаемых одним поставщиком. В этом случае можно сократить число
проб щепы, отбираемых для определения влажности груза. Отклонения от
процедуры стандартного метода отбора проб могут оговариваться сторонами при
заключении контракта. Также может быть оговорено, кто будет осуществлять отбор
проб.
35
ПРОИЗВОДСТВО ЩЕПЫ
ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА
6
И
РАЦИОНАЛЬНОЕ
ВЕДЕНИЕ
Хотя преимущества использования древесного топлива с точки зрения защиты
окружающей среды и являются очевидными, производство щепы связано с более
интенсивным использованием лесных экосистем по сравнению с традиционными
методами лесозаготовок, так как требует использования большего объема
удаляемой из леса биомассы. Вероятно такое производство может оказать
долгосрочное негативное воздействие на стабильность и рост лесов, что создает
потребность во внесении удобрений.
Повышенная интенсивность использования лесной экосистемы в результате
производства щепы из деревьев, срубленных при прореживании лесов, и
лесосечных отходов может иметь ряд последствий, определяемых следующими
двумя факторами:
 Производство щепы приводит к удалению на соответствующем участке
питательных веществ, используемых растениями, так как удаляется
большинство богатых питательными веществами частей растений (хвоя, ветви,
кора).
 Удаление значительного количества органического материала может привести
к уменьшению содержания гумуса в почве и снижению ее способности
поддерживать воспроизводство леса.
С тем, чтобы избежать этих последствий, необходимо поддерживать баланс между
степенью использования лесных ресурсов и уровнем плодородия почвы, например
обеспечить возврат в лес золу от сжигания щепы с тем, чтобы компенсировать
потерю питательных веществ.
6.1
Питательные вещества растений
В историческом плане истощение почвы в лесах – хорошо известное явление. В
некоторых лесных районах Германии до сих пор ощущаются последствия
истощения почвы, наступившего в результате использования в 19 веке стволов,
ветвей и листьев деревьев в качестве топлива и на корм скоту.
Большая часть питательных веществ содержится в активных частях деревьев (хвое
и коре), которые составляют довольно малую часть биомассы. Исключением
является кальций, который также в значительном количестве содержится в
древесине. Таким образом, степень удаления биомассы при производстве щепы
зависит в значительной степени от того, какие компоненты биомассы
используются. Удаление максимального количества питательных веществ
происходит при рубке целых деревьев с зеленой щепой (щепа, содержащая примеси
хвои и ветвей). Это увеличивает выход щепы, однако в в результате такого
увеличения выхода теряется от 50% до 75% азота, фосфора, калия и кальция.
Большая часть лесоматериалов, заготавливаемых для производства лесной щепы,
состоит из срубленных при прореживании молодых насаждений деревьев. На
36
практике валка деревьев с целью прореживания производится зимой, и затем эти
деревья оставляют на лесосеке на срок от четырех до шести месяцев для
подсыхания. Этот метод позволяет получить следующие результаты:
 Происходит испарение приблизительно 50% влаги, содержащейся в деревьях.
 Происходит сброс хвои и отделение части тонких веток перед переработкой
деревьев в рубительной машине.
Этот метод снижает потери питательных веществ растений по сравнению с
методом переработки на щепу свежесрубленных деревьев.
Удаление питательных веществ в течение года следует оценивать в связи со
способностью соответствующей местности заменять эти питательные вещества
выветриваемыми почвенными минералами или минералами в составе осадков. На
очень обедненных почвах при традиционной заготовке стволов деревьев
количество питательных веществ, удаляемых из почвы, превышает количество
попадающих в нее питательных веществ, что постепенно истощает почву и
приводит к дефициту питательных веществ. Однако известные в настоящее время
данные не позволяют определить эти участки. В странах, имеющих выход к морю,
насаждения, расположенные рядом с береговой линией, в меньшей мере подвержен
такому воздействию, так как на эти участки попадают содержащиеся в морской
соли питательные вещества, распространяемые грозами по территории страны.
В скандинавских странах был проведен ряд исследований с целью выяснения
последствий увеличения объема удаляемого из лесов биотоплива. Серия
исследований проводилась в шестнадцати районах на дети участках насаждений
шотландской сосны и шести участках насаждений норвежской ели. Через десять
лет после проведения первых операций прореживания с производством зеленой
щепы была проведена оценка степени роста. В различных районах были получены
различные результаты, при этом среднее снижение степени роста составило 6%, и
5% у норвежской ели и шотландской сосны, соответственно. Исследования с
отбором проб сверлением показали, что снижение степени роста начинается
приблизительно через четыре года и все еще сохраняется через десять после
производства зеленой щепы лет. Снижение степени роста, отмеченное в
проведенных в Скандинавии исследованиях, вызвано увеличением дефицита азота
после переработки целых деревьев. Возможно, это не происходит в других
регионах Европы, где поглощение атмосферного азота способно удовлетворить
потребность деревьев в азоте. Заключение, сделанное по результатам проведенных
в Скандинавии исследований, свидетельствует о том, что снабжение другими
питательными веществами, полученными в результате выветривания или осадков,
по видимому, способно компенсировать потери, вызванные переработкой целых
деревьев. Однако это не обязательно происходит во всех случаях.
Просушка срубленных деревьев на лесосеке перед их переработкой в щепу
уменьшает вероятность снижения степени роста насаждений, вызываемого
сокращением числа целых деревьев. Однако снижение степени роста растений
невозможно предотвратить на участках с дефицитом питательных веществ.
37
Количество питательных веществ, содержащихся в золе, полученной при сжигании
древесной щепы, более или менее соответствует количеству питательных веществ,
удаленных из участка насаждений в результате производства щепы (за
исключением азота). Таким образом очевидно, что проблема недостатка
питательных веществ может быть решена путем возврата золы от сжигания щепы в
лес. Количество золы, полученной при сжигании древесины, часто выражается
процентах от сухого веса древесины (0% воды). В этом случае следует отличать
чистую древесную золу от золы с примесями. Под чистой древесной золой
понимается зола без содержания песка, несгоревшей древесины и других веществ.
Зола с содержанием примесей  это чистая зола плюс практически неизбежное
содержание других веществ.
В среднем по расчетным данным содержание чистой золы составляет 2,5% при
сжигании щепы из целых деревьев. Содержание золы с примесями колеблется в
широких пределах и, по расчетным данным, составляет 5% при сжигании щепы из
целых деревьев. В таблице @@@ приведены средние значения количества
растительных питательных веществ в 1 кг на тонну сухой золы с примесями.
Таблица @@@: Содержание растительных питательных веществ в 1 кг на тонну
сухой золы с примесями.
Питательное
P
K
Ca
Mg
Fe
Na
Mn
вещество
Содержание
13 kg 48 kg 137 kg 17 kg 12 kg 20 kg 13 kg
(кг/тонну сухой
золы с примесями )
Источник: "Использование древесины для производства энергии, 2002"
Древесная зола содержит небольшие количества тяжелых металлов, например,
кадмия (0-0,08 г/кг сухой золы) и свинца (0,02-0,6 г/кг сухой золы). Содержание
этих веществ может представлять определенные проблемы при утилизации золы
для применения в лесном хозяйстве и полеводстве.
6.2
Содержание гумуса
При производстве щепы из целых предварительно высушенных деревьев из
древостоя удаляется больше древесины, чем при использовании хорошо известных
стандартных методов заготовки очищенного от сучьев круглого лесоматериала. Это
означает, что на лесной подстилке остается меньше ветвей и вершин,
подвергающихся естественному разложению. Мертвое органическое вещество
содержит флору и фауну, подвергшуюся разложению
Вопрос о том, содействует ли производство щепы снижению биоразнообразия,
широко дискутируется. В настоящее время эта проблема недостаточно изучена.
В настоящее время также обсуждается вопрос о заделке углерода в
почву
стабильного гумуса для образовании гумуса. Любые древесные насаждения
образуют поток мертвого биологического материала, попадающего в конечном
38
итоге на лесную подстилку. Он может включать листья, хвою, крупные и мелкие
ветви, мертвые деревья и т.д. При использовании стандартного метода заготовки
очищенного от сучьев круглого лесоматериала на лесной подстилке остаются ветви
и вершины, в то время как при производстве щепы из целых деревьев удаляется
большая часть образуемой насаждениями биомассы. Однако при производстве
щепы в ходе первых двух прореживаний насаждений количество удаляемой из
участка насаждений древесины ненамного превышает количество древесины,
удаляемой с применением метода заготовки круглого лесоматериала.
Основная часть мертвого органического вещества минерализуется, т.е. разлагается
на растительные питательные вещества, двуокись углерода и воду, а меньшая часть
вещества, размеры которой неизвестны и могут изменяться, переходит в состав
почвы постоянного гумусного слоя. Масштабы и значение такого перехода в
настоящее время являются предметом обсуждения и изучения. Первые измерения
общего содержания углерода в минеральных почвах, выполненные через 25 лет
после начала производства щепы свидетельствуют о том, что не имеется
убедительных доказательств уменьшения содержания гумуса Однако до сих пор
неизвестно, приводит ли долговременное производство щепы к уменьшению
содержания постоянного гумусного вещества в почве, и оказывает ли оно какоелибо воздействие на рост и здоровье деревьев.
6.3
Рациональное использование ресурсов
Заготовка целых деревьев во время первого и второго прореживаний, когда деревья
оставляют на участке насаждений для просушки перед их переработкой в щепу,
приводит к умеренным дополнительным потерям питательных веществ. Только на
участках с низким содержанием питательных веществ такие потери питательных
веществ могут вызывать озабоченность. Очистка леса после сплошной рубки
посредством переработки на щепу лесосечных отходов часто заменяет обычную
операцию очистки посредством сжигания лесосечных отходов. Дополнительные
потери питательных веществ, вызванные удалением лесосечных отходов после
сплошной рубки являются более значительными, чем дополнительные потери при
прореживании. Однако дополнительные потери при прореживании могут оказаться
не меньшими, чем дополнительные потери при сплошной рубке. Это объясняется
тем, что новые посаженные деревья не способны использовать то количество
питательных веществ, которое высвобождается из лесосечных отходов в течение
первого года после сплошной рубки. Если лесосечные отходы остаются для
просушки не менее чем на летний период перед их переработкой в щепу,
производство щепы не должно создавать в этом отношении непосредственный риск
негативного воздействия. В обоих случаях следует рассмотреть возможность
использования дополнительных удобрений.
39
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
ДЛЯ ТОПКИ
7
Эффективное и полное сгорание является необходимым условием использования
древесины в качестве экологически приемлемого вида топлива. Процесс сгорания
должен обеспечивать высокую степень использования энергии и, следовательно,
полное уничтожение древесины, и не должен вызывать образование нежелательных
в экологическом отношении соединений.
Имеется ряд основных условий, которые необходимо соблюдать с тем, чтобы
обеспечить непрерывность процесса горения.
 Необходимо поддерживать требуемое соотношение топлива и кислорода
(воздуха) в топливной смеси.
 Горящий в топке огонь должен передавать часть выделяемой им теплоты на
участок подачи с тем, чтобы обеспечить непрерывность процесса горения.
Важно знать, что газы сгорают, образуя пламя, что твердые частицы тлеют, и что
при сгорании древесины приблизительно 80% энергии выделяется в форме газа, а
остальная часть выделяется углем.
При смешивании топлива с воздухом важно обеспечить хороший контакт между
кислородом воздуха и горючими компонентами древесины. Чем эффективнее такой
контакт, тем быстрее и более полно происходит сгорание. Если используется
газообразное топливо, такое как природный газ, процесс смешивания является
оптимальным, так как в этом случае используются два газообразных вещества,
которые могут быть смешаны точно в требуемом соотношении. В этом случае
сгорание может происходить быстро, и, следовательно, необходимо обеспечить
оперативное управление процессом смешения, так как возможна подача большего
или меньшего количества топлива. С тем, чтобы создать аналогичные условии при
сжигании древесины, ее, возможно, потребуется измельчить на частицы очень
малого размера (до размера частиц муки). Эти мелкие частицы будут перемещаться
в направлении потока воздуха. Таким образом можно получить смесь с хорошими
характеристиками, горение которой будет похоже на горение газа или нефти.
Однако поскольку производство древесного порошка является очень
дорогостоящим, он имеет ограниченное применение. На практике реализуемое
топливо имеет размеры от щепы до бревен.
Технология топки с использованием древесины и других твердых видов топлива
является более сложной и трудоемкой, чем, например, технология топки
природным газом или отопительной установки, работающей на нефти.
7.1
Стадии сгорания
Для поддержания процесса горения, топливо должно пройти ряд стадий,
показанных на рис. @@@. При нагревании древесины с ее поверхности начинает
испаряться вода. При этом протекают два процесса: газообразование на
поверхности древесины и пиролиз1, при этом температура внутри древесины
40
начинает повышаться, вызывая испарение влаги из внутренней части древесины.
По мере испарения воды затронутый пиролизом1 участок начинает
распространяться внутрь древесины. Полученный таким образом газ возгорается
над топливом, генерируя тепло, которое переносится на участки продолжающихся
процессов испарения и пиролиза. Процесс горения является непрерывным.
Газифицированная древесина превращается в тлеющие угли под воздействием
кислорода до тех пор, пока в топке не останется одна зола.
Рис. @@@: Схема сжигания древесины
Biomass
Phase 1
Phase 2
Phase 3
Phase 4
ash char
volatiles
water
Water evaporation
Volatile evaporation
Partial combustion of char into CO
Combustion of CO and volatiles
7.2
Биомасса
Фаза 1
Фаза 1
Фаза 1
Фаза 1
зольный уголь
летучие вещества
вода
Испарение воды
Испарение летучих веществ
Частичное сгорание угля с
преобразованием в СО
Сгорание СО и летучих веществ
Размер частиц топлива
Чем больше частицы топлива, тем дольше длится процесс их сгорания.
Представьте, как быстро сгорает брошенная в огонь горсть опилок. Это происходит
потому, что имеется хороший контакт между топливом и воздухом, так как мелкие
частицы быстро высыхают, выделяют газы и сгорают, обеспечивая высокую
интенсивность горения.
1
Нагрев топлива без доступа газообразного агента, т.е. кислорода и воды.
41
Если же в огонь бросить бревно, то оно будет гореть продолжительное время. Этот
процесс можно сравнить с приготовлением в духовке жаркого. Через час после
помещения в духовку оно все еще будет сырым в середине. Таким образом
скорость сгорания топлива в значительной мере зависит от его размеров.
7.3
Влажность
Влага, содержащаяся в топливе, снижает количество выделяемой энергии, так как
часть тепла уходит на испарение воды. Поскольку древесина имеет высокую
теплотворную способность, часть тепла, полученная в результате сгорания топлива,
должна отводиться из камеры сгорания с тем, чтобы предотвратить перегрев и
последующее повреждение материала камеры.
Влажная древесина имеет низкую теплотворную способность на килограмм общего
веса, поэтому камера изолируется с тем, чтобы избежать снижения коэффициента
полезной деятельности котла и обеспечить непрерывность процесса горения.
Обычно это достигается посредством установки на стенках камера изоляционного
материала, обеспечивающего сохранение генерируемого тепла. Как правило, котлы
предназначены для сжигания топлива в определенном диапазоне значений
влажности.
Влажность древесины выше 55-60% значительно затрудняет поддержание процесса
сгорания топлива.
7.4
Зольность
Топливо содержит примеси в форме несгораемых компонентов, образующих золу.
Содержание золы является нежелательным, так как требует очистки дымового газа
от примесных частиц и последующего удаления золы и шлака. Содержащаяся в
древесине зола, в основном, поступает из земли и песка, впитываемых древесиной.
Небольшую часть золы также составляют соли, впитанные древесиной в процессе
роста дерева.
Зола также содержит тяжелые металлы, оказывающие нежелательное воздействие
на окружающую среду, однако содержание тяжелых металлов в золе обычно ниже,
чем в золе других видов твердого топлива.
Специфическим свойством золы является ее теплосберегающая способность. В
дровяных печах слой золы на дне печи образует поверхность нагрева, от которой
тепло передается на угли в процессе их выгорания. В отопительных установках с
решеткой присутствие золы играет важную роль, защищая решетку от выделяемого
пламенем тепла.
Древесина также содержит соли, участвующие в процессе горения. В основном, это
соли калия (K) и, частично, натрия (Na), придающие золе липкость, что может
приводить к образованию отложений на поверхности топки котла.
42
Как правило, древесина имеет очень низкое содержание Na и K, поэтому их
присутствие не вызывает каких-либо проблем при использовании традиционных
отопительных технологий.
Таблица … Типичные минеральные фракции, содержащиеся в материале щепы (в
% от сухого вещества древесины)
Минерал
K
Na
P
Ca Mg
Фракция (% от СВ) 0,1 0,015 0,02 0,2 0,04
Источник:"Использование древесины для производства энергии, 2002".
7.5
Летучие вещества
Древесина и другие виды биомассы содержат приблизительно 80% летучих
веществ ( в процентах от сухого вещества). Это означает, что компонентный состав
древесины теряет 80% своего веса в результате выделения газов, а оставшаяся часть
компонентов преобразуется в уголь. Это является одной из причин, почему мешок с
углем кажется легким по сравнению с его визуальным объемом. Уголь сохраняет в
большей или меньшей степени первоначальный объем свежесрубленной
древесины, но теряет 80% своего веса.
Высокое содержание летучих веществ требует, чтобы воздух для горения
подавался, в основном, над слоем топлива (вторичный воздух), где происходит
сгорание газов, а не под слоем топлива (первичный воздух).
7.6
Избыточный воздух
Любое топливо требует использования соответствующего количества воздуха
(кислорода) с тем, чтобы обеспечить его стехиометрическое преобразование, т.е.
коэффициент избытка воздуха λ (лямбда) должен быть равен 1. Стехиометрическое
преобразование топлива происходит, когда используется точное количество
кислорода, необходимое для преобразования всего топлива при идеальных
условиях. Если количество подаваемого воздуха превышает значение λ = 1,
дымовой газ будет содержать кислород. Например, при значении λ = 2 количество
подаваемого воздуха вдвое превышает количество воздуха, необходимое для
сгорания топлива.
На практике сгорание всегда происходит с использованием количества
избыточного воздуха, превышающим значение λ = 1, так как невозможно
обеспечить полное сгорание топлива при стехиометрическом количестве воздуха. В
таблице @@@ приведены типичные значения количества избыточного воздуха λ и
соответствующие значения процентного содержания кислорода в дымовом газе.
Как следует из таблицы, величина значения количества избыточного воздуха в
значительной степени зависит от применяемой отопительной технологии и в
некоторой степени от типа используемого топлива.
43
Таблица @@: Типичные значения количества избыточного воздуха λ и
соответствующие значения процентного содержания кислорода в
дымовом газе
Коэффициент
O2 в сухом
избытка воздуха
дымовом газе
λ
(%)
Открытая топка
>3
>14
Дровяная печь
2,1-2,3
11-12
Централизованное отопление с
1,4-1,6
6-8
использованием лесной щепы
Централизованное отопление с
1,2-1,3
4-5
использованием гранулированной
древесины
ТЭЦ, древесный порошок
1,1-1,2
2-3
Источник: "Руководство по сжиганию биомассы и комбинированной топке
различными видами топлива".
Как показано на рис. @@@, идеальное сгорание древесины происходит при
значениях количества избыточного воздуха λ между 1,4 и 1,6. Таким образом,
процентное содержание кислорода в дымовом газе составляет 7,5%. Кривая
показывает, что процентное содержание двуокиси углерода и избыточного воздуха
составляет соответственно приблизительно 13% и 1,5%.
Рис. @@@: Идеальное сгорание древесины.
Источник: "Использование древесины для производства энергии".
Percentage in dry flue gas
Процентное содержание
дымовом газе
в
сухом
44
Lambda
Carbon dioxide CO2  Oxygen O2
7.7
Лямбда
Двуокись углерода CO2  кислород O2
Выбросы в атмосферу газообразных отходов
От характеристик топлива зависит полнота его сгорания. При полном сгорании
образуются двуокись углерода CO2 и вода (H2O). Неправильный выбор топливной
смеси, типа отопительной установки и режима подачи воздуха может снизить
эффективность использования топлива и привести к нежелательному воздействию
на окружающую среду.
Для эффективного сгорания необходимо обеспечить требуемые:
 Высокую температуру
 Количество избыточного кислорода
 Время сгорания
 Характеристики топливной смеси
При этом достигается низкий уровень выбросов угарного газа (СО), углеводородов,
полиароматических углеводородов (ПУВ) и незначительного количества
содержащегося в шлаке невыгоревшего угля. К сожалению, эти условия (высокая
температура, большой объем избыточного газа, длительное время горения) также
приводят к образованию NOx. Поэтому следует использовать так называемую
технологию "низкого содержания NOx ", т.е. технологию, обеспечивающую низкий
уровень выбросов NOx.
Кроме CO2 и H2O дымовой газ содержит воздух (O2, N2 и Ar), а также большое или
малое количество нежелательных продуктов реакции, таких как СО, углеводороды,
ПУВ, NOx и т.д.
45
8
КОНСТРУКЦИЯ
И
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
РАБОТАЮЩЕЙ НА ЩЕПЕ
УСТАНОВКИ,
Типичная установка, использующая щепу в качестве топлива, монтируется на базе
котлоагрегата, работающего на твердом топливе, со ступенчатой колосниковой
решеткой или колосниковой решеткой с движущимся полотном. На стенках камеры
котлоагрегата установлена огнеупорная футеровка, обеспечивающая поддержание
температуры горения при использовании топлива с относительно высоким
содержанием влаги. Конструкция установки обеспечивает высокий уровень
автоматизации систем, например, подача щепы из склада щепы на решетку
производится краном с компьютерным управлением с одновременным учетом
наличия щепы на складе.
Все установки содержат следующие основные компоненты:
 Склад щепы
 Кран или другое оборудование для подачи щепы
 Систему подачи
 Камеру сгорания и котел
 Систему очистки дымового газа
 Систему конденсирования дымового газа
 Дымоход
 Систему золоудаления
Рис. @@@: Схема водогрейного котла, работающего на биомассе.
Обозначения: (1) Доставка топлива; (2) Подача топлива; (3) Камера сгорания и
водогрейный котелr; (4) Очистка дымового газа (5) Удаление золы
Ниже приводится описание основных принципов
эксплуатации установок, работающих на щепе.
8.1
стандартного
метода
Хранение щепы
46
Размеры склада щепы зависят от различных факторов, например, от условий
контракта с поставщиком щепы. Однако необходимо всегда иметь запасы щепы,
достаточные для обеспечения работы установки в течение пяти суток при
максимальной производительности, которые используются для топки в выходные
дни и в качестве запаса на случай отсутствия поставок при неблагоприятных
погодных условиях.
Для большинства установок используется закрытое хранение, а поставщики щепы
используют склады большого объема. Однако операторы некоторых установок
также используют собственные открытые склады и, следовательно, могут получить
скидки от поставщика щепы. В связи с риском самовозгорания щепу укладывают
таким образом, чтобы ее высота не превышала 7-8 метров; это требование также
относится к закрытому хранению.
При работе на складе щепы существует риск вдыхания вызывающей аллергию
пыли и микроорганизмов, таких как грибы и бактерии. Следует настоятельно
рекомендовать, чтобы работы на складе щепы никогда не производились в
одиночку.
8.2
Транспортирование топлива
Известно, что большинство проблем, возникающих в процессе эксплуатации,
связано с процессом перемещения щепы из склада к подающему устройству. Вся
транспортная система от склада до котлоагрегата должна рассматриваться как цепь,
в которой надежность всех звеньев играет одинаково важную роль. Выход из строя
какого-либо из звеньев транспортировочной цепи, например, в случае повреждения
троса крана, приведет к остановке всей системы.
Колесный погрузчик
При эксплуатации установок, использующих открытые склады, транспортировка
щепы из открытого в закрытый склад щепы обычно осуществляется с помощью
колесного погрузчика с ковшом большого объема.
Рис. @@a: Колесный погрузчик с Рис. @@b: Колесный погрузчик
ковшом для перемещения щепы.
ковшом для перемещения щепы.
с
Транспортировочный кран
Транспортирование щепы от закрытого склада к подающему устройству
котлоагрегата часто осуществляется с помощью крана. Кран может работать в
47
гибком режиме, имеет высокую производительность и отличается высокой
надежностью при работе со щепой низкого качества. При этом следует учитывать,
что кран должен быть оснащен зазубренным ковшом. Незазубренный ковш с
трудом заполняется и легко опрокидывается на вершине кипы щепы. Для
относительно крупных установок кран является также относительно недорогим
оборудованием, в то время как для небольшой установки применение крана будет
слишком дорогостоящим решением.
Толкающий конвейер с гидравлическим приводом
Толкающий конвейер с гидравлическим приводом используется для разгрузки
хранилищ прямоугольной формы с ровными полами. Обычно в техническом
отношении он является не таким надежным оборудованием, как кран. Толкающий
гидравлический конвейер, имеющий относительно невысокую стоимость, является
наиболее приемлемым оборудованием для установок малой мощности (с
номинальной производительностью котла 0,1-1 МВтт)
Силосные башни
Силосные башни с вращающимися винтовыми конвейерами, которые могут
применяться для хранения гранулированной древесины, не рекомендуется
использовать для хранения щепы. Из-за большой высоты башни такое хранилище
трудно заполнить, а механическое оборудование, расположенное на дне башни,
является малодоступным, что затрудняет выполнение технического обслуживания
и ремонтных работ. Технические проблемы обычно возникают, когда силосная
башня заполнена щепой. Перед началом ремонтных работ ее необходимо
разгрузить  вручную или, предпочтительно, с применением кранового захвата.
При хранении гранулированной древесины, как правило, может использоваться
оборудование, применяемое в животноводстве.
Винтовые конвейеры
Хотя конвейеры являются недорогим оборудованием, посторонние материалы или
крупные щепки могут вызвать нарушение их работы. В общем, рекомендуется
использовать конвейер с крышкой, закрепленной на желобе, а не конвейер, винт
которого помещен в трубу. Эта рекомендация становится вполне понятной после
первой выполненной вручную очистки винтового конвейера, заклиненного щепкой
или посторонним материалом. Также конструктивной ошибкой будет установка
винтового конвейера в цементном полу или в каком-либо другом месте, где он
будет недоступен для ремонта или замены запасных частей. Как и другие
механические конвейеры, винтовой конвейер следует считать механизмом,
подверженным износу, к которому должен быть обеспечен легкий доступ для
выполнения технического обслуживания.
Применение имеющих правильно определенные параметры винтовых конвейеров
является приемлемым техническим решением для котельных установок малой
мощности (с номинальной производительностью котла 0,1-1 МВтт). Однако, если
конвейер не изготовлен из закаленной стали, при нормальном износе он имеет
относительно короткий срок службы. Винтовые конвейеры редко применяются на
крупных установках, осуществляющих централизованное теплоснабжение.
48
Ленточные конвейеры
Посторонние материалы не оказывают значительного воздействия на работу
ленточных конвейеров. В этом состоит их преимущество перед винтовыми
конвейерами, однако, если они не оснащены барьерами, то не могут работать под
такими большими углами наклона, как винтовые конвейеры. Основными
недостатками ленточных конвейеров являются их высокая стоимость и выброс
пыли (что может потребовать установки крышки).
Пневматические конвейеры
В основном, щепа не пригодна для транспортировки в пневматических системах
транспортировки грузов. Использование пневматических конвейеров возможно в
том случае, если щепа имеет достаточно равномерный фракционный состав, однако
следует учитывать, что пневматические конвейеры характеризуются высоким
энергопотреблением.
8.3
Подающее устройство
В котлоагрегатах, работающих на древесине, используется несколько типов
подающих устройств. Выбор подающего устройства зависит от размера
отопительной установки и возможного использования других видов твердого
топлива.
Гидравлическое подающее устройство
Это высоконадежное подающее устройство используется на многих установках.
Щепа падает из бункера в горизонтальный квадратный ящик, откуда
гидравлическое устройство подачи подает ее на решетку. Конструкция устройства
определяет степень ее надежности. Эта система, если она правильно
спроектирована, и, в настоящее время, в большинстве случаев обеспечивается
оптимальное проектирование, является одной из лучших существующих систем
подачи щепы.
.
Котлы с механическими загрузчиками
Системы малой мощности (с номинальной производительностью котла 0,1-1 МВтт)
часто оснащаются винтовыми механическими загрузчиками, подающими топливо в
котел. В некоторых установках винтовой загрузчик расположен поперек
продольного направления колосниковой решетки. Это обеспечивает хорошее
распределение топлива по ширине решетки.
Рис @@@: Схема котла с механическим загрузчиком..
49
Источник: Elomatic, 2002
FUEL STORAGE ROOM
Wood chip silo
Control device
Boiler
Burner
Помещение для хранения топлива
Бункер со щепой
Устройство управления
Котел
Горелка
Колосниковая решетка с топливным бункером
Некоторые установки, работающие на щепе, оснащены бункером простой
конструкции, который подает щепу на колосниковую решетку. Эта система
используется в котлах с колосниковой решеткой с движущимся полотном,
работающих на угле, и требует, чтобы высота щепы в бункере была на достаточном
уровне для того, чтобы щепа выполняла функцию воздухонепроницаемого барьера,
расположенного между устройством подачи и котлом. Проблему забивания
бункера можно устранить, спроектировав котел соответствующей конструкции или
предусмотреть в качестве "последнего средства" использование системы
разрыхления/вычистки щепы.
Барабанный забрасыватель и пневматический забрасыватель
Барабанный забрасыватель осуществляет забрасывание щепы в камеру сгорания
вращающимся барабаном. Только немногие установки используют эту систему. В
пневматическом забрасывателе щепа выдувается в камеру сгорания и падает на
колосниковую решетку. Барабанные и пневматические забрасыватели часто
используются при сжигании щепы с высоким содержанием влаги.
8.4
Камера сгорания и котел
В продаже имеется большое число камер сгорания различных типов,
предназначенных для сжигания биомассы. В этой главе дается краткое описание
методов сжигания щепы в установках производительностью (с номинальной
производительностью котла 0,1-10 МВтт). Наиболее распространенными являются
методы с применением:
 Компактных котлов
 Топок с нижней подачей топлива
 Топок с колосниковыми решетками
50
Компактные котлы
Компактные котлы представляют собой увеличенные модели котлов, работающих
на щепе, малой мощности. Стандартизация и массовое производство котельного
оборудования привели к снижению цен на котлы. Конкурентноспособная цена в
сочетании с высокой степенью автоматизации сделала котел привлекательной
альтернативой системам, работающим на ископаемом топливе. Максимальная
производительность компактного котла, составляющая 150 кВт, достаточна для
обогрева ограниченного числа объектов (но недостаточна для централизованного
отопления). Влажность топлива должна составлять менее 35%.
Топки с нижней подачей питания
Топки с нижней подачей питания предназначены для сжигания опилок, щепы и
гранул (но не коры). Выпускаются топки производительностью от 0.1 до 6 МВтт.
Топки с нижней подачей питания не требуют высоких инвестиционных затрат.
Простота и эффективность управления процессом загрузки обеспечивается
благодаря непрерывной подаче топлива. Низкий уровень выбросов при
эксплуатации при неполной нагрузке обеспечивается благодаря эффективному
дозированию топлива. Недостатком является недостаточная гибкость конструкции
в отношении размера частиц топлива. Влажность топлива должна составлять менее
40%.
Топки с колосниковыми решетками
Выпускаются топки с колосниковыми решетками производительностью от 0,5 до
20 МВтт. Они предназначены для сжигания топлива из биомассы с высоким
содержанием влаги, различными размерами частиц (с ограничением по нижнему
пределу количества мелких частиц в топливной смеси) и высокой зольностью. Они
имеют прочную конструкцию, требуют умеренных капиталовложений и низких
эксплуатационных затрат. Недостатком является то, что при работе при неполной
нагрузке сложно обеспечить низкий уровень выбросов, и эффективное снижение
уровня NOx требует применения специальных технологий. Существует большое
число колосниковых решеток различных типов. В установках, работающих на
щепе, наиболее часто используются колосниковые решетки с движущимся
полотном и подвижные колосниковые решетки.
Колосниковые решетки с движущимся полотном
Колосниковые решетки с движущимся полотном собираются из колосниковых
элементов, образующих бесконечную ленту, движущуюся (подобно эскалатору)
через камеру сгорания. Топливо подается с одного из концов камеры сгорания на
решетку, например, винтовыми конвейерами, или распределятся по решетке
барабанными забрасывателями, подающими топливо в камеру сгорания. Слой
топлива, остающийся неподвижным, перемещается через камеру сгорания вместе с
решеткой в отличие от топок с подвижной колосниковой решеткой, в которых
топливо перемещается по решетке. В конце камеры сгорания решетка очищается от
золы и загрязнений, и происходит поворот ленты в обратную сторону
(автоматическое золоудаление). На обратном пути колосники решетки
охлаждаются первичным воздухом для предотвращения перегрева и минимизации
51
износа. Скорость движения решетки с движущимся полотном непрерывно
регулируется с тем, чтобы обеспечить полное сгорание углей.
Подвижные колосниковые решетки
Подвижная колосниковая решетка представляет собой наклонную решетку,
состоящую из чередующихся фиксированных и подвижных колосниковых
элементов. Чередуя горизонтальное поступательное и обратное перемещение
подвижных секций топливо передвигают по поверхности решетки. Таким образом
осуществляется перемешивание несгоревших и сгоревших частиц топлива,
обновление поверхности топливного слоя и достигается более равномерное
распределение топлива по поверхности решетки (что необходимо для обеспечения
равномерного распределения первичного воздуха в слое топлива). Подвижная
колосниковая решетка широко используется в установках производительностью
более 1-2 МВтт, хотя и в диапазоне более низкой производительности имеется
большое число котлов, использующих подвижные колосниковые решетки.
8.5
Качество сгорания
Требования к высокому качеству сгорания топлива можно обозначить тремя "Т":
требуемая температура, требуемая турбулентность и требуемое время. Температура
должна быть достаточно высокой с тем, чтобы обеспечить эффективные сушку,
газификацию и горение. Необходимо также обеспечить эффективное смешение
воздуха и горючих газов (турбулентность), и, наконец, необходимо иметь
достаточное пространство и время для того, чтобы обеспечить процесс горения
газов до того, как они чрезмерно охладятся водой котла.
8.5.1
Котел
Дымовые газы поступают из камеры сгорания в часть котла, где осуществляется
переход тепла в циркулирующую в котле воду. В большинстве установок котел
располагается над колосниковой решеткой. Дымовой газ поступает в
расположенные на наружной поверхности охлаждаемые водой трубы. В установках
малой мощности агрегат сгорания и котел могут быть полностью разделены, так
как щепа сжигается в предварительной камере сгорания, откуда дымовые газы
поступают в котел. На котлоагрегате или в качестве отдельного блока,
расположенного после него, может устанавливаться экономайзер, охлаждающий
дымовой газ до температуры приблизительно 100° С. Дополнительное охлаждение
повышает производительность котлоагрегата.
Помещение котельной должно иметь размеры, позволяющие выполнять
надлежащим образом ремонтные работы и техническое обслуживание, включая
очистку котла. Здание в котором размещается котлоагрегат, должно быть
спроектировано таким образом, чтобы имелось достаточно места для очистки или
замены трубопровода котла.
С тем, чтобы обеспечить долговечность котлоагрегата, необходимо, чтобы
температура оборотной воды, поступающей в котел, была достаточно высокой.
Рекомендуется поддерживать температуру оборотной воды в пределах не менее 7580°C, что позволяет снизить коррозию труб котла. Срок службы котлов колеблется
52
в широких пределах на различных установках, работающих на щепе. Кроме
рабочей температуры, факторы, определяющие срок службы котлоагрегата,
включают режим работы, вид топлива, качество сгорания топлива, вид материала.
8.5.2
Очистка дымового газа  зольная пыль
Зольная пыль  это такая часть золы, которая остается в дымовых газах после их
прохождения через котел. Очистка дымового газа прежде всего заключается в
снижении количества зольной пыли, выброшенной через дымоход. Выбросы
других загрязняющих веществ описаны ниже.
Зольная пыль доставляется шнеками из устройства очистки дымового газа в
систему золоудаления. Отделение зольной пыли от дымового газа может
осуществляться с помощью мультициклона, мешочного фильтра, или других
средств очистки дымового газа.
Зольная пыль, образуемая при сгорании древесины, состоит, в основном, из частиц
относительно большого размера, которые могут улавливаться мультициклоном.
Большинство установок оснащены мультициклонами. Установка, имеющая
оптимальные размеры, способна очистить дымовой газ до уровня приблизительно
200 мг/м3n2 . Мультициклоны, приобретение и обслуживание которых не требует
высоких затрат, используются для предварительной очистки дымового газа перед
его поступлением в установку конденсирования дымового газа.
Мешочные фильтры обеспечивают очистку до уровня 10-50 мг/м3n. Как правило,
мешочные фильтры способны выдерживать температуру дымового газа
приблизительно до 180°С. С тем, чтобы не допустить попадание углей и искр в
мешочные фильтры, дымовой газ пропускается через циклон или фильтрационную
камеру, расположенную перед мешочными фильтрами. Мешочные фильтры
автоматически отключаются в случае, если максимальная температура дымового
газа или максимальное содержание кислорода в дымовом газе превысят
допустимые значения.
Как и мешочные фильтры, электростатический пылеуловитель (ЭПУ) обеспечивает
эффективную очистку дымового газа, но для относительно маломощных установок,
работающих на щепе, это оборудование является довольно дорогостоящим. Однако
затраты на его эксплуатацию ниже, чем затраты на эксплуатацию мешочных
фильтров.
8.5.3
Конденсирование дымового газа
В настоящее время устройства конденсирования дымового газа широко
используются как в новых, так и в существующих установках. Этот метод
обеспечивает очистку дыма/дымового газа от частиц до уровня, который почти
соответствует уровню очистки, обеспечиваемому мешочными фильтрами, и в то же
время повышает энергетический кпд. Недавно смонтированная отопительная
1 мn это нормальный кубический метр, т.е. кубический метр газа, измеренный при
температуре 0°С и давлении 1 бар.
2
53
установка централизованного отопления, работающая на щепе, была поставлена в
комплекте с установкой конденсирования дымового газа.
Как и большинство других видов топлива, древесина содержит водород. В
процессе горения водород вместе с кислородом воздуха преобразуется в водяной
пар, который вместе с другим продуктами горения образует часть дымового газа.
Как правило, влажность щепы используемой в качестве топлива в установках,
предназначенных для сжигания щепы, составляет от 25% до 55% от общего веса. В
процессе сжигания щепы эта вода также преобразуется в водяной пар в дымовом
газе.
Содержание водяного пара в дымовом газе представляет интерес в отношении того,
что он представляет неиспользованную энергию, которая может высвободиться в
результате конденсации. Теоретическое количество энергии, которое может
высвободиться в результате конденсации водяного пара, равно значению тепла
испарения воды плюс значение тепловой энергии, образующейся при охлаждении.
Водяной пар начинает конденсироваться, когда дымовой газ охлаждается до
температуры точки росы. Чем больше охлаждается газ, тем большее количество
воды конденсируется, при этом увеличивается выделение тепла. Понижение
температуры с нормальной температуры дымового газа установки до температуры
точки росы автоматически повышает выход тепла. Этот эффект усиливается, когда
начинается конденсация и высвобождается энергия испарения. На рис. XXX
приведены в процентах значения величины повышения генерирования тепла,
которое может быть достигнуто посредством снижения температуры дымового
газа. Расчет основан на данных нормального режима эксплуатации с температурой
дымового газа
130°С и содержанием
CO2 12%. Линии на рис. @@@
соответствуют значениям влажности щепы в процентах от общего веса. .
Рис. @@ : Конденсирование дымового газа и производительность установки.
54
Increased heat output in per cent
Flue gas temperature
Water
Повышение теплопроизводительности в %
Температура дымового газа
Вода
Примечание: Конденсация дымового газа повышает генерирование тепла и
производительность установки. На графике показана зависимость дополнительного
выхода тепла от температуры дымового газа и влажности щепы.
Источник: "Использование древесины для производства энергии".
Кривые указывают на теоретическое повышение производительности, которая
определяется по значениям влажности и температуры дымового газа. Опыт
эксплуатации конденсационных устройств показывает, что повышение
производительности может быть достигнуто на практике. Таким образом, годовой
кпд почти всех установок превышает 100% (по данным низшей теплотворной
способности топлива, которая не включает конденсационное тепло). Оборотная
вода установки централизованного отопления используется для охлаждения
дымового газа. Вода должна быть как можно более холодной. Таким образом,
устройство охлаждения дымового газа является первым устройством, через которое
проходит поступающая из установки централизованного отопления вода.
8.5.4
Конденсат
Конденсат состоит из воды, содержащей небольшое количество частиц пыли и
органических соединений  продуктов неполного сгорания. Он также имеет
незначительное содержание минералов и соединений тяжелых металлов, а также
хлора и серы из древесины.
Перед удалением конденсат должен быть подвергнут очистке. Минералы и
тяжелые металлы, содержащиеся в древесине, такие как кадмий, которые
поглощались деревьями в процессе роста, концентрируются в конденсате и их
содержание может достигать значений, превышающих допустимые предельные
значения, установленные для выбросов. Данные исследований показывают, что
большое количество кадмия, содержащееся в конденсате, содержится в частицах
конденсата, а не в растворенной форме в воде. Удаление таких частиц может
осуществляться посредством фильтрации конденсата для уменьшения содержания
кадмия до уровня, не превышающего допустимые предельные значения,
установленные для выбросов. Этим объясняется рост число установок, на которых
устанавливается фильтрационное оборудование, предназначенное для отделения
частиц конденсата.
После очистки и нейтрализации конденсат обычно сбрасывается в систему
городской канализации. Дымовой газ, выходящий из устройства конденсирования
дымового газа, должен пройти через эффективный туманоуловитель, который
осуществляет сбор захваченных капель, предотвращая попадание тумана в
трубопровод, вытяжной вентилятор или дымоход.
Основным необходимым условием эффективного конденсирования дымового газа
является поддержание требуемой температуры потока оборотной воды, которая
55
должна быть достаточно низкой для того, чтобы вызвать конденсацию дымового
газа. Кроме того топливо должно иметь высокую влажность. Большая влажность
топлива увеличивает общую производительность установки!. Это положение
является верным только до тех пор, пока влажность не становится такой высокой,
что приводит к неполному сгоранию топлива. Лесная щепа с содержанием влаги от
40 до 50% является идеальным топливом для установок с конденсаторами.
Установка конденсаторов дымового газа часто избавляет от необходимости
использования другого оборудования очистки дымового газа. Если можно избежать
установки мешочных фильтров, сэкономленные таким образом средства часто
могут окупить затраты на приобретение устройства конденсирования дымового
газа. В этом случае сэкономленная энергия является практически бесплатной.
8.5.5
Дымоход
Перед дымоходом и конденсатором дымового газа устанавливается вытяжной
вентилятор, создающий отрицательное давление в линиях прохождения дымового
газа отопительной установки. Устройство управления обеспечивает взаимодействие
вытяжного вентилятора с вентиляторами воздуха для горения, необходимое для
поддержания заданного отрицательного давления в камере сгорания. Затем
вытяжной вентилятор направляет дымовой газ в конденсатор дымового газа м
дымоход. Высота каждого дымохода определяется в соответствии с
существующими экологическими требованиями.
На установках малой мощности с конденсаторами дымового газа дымоход должен
иметь конструкцию, предотвращающую коррозионное повреждение, т.е. следует
использовать стекловолокно или нержавеющие материалы. На некоторых
установках могут возникать проблемы, связанные с выбросами сажи. Дым насыщен
водяным паром. Он также содержит растворенные соли и, возможно, примеси из
конденсата дымового газа, которые могут осаждаться на стенках дымохода. Выброс
сажи происходит, когда такие отложения отделяются и выходят из дымохода
вместе с потоком дымового газа. Для предотвращения этой проблемы
рекомендуется использовать эффективные туманоуловители, низкую скорость газа
в дымоходе, и, возможно, устройство промыва дымохода.
Рис. @@: Схема котла, работающего на щепе.
56
Crane
Hopper
Push conveyor
Combustion chamber
Grate
Ash conveyor
Multi-cyclone
Flue gas condensation
Chimney
8.6
Кран
Бункер
Толкательный конвейер
Камера сгорания
Колосниковая решетка
Конвейер транспортировки золы
Мультициклон
Конденсирование дымового газа
Дымоход
Удаление золы
0.5-2.0% от сухого веса щепы составляют несгораемые минералы, преобразуемые в
золу в процессе сгорания топлива. Как правило, на установках централизованного
отопления удаление золы осуществляется автоматически. Производство ручных
работ, связанных с эксплуатацией системы золоудаления, ограничено выполнением
соответствующих операций при проведении дежурных инспекционных проверок и
при остановке работы системы. Состав древесной золы не способствует
образованию шлака, и шлакообразование не является широко распространенным
явлением на установках, работающих на щепе.
Зола падает с колосниковой решетки на поверхность конвейера транспортировки
золы или другого устройства золоудаления. Сбор шлама конденсата дымового газа,
содержащего большое количество тяжелых металлов, осуществляется отдельно для
последующего удаления. Используются устройства удаления влажной и сухой
золы. Устройство удаления
влажной золы представляет собой систему,
выполняющую две функции, т. е. оно действует в качестве улавливателя воздуха,
подсасываемого в котел, и одновременно осуществляет гашение тлеющих углей.
Недостатками этой системы являются тяжелый вес золы, поступающей в бункер, и
коррозия, вызываемая воздействием влажной золы. Опорожнение контейнеров
осуществляется с периодичностью, зависящей от степени потребления щепы, т.е.
приблизительно от одного раза в две недели до одного раза в три месяца.
57
8.7
Шум
Характеристики отопительной установки должны отвечать требованиям к
допускаемому уровню шума, устанавливаемыми органами охраны окружающей
среды. Допускаемый уровень шума может быть различным в различных районах
(жилых или промышленных) или в различные часы суток/дни недели. Наиболее
низкий допускаемый уровень шума обычно устанавливается для жилых районов в
ночное время суток.
В основном, источниками шума являются вентиляторы и системы впуска или
выпуска воздуха
(включая дымоходы), а также другое оборудование
(компрессоры, краны, ленточные конвейеры, винтовые конвейеры и
гидравлические системы) и все движение транспорта на участке размещения
установки. Так как в большинстве районов наиболее низкий уровень шума
устанавливается для ночного времени суток, проектирование установки должно
осуществляться с учетом этого уровня. Однако часто проблемы может вызывать
доставка топлива, хотя она и осуществляется в дневное время, если подъездной
путь к установке размещен без учета местных условий.
Важно, чтобы требования к допускаемому уровню излучения шума были учтены
уже на этапе проектирования, так как принятие любых мер по снижению уровня
шума на последующих этапах часто требует очень больших расходов и может
ограничиваться условиями эксплуатации (например, каким образом можно
исключить все движение транспорта в вечернее и ночное время). Так как сейчас
имеется возможность прогнозирования уровня шума в окружающей местности,
поставщики должны подтвердить, что ни обязуются не превышать допускаемые
уровни шума.
8.8
Противопожарная защита
Хотя при топке с использованием древесной щепы риск пожара ниже, чем при
топке сухим топливом, следует соблюдать определенные правила техники
безопасности.
Система
подачи
топлива
должна
быть
оснащена
воздухонепроницаемой разделительной перегородкой, которая предотвращает
распространение огня в обратном направлении, т.е. от камеры сгорания в
направлении склада. В большинстве установок предусматривается создание
воздухонепроницаемой "пробки" из щепы и установка системы орошения перед
камерой сгорания. Необходимо учитывать возможность взрыва дымового газа.
Несгоревшие газы, смешанные с атмосферным воздухом в неправильном
соотношении, могут вызывать сильные взрывы, например, если из-за
положительного давления в камере сгорания они просачиваются в помещение
котельной или систему подачи топлива. Взрывы дымового газа также могут
происходить в камере сгорания, если, например, после временного прекращения
эксплуатации установки, когда топливо продолжает тлеть при малом количестве
атмосферного воздуха, в камеру резко подается воздух.
На складе щепы следует учитывать риск самовозгорания. Здесь определяющими
факторами являются высота хранения, время хранения щепы, влажность и доступ
воздуха. При топке гранулированной древесиной и сухими древесными отходами
58
имеется риск взрыва пыли в помещении склада и в системе подачи топлива. Здесь
оборудование пожаротушения должно устанавливаться непосредственно перед
котлом. Риск пожара в помещении склада также существует при хранении гранул.
8.9
Управление, регулирование и контроль
Система управления, регулирования и контроля основана на использовании двух
компьютеров:
 Программируемый логический контроллер (ПЛК), выполняющий запись
данных системы, осуществляет управление различными потоками данных
установки в соответствии с заданными параметрами.
 Рабочий компьютер воспроизводит поток данных, поступающий с ПЛК на
экране монитора оператора. С рабочего компьютера можно изменять заданные
параметры ПЛК.
Система выполняет три основные функции:
 Блок управления обеспечивает функционирование системы в соответствии с
заданным порядком работы.
 Блок регулировки обеспечивает соблюдение заданных параметров давления,
температуры и т.д.
 Блок контроля активирует аварийную сигнализацию в случае неисправностей.
Система управления регулировки и контроля обеспечивает автоматическую работу
установки, поэтому отсутствует необходимость постоянного присутствия
операторов. В случае нарушений работы установки дистанционное устройство
контроля и мониторинга вызывает оператора через телефонную сеть общего
пользования. При наступлении аварийной ситуации автоматически включается
топка, использующая традиционные виды топлива, продолжая осуществлять
теплоснабжение.
8.10
Персонал установки
Персонал осуществляет эксплуатацию и техническое обслуживание установки.
Количество персонала, необходимое для эксплуатации установки, зависит от
степени ее автоматизации, объема собственных погрузочно-разгрузочных работ,
возраста отопительной установки и т.д. Отдельные отопительные установки малой
мощности проектируются таким образом, чтобы исключить необходимость
постоянного присутствия персонала на объекте даже в дневное время. Поддерживая
связь по телефону и проводя ежедневные проверки, менеджер, ответственный за
эксплуатацию установки,
может одновременно выполнять другую работу.
Количество персонала, необходимое для проведения технического обслуживания,
зависит от конструкции установки.
59
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СЖИГАНИЯ БИОМАССЫ
9
В этой главе описывается воздействие выбросов при топке щепой и другой
древесной биомассой на окружающую воздушную среду.
9.1
Выбросы, образующиеся при полном сгорании
Двуокись углерода (CO2)
CO2, источником которого служит содержащийся в топливе углерод, является
основным продуктом сгорания всех видов топливной биомассы. В целом, выброс
CO2 в атмосферу является нежелательным, поскольку CO2 считается основной
причиной, вызывающей парниковый эффект. Однако при сжигании древесной
щепы количество выделяемого CO2 не превышает количества CO2, которое было
связано древесиной во время роста дерева. Также при сжигании щепы выделяется
такое же количество CO2, что и при разложении древесины, которое является
основной альтернативой использованию древесины для производства энергии.
Таким образом древесная щепа считается нейтральным материалом по CO2.
Окислы азота (NOx)
При сгорании щепы выделяется приблизительно такое же количество NOx, как и
при сжигании других видов топлива. NOx  это сумма NO и NO2.
Выбросы NOx образуются при сжигании биомассы на различных объектах в
результате полного окисления содержащегося в топливе азота, как при горении в
газовой фазе, так и при обугливании. При определенных условиях дополнительный
NOx может образовываться из азота, содержащегося в воздухе.
Однако не считается, что эти механизмы реакций оказывают значимое воздействие
в большинстве применений со сжиганием биомассы. Основным азотным окислом
является NO, который в атмосферном воздухе преобразуется в NO2.
Важными условиями обеспечения низкого уровня NOx являются:
 Низкий уровень содержания азота в топливе.
 Ступенчатое сжигание при малом количестве избыточного воздуха на первом
этапе (источник 69 в разделе "Библиография").
 Низкая температура пламени.
 Рециркуляция дымовых газов.
Закись азота (N2O)
Выбросы N2O образуются при полном окислении содержащегося в топливе азота.
Хотя уровни выбросов N2O по данным замеров на установках, осуществляющих
сжигание биомассы, являются очень низкими, эти выбросы в некоторой степени
способствуют образованию парникового эффекта из-за высокого коэффициента
глобального потепления (КГП) N2O и разрушению озона в атмосфере.
Окислы серы (SO )
x
60
Окислы серы образуются в результате полного окислении содержащегося в топливе
азота. При этом образуется, в основном, SO2 (>95%). Однако при более низких
температурах также возможно образование некоторого количества SO3 (<5%).
Источником серы, выделяющейся при сжигании древесной щепы, являются
соединения серы, поглощенные деревом в период его роста. Следовательно
сжигание щепы не изменяет общего количества серы в окружающей среде, однако
выброс серы с дымом способствует загрязнению воздуха. Вместе с тем
доставленная из леса чистая древесина содержит незначительное количество серы,
и содержание серы в щепе часто имеет значения, находящиеся ниже предела
обнаружения лабораторных приборов. Содержащаяся в топливе сера не полностью
преобразуется в SOx; значительная ее часть остается в золе, и некоторая часть при
более низких температурах выделяется в форме соли (K2SO4) или в форме H2S.
При сжигании щепы на отопительных установках образуется значительно меньшее
количество выбросов SO, чем при сжигании мазута или угля, которые часто
заменяет щепа. Если альтернативным топливом является природный газ,
производство которого обеспечивает отсутствие в нем серы, использование щепы в
качестве топлива не дает никаких преимуществ в отношении содержания SO в
выбросах.
Хлористый водород (HCl)
Часть содержащегося в топливе хлора выделяется в форме HCl. Древесина имеет
очень низкое содержание хлора. Однако возможно образование значительных
количеств HCl из топливной биомассы, содержащей значительное количество
хлора, такой как, многолетний злак Miscanthus, трава или солома, или в случае,
когда используется щепа из лесов, расположенных на морском побережье,
содержащая морскую соль, поглощенную из морского тумана.
Содержащийся в топливе хлор не полностью преобразуется в HCl; его основная
часть образует соли (KCl, NaCl) в результате реакции с K и Na, а микроэлементы
выделяются в форме диоксинов и компонентов органического хлора. Как и
двуокись хлора, хлористый водород HCl способствует окислению, однако быстрее
конденсируется (образуя соляную кислоту), и, следовательно, может вызывать не
только повреждение материалов в месте образования, но также наносить вред
растениям.
Частицы
Частицы образуются из нескольких источников. Они включают зольную пыль,
образующуюся в результате уноса частиц золы дымовым газом, и соли (KCl, NaCl,
K2SO4), образующиеся в результате реакций между K или Na и Cl или S. Другие
частицы, образующиеся в результате неполного сгорания, рассматриваются в
следующем разделе.
Тяжелые металлы
Все виды топлива из сырой биомассы содержат некоторое количество тяжелых
металлов (наиболее важными из которых являются CU, Pb, Cd, и Hg). Эти тяжелые
металлы остаются в золе или испаряются, оседают на поверхность частиц,
61
выбрасываемых в атмосферу, или остаются внутри зольных частиц. Загрязненная
биомасса, например, пропитанная или покрашенная древесина, может содержать
значительно большее количество тяжелых металлов. Одним из примеров является
содержание Cr и As в пропитанной древесине.
9.2
Выбросы, образующиеся при неполном сгорании
Выбросы, образующиеся при неполном сгорании, могут быть вызваны:
 неправильным смешением воздуха и топлива в топливной камере, в результате
чего образуются локальные зоны с недостатком воздуха;
 недостаточным количеством кислорода;
 низкой температурой горения;
 недостаточным временем пребывания.
Эти переменные величины связаны друг с другом, хотя в случаях, когда имеется
достаточное количество кислорода, наиболее важной переменной является
температура.
В результате неполного сгорания в установках сжигания биомассы происходит
выброс в атмосферу следующих компонентов.
Моноокись углерода (CO)
Высокое содержание СО является важным показателем качества сжигания топлива.
Высокая концентрация СО может быть вызвана неполным сгоранием в результате
недостатка или избытка воздуха для горения, слишком короткого времени
пребывания (что приводит к низкому качеству смешения воздуха для горения и
горючих газов), или чрезмерно быстрого охлаждения горючих газов. Содержание
СО должно как можно более низким, так как:
 СО является горючим газом. Высокое содержание СО значительно снижает
производительность.
 Высокое содержание СО вызывает неприятный запах.
 При высоком содержании СО всегда присутствуют ПУВ и диоксин.
 Воздействие СО высокой концентрации является опасным.
Несгоревшие углеводороды (CxHy)
Метан (CH4), являющийся газом прямого парникового действия, обычно
рассматривается отдельно от других углеводородов. При сжигании биомассы он
является важным посредником в преобразовании содержащегося в топливе
углерода в CO2 и содержащегося в топливе водорода в H2O. Что касается СО,
выбросы CH4 образуются при слишком низкой температуре горения, слишком
коротком времени пребывания и недостатке кислорода. Другие несгоревшие
углеводороды (CxHy) также являются продуктами неполного сгорания. Они
образуются при выходе летучих из топлива. Уровень выбросов CxHy, являющихся
более ранними посредниками, чем СО, в целом, ниже. Полицикличные
ароматические углеводороды (ПАУ), представляющие собой группу, содержащую
сотни органических компонентов, состоящих из двух или более ароматических
колец, составляют особую категорию углеводородов в связи с их
карциногенностью.
62
Пыль
Выброс частиц, образующиеся в результате неполного сгорания, происходит в
форме частиц сажи, угля или конденсата тяжелых углеводородов. Сажа состоит, в
основном, из углерода и образуется в результате отсутствия кислорода в зоне
пламени и/или локального угасания пламени. Частицы угля, имеющие очень
низкую удельную плотность, могут вовлекаться в поток дымового газа, в
особенности при высокой скорости потока. Что касается СО, выбросы частиц могут
происходить при слишком низкой температуре горения, слишком коротком
времени пребывания и недостатке кислорода. Однако из-за разнообразия
компонентного состава выбросов частиц снижение уровня выбросов частиц не
является такой простой задачей, как в случае с СО, за исключением частиц,
состоящих из конденсировавшихся тяжелых углеводородов.
Полихлорированные диоксины и фураны (ПХДД/ПХДФ = ПХДД/Ф)
Полииихлорированные диоксины и фураны представляют собой группу
высокотоксичных компонентов. Они могут образовываться в процессе сгорания
содержащей хлор топливной биомассы при температуре 180-500oC и в присутствии
углерода, катализатора (Сu) и кислорода. Так как выбросы ПХДД/Ф в значительной
степени определяются условиями, при которых происходит сгорание и охлаждение
топливного газа, на практике их уровень колеблется в широких пределах. В
основном, уровень выбросов ПХДД/Ф, образующихся при сгорании биомассы на
установках, использующих свежую древесину (например, лесную щепу) в качестве
топлива, значительно ниже уровня, представляющего риск для здоровья людей.
Однако при сжигании окрашенной, пропитанной, содержащей хлор или Сu
древесины могут легко образовываться диоксины, если топка установки
специально не оборудована для сжигания такого топлива.
Аммиак (NH3)
Неполное преобразование NH3 в окисленные азотосодержащие компоненты может
приводить к образованию малых количеств аммиака. Это происходит в отдельных
случаях при очень низкой температуре горения. Также меры по снижению
вторичного NOx посредством введения NH3 могут приводить к увеличению уровня
выброса NH3 в результате просачивания NH3.
Озон (в приземном слое) (O3)
O3 представляет собой вторичный продукт горения, образующийся в результате
реакций в атмосфере с участием CO, CH4, не содержащих метана летучих
органических компонентов и NOx. Он является газом прямого парникового
действия, который также оказывает воздействие на окружающую среду в
локальном и региональном масштабе и является крайне нежелательным побочным
продуктом установок, осуществляющих сжигание биомассы.
В таблице @@@ указываются различные загрязняющие вещества, образующиеся
при сжигании биомассы, и описывается оказываемое ими воздействие
63
Таблица @@@: Загрязняющие вещества, образующиеся при сжигании биомассы,
и их воздействие на климат, окружающую среду и здоровье
Компонент
Биомасса-источник
Воздействие на климат,
окружающую среду и здоровье
Двуокись углерода
Основной продукт горения
Климат: ГППД (газ прямого
(CO2)
всех видов топливной
парникового действия). Однако
биомассы.
биомасса является топливом,
нейтральным по выбросу CO2
Моноокись углерода
Неполной сгорание всех видов
Климат: Газ непрямого парникового
(CO)
топливной биомассы.
действия, воздействует через
образование озона. Здоровье:
Пониженное потребление кислорода
особенно сильно воздействует на
состояние больных астмой и зародыши.
В крайних случаях приступы удушья.
Метан (CH4)
Неполной сгорание всех видов
Климат: ГППД. ГНПД (Газ непрямого
топливной биомассы.
парникового действия, воздействует
через образование озона.
Не содержащие метана Неполной сгорание всех видов
Климат: ГНПД, воздействует через
летучие органические
образование озона. Здоровье:
топливной биомассы.
компоненты
Отрицательные воздействие на систему
органов дыхания человека.
(NMVOC)
Полицикличные
Неполной сгорание всех видов
Окружающая среда: Образование
ароматические
топливной биомассы.
смога
углеводороды (ПАУ)
Частицы
Здоровье: Карциногенное воздействие
Сажа, уголь и конденсат
Климат и окружающая среда:
тяжелых углеводородов
Обратный парниковый эффект через
(деготь), образующиеся при
образование аэрозоля. Непрямой
неполном сгорании всех видов
эффект – содержание тяжелых
топливной биомассы. Зольная
металлов в осажденных частицах.
пыль и соли.
Здоровье: Отрицательные воздействие
на систему органов дыхания человека.
Карциногенное воздействие.
Окислы азота
Побочный продукт горения
Климат и Окружающая среда:
(NOx = NO и NO2)
всех видов топливной
Непрямой парниковый эффект через
биомассы. При определенных
образование озона. Обратный
условиях дополнительное
парниковый эффект через образование
количество NOx может
аэрозоля. Кислотные осадки.
образовываться из азота
Повреждение растений. Образование
воздуха.
смога. Коррозионное повреждение,
повреждение материалов. Здоровье:
Отрицательные воздействие на систему
органов дыхания человека. NO2
токсичен.
Закислы азота (N2O)
Побочный продукт горения
Климат: ГППД. Здоровье: Непрямое
всех видов топливной
воздействие через разрушение озона в
64
биомассы, содержащих азот.
атмосфере.
Может происходить выброс
Окружающая среда: Кислотные
небольших количеств,
осадки. Повреждение растений.
образующихся в результате
Коррозионные повреждения,
неполного преобразования
повреждения материалов. Здоровье:
NH3 при
Отрицательные воздействие на систему
пиролизе/газообразовании.
органов дыхания человека..
Окислы серы
Побочный продукт горения
Климат и окружающая среда:
(SOx = SO2 и SO3
всех видов топливной
Обратный парниковый эффект через
биомассы, содержащих серу.
образование аэрозоля. Кислотные
Аммиак (NH3)
осадки. Повреждение растений.
Образование смога. Коррозионные
повреждения, повреждения
материалов. Здоровье: Отрицательные
воздействие на систему органов
дыхания человека, вызывают астму.
Тяжелые металлы
Все виды топливной биомассы Здоровье: Накапливаются в пищевой
содержат некоторое
цепи. Могут быть токсичными или
количество тяжелых металлов, оказывать карциногенное воздействие.
которые остаются в золе или
испаряются.
Озон (в приземном
Вторичный продукт реакций в
Климат и окружающая среда: ГППД.
слое) (O3)
атмосфере с участием CO,
Повреждение растений. Образование
CH4, NMVOC and NOx.
смога. Повреждение материалов.
Здоровье: Непрямое воздействие через
разрушение озона в стратосфере.
Отрицательные воздействие на систему
органов дыхания человека, вызывают
астму.
Хлористый водород
Побочный продукт горения
Окружающая среда: Кислотные
всех видов топливной
осадки. Повреждение растений.
биомассы, содержащих хлор.
Образование смога. Коррозионные
повреждения, повреждения
материалов. Здоровье: Отрицательные
воздействие на систему органов
дыхания человека. Токсичны.
Диоксины и фураны
Возможны выбросы
Здоровье: Высокотоксичны.
ПХДД/ПХДФ
небольших количеств,
Повреждение печени. Повреждение
образующиеся при протекании центральной нервной системы.
реакций с участием углерода,
Снижение иммунной зашиты.
хлора и кислорода в
Накапливаются в пищевой цепи.
присутствии катализаторов
(Сu).
Источник: "Руководство по сжиганию биомассы и комбинированной топке
различными видами топлива".
65
9.3
Меры по снижению выбросов
Снижение уровня выбросов вредных веществ, содержащихся в дымовых газах и
сточных водах, достигается либо посредством предотвращения создания таких
веществ (первичные меры), либо удаления этих веществ из дымового газа
(вторичные меры).
Первичные меры по снижению уровня выбросов направлены на снижение
образования и/или снижение уровня выбросов в камере сгорания. С этой целью
применяется ряд мер, включая: а) изменение состава топлива; б) изменение уровня
влажности топлива; в) изменение размеров частиц топлива; г) выбор
соответствующего оборудования для сжигания топлива; д) совершенствование
конструкции установки, осуществляющей сжигание топлива; е) оптимизация
управления процессом горения; ж) ступенчатыый впуск воздуха при сжигании
топлива; ступенчатое сжигание топлива и повторное сжигание; з) использование
каталитических дожигателей газов. На практике эти меры часто взаимосвязаны.
Вторичные меры могут применяться для удаления выбросов из дымового газа
после его выхода из котла. При сжигании свежесрубленной древесины наиболее
важную роль играет удаление частиц. При сжигании других видов топливной
биомассы необходимость применения дополнительных вторичных мер может
зависеть от элементарного состава и характеристик используемой топливной
биомассы, а также метода сжигания топлива.
Описание первичных и вторичных методов сокращения уровня выбросов
содержится в " "Руководстве по сжиганию биомассы и комбинированной топке
различными видами топлива".
9.4
Предельно допустимый уровень выбросов
Предельно допустимые уровни выбросов, определяемые для установок,
осуществляющих сжигание биомассы, колеблются в значительных пределах в
различных странах и выражаются в различных единицах, что затрудняет их
сравнение. В опубликованном недавно обзоре BIOS (Obernberger и Thek, 2004)
приводятся данные о предельно допустимых уровнях выбросов, установленных для
оборудования систем централизованного теплоснабжения, работающем на
биомассе, в Австрии, Финляндии, Бельгии, Дании, и Швеции. Параметры, для
которых установлены предельно допустимые уровни выбросов, включают пыль,
CO, NOx, SOx, общий органический углерод (ООУ), полихлорированные дибензо-пдиоксины и дибензофураны (ПХДД/Ф). Не во всех 5 странах установлены
предельно допустимые уровни для всех указанных параметров. Финские предельно
допустимые уровни выбросов, выраженные в мг/МДж, были пересчитаны в
мг/Нм3.
Максимальные допустимые уровни выбросов играют важную роль при выборе
технологии и определении конфигурации системы.
66
9.5
9.5.1
Зола
Определение
Зола содержит несгоревшие составные части топлива, включая ряд питательных
веществ, таких как калий, магний и фосфор, и, следовательно, может
использоваться в качестве удобрения лесной почвы, если содержание в ней
веществ, представляющих опасность для окружающей среды, таких как тяжелые
металлы, не является слишком высоким. Древесная зола определяется как зола,
полученная в результате термической утилизации не подвергавшейся химической
обработке древесной биомассы, такой как лесная щепа, кора и опилки. Более
широкое определение золы биомассы также включает золу, полученную в
результате термической утилизации соломы, зерновых культур, сена и других
отходов сельскохозяйственного производства.
9.5.2
Содержание золы в древесном топливе
Рост термической утилизации биомассы приводит к увеличению количества
остаточных продуктов горения, при этом следует учитывать, что зольность
древесной биомассы, используемой в качестве топлива, колеблется от 0,5% (мягкая
древесина) до 5-8% (кора). Из данных, приведенных в таблице @@@, видно, что
количество золы в значительной степени зависит от содержания коры в древесном
топливе. С одной стороны, это определяется более высокой зольностью коры, и, с
другой стороны более высоким содержанием в коре минеральных примесей (песка,
земли, камней).
67
Таблица @@@: Обзор предельно допустимых уровней выбросов при сжигании
биомассы ТЭЦ.
Country
Fuel
Parameter
Austria
Finlandex.
Finlandnew
Belgium
Denmark
Sweden
W
S
P
BM
Peat
BMex.
BMnew
FEI [MW]
mg/Nm3
Dust
TOC
Страна
Топливо
Параметр
Австрия
Финляндия (существующие)
Финляндия (новые)
Бельгия
Дания
Швеция
Древесная биомасса
Солома
Торф
Биомасса
Торф
Существующие установки
Новые установки
Генерируемая топливом энергия (МВт)
мг/Нм3
Пыль
ООУ
68
PCDD/F
ПХДД/Ф
Примечания: ПЦДД/Ф … диоксины и фураны; FEI … генерируемая топливом
энергия; r.c.o. … диапазон при иных условиях; W … древесная биомасса; S …
солома; P… торф; BM … биомасса; WW …древесные отходы; BMex. …
существующие установки;
BMnew …новые установки; ТЕО … эквивалент
токсичности; 1) … выраженный в нг ТЕО/Нм3; 2) … для установок, введенных до
12 февраля 1987 г., расчет следует производить, используя значение предельно
допустимого уровня выбросов [мг/МДж] = 85 – 4 x (FEI – 5] / 3; 3) … большее
значение относится к торфу, сжигаемому с использованием горелок, меньшее
значение относится к торфу (другие методы) и древесине или соломе; 4) …
относится к биомассе; 5) … 200 мг/Нм3 с первого января 2016 г.; 6) … 6% O2 ; 7) …
среднее суточное/часовое значение.
Источник: "Руководство по сжиганию биомассы и комбинированной топке
различными видами топлива".
Таблица : Зольность (вес. %) различных видов древесной топливной биомассы.
Используемая топливная биома
Зольность
Кора
5,0-8,0
Щепа без коры (лесная)
1,0-2,5
Щепа без коры (промышленная)
0,8-1,4
опилки
0,5-1,1
Отходы древесины
3,0-12,0
Источник: "Руководство по сжиганию биомассы и комбинированной топке
различными видами топлива".
.
9.5.3
Фракционный состав золы при сжигании древесины
Как правило, различают три фракции золы, получаемой на установках,
осуществляющих сжигание биомассы.
Зольный остаток. Зольная фракция, остающаяся на колосниковой решете
первичной камеры сгорания, часто смешанная с содержащимися в топливной
биомассе минеральными примесями, такими как песок, камни и земля, или
материалами, содержащимися в псевдоожиженном слое на установках,
осуществляющих сжигание топлива в псевдоожиженном слое. Эти минеральные
примеси могут, в особенности, на установках, осуществляющих сжигание топлива
в форме неподвижного слоя коры, вызывать шлакообразование (снижая
температуру плавлении) и спекание зольных частиц зольного остатка.
Циклонная зольная пыль. Мелкие, в основном, неорганические зольные частицы,
уносимые с дымовым газом и осаждающиеся во вторичной зоне сгорания котла, в
особенности в мультициклонах, устанавливаемых за камерой сгорания.
Эта зольная фракция состоит, в основном, из крупных частиц зольной пыли.
Зольная пыль, осаждающаяся на фильтрах. Вторая, более мелкая, фракция зольной
пыли осаждающаяся на электростатических фильтрах, волокнистых фильтрах, или
69
в форме шламового конденсата в конденсационных устройствах (обычно
устанавливаемых за мультициклоном).
На установках малой мощности,
осуществляющих сжигание биомассы, не использующих эффективных технологий
осаждения пыли, зольная фракция выбрасывается с дымовым газом. Некоторая
часть зольной пыли, осаждающейся на фильтрах, остается в дымовом газе, образуя
пылевые выбросы (количество которых зависит от степени эффективности
используемой пылеосадительной технологии). Эта зольная фракция обычно
состоит из аэрозолей (зольных частиц субмикронного размера).
В таблице @@ приведены стандартные значения среднего распределения масс
различных зольных фракций относительно общего количества золы для установок,
осуществляющих сжигание топлива в форме неподвижного слоя. Различия между
значениями обусловлены применением различных технологий сжигания топлива и
различными размерами частиц используемой топливной биомассы. Распределение
масс зависит от конфигурации топки, устройства впуска воздуха, типа системы
управления технологическим процессом и используемой технологии отделения
пыли.
Таблица @@@: Содержание различных зольных фракций в процентах от общего
веса золы
Топливная
Кора
Щепа
Опилки
биомасса 

Зольная
фракция
Зольный
65-85
60-90
20-30
остаток
Циклонная
10-25
10-30
50-70
зольная пыль
Зольная пыль, 2-10
2-10
10-20
осаждающаяся
на фильтрах
Примечания: Данные по коре и щепе приведены для топок с колосниковыми
решетками и топок с нижней подачей топлива. Данные по опилкам приведены для
топок с нижней подачей топлива. Все топки оборудованы циклоном и
расположенным за ним более эффективным пылеосадительным устройством.
Источник: "Руководство по сжиганию биомассы и комбинированной топке
различными видами топлива".
9.5.4
Использование и удаление золы
В настоящее время золу либо удаляют, либо утилизируют на сельскохозяйственных
полях или в лесах, часто без каких-либо мер контроля. С учетом того, что затраты
на золоудаление возрастают (реальная стоимость удаления одной тонны древесной
золы составляет от 200 до 500 Евро), и увеличиваются объемы биомассы,
необходимо разработать систему контролируемого использования золы. Начало
этим разработкам было положено в конце 90-х гг., когда были проведены
исследования по определению характеристик золы биомассы и определению
70
возможностей ее использования с применением экологически приемлемых
технологий. Эти исследования продолжаются в настоящее время.
Австрия является первой европейской страной, которая приняла закон, четко
определяющий требования к использованию золы биомассы. Другие страны,
которые планируют ввести, или ввели методические рекомендации или нормы по
надлежащему использованию золы биомассы, включают Данию, Германию и
Швецию.
В Австрии в соответствии с существующим законодательством зольный остаток,
циклонная зольная пыль и зольная пыль, осаждающаяся на фильтрах,
образующиеся на установках, осуществляющих сжигание биомассы, считаются
промышленными отходами, но не опасными отходами. В случае использования
отходов они считаются вторичным сырьем при условии использования
надлежащего и экологически приемлемого технологического процесса. Также зола,
полученная при сжигании биомассы, не считается удобрением, так как ее
химический состав колеблется в широких пределах. Использование золы биомассы
в качестве вторичного сырья требует регулирования.
На основе результатов комплексных исследований Министерство сельского
хозяйства и лесных ресурсов Австрии разработало методические рекомендации по
надлежащему использованию золы биомассы на сельскохозяйственных полях и в
лесах. Эти методические рекомендации определяют требования к:
 Типам золы биомассы, которые могут использоваться для удобрения и
известкования сельскохозяйственных и лесных почв (методические
рекомендации определяют типы зольных фракций и значения концентрации
тяжелых металлов в золе).
 Методам и времени внесения (технологии внесения, климатическим и
погодным условиям).
 Максимальному количеству вносимой золы.
 Составу почвы (типу почвы, химическому составу).
Рекомендуемое максимальное количество вносимой в почву древесной золы
составляет: (а) 1000 кг/га в год на сельскохозяйственных угодьях; 750 кг/га в год на
лугопастбищных угодьях; 3000 кг один раз в 50 лет в лесах. В таблице @@@
приведены
предельные
значения,
определяемые
существующим
законодательством и значения в соответствии с методическими рекомендациями по
использованию биомассы на сельскохозяйственных и лесных угодьях и при
внесении в почву.
Таблица @@@:
Элемент
Предельные значения концентраций тяжелых металлов в золе
биомассы, используемой на сельскохозяйственных и лесных
угодьях, и рекомендуемые значения для почв в соответствии с
нормативными актами Австрии.
Предельное значение
для лесных угодий
Предельное значение для
сельскохозяйственных
Рекомендуемое
значение для почв
71
угодий
Cu
250
250
Zn
1 500
1 000
Ni
100
100
Cr
250
250
Pb
100
250
Cd
8
5
Источник: "Руководство по сжиганию биомассы и комбинированной
различными видами топлива"..
100
300
60
100
100
1
топке
Перед внесением в почву пригодная к использованию зола подвергается анализу
для определения состава питательных веществ и присутствия металлов, содержание
которых регулируется экологическим законодательством. Необходимо регулярно
проводить повторный анализ золы.
Запрещается вносить в почву золу, осаждающуюся на фильтрах. Эта зольная
фракция используется в соответствии с требованиями, предъявляемыми к
промышленным отходам. Захоронение золы, осаждающейся на фильтрах, без
обработки разрешается производить только в специально отведенных для этой цели
местах.
72
10
ПРИМЕНЕНИЕ БИОМАССЫ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА
СИСТЕМЕ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
В
Система централизованного теплоснабжения осуществляет выработку и
распределение тепла, требуемого для отопления зданий, нагрева технической воды,
использования в производственных процессах. Основной задачей системы
централизованного теплоснабжения является выработка, передача и распределение
тепла среди потребителей с использованием максимально эффективных и
экономичных методов. Для достижения этой цели требуется изучение ряда
отдельных и взаимосвязанных факторов. Эти значимые факторы включают,
например, определение тепловых нагрузок потребителей, принципы определения
параметров установок, работающих на древесине, летние и пиковые нагрузки, а
также
правильное
определение
параметров
сети
централизованного
теплоснабжения.
10.1
Определение тепловой нагрузки
Тепловая нагрузка потребителей определяет конфигурацию и параметры
теплоцентрали системы централизованного теплоснабжения, выбор технологии для
котлоагрегатов,
а
также
характеристики
трубопроводов
системы
централизованного
водоснабжения.
Тепловая
нагрузка
в
системе
централизованного теплоснабжения определяется требованиями к отоплению
зданий (сеть радиаторов и система кондиционирования воздуха) и нагреву
технической воды. Потребление тепла для отопления помещений изменяется в
зависимости от температуры наружного воздуха. При этом могут иметь значение
годовые, недельные, суточные и даже часовые колебания требуемой тепловой
нагрузки. Во многих случаях в летний период нагрев технической воды требует
использования менее чем 10% подводимой теплоты. Пики потребления могут
выравниваться, например, с помощью теплового аккумулятора. Также необходимо
контролировать потери при распределении.
Наличие данных о действительном потреблении тепла позволяет с высокой
точностью определить требуемое годовое количество энергии и требуемую
выходную мощность. Однако это требует учета потребления энергии в период,
предшествующий введению системы централизованного теплоснабжения. Чем
короче период, для которого можно определить требуемое потребление тепловой
энергии, тем точнее можно произвести расчет изменений величины тепловой
нагрузки и потребления энергии пользователями, и определение параметров
системы. При отсутствии данных измерений уровня потребления энергии
требуемая выходная мощность и годовая потребность потребителей в тепле (в
Вт/м3) может также определяться по значениям модели определения удельной
тепловой нагрузки (в Вт/м3) и коэффициента использования тепла (в кВтч/м3).
Значения этой модели определяются различными факторами, включая климат,
возраст и тип здания, и могут быть различными в различных странах.
73
Рис.
@@:
Модель
годовых
колебаний
Рис. @@: Модель недельных колебаний
тепловых нагрузок. Источник: Elomatic, 2002.
тепловых
потребления
нагрузок.
тепловой
Типичная
энергии
кривая
в
летний
период. . Источник: Elomatic, 2002.
Hourly variation
Summer shutdown
Output of biofuel-fired boiler
Minimum output of biofuel-fired boiler
10.2
Часовые колебания
Летний останов
Выходная мощность котлоагрегата,
работающего на биотопливе
Минимальная
выходная
мощность
котлоагрегата,
работающего
на
биотопливе
График нагрузки по продолжительности
Распределение тепловой нагрузки можно проиллюстрировать с помощью так
называемого графика нагрузки по продолжительности, см. рис. @@@. График
показывает, сколько часов определенная нагрузка будет требоваться в течение года.
Это показано двумя различными способами. На правом графике значения
ежегодной часовой нагрузки расположены в порядке убывания, от максимального к
минимальному значению. Кривая показывает максимальную требуемую выходную
мощность в каждый момент времени, а площадь под кривой соответствует
величине общего потребления энергии в течение года.
График нагрузки по продолжительности составляется в соответствии конкретными
условиями объекта. Он может быть составлен для определения тепловой нагрузки
отдельного здания,
микроэнергосети или широкой сети централизованного
теплоснабжения.
Рис. @@@: Графики нагрузки по продолжительности.
74
Different ways to show the yearly
consumption
% of full load
% от полной
нагрузки
Peak load
Пиковая
нагрузка
Base load
Базовая
нагрузка
Low load
Низкая
нагрузка
Jan
Январь
Apr
Декабрь
July
Июль
Oct
Октябрь
Dec
Декабрь
Различные способы представления годового
потребления тепла
% of full load
%
от
полной
нагрузки
Peak load, often oil
Пиковая
нагрузка,
часто нефть
Base
load,
often Базовая
нагрузка,
biofuel
часто
Low
load,
often Низкая
нагрузк,
electricity
часто
8760 h
8760 h
На левом графике показаны средние значения месячной тепловой нагрузки в
процентах к максимальной тепловой нагрузке. На правом графике показано,
сколько часов определенная нагрузка будет требоваться в течение года.
10.3
Основные принципы определения конфигурации и параметров
Определение конфигурации и параметров оборудования, работающего на
сжигаемом топливе
и утилизирующем тепло, осуществляется с учетом
требований к тепловой нагрузке зданий, дневных колебаний потребления тепла и
колебаний тепловой нагрузки в соответствии с температурой наружного воздуха.
Для достижения высокой общей экономичности в эксплуатации обычно требуется
использование более одного котла Котел, работающий на древесине, имеет
75
высокую стоимость, но может использовать дешевое топливо. Поэтому его следует
использовать в качестве источника базовой нагрузки, т.е. для удовлетворения
базового уровня потребности в тепловой энергии. Тогда котел, работающий на
нефти или на газе, который имеет меньшую стоимость, но использует более
дорогостоящее топливо, может использоваться для работы при пиковых нагрузках.
Таким образом, котел, работающий на древесине, будет эксплуатироваться в
течение длительного времени при высоких нагрузках, что позволит распределить
между ними высокие фиксированные расходы. Оценка характеристик
альтернативного источника теплоснабжения высокой мощности по сравнению с
котлом, работающим на древесине, зависит, среди прочего, от типа обогреваемых
здания или зданий.
Котельный агрегат, предназначенный для работы при базовой нагрузке, обычно
подбирается таким образом, чтобы обеспечить выработку 40-60% максимальной
требуемой мощности. Если базовая нагрузка составляет 50% присоединенной
мощности, то такой котел может вырабатывать 80-90% общей годовой потребности
в тепловой энергии.
Определение конфигурации и параметров сети производится таким образом, чтобы
она имела оптимальную мощность с учетом потребности в тепловой энергии при
пиковой нагрузке и характеристики основного трубопровода, предусматривающие
возможность подключения новых пользователей. Потери в сети централизованного
теплоснабжения варьируются от 8% до 12% генерируемого тепла в зависимости от
температуры выходящей и оборотной воды, используемой для централизованного
теплоснабжения. Например, если средняя температуры воды в сети снижается до
20°С, то потери тепла уменьшаются на 10-15%. Выполнение технологических
операций, таких как регулирование температуры выходящей воды, снижение
температуры в ночное время, устранение утечек, отладка оборудования
пользователя также оказывает влияние на величину тепловых потерь.
10.4
Летняя нагрузка
В летнее время потребность в тепловой энергии потребителей часто снижается до
уровня, который находится за пределом диапазона регулировки работы котла. Эта
проблема часто решается путем установки нескольких параллельных, часто
обычного типа (работающих на нефти или газе) котлов. В системе с несколькими
параллельными котлами, работающими на древесине, потребность в тепловой
энергии даже при летней нагрузке может быть обеспечена работающими на
древесине котлами малой мощности, что позволяет сэкономить дорогостоящую
нефть. Однако, в конечном счете, этот вопрос решается с точки зрения
экономической целесообразности.
В настоящее время в Австрии установки централизованного теплоснабжения,
(микроэнергосети), использующие биомассу в качестве топлива, часто оборудуются
солнечными тепловыми коллекторами с тем, чтобы не использовать котел,
работающий на щепе, в летнее время. Если солнечный тепловой коллектор имеет
недостаточную мощность, можно использовать резервный котел для увеличения
производства горячей воды. Также с этой целью может использоваться котел,
76
работающий на биомассе. Имеются обоснованные технические причины для
применения гибридных агрегатов, работающих на биомассе и оборудованных
солнечными тепловыми коллекторами, и использования солнечной энергии в
летний период. Эксплуатация котла в летний период осуществляется при низкой
неполной нагрузке. При работе при низкой нагрузке повышаются
эксплуатационные потери и увеличиваются выбросы загрязняющих веществ при
пуске котла. При работе при малой нагрузке котел продолжает подвергаться
воздействию механического напряжения. Временный вывод системы из
эксплуатации на летний период продлевает срок службы котла, работающего на
биомассе.
Рис. @@: Комбинированный котлоагрегат,
работающий на биомассе и оборудованный
солнечным
обеспечивает
тепловым
теплоснабжение
коллектором,
дома
для
престарелых в Веттманнстеттене.
10.5
Зимняя нагрузка
В наиболее холодный зимний период потребность в тепловой энергии превышает
выходную мощность котла, работающего на древесине, даже если используется
более сухая древесина. Поэтому необходимо иметь в резерве дополнительные
мощности для выработки необходимого тепла. Так как котлы обычного типа имеют
достаточно хорошие диапазон регулировки, управляемость и пусковые качества,
они могут выполнять все указанные функции. Поэтому обычно используются
только два котла: котел, работающий на древесине, и котел обычного типа.
Примечание @@@: Методы компенсации колебаний тепловых нагрузок в зимнее
время
В зимний период во всех системах теплоснабжения наблюдаются значительные
колебания нагрузки, которые зависят от погодных условий, потребностей
пользователей и т.д. Максимальная мощность используется только в течение
короткого времени при очень холодной погоде. Вместе с тем котел эксплуатируется
в течение длительного времени при низкой нагрузке. Поэтому необходимо
обеспечить эффективную эксплуатацию котла в период отсутствия пиковых
нагрузок. Это достигается одним из следующих методов:
77

В дополнение к котлу, работающему на древесине, устанавливается котел
обычного типа (работающий на нефти или газе), предназначенный для работы
при пиковых нагрузках, который также выполняет функцию резервного
оборудования. Выходная мощность котла, работающего на древесине,
снижается до 60-70% максимальной мощности. Таким образом, он может
обеспечить выработку 90-95% мощности, требуемой для теплоснабжения, так
как потребность повышается до максимального уровня только на короткий
период. С тем, чтобы обеспечить 100% резервирование теплоснабжения,
мощность котла, работающего на топливе, должна быть не менее требуемой
максимальной мощности. Это решение является особенно эффективным, если
имеется возможность использования существующих установок, включающих
котлы, работающие на нефти или газе.
 Котел, работающий на древесине, может использоваться для работы при
максимальной мощности, а буферная система (емкость с горячей водой)
используется в период кратковременных колебаний нагрузки и обеспечивает
эффективность эксплуатации котла в период отсутствия пиковых нагрузок. В
летний период буферное устройство может использоваться для сохранения
солнечной энергии. Преимущество этого решения заключается в том, что
используется только один вид топлива.
 Использование двух котлов, работающих на древесине. Второй котел повышает
надежность теплоснабжения (поэтому он также должен иметь отдельную
систему подачи топлива) и обеспечивает эффективность системы
теплоснабжения даже в период отсутствия пиковых нагрузок
Выбор наиболее приемлемого из трех указанных вариантов определяется с учетом
конкретных условий в каждом отдельном случае. Важным фактором является
также правильность расчета тепловых нагрузок.
Источник: Брошюра "Биотепло"
10.6
Тепловой аккумулятор
Выравнивание тепловых нагрузок может осуществляться с помощью тепловых
аккумуляторов. Тепловой аккумулятор наиболее эффективно используется для
выравнивания дневных пиков тепловых нагрузок. Тепловой аккумулятор
аккумулирует теплоту в период низкого уровня потребления и отдает ее в период
высокого уровня потребления тепловой энергии. Применение теплового
аккумулятора позволяет использовать котельные установки меньшей мощности,
сокращать затраты и предотвращать задержки при регулировке мощности во время
резкого изменения тепловой нагрузки.
Из-за высокой стоимости тепловые аккумуляторы редко используются в установках
теплоснабжения. В основном. их используют тепличные хозяйства для целей,
иных, чем выравнивание нагрузки. Применение тепловых аккумуляторов может
значительно повысить эффективность комбинированного производства тепловой и
электрической энергии в случаях, когда не совпадают пики силовой и тепловой
нагрузки.
78
10.7
Централизованное теплоснабжение в сельской местности
Во многих сельских районах строительство системы централизованного
теплоснабжения является нецелесообразным. Тем не менее, система
централизованного теплоснабжения может эффективно использоваться для
отопления муниципальных зданий, таких как школы, дома для престарелых и
объекты здравоохранения. Такая система централизованного теплоснабжения
может использовать котельную установку, мощность которой составляет обычно
несколько сотен киловатт.
Предпринимательство в сфере теплоснабжения является новым видом малого
предпринимательства в сфере теплоснабжения в сельской местности. Отдельный
предприниматель, кооператив, компания с ограниченной ответственностью или
консорциум предпринимателей могут действовать в качестве предпринимателя в
сфере теплоснабжения и осуществлять продажу тепла вместо продажи топлива.
Владельцем установки может быть муниципалитет, местное энергетическое
предприятие или промышленная компания. Топливо поставляется из собственного
леса предпринимателя, лесопильни или другого деревообрабатывающего
предприятия. Доход зависит от количества энергии, поставленной заказчику,
которым обычно является муниципалитет. В настоящее время ставится цель
осуществить полную автоматизацию производственного процесса на установках и
внедрить систему дистанционного управления их работы.
10.8
Определение тарифов на тепловую энергию
Определение тарифов на тепловую энергию осуществляется с целью установления
таких цен на нее, которые были бы максимально выгодны и справедливы для
заказчиков независимо от заказываемого объема, и покрывали издержки по
производству поставляемой теплоты. Так как компания, осуществляющая
централизованное теплоснабжение, занимает монопольное положение в своей
сфере деятельности в соответствующем регионе, применяемые тарифы должны
контролироваться государственными органами. Тарифы на тепловую энергию
системы централизованного теплоснабжения в значительной степени зависят от
конкретных условий. Тарифы определяются для каждого отдельного случая даже в
пределах одной компании, осуществляющей теплоснабжение, в зависимости от
возраста, размеров и энергопотребления здания, а также срока эксплуатации
внутренней системы теплоснабжения здания. Тарифы на услуги централизованного
теплоснабжения обычно включают тариф на подключение (Евро), базовый тариф
(Евро/мес) и тариф на потребляемую тепловую энергию (Евро/МВт). Тарифы
устанавливаются по заказываемому расходу воды или по величине выходной
мощности.
При определении тарифа на подключение и базового тарифа обычно используются
коэффициент уровня стоимости n, позволяющий регулировать цены в зависимости
от инфляции. Тариф на тепловую энергию зависит от цены на топливо. Обычно
тариф на тепловую энергию связан с ценой на топливо, например, процентное
содержание нефти (или любого другого топлива, используемого в период
отсутствия пиковых нагрузок) составляет 20%, а процентное содержание
79
древесины  80%. Выбирается наиболее выгодный, приемлемый и доступный вид
топлива.
Так как цены на нефть подвержены резким колебаниям,
необходимо
предусмотреть механизм смягчения воздействия таких колебаний на стоимость
отпускаемого тепла.
Имеется большое число различных методов установления тарифов на подключение
и предоставление тепловой энергии систем централизованного теплоснабжения,
однако, в целом, при установлении тарифов необходимо соблюдать следующие
условия.



Доходы должны покрывать издержки по выработке тепла в течение достаточно
длительного периода времени.
Тарифы на услуги системы централизованного отопления должны
соответствовать затратам на эксплуатацию систем теплоснабжения зданий
заказчика (затраты на эксплуатацию внутренней системы теплоснабжения
зданий и оплата стоимости присоединения) таким образом, чтобы они могли
быть амортизированы.
Тарифы на тепловую энергию должны отражать изменение цен на топливо.
80
ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
11
11.1
Преимущества комбинированного производства тепловой и электрической
энергии
На традиционной теплоэлектростанции с конденсацией пара только 40-45%
затрачиваемой энергии преобразуется в электроэнергию. Остальная энергия
теряется с охлаждающей водой и горячим дымовым газом. На установке
комбинированного производства тепловой и электрической энергии (или
теплоэлектроцентрали (ТЭЦ)) электроэнергия вырабатывается так же, как и на
электростанции, однако вместо удаления охлаждающей воды пар охлаждается
оборотной водой в системе централизованного теплоснабжения и, таким образом,
используется для выработки тепла. Так как общество нуждается как в тепле, так и в
электроэнергии, комбинированная выработка тепловой и электрической энергии
является приемлемым в экологическом и эффективным в энергетическом
отношениях методом производства энергии. Она позволяет значительно повысить
эффективность использования топлива, что явилось основной причиной включения
положения о развитии сектора комбинированного производства тепловой и
электрической энергии в качестве одного из приоритетных направлений
деятельности в политику ЕС в области энергетики (например, Директива о
развитии комбинированного производства тепловой и электрической энергии
2004/8/EC от 11 февраля 2004 г.).
Рис. : Эффективность выработки энергии ТЭЦ и ЭС.
Power plant
Электростанция
Electrical power generation 40%
Выработка электроэнергии: 60%
Loss 60%
Потери: 60%
District heating plant
Установка централизованного теплоснабжения
Generation of heat 85%
Выработка тепла: 85%
Loss 15%
Потери: 15%
Decentralized CHP plant
Местная ТЭЦ
Electrical power generation 40%
Выработка электроэнергии: 40%
Generation of heat 85%
Выработка тепла: 85%
Loss 15%
Потери: 15%
Примечание: Потери при раздельной выработке электроэнергии на электростанции и
выработке тепла на установке централизованного теплоснабжения значительно превышают
потери при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии.
81
Другим преимуществом ТЭЦ перед электростанцией является отсутствие
необходимости использования охлаждающей воды (речной или морской). Поэтому
эта установка может размещаться около больших городов со значительными
энергетическими потребностями и системой распределения, способной обеспечить
удовлетворение этих потребностей.
В примечании 1 содержится описание других преимуществ комбинированного
производства тепловой и электрической энергии.
Примечание 1: Выгоды
электрической энергии







комбинированного
производства
тепловой
и
Высокая эффективность преобразования и использования энергии:
комбинированная выработка тепловой и электрической энергии дает экономию
энергии, составляющую 15-40% по сравнению с электро- и теплоснабжением,
осуществляемым традиционными электростанциями и котельными агрегатами.
Низкий уровень выбросов в окружающую среду, в особенности, CO2,
являющимся основным парниковым газом.
В некоторых случаях, когда имеются топливная биомасса и некоторые виды
отходов, такие как газы перерабатывающих предприятий, производственные
или сельскохозяйственные отходы (подвергшиеся анаэробному сбраживанию
или газифицированные) эти вещества могут использоваться в качестве топлива
для установок комбинированного производства тепловой и электрической
энергии, повышая экономическую эффективность и снижая потребность в
удалении отходов.
Значительное снижение себестоимости повышает конкурентоспособность
промышленных и коммерческих пользователей и позволяет поставлятьть тепло
по доступным тарифам бытовым потребителям.
Возможность развития более децентрализованных форм выработки
электроэнергии с использованием установок, предназначенных для
удовлетворения потребностей местных пользователей, обеспечивающих
высокую производительность, минимизирующих потери при передаче и
повышающих гибкость использования системы. В особенности это относится к
эксплуатации систем, в которых газ является энергоносителем.
Высокая местная и общая безопасность энергоснабжения  местное
производство энергии посредством комбинированного производства тепловой
и электрической энергии снижает риск перебоев в снабжении потребителей
электроэнергией и/или теплом. Кроме того, сокращение потребления топлива
снижает зависимость от импорта энергоносителей, что является одной из
приоритетных задач, которые предстоит решить Беларуси в будущем в сфере
энергетики.
Возможность расширить сферу применения энергетических установок и
повысить
уровень
конкуренции
среди
производителей
энергии.
Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии является
одним из самых эффективных средств либерализации энергетических рынков.
82

Повышение уровня занятости  данные ряда исследований свидетельствуют о
том, что развитие систем комбинированного производства тепловой и
электрической энергии способствует созданию рабочих мест.
Источник: Сеть комбинированного производства тепловой и электрической
энергии с применением биомассы, www.cres.gr/network
11.2
Объекты комбинированного производства тепловой и электрической энергии
Объекты комбинированного производства тепловой и электрической энергии малой
и большой мощности осуществляют снабжение теплом (обычно в форме пара) и
электроэнергией, предназначенными для использования в различных видах
производственной деятельности, таких как переработка минерального сырья, или
производство целлюлозы и бумаги, нефтехимических продуктов, продуктов
питания и текстиля, а также в больницах, гостиницах, офисных комплексах,
административных, торговых и общественных зданиях и плавательных бассейнах.
Производительность установок комбинированного производства тепловой и
электрической энергии в два или три раза превышает производительность
установок, использующих традиционные формы выработки энергии. Выигрыш в
производительности при комбинированной выработке тепловой и электрической
энергии достигается за счет использования тепла, которое иначе было бы потеряно.
Процесс выработки энергии, когда тепловая энергия также регенерируется для
охлаждения, называют комбинированной выработкой тепловой и электрической
энергии с производственным и отопительным отпуском теплоты. ТЭЦ с
производственным и отопительным отпуском теплоты используются для отопления
административных, торговых и общественных зданий в зимний период, но также
могут использоваться для охлаждения зданий в летнее время.
Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии для
промышленных целей
Установки комбинированного производства тепловой и электрической энергии
обычно размещаются на объектах, имеющих высокую потребность в
технологическом тепле и электроэнергии в течение всего года. Примерами таких
применений являются установки, используемые в перерабатывающей и бумажноцеллюлозной отраслях, на предприятиях по производству химикатов, в тепличных
хозяйствах, в текстильной промышленности. Основной объем выработки
комбинированного
производства
тепловой
и
промышленной
энергии
осуществляется ТЭЦ мощностью более 1 МВтэ, которые, как правило,
проектируются на индивидуальной основе с тем, чтобы обеспечить удовлетворение
конкретных потребностей в каждом из применений. Значительно большее число
промышленных предприятий имеют установки меньшей мощности, использующие
технологии аналогичные тем, которые применяются на ТЭЦ, осуществляющих
энергоснабжение жилых зданий и административных, торговых и общественных
зданий. Хотя они и более многочисленны, объем вырабатываемой ими энергии
составляет меньшую часть общей производимой мощности.
Централизованное теплоснабжение
83
Тепло, вырабатываемое ТЭЦ позволяет реализовать оптимальную систему
отопления
и
горячего
водоснабжения
помещений
жилых
зданий,
административных, торговых и общественных зданий и промышленных объектов.
Сети централизованного теплоснабжения широко используются в городах и
сельских местности в регионах северной, центральной и восточной Европе с более
холодными и длинными зимами и, соответственно, более продолжительными
отопительными сезонами и более длительными периодами эксплуатации систем
электроснабжения. Турбины, вырабатывающие теплоту и электроэнергию,
используемые совместно с котельными агрегатами, позволяют повысить уровень
комбинированного производства тепловой и электрической энергии в
существующих сетях. Одной из особенностей использования комбинированного
производства тепловой и электрической энергии в централизованных системах
теплоснабжения является топливная диверсификация, позволяющая обеспечить
достижение приоритетных экологических, экономических и стратегических целей.
Например, в качестве топлива для систем централизованного теплоснабжения
иногда используются муниципальные отходы, что, при наличии соответствующей
системы контроля выбросов, является более эффективным экологическим
решением, чем захоронение отходов на свалках. В качестве топлива также
используются различные виды биомассы, в особенности, древесина и солома.
Отдельные здания (жилые, административные, торговые и общественные)
Системы комбинированного производства тепловой и электрической энергии, в
основном, представляют собой установки малой мощности, которые часто
поставляются в виде "компактных" агрегатов, в которых все оборудование
установлено в звукоизолированнный кожух, имеющий соединения только для
подачи топлива, как правило, природного газа, и соединения для вывода тепла и
электроэнергии, вырабатываемых установкой. Эти системы обычно применяются в
гостиницах, центрах досуга, офисах, небольших больницах, и жилых комплексах.
Установки большей мощности основаны на технологиях, аналогичных
технологиям, применяемым в промышленных системах комбинированного
производства тепловой и электрической энергии с использованием газовых турбин
или более мощных поршневых двигателей. Эти системы используются в крупных
больницах, административных комплексах, университетах и колледжах.
11.3
Технологии комбинированного производства тепловой и электрической
энергии с использованием биомассы в качестве топлива
Технологии и типы двигателей, используемые в производстве энергии с
использованием биомассы в качестве топлива, включают

Паровые турбины, используемые в качестве детандеров в цикле Ренкина,
использующие воду в качестве рабочего тела; вода испаряется под
давлением и подвергается перегреву;

Паровые двигатели, работающие по циклу Ренкина с перегревом или без
перегрева;

Паровые турбины, работающие по органическому циклу Ренкина (ОЦР) с
испарением органического рабочего тела в третичном цикле, отделенном от
процесса выработки тепла (теплота сгорания передается нефти,
циркулирующую в котле, которая поступает на внешний испаритель
84


органического вещества, имеющего более низкую температуру точки
кипения, чем вода);
Двигатели Стирлинга (двигатели внешнего сгорания, работающие на
газе), приводимые в действие в результате периодического теплообмена
между дымовым газом и газообразным рабочим телом, таким как воздух,
гелий или водород;
Газовые турбины с замкнутым циклом, с применением горячего газа в
замкнутом рабочем цикле и использованием турбины в качестве детандера.
Различные технологии позволяют обеспечивать выработку электроэнергии в
широком диапазоне параметров, от нескольких кВтэ (двигатели Стирлинга) до
нескольких сотен МВтэ (паровые турбины). В настоящее время состояние
технологий варьируется от концептуального до апробированного.
Таблица @@@: Технологии выработки энергии с использованием биомассы в
качестве топлива.
Рабочее тело
Тип двигателя
Типичная мощность
Состояние
Жидкость и пар
Паровая турбина
0,5-500 МВтэ
Апробированная
(с изменением
технология
фазы)
Паровой поршневой
0,1-1 МВтэ
Апробированная
двигатель
технология
Паровая турбина с
0,5-1 МВтэ
Некоторые
органическим рабочим
коммерческие
телом (ОЦР )
применения
Газ (без
Воздушная турбина с
Не установлена,
На стадии
изменения
замкнутым циклом мощность аналогична
разработки
фазы)
(турбина с
мощности паровой
использованием
турбины
горячего воздуха)
Двигатель Стирлинга
20-100 кВтэ
Разработка и
опытное
применение
11.4
Эксплуатация установок комбинированного производства тепловой и
электрической энергии
Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии может
осуществляться с применением различных методов. При проектировании
установки основное внимание уделяется использованию теплоты. Технологический
пар как теплоноситель должен находиться под более высоким давлением, чем пар,
используемый в теплообменнике системы централизованного теплоснабжения.
Например, стандартное давление технологического пара на бумажном заводе
составляет 3 и 10 бар. Давление пара в теплообменнике системы
централизованного теплоснабжения приближается к атмосферному давлению в
зависимости от температуры воды в системе централизованного теплоснабжения.
Основная турбина с противодавлением, обеспечивающая подачу тепла в систему
85
централизованного электроснабжения, работает при противодавлении от 0,2 до 0,6
бар. Повышение температуры выходящей отопительной воды требует повышения
противодавления за счет производства электроэнергии. Хотя температура
выходящей отопительной воды в системе централизованного теплоснабжения
обычно зависит от температуры наружного воздуха, она также может зависеть от
качества системы сети централизованного водоснабжения и оборудования
заказчика. В скандинавских странах температура выходящей отопительной воды в
системе централизованного теплоснабжения составляет 75-120°С, и оборотной
воды  35-55°С.
При выборе типа турбины наиболее важным фактором является использование
пара. Наиболее распространенным типом турбины является турбина с
противодавлением. В этой турбине пар расширяется до достижения величины
давления, необходимого использования в системе теплоснабжения. Применение
турбины с противодавлением с регулируемым отбором пара позволяет
использовать пар для теплоснабжения на двух или более уровнях давления. Этот
тип турбины обычно используется на промышленных объектах. Регулируемый
отбор пара также используется для предварительного нагрева питательной воды
котлов с целью повышения общей производительности установки. Отношение
электроэнергия - теплота на примышленных установках комбинированного
производства теплоты и электроэнергии составляет 0.2 : 0.3, и на установках
системы централизованного теплоснабжения  0.45 : 0.55. Эти значения являются
типичными для процессов, основанных на использовании пара в установках,
работающих на твердом топливе. Различие между указанными отношениями
обусловлено более низкой температурой пара в централизованном теплоснабжении
по сравнению с производственными процессами. Более низкая температура
продлевает процесс расширения в турбине и получению большего количества
электроэнергии.
11.5
Развитие комбинированного производства тепловой и электрической энергии
с использованием биомассы в качестве топлива
Большинство установок комбинированного производства тепловой и электрической
энергии с использованием твердой биомассы в качестве топлива. расположены в
странах с развитой лесной промышленностью Примерами успешного
использования комбинированного производства тепловой и электрической энергии
с использованием биомассы являются установки, действующие, например, в
Скандинавии, Германии и Австрии. Установки меньшей мощности (< 1 МВтэ)
используются в Центральной Европе, в то время как установки большей мощности
(>20 МВтэ) применяются, в основном, в Северной Европе. Наиболее крупная
установка, способная вырабатывать 240 МВт электроэнергии, 100 МВт пара и 60
МВт тепла для системы централизованного теплоснабжения расположена в
Якобстаде (Финляндия). В качестве топлива она использует биомассу и торф, а
также уголь в качестве резервного топлива. В Германии в результате активной
государственной поддержки в форме гарантированной компенсации тарифов в
последние годы значительно повысились мощности и применение ТЭЦ и
электростанций, работающих на биомассе (см. рис. @@@). Виды топлива,
86
используемые на установках в Германии, включают кору, опилки, солому и метан
из органических отходов и установок для получения биогаза. В Финляндии
наблюдается аналогичный процесс развития выработки тепловой и электрической
энергии с использованием биомассы. В следующих главах приводится более
подробное описание состояния и развития систем централизованного
теплоснабжения с использованием и выработки тепловой и электрической энергии
биомассы в качестве топлива в отдельных странах.
Рис. @@@: Мощность установок комбинированного производства тепловой и
электрической энергии/электростанций с использованием твердой биомассы в
качестве топлива в Германии
8,000
Electricity from biogenic share of waste
7,000
Introduction of Biomass Ordinance
Biomass electricity
1,945
Entry into force of EEG
6,000
1,945
[GWh/a]
5,000
1,859
4,000
Entry into force of the
Electricity Feed Act
1,850
3,000
5,140
2,000
1,000
0,000
1,300
1,350
1,400
1,600
1,750
4,467
1,850
3,206
2,279
1,200
1,200
1,250
1,200
670
1,050
1,170
295
570
879
250
370
803
222
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
ГВтч/год
Электроэнергия, полученная от
сжигания биогенной части отходов
Biomass electricity
Электроэнергия, полученная от
сжигания биомассы
Entry into force of the Electricity Feed Act Принятие "Акта об использовании
биомассы для производства
электроэнергии"
Entry into force of EEG
Принятие закона EEG (закона о
возобновляемых источниках энергии;
EEG - Erneuerungbare Energien Gezetz).
Introduction of Biomass Ordinance
Принятие "Руководства по
использованию биомассы"
Источник : Bundesministerium für UМВтэt, Naturschutz und Reaktorsicherheit.
GWh/a
Elrctricuty from biogenic share of waste
11.6
Потенциал применения биомассы в качестве топлива для комбинированного
производства тепловой и электрической энергии
В исследовании проведенном недавно в рамках проекта "БиоКоджен" (BioCogen),
финансировавшегося ЕС, определены основные секторы, в которых возможно
применение новых или модернизированных установок комбинированного
87
производства тепловой и электрической энергии с использованием биомассы в
качестве топлива. Потенциальные заказчики указаны в Табл. @@@ .
Табл.
@@@:
Потенциальные заказчики
производства
тепловой
использованием биомассы
установок комбинированного
и электрической энергии с
Промышленность: в основном, компании частного сектора и инвесторы
 Сельскохозяйственные предприятия (например, животноводческие и
птицеводческие фермы, тепличные хозяйства, мельницы, консервные заводы)
 Деревообрабатывающие предприятия
 Другие предприятия в сельской местности и сельских районах с развитой
инфраструктурой
 Предприятия по переработке и утилизации отходов
Административные, торговые, общественные и жилые здания в сельской
местности: в основном, частный сектор, частично государственный сектор,
гражданские организации
 Центры досуга (включая музеи) и спортивные сооружения
 Офисы
 Жилые комплексы
 Гостиницы и курорты
Различные государственные структуры и объекты:
 Органы, ответственные за организацию сбора и удаления отходов, включая
сточные воды
 Системы централизованного электро- и теплоснабжения
 Школы и другие образовательные учреждения
 Военные объекты
Источник: BioCogen
88
УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА
ТЕПЛОВОЙ
И
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ/СИСТЕМ
ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В ОТДЕЛЬНЫХ
ЕВРОПЕЙСКИХ СТРАНАХ
12
В этом разделе приводятся данные, позволяющие получить представление о
развитии и текущем состоянии систем централизованного теплоснабжения (ЦТ) и
комбинированного производства тепловой и электрической энергии (ТЭЦ) в ряде
отдельных стран Скандинавии и Центральной Европы.
Дополнительную информацию можно получить из отчетов по странам, которые
были недавно подготовлены в рамках проекта OPET (Организации по
продвижению новых энергетических технологий) "Комбинированная выработка
тепловой и электрической энергии/централизованное теплоснабжение" (www.opetchp.net)..
12.1
Австрия
В Австрии около 70% общего объема централизованного теплоснабжения
обеспечивается ТЭЦ. Типичные применения ТЭЦ, работающих на биомассе,
включают системы теплоснабжения жилого сектора мощностью менее 100 кВтт или
системы теплоснабжения мощностью более 100 кВтт, используемые, в основном,
для теплоснабжения общественных зданий и в промышленности.
Проектирование и строительство сетей ЦТ в сельской местности осуществляется со
середины 80-х гг. Станции малой мощности производительностью от нескольких
100 кВт до 5 МВт вырабатывают тепло посредством сжигания древесной щепы,
поставляемой из лесов, или отходов лесопилен. К концу прошлого столетия в
стране ежегодно строились 50 новых установок, а к концу 2001 г. были введены
строй 694 установки. Установки имеют общую мощность 822 МВтт (диапазон
производительности: 0,1 – 20 МВтт). На рис. @@ показаны действующие в Австрии
установки ЦТ, работающие на биомассе.
Рис. : Действующие в Австрии установки ЦТ, работающие на биомассе (мощность
котельных установок).
89
До настоящего времени ТЭЦ, работающие на биомассе, использовались, в
основном, в местных системах теплоснабжения, расположенных поблизости от
мест, где накапливаются большие объемы биомассы, например, предприятий
деревообрабатывающей и бумажно-целлюлозной промышленности. В 80-х гг. на
предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности начали применять котлы со
сжиганием топлива в псевдоожиженном слое, в основном, с целью использования
коры, жидких отходов и осадков сточных вод производственных процессов. В этом
отношении следует отметить две установки со совместным сжиганием топлива (т.е.
установки, сжигающие биомассу совместно с другими видами топлива), в Сэнт
Андра и Зельтвеге, с установленной мощностью по 10 МВтт. На рис. @@@
показано расположение ТЭЦ, работающих на биомассе, на территории Австрии.
В течение многих десятилетий процесс, использующий энергию пара, является
наиболее распространенным методом выработки электроэнергии. Хотя в
большинстве случаев процесс, использующий энергию пара, основан на сжигании
ископаемого топлива, также имеется несколько коммерческих энергетических
установок, использующих биомассу в качестве топлива (в основном, в
деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной отраслях).
Рис. @@@: Расположение ТЭЦ, работающих на биомассе, на территории Австрии.
Обозначения: зеленый цвет: существующие установки; красный цвет: проектируемые установки:
12.2
Финляндия
Финляндия является мировым лидером в области производства комбинированного
производства тепловой и электроэнергии с использованием биомассы в качестве
топлива. ТЭЦ широко используются в Финляндии для теплоснабжения жилых
районов и выработки тепла и электроэнергии в промышленности. В 2001 г.
промышленные ТЭЦ произвели 45% и ТЭЦ систем централизованного
теплоснабжения  55% общего объема комбинированного производства тепловой и
электроэнергии. В 2001 г. ТЭЦ выработали 75% общего количества тепла,
использованного в системах централизованного теплоснабжения.
90
В Финляндии действуют 130 ТЭЦ, из которых 82 ТЭЦ используются в системах
централизованного теплоснабжения и 48 ТЭЦ в промышленности. Почти половина
всех ТЭЦ имеют электрическую мощность более 50 МВт, четверть всех ТЭЦ  от
10 МВт до 50 МВт, и еще четверть имеют мощность менее 10 МВт. В Финляндии
также имеется одна микро-ТЭЦ, работающая на газе из органических отходов.
Различные виды топлива, использованные системах централизованного
теплоснабжения и ТЭЦ в Австрии в 2001 в Финляндии составили 189 030 ТДж (52
508 ГВтч). Основными видами топлива, применяемыми в системах
централизованного теплоснабжения и ТЭЦ, являются природный газ, уголь и торф
(природный газ  35%, уголь  28%, торф  18%, древесина  8%, нефть  7%,
другие виды  4%). Нефть используется только для выработки тепла при пиковых
нагрузках и в системах централизованного теплоснабжения малой мощности.
Предполагается, что состав видов топлива претерпит в будущем значительные
изменения. Планируется увеличить использование природного газа и древесины.
По оценке Финской ассоциации централизованного теплоснабжения до 2020 г. в
стране будут введены в строй новые ТЭЦ, работающие на биомассе, общей
мощностью 300 МВт. Это составляет около 30% общей электрической мощности
ТЭЦ.
Увеличивается использование лесной щепы в секторе комбинированного
производства тепловой и электрической энергии. В 2002 г. около 400 установок
использовали лесную щепу, произведенную, в основном, из лесосечных отходов.
На рис. @@@ показан потенциал использования лесосечных отходов в радиусе
100 км; более темный зеленый цвета означает более высокий потенциал. Рис.
@@@ иллюстрирует применение лесной щепы.
91
Рис. @@@: Потенциал использования лесосечных отходов в радиусе 100 км.
Potential of logging residues within 100
km driving distance.
GWh/a
Optimal location of plants consuming 300
GWh/a
City
Потенциал использования лесосечных
отходов в радиусе 100 км.
ГВтч/год
Оптимальное расположение установок,
потребляющих 300 ГВтч/год
Город
Рис. @@@: Использование лесной щепы в Финляндии в 1999 г. и 2002 г.
92
Use, m2
Over
12.3
Использование, м3
Более
Литва
Системы ЦТ широко применяются в Литве. В настоящее время ЦТ охватывает
около 75% жилого сектора городов Литвы, и использует, в основном, котельные
установки. В настоящее время в Литве действуют 25 ТЭЦ, большая часть которых
подсоединена к сетям ТЦ. Общая выработка тепла в ТЦ составила 13,7 ТВч. Виды
топлива, использовавшиеся для производства тепла в ТЦ в2002 г., включали
природный газ  67%, древесину  1 %, нефть  12%, сжиженный газ  5%, опилки
 2% и другие виды топлива  2%. Последняя категория включает торф, уголь,
солому, жидкое топливо.
В конце 2003 г. установленная мощность ТЭЦ составляла всего 2,3 МВтэ (одна
установка, работающая на биомассе, мощностью 1,5 МВтэ, и одна установка,
работающая на биогазе, мощностью 0,79 МВтэ). Установленная мощность
установок ЦТ, работающих на биомассе, составляла 301,4 МВтт (включая
установку, работающую на древесной биомассе, мощностью 264 МВтт).
12.4
Польша
Каменный уголь является основным видом топлива для ТЭЦ и установок ЦТ в
Польше, однако в настоящее время увеличивается использование газа, нефти и
биомассы для выработки малых количеств тепла. Хотя системы ЦТ используются
для обслуживания местных пользователей, они играют важную роль в народном
хозяйстве.
93
В таблице @@ приведены данные, иллюстрирующие применение биоэнергиии в
Польше. Основной объем потребляемой биомассы используется для производства
тепла работающими на древесине котлами малой мощности (< 500 кВт), которые, в
основном, установлены в отдельных зданиях, однако предполагается, что
использование биомассы в качестве топлива в системах ЦТ и ТЭЦ будет
возрастать. Использование древесных отходов для выработки энергии составляет
20-25 ПДж, что эквивалентно 3,3 Мм3. По оценкам в 2003 г. годовая выработка
тепла с использованием биомассы в качестве топлива составила 300 ТДж. В 2002 г.
имелось 3 работающих на древесных отходах ТЭЦ, большой мощности в бумажноцеллюлозной промышленности и 1 котел, утилизирующий черный щелок.
Планируется строительство еще одной промышленной ТЭЦ.
В 2001 г. использование соломы для производства энергии составило 40 000 тонн,
что эквивалентно приблизительно 500 ТДж. В настоящее время имеется около 40
работающих на соломе установок ЦТ малой и средней мощности (0,5/7 МВтт);
первая установка была введена в эксплуатацию в начале 90-х годов. Кроме того,
имеется около 100 котлов, работающих на соломе, на сельскохозяйственных
фермах.
Таблица : Производство биоэнергии в Польше (2002)
Число Установленная Выработка энергии
Технология использования биомассы / устано
мощность
Электри Тепловая
(МВт
/
МВт
)
спецификация
вок
ческая (ТДж/год)
т
э
(ГВтч/го
д)
ТЭЦ на целлюлозно-бумажных и
3
330 МВтт
449,1
5298,5
мебельных предприятиях
Установки ТЭЦ и системы ЦТ и
150
600 МВтт
9633,6
промышленные на древесине (тепло)
(>500 кВт)
Установки ТЭЦ и системы ЦТ ,
35
50,0 МВтт
802,8
работающие на соломе
(>500 кВт)
Установки ТЭЦ и системы ЦТ ,
110000
5500 МВтт
88308
работающие на древесине
(<500 кВт)
Установки ТЭЦ и системы ЦТ ,
150
45,0 МВтт
722,5
работающие на соломе
(<500 кВт)
ТЭЦ и системы ЦТ на биогазе
32
38.9 МВтэ
72,5
250
ТЭЦ и системы ЦТ на газе из
17
15.9 МВтэ
59,0
102
органических отходов
Всего
580,6
105117
94
12.5
Словения
В Словении общая мощность ТЭЦ, действовавших в конце 2003 г, составляла 14,8
МВтэ. Промышленные ТЭЦ вырабатывали 62% этой мощности. Ни одна из этих
установок не использовалась в системе ЦТ.
Имеются 3 установки ЦТ, работающие на древесине: в Предворе, мощностью 2,5
МВтт, в Горном граде, мощностью 4 МВтт, и в Железниках, мощностью 10,4 МВтт.
Общая мощность этих установок ЦТ составляет 16,9 МВтт.
12.6
Швеция
Швеция имеет эффективную сеть ЦТ. ЦТ обеспечивает половину всего
теплоснабжения зданий и помещений. Системы ЦТ расположены в 570 точках,
вырабатывая около 50 ТВтч (180 ПДж). К 2010 г. прогнозируется рост выработки
энергии на 10 ТВтч до приблизительно 60 ТВтч. В долгосрочном плане ЦТ имеет
потенциал для доведения своего удельного веса в обороте рынка теплоснабжения
Швеции до 75%, что будет соответствовать 80ТВт. На рис. @@ показано
потребление различных видов топлива системами ЦТ в 2001.
Рис. : Виды топлива, использовавшиеся ТЭЦ/системами ЦТ в Швеции в 2004 г.
Coal
Solid biofuel
Refuse
Electric boilers
Oil
RT-fuel
Уголь
Твердое биотопливо
Мусор
Электрические водогрейные котлы
Нефть
РТ (ракетное топливо)
95
Biogas
Others
Natural gas
Pine oil
Hot water
Waste heat
Peat
Heat pumps
Биогаз
Другие
Природный газ
Хвойное масло
Горячая вода
Отходящее тепло
Торф
Тепловые насосы
Из-за неблагоприятных ставок налогов и исторически низких цен на
электроэнергию, только незначительная часть сети ЦТ использовалась для
выработки электроэнергии ТЭЦ. Однако меры по изменению политики в этой
области, принятые в 2002 г., будут содействовать развитию комбинированного
производства тепловой и электрической энергии. С учетом прогнозируемых и
планируемых инвестиций предполагается, что производство электроэнергии ТЭЦ
возрастет с 5 ТВтч, вырабатываемых в настоящее время, до 11 ТВтч к 2010 г., что
соответствует 5% электроэнергии, вырабатываемой в Швеции.
Биоэнергия составляет 17% общего объема энергоснабжения в Швеции. На рис.
@@ показано расположение крупнейших пользователей древесного топлива.
Рис. @@@: Установки ЦТ, ТЭЦ и промышленные установки в Швеции в 2000 г.
96
DH and CHP plants
GWh per an
over 500 GWh per an
Industrial plants
Установки ЦТ и ТЭЦ
ГВтч в год
более 500 ГВтч в год
Промышленные установки
97
13
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И КОМБИНИРОВАННОГО
ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
13.1
Экономические расчеты в соответствии с методическими рекомендациями
VDI 2067
В руководящих рекомендациях VDI 20673 сформулированы принципы калькуляции
затрат на тепло, электроэнергию и выработку энергии. В соответствии с
методическими рекомендациями все виды затрат делятся на следующие 4 группы
затрат:
 капитальные затраты;
 затраты на потребление;
 эксплуатационные затраты;
 прочие затраты.
Расчет годовых капитальных затрат может производиться посредством умножения
коэффициента восстановления капитала (КВК) (см. уравнение) на величину затрат
на капиталовложения. Расчет этих затрат производится для каждой установки,
включенной в производственный процесс, с учетом различных периодов
эксплуатации.
(1+i)n ∙ i
Уравнение@@@: КВК = -----------(1+i)n - 1
где КВК = коэффициент восстановления капитала; i = реальная ставка процента [%
в год]; n = период эксплуатации [годы]
Все затраты, связанные с производственным процессом, т.е. затраты на топливо и
затраты на электроэнергию включены в категорию затрат "затраты на
потребление". Эксплуатационные затраты включают затраты, связанные с
эксплуатацией установки, т.е. затраты на содержание персонала и затраты на
техническое обслуживание и ремонт. Годовые затраты на техническое
обслуживание и ремонт определяются в процентном отношении к затратам на
капиталовложения по ориентировочным значениям или на основании
практического опыта и равномерно распределяются в пределах периода
эксплуатации. Расчет этих затрат производится для каждой установки, включенной
в производственный процесс, с учетом различных значений износа и периодов
эксплуатации
3
Методические
рекомендации
VDI
2067:
Berechnung
der
Kosten
von
Wärmeversorgungsanlagen, VDI-guidelines 2067-1. Основные экономические и технические
данные, VDI-Verlag GmbH (Ed.), Дюссельдорф, Германия, 1983.
98
Прочие затраты, такие как страховые взносы, общие взносы, налоги и
административные расходы определяются в процентном отношении к общим
затратам на капиталовложения.
13.2
Методология калькуляции затрат на электроэнергию, тепло и выработку
энергии
Для ТЭЦ расчеты затрат на производство тепловой и электрической энергии
производятся отдельно.
Следовательно, расчет капитальных затрат на
производство электроэнергии должен основываться на дополнительных затратах на
капиталовложения и учитывать только дополнительные затраты на
капиталовложения в ТЭЦ по сравнению с работающей на биомассе установкой
обычного типа с водогрейным котлом и такой же тепловой мощностью. Повидимому, этот подход можно считать обоснованным, так как местные ТЭЦ,
работающие на биомассе, в основном, вырабатывают технологическое тепло или
тепло на нужды централизованного теплоснабжения. Производство электроэнергии
является второстепенной функцией, и зависит, в основном, от уровня
рентабельности и необходимых дополнительных капиталовложений. Более того,
этот метод позволяет отделить затраты на производство электроэнергии от затрат
на производство тепла. Этот метод также позволяет выполнить точное сравнение
затрат только на выработку тепла и возможных применений ТЭЦ и создает основу
для точного расчета затрат на производство электроэнергии.
При использовании этого метода для калькуляции затрат, необходимо учитывать
годовые дополнительные затраты на производство электроэнергии по сравнению с
затратами при использовании установки, предназначенной только для выработки
тепла, имеющей идентичную тепловую мощность, и выполнять отдельно расчеты
затрат на производство тепловой и производство электрической энергии. Если
расчет производится только с целью определения затрат, связанных исключительно
с производством энергии ТЭЦ, затраты, связанные с использованием системы
распределения могут быть исключены из расчета.
Расчет удельных затрат на производство энергии может производиться
посредством деления общих годовых затрат (капитальных затрат, затрат на
потребление, эксплуатационных затрат и прочих затрат) на общее количество
произведенной энергии (тепла и электроэнергии) в соответствии с уравнением :
Уравнение @@@: Cspec 
Ctot
Qel  Qth
где,
Cspec = удельные затраты на производство энергии [Евро/кВтч];
Ctot = годовые затраты на выработку энергии [Евро /год];
Qel = годовое производство электроэнергии [кВтч эl/год];
Qth = годовое производство тепла [кВтч т/год]
(будет окончена)
99
14
БИБЛИОГРАФИЯ
"Сборник основной информации по древесному топливу". Координатор выпуска:
Сеть биоэнергии BENET, Йивескиле Сайетс Парк Лтд (Финляндия). ISBN
9525165191. Второе издание, 2002 г.
(Wood fuels basic information pack. Textbook co-ordinated by BENET Bioenergy
Network of Jyväskylä Science Park Ltd (Finland). ISBN 9525165191. Second edition
2002).
"Руководство по сжиганию биомассы и комбинированной топке различными
видами топлива". Подготовлено Рабочей группой 32 "Исполнительного соглашения
о биоэнергии" под эгидой Международного энергетического агентства. Изд. Сйаак
Ван Лоо и Яаап Коппейан, TNO-MEP, Апельдоорн (Нидерланды). ISBN
9036517737. Первое издание, 2002 г.
(Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. Prepared by Task 32 of the
Implementing Agreement on Bioenergy under the auspices of the International Energy
Agency. Eds. Sjaak van Loo and Jaap Koppejan, Apeldoorn (The Netherlands). ISBN
9036517737. First edition 2002).
"Руководство по производству энергии: технология  окружающая среда –
экономика". Подготовлено Центром технологии биомассы по поручению Датского
энергетического агентства". Изд. Хелле Серуп, Датский институт лесных и
ландшафтных исследований, Нерсхолм (Дания). ISBN: 87-90074-28-9. 2002 г.
Второе исправленное издание, 2002 г.
(Wood for Energy Production: Technology - Environment - Economy. Prepared by the
Centre for Biomass Technology on behalf of the Danish Energy Agency. Ed. Helle Serup,
Danish Forest and Landscape Research Institute, Hørsholm (Denmark). ISBN: 87-9007428-9. 2002. Second Revised Edition, 2002).
"Великолепие биоэнергии  в бизнесе и на практике". Ральф Е.Х. Симс.
Издательство: Джеймс энд Джеймс (Издательство научной литературы) Лтд,
Лондон (СК). ISBN 1 902916 28 X. Февраль, 2002 г.
(The Brilliance of Bioenergy - In Business and In Practice. By Ralph E H Sims.
Published by James & James (Science Publishers) Ltd, London (UK). ISBN 1 902916 28
X. February 2002).
"Выращивание энергии. Методы производства возобновляемой биоэнергии 
технология из Финляндии" Текес, Хельсинки (Финляндия), второе издание, 2004 г.
(Growing Power. Renewable solutions by bioenergy technology from Finland. Tekes,
Helsinki (Finland), Second Edition, 2004).
Ингвальд Обернбергер и Геролд Тек. "Основная информация о местных ТЭЦ,
работающих на биомассе, в отдельных странах-партнерах МЭА". Окончательный
отчет. BIOS, Граз (Австрия), февраль, 2004 г.
100
(Ingwald Obernberger and Gerold Thek, Basic information regarding decentralised CHP
plants based on biomass combustion in selected IEA partner countries. Final report.
BIOS, Graz (Austria), February 2004).
Ингвальд Обернбергер и Геролд Тек. "Технико-экономическая оценка отдельных
местных ТЭЦ, работающих на биомассе, в отдельных странах-партнерах МЭА".
Окончательный отчет. BIOS, Граз (Австрия), март, 2004 г.
(Ingwald Obernberger and Gerold Thek, Techno-Economic evaluation of selected
decentralised CHP plants based on biomass combustion in IEA partner countries. Final
report., BIOS, Graz (Austria), March 2004).
"Стратегия рыночного проникновения технологии комбинированного производства
тепловой и электрической энергии в европейских странах-участниках" Раздел 2.2
"Окончательного технического отчета о сети комбинированного производства
тепловой и электрической энергии (БиоКоген)", CRES, Греция, декабрь, 2003 г.
(Strategy for market penetration of biomass cogeneration in participating European
countries. Section 2.2 of the Final Technical Report of the Biomass Cogeneration
Network (BioCogen), CRES, Greece, December 2003).
"Растения – источники твердой биомассы". Подготовлен для "Промежуточного
отчета о сети комбинированного производства тепловой и электрической энергии",
(БиоКоген)", Джоаннеум Рисерч, Граз (Австрия), 2003 (?).
(Solid Biomass Plants. Prepared for the Interim Report for the Biomass Cogeneration
Network (BioCogen), Joanneum Research, Graz, Austria, 2003 (?)).
"Принципы проектирования котельных установок, работающих на биотопливе,
мощностью 10 МВт". "Отчет OPET по Финляндии 7". Материал собран для страниц
Интернет Сети ОРЕТ Марку Лехтиненом. Сейа Перко и Аско Ойаньеми, Эломатик
Ой, Йивескиле (Финляндия), 2002 г.
(Design principles of biofuel-fired heating stations of <10 MW. OPET Finland Report 7.
Material collected for the Internet pages of the OPET Network by Markku Lehtinen, Seija
Perko and Asko Ojaniemi, Elomatic Oy, Jyväskylä (Finland), 2002).
Терхи Ленсу и Ейа Алакангас. "ТЭЦ/установки ЦТ, работающие на биомассе, в
отдельных странах ЕС". Международный отчет. "Отчет ОРЕТ 14". Пhоцессы VTT.
Йивескиле (Финляндия), май, 2004 г.
(Terhi Lensu and Eija Alakangas, Biomass CHP/DH in selected EU countries. Cross
national report. OPET Report 14. VTT Processes, Jyväskylä (Finland), May 2004).
"Воздействие государственной политики в области биомассы в различных странах
на затраты на капиталовложения на работающих на биомассе котельных
установках централизованного теплоснабжения". "Окончательный отчет по
реализации проекта Биокост". EVA, Вена, (Австрия), апрель, 2000 г.
(Impact of different national biomass policies on investment costs of biomass district
heating plants. Final report of the Biocost project. EVA, Vienna (Austria), April 2000).
101
"Отопление зданий больших размеров древесным топливом. Основная информация
для проектировщиков". Брошюра выпущена в рамках проекта Алтенер "Биотепло
II" Группой SWS, Бэндон (Ирландия), и EVA (Австрия), 2003 г.
(Heating large buildings with wood fuels. Basic information for project planners.
Brochure produced in the frame of the Altener project Bioheat II by the SWS Group,
Bandon (Ireland), and EVA, Vienna (Austria), 2003).
102
ПРИЛОЖЕНИЕ A: ГЛОССАРИЙ
Определения типов топлива
Твердое топливо
Топливо не в жидкой форме, например, древесное топливо и
другие виды биомассы
Топливная щепа
Общий термин, обозначающий щепу подготовленную путем
измельчения для сжигания с использованием различных
методов
Общий термин, обозначающий щепу, полученную из сырой
древесины деревьев
Щепа, полученная из очищенных от ветвей и сучьев деревьев
Лесная щепа
Щепа из бревен или
щепа из
длинномерной
древесины
Щепа из целых
деревьев
Щепа из отходов
очистки деревьев
Щепа из пней
Щепа
из
отходов
деревообработки
Щепа из лесопильных
отходов
Опилки
Кора
Щепа из строгальных
отходов
Шлифовальная
древесная пыль
Отходы
фанерного
производства
Непокрытая древесина
Щепа, полученная из надземной биомассы дерева (т.е. ствола,
ветвей, хвои или листьев)
Щепа, полученная из ветвей и вершин (крон) после заготовки
деловой древесины
Щепа, полученная из пней или коряг
Щепа, полученная из необработанных отходов промышленной
древесины (боковин, откомлевок и т.д.)
Щепа, полученная из побочных продуктов лесопильного
производства с остатками или без остатков коры
Древесная
пыль,
являющаяся
побочным
продуктом
лесопильного производства
Отходы в форме коры, полученные при обработке деловой
(поделочной) древесины, полученные с использованием
различных методов окоривания деревьев
Отходы, полученные при строгании древесины
Пылеобразные древесные отходы, образующиеся при
шлифовании необработанной древесины и досок; не должны
содержать клеев во вредных количествах .
Отходы фанеры, образующиеся при производстве фанеры на
предприятии; не должны содержать клеев во вредных
количествах.
Щепа, полученная из древесины,
не подвергавшейся
химической обработке, доставленной со строительных
площадок и муниципальных объектов; не должны содержать
отходы, древесины, подвергавшиеся химической обработке.
103
Объем и плотность топлива
Кубический метр твердого
топлива
Объемный кубический
метр
Объемная плотность
Плотность щепы
м3: кубический метр твердого объема, включая кору
м3 общего (навального) объема: кубический метр
щепы
кг/м3 общего (навального) объема: масса и вес
измеренные при получении
м3/м3 общего (навального) объема: твердый объем/
общий объем
104
Словарь терминов,
оборудование
Раскряжевка
(распиловка, разделка
долготья)
Пакетирование
Рубильная машина
Колка
Дробилка
Измельчение
Рубка
Очистка от ветвей
Валочнопакетирующая
машина
Валка
Транспортировка в
лесу
Форвардер
Трелевка в
погруженном
положении
Лесозаготовительная
машина
Трелевка
обозначающих
лесозаготовительные
операции
и
Разрезка сваленных целых деревьев или частей деревьев на
бревна (сортимент лесоматериала)
Подбор и формирование из целых деревьев или частей
деревьев пачек или штабелей.
(Передвижная) машина, предназначенная для переработки в
щепу целых деревьев или частей деревьев.
Расщепление деревьев на тонкие отрезки заданных размеров.
(Передвижная) машина, предназначенная для измельчения
целых деревьев или частей деревьев сжатием или ударным
воздействием.
Измельчение целых деревьев или частей деревьев сжатием или
ударным воздействием. .
Валка деревьев в сочетании с другими заготовительными
операциями, такими, как очистка от ветвей и раскряжевка.
Удаление ветвей с целых деревьев или частей деревьев.
Самоходная машина, предназначенная для валки деревьев и
формирования из них пачек.
Рубка или корчевание деревьев.
Транспортировка лесоматериалов или лесосечных отходов с
помощью форвардеров из леса к основной дороге.
Самоходная машина, предназначенная для транспортирования
целых деревьев или частей деревьев с лесосеки к основной
(обычно лесной) дороге.
Транспортирование целых деревьев или частей деревьев над
поверхностью земли.
Самоходная многофункциональная машина, выполняющая
валку леса в сочетании с другими заготовительными
операциями. Лесозаготовительные машины
делятся на
следующие два основных типа в зависимости от того, для
выполнения какой основной лесозаготовительной операции
они предназначены при валке и пакетировании деревьев:
однозахватные лесозаготовительные машины и двухзахватные
лесозаготовительные машины.
Транспортирование целых деревьев или частей деревьев
посредством их подтаскивания.
105
ПРИЛОЖЕНИЕ
Б:
КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕСЧЕТА
ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА
ДЛЯ
Единицы и значения энергии лесной щепы
Единица
Тип
Влажност
м³
древесин
ь
навальн
ы
Тонна
Тонна
МВтч
“atro”
ый
content
l м³
Объем
навальны
щепы
Ель
15 %
l
0,2
0,17
0,876
30 %
l
0,25
0,17
0,847
45 %
l
0,31
0,17
0,819
15 %
l
0,32
0,27
1,298
30 %
l
0,39
0,27
1,252
45 %
l
0,49
0,27
1,18
15 %
5
l
0,85
4,38
30 %
4
l
0,68
3,338
45 %
3,2
l
0,55
2,621
15 %
3,1
l
0,85
4,024
30 %
2,6
l
0,69
3,255
45 %
2,1
l
0,55
2478
15 %
5,88
1,18
l
5,151
30 %
5,88
1,47
l
4,98
45 %
5,88
1,82
l
4,816
15 %
3,7
1,18
l
4,803
30 %
3,7
1,44
l
4,632
45 %
3,7
1,81
l
4,366
15 %
1,14
0,228
0,194
l
30 %
1,18
0,295
0,2
l
45 %
1,22
0,382
0,208
l
15 %
0,77
0,248
0,208
l
30 %
0,8
0,307
0,215
l
45 %
0,85
0,403
0,229
l
й
Береза
l тонна
Вес
Ель
зеленой
щепы
Береза
l тонна
Вес сухой
"atro"
щепы
Ель
Береза
l МВтч
Ель
Береза
106
Зависимость плотности древесины березы и ели от метода штабелирования и
влажности
Береза
Твердый Штабель Навальн
кубическ
ий метр
ный
ый
кубическ кубичес
ий метр
кий
("кубоме
метр
тр")
(общего
объема)
Влажность
(кг/м³)
(кг/м³)
(кг/м³)
0%
558
391
229
20%
656
460
269
40%
797
559
327
1,116
781
458
100%
Ель
Твердый Штабель Навальн
кубическ
ий метр
ный
ый
кубическ кубичес
ий метр
кий
("кубоме
метр
тр")
(общего
объема)
Влажность
(кг/м³)
(кг/м³)
(кг/м³)
0%
379
265
155
20%
446
312
182
40%
541
379
221
100%
758
531
311
107
Сравнение значений теплоты сгорания со значениями теплоты сгорания
других видов топлива/энергоносителей
Сравнение значений теплоты сгорания со значениями теплоты сгорания
других видов топлива по массе топлива
Топливо
Теплота сгорания
(энергоноситель)
(среднее значение)
1 кг печного топлива
КВтч
42 МДж/кг (36 ДЖМ/л) 11,67 кВтч /кг (10 кВтч /л)
(сверхлегкого)
1 кг печного топлива
41 МДж/кг
11,40 кКВтч /кг
1 кг каменного угля
29 МДж/кг
8,06 кВтч /кг
1 кг кокса
29 МДж/кг
8,06 кВтч /кг
1 кг бурого угля
15 МДж/кг
4,17 кВтч /кг
1 м³ природного газа
37 МДж/м³
10,28 кВтч /м³
1 кВтч электроэнергии
3,6 МДж
1,0 кВтч
(легкого)
1 кг древесины (влажность: 14,4 МДж/кг
4,0 кВтч /кг
20 %), среднее значение
Из приведенных данных можно заключить, что теплота сгорания древесины сопоставима
с теплотой сгорания бурого угля хорошего качества, и что 1 кг нефти можно заменить
приблизительно 3 кг древесины.
1 кг нефти = 3 кг древесины
Теплота сгорания коры ели аналогична теплоте сгорания древесины. Навальный м3
коры весит в среднем от 250 до 300 кг, и при ее заготовке обычным способом в зимний
период ее влажность составляет приблизительно 50% и теплота сгорания  от 550 до
550 кВтч (около 2 кВтч/кг).
Эквивалентные
древесины
значения
теплоты
сгорания
нефти

Для грубого вычисления можно использовать следующие ориентировочные исходные
значения:
1000 литров топлива можно заменить:

прибл. 5 - 6 штабельными м3 твердой древесины

прибл. 7 - 8 штабельными м3 мягкой древесины
Для щепы из-за большей рыхлости
навального материала и в зависимости от ее
качества эквивалентное значение составляет:

прибл. 10 - 15 штабельных м3
108
Указанные значения получены в результате сравнения с использованием значений
чистого количества и энергосодержания материалов.
109
Коэффициенты
древесины
Приведенные
пересчета
в
таблице
для
стандартного
значения
сортимента
коэффициентов
топливной
пересчета
являются
приблизительными. Действительные значения могут изменяться в зависимости от
укладки,
гранулометрического
состава,
сжатия
при
транспортировке
и
т.д.
(в
соответствии с ÖNORM M 7132).
Твердый м3 Твердый м3 Кубометр
круглого
колотой
Навальный Навальный Навальный
отрезков
м3
лесоматера топливной древесины
1 твердый м3 круглого
ла
древесины
1
1,4
0,7
отрезков
м3
м3
Древесной Древесной
(в
древесины
щепы
щепы
штабеле)
(навалом)
(мелкой)
(крупной)
1,2
2
2,5
3
1
0,85
1,4
1,8
2,15
0,85
1,2
1
1,67
2
2,5
0,5
0,7
0,6
1
1,25
1,5
0,4
0,55
0,5
0,8
1
1,2
0,33
0,47
0,4
0,67
0,85
1
лесоматерала
1 штабельный м3 колотой
топливной древесины,
отрезками длиной 1 м, в
штабеле
1 штабельный м3 колотой
топливной древесины,
готовой для сжигания в
топке, в штабеле
1 навальный м3 колотой
топливной древесины,
готовой для сжигания в
топке
1 навальный м3 лесной
щепы (мелкой), до 30 мм
1 навальный м3 лесной
щепы (крупной), 30-150 мм
1 тонна мелкой щепы влажностью 25% равна:

прибл. 4 навальным м3 мелкой лесной щепы (ель)

прибл. 3 навальным м3 мелкой лесной щепы (береза)

колотая древесина – отрезки длиной 25 см: 1 навальный м3 = 0,72
штабельных м3 (кубометра)

колотая древесина - отрезки длиной 33 см: навальный м3 = 0,68
штабельных м3 (кубометра)
Побочные продукты лесопильного производства
Щепки, боковые доски
В связке
Кубометр
0,55-0,65
(0,60 в среднем)
Щепа
Навалом
Навалом м3
0,35, твердый м3
деревообрабатывающег
110
о производства
(до 50 мм)
Стружка, 5 мм
Навалом
Навалом м3
0,33, твердый м3
Строгальная стружка
Навалом
Навалом м3
0,20, твердый м3
Кора, без определения
Навалом
Навалом м3
0,25-0,40, твердый м3
размеров
111
Характеристики топлива и энергосодержание
Лесная щепа, ель
Водосодержание
0%
10%
30%
Увеличение объема
0.05
0.1
Вес (навальный)
180
191
239.14
Евро / навальный, м3
16.71
16.71
16.71
Низкая теплота
5.22
4.63
3.45
сгорания / кг
Энергия / навальный,
939.6
884.35
825.11
3
м
Затраты на
1.74
1.89
2.03
производство энергии,
цент/кВч
Промышленная щепа (щепа от переработки
деревьев)
Водосодержание
0%
45%
50%
Увеличение объема
0.05
0.1
Вес (навальный)
180
318.27
342
Евро / навальный, м3
8.72
8.72
8.72
Низкая теплота
5.22
2.57
2.27
сгорания / кг
Энергия / навальный,
939.6
816.51
776.51
м3
Затраты на
0.94
1.09
1.09
производство энергии,
цент/кВч
Материал, полученный при обработке, ель
Водосодержание
0%
45%
50%
Увеличение объема
0,05
0,1
Вес (навальный)
100
176,82
190
Евро / навальный, м3
5,09
5,09
5,09
Низкая теплота
5,22
2,57
2,27
сгорания / кг
Энергия / навальный,
522
453,62
431,4
м3
Затраты на
0,94
1,09
1,16
производство энергии,
цент/кВч
Кора, ель
Водосодержание
0%
50%
55%
Увеличение объема
0,05
0,1
Вес (навальный)
160
312
339,56
Евро / навальный, м3
3,63
3,63
3,63
Низкая теплота
5,22
2,27
1,98
сгорания / кг
40%
0.15
273
16.71
2.86
50%
0.15
333
16.71
2.27
780.89
756.08
2.11
2.25
целых
55%
0.15
373
8.72
1.98
60%
0.15
423
8.72
1.68
736.88
710.89
1.16
1.24
55%
0,15
207,22
5,09
1,98
60%
0,15
235
5,09
1,68
409,38
394,94
1,24
1,31
60%
0,15
376
3,63
1,68
65%
0,15
433,14
3,63
1,39
112
Энергия / навальный,
м3
Затраты на
производство энергии,
цент/кВч
Стружка, ель
Водосодержание
Увеличение объема
Вес (навальный)
Евро / навальный, м3
Низкая теплота
сгорания / кг
Энергия / навальный,
м3
Затраты на
производство энергии,
цент/кВч
835,2
708,4
670,81
631,91
600,18
0,44
0,51
0,51
0,58
0,58
0%
120
5,81
5,22
45%
0,05
212,18
5,81
2,57
50%
0,1
228
5,81
2,27
55%
0,15
248,67
5,81
1,98
60%
0,15
282
5,81
1,68
626,4
544,34
517,67
491,25
473,93
0,94
1,09
1,09
1,16
1,24
113