Перспективным источником древесного биосырья являются быстрорастущие насаждения, прежде всего, ива, тополь (одна тонна ивовой щепы (сырой массы) дает 8,9 ГДж, то есть примерно столько, сколько и одна тонна торфяных брикетов (для сравнения, 1 тонна мазута – 38,5 ГДж).

Для определения топливных свойств древесины используются два вида анализа

Технический анализ представляет собой определение с применением предписанных методов содержания влаги (ISO 331), содержания летучих веществ (ISO 562), зольности (ISO 1171) и содержания связанного углерода (ISO 609) в топливе.

Элементарный анализ представляет собой определение с применением предписанных методов элементарного состава топлива. Количество летучих веществ определяется с применением стандартных методов.

Теплотворная способность определяется высшей теплотой сгорания (высшая теплотворная способность (ВТС) или низшей теплотой сгорания (низшая теплотворная способность (НТС). Величина низшей или высшей теплоты сгорания может определяться на единицу сухого топлива (как правило, кг или м³) или на единицу топлива с учетом его влажности. Кроме влаги, содержащейся в топливе, влага также образуется при сгорании водорода. Уровень влажности определяет различие между высокой и низкой 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. Теплотворная способность обычно выражается в МДж/кг. Значение ВТС топливной биомассы обычно составляет от 18 до 21 МДж/кг, что соответствует ВТС торфа, но значительно ниже, чем ВТС нефти.

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.

Процесс сжигания местных видов топлива при смешивании с воздухом состоит из нескольких этапов. На рис. 2.1. представлена диаграмма горения древесины и выделения тепла.

Рис. 2.1. Диаграмма горения топлива и выделения тепла

Как видно из рис. 2.1, на первом этапе требуется дополнительное тепло для испарения влаги, высушивания и воспламенения топлива. При температуре свыше 100ºС начинается процесс пиролиза, при котором летучие вещества углеводородных соединений начинают испаряться.

В интервале 200–300ºС происходит воспламенение твердого топлива. Сухая солома воспламеняется при температуре около 200ºС, сухой торф – при температуре 225–280ºС, сухая древесина – 220–300ºС. При температуре 500–600ºС начинается процесс горения летучих компонентов, содержание которых в горючем веществе составляет около 75 %. В интервале 800–900ºС происходит сгорание твердого углерода и смолы, образующие при этом дымогарные газы дожигаются в камере с подачей воздуха (газогенераторный процесс). При этом дополнительное выделение тепла повышают температуру газов до 1000–1100ºС. В полученной газо-воздушной смеси сгорают токсичные образования, тяжелые соединения и частицы сажи.

Процесс горения и, соответственно, уровень выбросов и энергетический КПД зависят от большого числа переменных. Это следует учитывать при проектировании и эксплуатации любых установок, работающих на биомассе.

В зависимости от технологии сгорание топлива может быть полным и неполным. При полном сгорании происходит выброс двуокиси углерода, оксидов азота и серы, хлористого водорода, частиц и тяжелых металлов. При неполном сгорании топлива образовываются и происходят выбросы моноокиси углерода, несгоревшие углеводороды, частицы, полихлорированные диоксины и фураны, аммиак.

Рассмотрим ряд факторов, влияющих на процесс сгорания топлива.

1. Механизмы теплопередачи. Теплообмен может осуществляться посредством передачи, конвекции и излучения теплоты. Для обеспечения низкого уровня выбросов при неполном сгорании топлива необходимо минимизировать потери тепла в топочной камере посредством оптимизации переменных характеристик, оказывающих прямое воздействие на механизмы теплопередачи. Также для получения высокого теплового КПД необходимо обеспечить эффективный теплообмен между топочной камерой и впуском дымовой трубы. Эффективный теплообмен необходим для получения высокого теплового КПД. Управление активным процессом теплообмена осуществляется с помощью систем управления, регулирующие переменные параметры технологического процесса, такие, например, как количество воды, протекающее через котел.

2. Аккумулирование теплоты. Значительное количество теплоты аккумулируется в стенках топочной камеры, забирающих теплоту из объема топочной камеры на первоначальном этапе процесса горения. Это явление играет особенно важную роль при сжигании биомассы в установках малой мощности. Аккумулированное тепло, передаваемое в окружающую среду со значительной задержкой во времени, используется в печах с аккумуляцией тепла (теплоаккумулирующие печи). Однако на начальном этапе процесса горения может наблюдаться высокий уровень выбросов от неполного сгорания.

3. Изоляция. Передача тепла происходит через стенки топочной камеры. Улучшить изоляцию топочной камеры можно посредством увеличения толщины изоляционного слоя или использования материала с лучшими изоляционными характеристиками. При этом следует определить целесообразность применения изоляции, которая занимает часть свободного пространства рабочего помещения и требует дополнительных затрат.

4. Предварительный подогрев воздуха. Температура топочной камеры может быть значительно повышена путем предварительного подогрева воздуха. Подаваемый воздух может быть предварительно подогрет посредством теплообмена с топочным газом после выпуска топочного газа из топочной камеры. Примером может служить предварительный подогрев вторичного воздуха за счет использования теплоты топливного слоя.

5. Коэффициент избытка воздуха (отношение фактически затраченное на сжигание топлива воздуха к теоретически необходимому). 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. В применениях со сжиганием биомассы коэффициент избытка воздуха должен значительно превышать 1 с тем, чтобы обеспечить эффективное смешение подаваемого воздуха и топливного газа. В установках малой мощности коэффициент избытка воздуха должен превышать 1,5. Это означает, что в топке будет иметься общее избыточное количество воздуха. Поэтому в таких применениях первостепенное значение имеет оптимальное смешение воздуха с топливом, позволяющее использовать более низкие коэффициенты избытка воздуха и повышать температуру горения. Эффективное смешение воздуха с топливом при очень низком избытке воздуха обеспечивается в установках, имеющих оптимальную конструкцию устройств впуска воздуха и современные оптимизированные системы управления технологическими процессами.

6. Вид топлива. Состав топлива оказывает значительное воздействие на величину ВТС и уровень выбросов (в основном, при полном сгорании) и играет важную роль в процессах озоления, вызывающих различные технологические проблемы. В установках периодического действия состав топлива постоянно изменяется в зависимости от степени сгорания топлива. Как правило, по сравнению с ископаемым углем биомасса характеризуется высоким содержанием летучих компонентов и малым количеством угля, образующихся при сжигании топлива, что делает биомассу топливом с высокой реактивной способностью. Однако различные виды топливной биомассы имеют различное содержание летучих компонентов, что оказывает соответствующее воздействие на тепловые характеристики топлива. Тепловые характеристики топлива также зависят от типов химических структур и связей в различных видах топливной биомассы, что определяет значительные различия в выходе летучих в зависимости от температуры. Различные виды топливной биомассы в значительной степени отличаются по плотности топливного материала; также имеются значительные различия между твердыми и мягкими породами деревьев. Древесина твердых пород, например, березы, имеет более высокую плотность, что оказывает воздействие на значение отношения объема камеры к потребляемой энергии и характеристики горения топлива. Степень пористости топлива оказывает воздействие на характеристики реактивности (потеря массы в единицу времени) топлива и, следовательно, на выход летучих. Размеры топлива являются важной переменной характеристикой при сжигании биомассы на установках большой мощности, в особенности, в случаях, когда происходит увлечение частиц топлива топочным газом, как, например, при сжигании распыленного топлива. Более мелкие частицы топлива требуют более короткого времени пребывания в топочной камере. Важное значение имеет также степень однородности топлива: увеличение однородности топлива, степень которой повышается с уменьшением размеров частиц топлива, повышает эффективность управления технологическим процессом. Наконец, реактивная способность топлива также зависит от площади активной поверхности