Технологія: Опалення Соломою

Використанння соломи та пожнивних решток для ЦТ

Солома та стебла кукурудзи є найдешевшим паливом для котелень і ТЕЦ в Україні та багатьох інших країнах. Цієї сировини багато в країнах з великим виробництвом зернових. Однак, це також одне з складніших видів палива з вищим вмістом золи, ніж деревина, зазвичай в діапазоні 2-10%, і низькою температурою плавлення золи, 680-900 °C (при 680 °C зола стає липкою і починає утворювати шлаки, при 900 °C це густа рідина). Солома широко використовується для централізованого опалення в Данії, де 9% (12 ПДж) централізованого опалення надходить від спалювання соломи, та невеликий додатковий внесок становить солома, яка використовується на біогазових установках.

Солому можна використовувати на когенераційних установках і в котлах, призначених лише для виробництва тепла, від невеликих побутових котлів до великих когенераційних установок. Технологія когенерації – це зазвичай парові турбіни для великих установок і турбіни органічного циклу Ренкіна для установок з потужністю близько 20 МВт теплових. Для установок потужністю понад 1 МВт обладнання зазвичай оснащено конденсатором димових газів, і вони можуть досягати сумарної ефективності вище 100% (з нижчою теплотворною здатністю - НТЗ* - у якості еталону). Основні технології:

• Котли для малих тюків з автоматичним або ручним запалюванням, для ферм тощо із типовою тепловою потужність 40-100 кВт.
• Котли для великих тюків з періодичним спалюванням (тюк транспортується трактором в камеру котла), типова теплова потужність 100-500 кВт, використовується для закладів (школи, лікарні, басейни тощо).
• Котли з автоматичним розпалом великих тюків з рухомою перештовхувальною решіткою для подачі соломи в камеру спалювання котла, типова теплова потужність 1-25 МВт.
• ТЕЦ з автоматичним спалюванням великих тюків, з використанням рухомих решіток, типова теплова потужність 10-150 МВт. Електричний ККД коливається від приблизно 15% для найменших установок до 30% для установок середнього діапазону потужністю 60-100 МВт теплових).
• ТЕЦ з автоматичним спалюванням великих тюків, з використанням спалювання в киплячому шарі, типова теплова потужність 20-300 МВт.

* Для нижчої теплотворної здатності (НТЗ) енергія в паливі не включає конденсацію пари в димовому газі, і якщо пара конденсується, можна досягти вище 100%. Для вищої теплотворної здатності (ВТЗ) включається енергія конденсації пари в димовому газі.

Важливим питанням використання соломи є її постачання. Електротанції та котельні, як правило, мають довгострокові контракти з фермерами або самі розміщені на територіях фермерських господарств, які вирощують солому. У контрактах має бути вказано розмір і тип тюків соломи, а також її вологість. Деякі станції створені для спалювання як соломи, так і іншої біомаси, як, наприклад, деревної тріски, щоб уникнути залежності від занадто малої кількості постачальників палива.

Ще одне важливе завдання – це зберігання соломи, оскільки її необхідно зберігати від збору врожаю протягом усього опалювального сезону до наступного збору врожаю. Часто це робиться за допомогою розташування складу для зберігання запасу соломи біля котельної/ТЕЦ для як мінімум дводенної роботи станції на повній потужності та використання додаткових складів на фермах або зберігання на полях, де солому покривають пластиком, щоб уникнути надмірної вологості.

Основними викидами в повітря є частки та NOx. Викиди SO2 низькі завдяки низькому вмісту сірки в соломі. Через високий вміст золи та пилу в димовомих газах, димовий газ зазвичай фільтрується для збору летючої золи. Фільтри є відносно дорогими для невеликих установок, тому більшість установок потужністю декілька сотень кВт мають принаймні рукавні фільтри або електростатичні фільтри, які можуть забезпечити низькі викиди частинок. Для великих установок у країнах ЄС також часто потрібна очистка від NOx.

Більша частина золи – це подова зола, а менша частина – летка зола. Зазвичай цю золу можна використовувати на полях, оскільки вона містить калій, який є поживною речовиною для рослин. Під час збирання зернових найбільше (2/3) калію міститься в соломі, і щоб зберегти калій у ґрунті, золу можна повернути на поле. Лише невелика частина зібраного фосфору та азоту знаходиться в соломі, менше 20%, решта +80% у зерні.

У золі є невеликий вміст важких металів, зазвичай вміст у подовій золі незначний, тоді як кількість у леткій золі може бути більшою.

Приклади

ЦТ міста Мьорке (Mørke)

У данському місті Mørke з населенням 1698 осіб місцева компанія централізованого теплопостачання з 609 підключеними споживачами запустила в 2018 році котел, що працює на соломі потужністю 4,5 МВт, у поєднанні зі складом для великих тюків соломи з автоматичним спалюванням і накопичувачем тепла у формі резервуара гарячої води об’ємом 1400 м3 з теплоакумулюючою потужністю 80 МВт·год.

Лісб’єрг/Орхуська ТЕЦ на соломі

Компанія централізованого теплопостачання датського міста Орхус із населенням 285 000 жителів відкрила у 2017 році ТЕЦ на соломі в передмісті Лісб’єрга з 37 МВт електричної потужності та 77 МВт теплової потужності. Завод має склад соломи на 3 дні роботи на повну потужність. Установка оснащена рукавним фільтром, NOx-очищенням і конденсацією димових газів. Конденсація димових газів забезпечує 100% ефективність використання тепла та електроенергії разом. Завод може працювати лише на соломі та з комбінацією 50-100% соломи та 0-50% деревної тріски.

Технічні параметри котлів, що працюють лише на соломі

• Розміри: від 50 кВт до 25 МВт. Вони також можуть бути більшими.
• ККД: для котлів понад 1 МВт з конденсацією димових газів, ККД 100-104%, на основі нижчої теплотворної здатності (НТЗ).
• Термін служби: технічний термін служби 25 років.
• Вимоги до площі: 200 м2/МВт, більше, якщо на місці є велике сховище для соломи.
• Вимушені відключення: 4% часу.
• Викиди:
  • NOx: 70-90 г/ГДж палива (без очищення NOx).
  • Частинки: без очищення 200-300 мг/Нм3 димових газів, за допомогою рукавних фільтрів можна знизити до 0,3 г/ГДж. За допомогою рукавних фільтрів легко відповідати вимогам ЄС у 45 і 30 мг/Нм3, які необхідні для котлів відповідно 1-5 МВт і більше 5 МВт відповідно до Директиви ЄС про установки спалювання середньої потужності (Medium Combustion Plant Directive (MCP).
  • Менші заводи також матимуть викиди CO та органычного газоподібного вуглецю (ОГВ) від неповного згоряння.

Фінансові параметри для котлів, що працюють лише на соломі, потужністю 3-10 МВт

• Номінальна інвестиція: 900 000 Євро/МВт теплової потужності.
• Фіксована експлуатація та технічне обслуговування: 52 000 МВт євро/МВт теплової потужності.
• Змінні експлуатаційні витрати та на технічне обслуговування: 0,67 євро/МВт теплової потужності + споживання електроенергії 22 кВт/МВт теплової потужності, включаючи автоматичну систему розпалу.

Технічні параметри когенераційних установок, що працюють на соломі

• Розміри: від 10 МВт до 300 МВт теплової потужності.
• Ефективність на основі нижчої теплотворної здатності:
  • Електрична ефективність 15% для менших ТЕЦ (опалення 15 МВт, турбіна з органічним циклом Ренкіна - ORC), 30% для більших ТЕЦ (опалення 50 МВт і більше, парова турбіна).
  • Загальна ефективність 100% з конденсацією димових газів.
• Термін служби: технічний термін служби 25 років.
• Вимоги до площі: 1000 м2/МВт, більше, якщо на місці є великий склад для соломи.
• Вимушені відключення: 3-4% часу.
• Викиди:
  • NOx: 70-90 г/ГДж палива (без очищення NOx).
  • Частинки: за допомогою рукавних фільтрів можна зменшити до 0,3 г/ГДж, що може відповідати вимогам ЄС у 30 мг/Нм3, які необхідні для котлів на твердому паливі потужністю 5-50 МВт відповідно до Директиви ЄС про установки середньої потужності для спалювання (EU Medium Combustion Plant Directive (MCP).

Фінансові параметри ТЕЦ на соломі з тепловою потужністю 15 МВт, турбіна ORC**

• Номінальні інвестиції: 1 200 000 євро/МВт теплової потужності, що відповідає 6 900 000 євро/МВт електричної потужності.
• Фіксовані експлуатаційні витрати та на технічне обслуговування (O&M): 54 000 євро/МВт теплової потужності, що відповідає 318 000 МВт електричної потужності.
• - Змінні експлуатаційні витрати та на обслуговування (O&M): 0,7 євро/МВт теплової потужності, що відповідає 4,5 євро/МВтгод електричної потужності.

Фінансові параметри ТЕЦ на соломі тепловою потужністю 100 МВт, парова турбіна**

• Номінальні інвестиції: 1 500 000 євро/МВт теплової потужності, що відповідає 3 500 000 євро/МВт електричної потужності.
• Фіксовані експлуатаційні витрати та на технічне обслуговування (O&M): 54 000 євро/МВт теплової потужності, що відповідає 126 000 МВт електричної потужності.
• Змінні експлуатаційні витрати та на обслуговування (O&M): 0,9 євро/МВт теплової потужності, що відповідає 2,1 євро/МВтгод електричної потужності.

** Фінансові параметри вказані на МВт теплової потужності або на МВт електричної потужності. Для оцінки витрат виберіть один із вихідних параметрів і помножте його на фінансові параметри.

Джерела інформації

Розрахунок енергії та економіки

• Каталог технологій для постачання електроенергії та тепла Датського енергетичного агентства, онлайн

Кейси

• Mørke District Heating: moerkefjernvarme.dk

Aarhus / Lisbjerg Straw Fired CHP plant

• energy-supply.dk
• cowi.dk

Постачальники та установники технологій

• linkaenergy.com
• faust.dk (boilers below 1,5 MW)

Технічні консультації

• planenergi.eu

Інші джерела

• Температура плавлення золи: характеристика плавлення золи із суміші очерету та пшеничної соломи, Сіім Лінк, Патрік Іряс (Академічний університет Åbo), Даніель Ліндберг та інші - researchgate.net
• Вміст рослинних поживних речовин у золі від спалювання соломи: Separation og genanvendelse af aske fra biobrændselsanlæg, chapter 8: Anvendelse af halmaske til landbrugsformål. Датське екологічне агентство, 2004 - www2.mst.dk
• Викиди частинок від спалювання соломи: Halmfyr, Miljøprojekt 1958, Датське екологічне агентство, 2017 - mst.dk