Расход топлива котлами

Расход в идеальных условиях

      Биотопливо — термин, использующийся в сельском хозяйстве для органических материалов, при разложении которых выделяется тепло (навоз и др.), в последнее время все чаще применяется для топлива на основе растительной массы — древесины, остатков переработки сельхоз культур и т. д. Использование биотоплива в тепловой энергетике имеет свои особенности. Биотопливо — местный вид топлива, в большинстве случаев использующийся для целей энергоснабжения на месте получения отходов, будь то опилки, горбыль или шелуха гречихи. Это связано в первую очередь с низкой теплотой сгорания неподготовленного топлива (опил, щепа, и т.д.) и большими расходами на транспортировку, однако стремительно набирает силу производство топливных гранул из древесного сырья, что делает транспортировку топлива и более широкое применение экономически выгодным, в частности, в коммунальном хозяйстве, как серьезная альтернатива газу или углю.

        Огромные ресурсы биотоплива гниют на свалке. Легко транспортируемый газ лучше продавать в Европу, а биотопливо использовать на месте.

   В действительности на настоящий момент основными потребителями тепловой энергии от сжигания биомассы становятся деревоперерабатывающие предприятия, где часто проектированием, подбором оборудования занимаются без привлечения специализированных организаций. Для многих предприятий лесной отрасли проблема утилизации отходов стоит очень остро, применение котлов сжигающих горбыль, опил, щепу, позволяет отходы превратить в доходы.

    Исходя из такой специфики использования оборудования и учитывая широкий разброс характеристик, заявляемых производителями котельных установок, не лишним будет разобраться в основных параметрах более подробно.

      Одной из основных характеристик при выборе котла, работающего на отходах древесины, можно считать расход топлива. В случае газа или жидкого топлива все более или менее просто. Указанный в паспорте котла расход и будет в реальности если производитель не соврал.

     В случае биотоплива все много сложнее. Теплотворная способность газа или, скажем, диз. топлива достаточно стабильна, у биотоплива имеется сильный естественный разброс характеристик. Для примера возьмем древесину в виде топливных гранул (пеллет) и опилок. Для определения расхода топлива необходимо количество энергии, отдаваемое котлом, разделить на количество энергии получаемое при сжигании 1 кг топлива (без учета потерь, КПД и т. д. для простоты). Удельная теплота сгорания топлива измеряется в [Дж/кг]. Соответственно мощность котла выражаемую в [Вт] надо привести к [Дж]. Для этого, зная что 1 Вт=1Дж/с, необходимо для случая часового расхода мощность котла в [Вт] умножить на 3 600 секунд составляющих час. Например: котел КВм(а)-0,82 мощностью 820 кВт в час производит 820 000 [Вт]*3600 [с]=2 952 000 000 [Дж] тепловой энергии. Один параметр для вычисления расхода у нас есть.

     Со вторым параметром связана основная сложность. Дело в том, что удельная теплота сгорания приводится для справки, и это теоретический максимум, который можно получить в идеальных условиях, реальные значения могут лишь приблизится к этой величине. В энергетике для определения реальных величин расхода используются понятия высшей теплоты сгорания и низшей теплоты сгорания. При этом высшая теплота сгорания есть удельная теплота сгорания при идеальных условиях. Низшая теплота сгорания отражает реальное количество теплоты, которое будет получено при сжигании. Отличия высшей и низшей теплоты сгорания в первую очередь связаны с содержанием влаги в реальном топливе. Здесь имеется еще один подводный камень, связанный с определением "влажность топлива".

    В энергетике под влажностью понимают влагосодержание. Влагосодержание — величина, показывающая процент воды в топливе; то есть при влагосодержании 10% в 1 кг топлива содержится 100гр воды, при влагосодержании 50% в 1 кг, топлива 0.5 кг воды. В деревообработке используется влажность, которая рассчитывается по формуле : W=(m-m₀)/m₀*100%, где m — начальная масса образца древесины, m₀ — масса образца после полного высыхания. Соответственно при влагосодержании 10% влажность составит 11,1% , при 50% влагосодержании влажность будет уже 100%.

      Рассмотрим случай 50% влагосодержания, при этом в 1 кг топлива только 0,5 кг "чистого топлива", без воды. Если не брать в расчет затраты энергии на нагревание и испарение этой влаги, то теплота сгорания такого топлива составит не более половины от высшей теплоты сгорания, а расход при той же мощности будет в 2 раза больше по отношению к абсолютно сухому топливу. Ясно, что в реальности воду приходится нагревать и испарять, и реальная теплота сгорания (низшая теплота сгорания) будет более чем в 2 раза ниже высшей теплоты сгорания. Заметим, что при влагосодержании более 60% сжигание топлива становится бесполезным. Транспортировка топлива с влагосодержанием более 30-40% малоэффективна. Перейдем к определению реальных цифр расхода. За основу возьмем высшую удельную теплоту сгорания древесного топлива согласно справочнику: 18-21 мДж/кг. Даже эта относительно постоянная величина в различных справочниках имеет разное значение. Связано это с колебаниями состава в зависимости от породы древесины (очень незначительный вклад), части дерева взятой на исследование (наличие коры, элементов кроны, зольности), точности измерений.

      Далее для определения часового расхода произведем вычисления: 2 952 000 000 [Дж]/20 000 000 [Дж/кг]=147.6 [кг] — это минимально возможный расход, в реальности же расход будет выше. Низшая теплота сгорания свежесрубленной древесины находится в пределах 5-10 мДж/кг соответственно, расход при использовании такого топлива составит — 590-295 кг и это без учета КПД и других потерь. Для сравнения топливные гранулы (пеллеты), соответствующие не самому жесткому европейскому стандарту DIN 51 731, имеют низшую теплоту сгорания 17.5-19.5 мДж/кг и расход для котла составит 168-151 кг и это притом, что топливные гранулы кроме высушенной древесины в своем составе больше ничего не содержат.

    Легко видеть, что расход древесного топлива котлом любой конструкции при постоянной мощности может отличаться в разы только из-за различной влажности топлива. Если в паспорте котла указан расход, например, дров без указания их влажности, то такая информация не несет сведений об экономичности установки. Сравнивать расход топлива по таким цифрам с целью выбора более экономичного котла смысла не имеет.

      Добавим, что все расчеты приведены без учета потерь; для котла, непрерывно работающего на полной мощности. Все цифры расхода являются минимальными, в реальности они будут всегда выше на величину необходимую для компенсации потерь. Никакие "хитрые и продвинутые" способы сжигания не дают возможности иметь расход ниже рассчитанного приведённым выше способом. Таким способом можно оценить минимальный расход имеющегося топлива для любой мощности котла и влажности древесины.

     Нужно упомянуть об использовании конденсационного режима работы котла. Разница между высшей теплотой сгорания (ВТС) и низшей теплотой сгорания (НТС) уходит на нагрев и большей частью на испарение воды из топлива. При этом пар вместе с дымовыми газами уходит в трубу унося с собой тепло. Если сконденсировать пар из дымовых газов можно вернуть большую часть разницы между ВТС и НТС. Однако при конденсации пара из дымовых газов, в этой влаге растворятся оксиды различных веществ из дыма, с образованием различных кислот и щелочей. Даже невысокая концентрация при достаточно высокой температуре быстро приведет к разрушению конвективной части котла ( либо она должна быть изготовлена из нержавеющей стали с очень высоким содержанием хрома и с не менее высокой ценой). Так же необходимо обеспечить достаточно низкую температуру обратной воды (30-40 градусов Цельсия), что, например, при сушке древесины проблематично.