Utilizarea deseurilor lemnoase pentru incalzire (II)

(urmare din numarul anterior)

Instalatii de producere a energiei prin arderea biomasei lemnoase

Celuloza, hemiceluloza si lignina constituie 90–95% din compozitia materiei lemnoase, restul fiind compus din rasini, uleiuri, eteri si materii minerale.

Arderea, completa si eficienta, este o preconditie a utilizarii lemnului drept biocombustibil, tolerat de mediu.

Pentru ca arderea sa fie continua si intensa, trebuie sa fie indeplinite urmatoarele conditii de baza:

• asigurarea unei proportii optime de oxigen-aer, fata de tipul de combustibil lemnos;

• flacara stabila in focar, care trebuie sa asigure si transferul de caldura suprafetelor de transfer din interiorul cazanului, pentru a se asigura un proces eficient economic prin producerea apei calde si a aburului.

La arderea in strat, specifica cazanelor pentru deseuri lemnoase, aerul trebuie sa invinga rezistenta hidraulica a gratarului si a stratului de combustibil si, printr-o distributie judicioasa, sa ajunga in apropierea fiecarei particule de combustibil. In figura 1 se evidentiaza fazele procesului de ardere a biomasei lemnoase (se face precizarea ca aceleasi faze exista si la arderea carbunelui si a biomasei agricole).

Rezulta de regula o elasticitate in exploatare a cazanelor pentru biomasa lemnoasa, care pot fi utilizate si pentru carbune sau biomasa agricola (cu respectarea in special a granulatiei) sau pentru amestecuri dintre acesti combustibili. O
tendinta noua consta in utilizarea combustibililor solizi compoziti ce repre­zinta un amestec bine proportionat din cele trei categorii, cu valorificarea aspectelor legate de cost si de eficienta a arderii. Calitatea combustibilului compozit variaza in functie de regiunea de utilizare, consecinta a diversitatii biomasei lemnoase si a biomasei agricole.

Cu cat dimensiunile lemnului sunt mai mari, cu atat procesul de ardere este mai indelungat. In cazul unei cantitati de rumegus, aruncata in foc, arderea este foarte rapida, deoarece contactul intre aer si suprafata particulelor combustibile este foarte intens, fiind astfel asigurate conditiile unei uscari rapide si unei degajari de volatile rapide si complete, in consecinta o aprindere rapida si o ardere sustinuta.

In schimb, rumegusul aglomerat, datorita deficientei de contact cu oxigenul cere utilizarea in instalatii special concepute. Aglomerarea con­duce la cresterea densitatii si deci la realizarea unor incarcari termice mai ridicate a volumului focarului, cu consecinte pozitive asupra puterii termice ce poate fi realizata.

Instalatiile pentru biomasa lemnoasa sau agricola aglomerata (peletizata) se apropie de cele pentru utilizarea carbunelui, instalatii pentru care exista o experienta mai mare si, prin urmare, performante mai mari.

Un continut de umiditate in lemn, de peste 55–60%, va face dificila mentinerea unui proces de ardere continuu, astfel incat acest combustibil nu se recomanda a fi luat in considerare.

Lemnul ca si biomasa agricola contine si anumite saruri, cu efecte negative in valorificarea energetica. Acestea sunt in primul rand saruri de potasiu (K) si de sodiu (Na), saruri ce conduc la o cenusa vascoasa si aderenta, cu risc ridicat de depunere pe suprafetele exterioare de schimb de caldura ale cazanului.

In practica, se utilizeaza exces de aer controlat pentru realizarea unei arderi complexe si cu un randament cat mai ridicat. Valorile excesului de aer recomandat pentru diverse tehnologii de ardere sunt prezentate in tabelul 2. Tabelul contine si legatura dintre excesul de aer l si conti­nutul de oxigen O₂ din gazele de ardere uscate la finele focarului.

O ardere eficienta necesita:

• temperatura ridicata;

• surplus de oxigen (exces de aer);

• amestec eficient al aerului cu combustibilul.

Realizarea acestor conditii asi­gura o emisie scazuta de monoxid de carbon (CO), hidrocarburi poliaromatice (HPA) si o cantitate mica de carbon nears in zgura (particulele de cenusa topite, care conglomereaza in formatiuni distincte, pe gratarul focarului). Tehnologia de ardere aplicata la cazane trebuie sa fie dintre asa-numitele tehnologii cu „NO_x redus“, adica o tehnologie in care sa se aplice metode care conduc la emisii reduse de NO_x.

Constructiv, se cunosc urmatoarele tipuri principale de instalatii pentru arderea deseurilor lemnoase:

• cazane de putere termica redusa cu ardere directa (P_t ú 70 kW);

• cazane de putere termica redusa cu gazeificare (ardere in doua trepte P_t ú 70 kW);

• cazane de putere termica medie, cu ardere directa (P_t = 70 – 170 kW);

• cazane automatizate de putere termica mare (P_t │ 170 kW).

Pentru evitarea alimentarii prea dese a cazanului, pe timpul iernii, sarcina nominala a cazanului poate fi fixata de 2–3 ori mai mare decat necesarul momentan de caldura, plusul de energie fiind stocat in rezer­vorul termic. Prea putine locuinte sunt insa dotate cu acest rezervor termic, care mareste investitia si spatiul ocupat de centrala si automatizarea.

In figura 2 se prezinta un cazan (centrala termica) de putere termica redusa, cu ardere directa pe gratar. In functie de constructia gratarului, se impune marimea combustibilului. Se poate arde si un amestec de lemn si carbune, sau chiar deseuri agricole. Alimentarea manuala se face de 4–6 ori pe zi.

In figura 3 se prezinta un cazan montat la o instalatie de incalzire cu rezervor de stocaj de caldura.

Influenta rezervorului termic asupra alimentarii cu caldura este aratata in graficul din figura 4. Curbele prezentate cuprind o plaja de valori ce depinde de temperatura de stocaj.

In figura 5 se prezinta un cazan cu gazeificare. La acest tip de cazan, prin circuitul de aer din camera superioara se asigura arderea combustibilului, gazele  de ardere fiind supuse in continuare reducerii (gazeificarii) pe stratul de jar, format la baza camerei superioare. Se formeaza astfel in principal CO, H₂, CH₄ si N₂. Gazele de ardere combustibile ard in camera inferioara cu aerul circuitului secundar. Ambele camere de ardere sunt samotate. Se realizeaza astfel o ardere completa, cu cenusa foarte putina si cu emisii poluante reduse. Dezavantajul consta in cresterea masei cazanului si in operatiunile complicate de pornire, cand sunt necesare intai realizarea patului de jar si, apoi, pornirea efectiva a cazanului.

O centrala termica de putere mare este prevazuta in general cu unul sau mai multe cazane, acestea fiind fie cu gratar de ardere in trepte, fie cu gratar mobil (rulant). Cazanul dispune de captuseli refractare de-a lungul peretilor camerei focare, pentru a asigura temperatura optima de aprindere si ardere, chiar daca combustibilul este relativ umed.

Sistemele de comanda ale centralei sunt automatizate, astfel incat sistemul de alimentare a buncarului de stocaj cu aschii, pelete sau alte deseuri lemnoase ori agricole din depozit sa se realizeze prin intermediul unei macarale, deplasate pe un pod rulant si controlate prin computer, asa cum se arata in figura 6.

La centralele de putere termica medie sau mare, combustibilul format din aschiile lemnoase sau alt tip de biomasa lemnoasa sau agricola, adus la dimensiunea ceruta de sistemul de alimentare, este introdus pe gratarul camerei de ardere, amplasat la partea inferioara a cazanului. Ard – asa cum s-a prezentat si anterior – cel mai comun tip de gratar, intalnit in sistemele de ardere a acestor categorii de combustibil in centralele districtuale, este gratarul inclinat/in trepte, si gratarul cu lant mobil (rulant). In ambele cazuri, aerul este introdus pe sub gratar, de unde strabate ascendent gratarul prin fantele acestuia si in continuare stratul de combustibil.

Aerul necesar arderii este introdus cu un ventilator, pe doua trasee, ca aer primar si aer secundar. Pentru arderea aschiilor umede, camera de ardere are prevazute zone liniare de izolatie refractara, de-a lungul peretilor focarului. Aceasta izolatie asigura o tempe­ratura inalta de combustie, prin limi­tarea schimbului de caldura, precum si realizarea arcadelor refractare suspendate, constructie numita bolta refractara, cu rolul de a radia caldura spre aschiile din zona de aprindere. Cantitatea si ampla­sarea captuselilor refractare sunt factori foarte importanti pentru asi­gurarea aprinderii si a arderii complete, chiar si pentru cazul combustibililor uscati, precum peletele de lemn (tehnologia se utilizeaza si in arderea combustibililor).

Gazele de ardere, produse in camera de ardere, trec spre partea convectiva a cazanului unde caldura este cedata apei circulante in cazan.

Cenusa zburatoare, captata de unitatea de desprafuire, este transportata spre sistemul general de evacuare a cenusii, prin transportoare specifice. Desprafuitoarele pentru separarea cenusii zburatoare din gazele arse pot fi de tipul multiciclon sau filtre cu saci, precum si din alte echipamente de filtrare a gazelor. Un sistem multiciclon poate asigura circa 200 mg/m3N, iar un sistem cu filtre cu saci 10–50 mg/m3N, cu temperatura de functionare de pana la 180 0C.

In figura 7 se prezinta un cazan de 45 kW, realizat de catre PIFATI SA in colaborare cu Universitatea Politehnica Bucuresti, pentru arde­rea peletelor de rumegus. Peletele au dimensiunile f6x3 sau f4x10. Pentru controlul arderii (emisie scazuta de CO), la finele focarului, printr-un sistem de gauri se introduce aer, de la acelasi ventilator ce furnizeaza si aerul de baza insuflat pe sub gratar. Cercetarile au evidentiat rolul foarte important al insuflarii aerului la finele focarului pentru definitivarea arderii.

Se face mentiunea ca la arderea rumegusului, tehnologia alimentarii este total diferita de situatia tuturor celorlalte categorii de deseuri lemnoase. Acesta poate fi introdus la baza focarului, fie printr-un procedeu continuu (cu ajutorul unui alimentator cu melc), fie discontinuu (cu ajutorul unui alimentator cu piston). Din zona de admisie, rumegusul este antrenat in spatiul de ardere de catre aerul insuflat adecvat. De regula, aerul primar se insufla chiar in zona de admisie a rumegusului in focar, iar aerul secundar de la jumatatea focarului in sus. Astfel, zona de admisie a rumegusului este incadrata de regula de catre o cutie de aer, dotata cu mai multe canale de admisie a aerului primar.

Aspecte economice

O prima valorificare eficienta a deseurilor lemnoase se poate rea­liza prin renuntarea arderii acestora in sobe, care au un randament foarte scazut, si introducerea de centrale pentru acesti combustibili pentru incalzire casnica si pentru anumite institutii de stat, ferme agricole sau agenti comerciali. Puterea termica a unei astfel de centrale variaza intre 30 si 170 kW. Investitia pentru o centrala de 30 kW, cu tot echipamentul auxiliar necesar este de circa 3.000 de  euro, inclusiv cosul. La aceasta, se adauga investitiile pentru o depozitare adecvata a combustibilului si pentru elementele de incalzire centrala, inclusiv conductele de alimentare.

Pentru puteri mai mari, cum ar fi cazul pentru alimentarea cu caldura si apa calda menajera a unor ferme agricole, se preconizeaza asocierea producatorului de combustibil cu societatea comerciala sau socie­tatea cu raspundere limitata ce exploateaza ferma. Producatorul de deseuri lemnoase in acest caz va avea obligatia de a livra un deseu lemnos la calitate constanta (inclusiv sub forma aschiilor), de a asigura transportul si chiar evacuarea deseurilor obtinute in urma arderii. In planul de afaceri se poate merge pana la nivelul ca proprietatea instalatiei termice sa fie proprietate comuna, iar cheltuielile de exploatare ca si beneficiile sa fie repartizate conform contractelor incheiate.

Daca se estimeaza si producerea de energie electrica din deseuri lemnoase, sistemul poate fi echipat si cu centrala eoliana si celule fotoelectrice. Vara se poate renunta la cazan, producerea apei calde fiind realizata numai prin panouri solare. Cresterea puterii electrice implica, asa cum s-a aratat anterior, fie un sistem gazogen – motor cu ardere interna, fie un cazan cu turbina de abur.

Producerea de energie electrica prin arderea directa a deseurilor lemnoase si/sau agricole constituie inca un obiectiv pretentios, de aceea se recomanda pentru generarea de energie electrica din acesti combustibili co-combustia cu carbune la centralele existente pentru carbune. Si in acest caz, se poate prevedea un plan de afaceri pentru producatorii de astfel de combustibil.

In general, pentru a asigura o desfacere sigura a combustibilului lemnos, pentru puteri medii si mari, se propune sistemul de asociere cu consumatorul de energie termica. Pretul de livrare al energiei termice va trebui sa asigure recuperarea investitiei, cheltuielile de exploatare si un beneficiu, atingand insa un nivel care sa fie concurential cu pretul energiei obtinute din alte surse de combustibil.

Pentru centralele de putere termica medie si ridicata, investitia se situeaza in domeniul 0,33–0,45 mili­oane euro/MW termic. Instalarea unei centrale de putere termica mare trebuie sa ia in considerare o grupare in spatiu a consumatorilor, pentru reducerea investitiei in conductele de distributie a energiei termice.

In Romania, cele mai de seama realizari au fost in cadrul proiectului „Rumegus 2000“, acestea fiind prezentate sintetic in tabelul 3.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 29 – august 2007

Autori:
L. Mihaescu,
T. Prisecaru,
E. Popa,
C. Ciobanu,
R. Popescu – Universitatea Politehnica Bucuresti