System ogrzewania biomasą - Biomass heating system
Systemy grzewcze na biomasę wytwarzają ciepło z biomasy .
Systemy należą do kategorii:
- spalanie bezpośrednie ,
- zgazowanie ,
- elektrociepłowni, (CHP),
- trawienie beztlenowe ,
- trawienie tlenowe .
Korzyści z ogrzewania biomasą
Wykorzystanie biomasy w systemach grzewczych jest korzystne, ponieważ wykorzystuje pozostałości i odpady rolnicze, leśne, miejskie i przemysłowe do produkcji ciepła i/lub energii elektrycznej z mniejszym wpływem na środowisko niż paliwa kopalne. Ten rodzaj produkcji energii ma ograniczony długoterminowy wpływ na środowisko, ponieważ węgiel zawarty w biomasie jest częścią naturalnego obiegu węgla ; podczas gdy węgiel w paliwach kopalnych nie jest i trwale dodaje węgiel do środowiska, gdy jest spalany na paliwo ( ślad węglowy ). Historycznie, przed zastosowaniem paliw kopalnych w znacznych ilościach, biomasa w postaci paliwa drzewnego zapewniała większość ogrzewania ludzkości. Potencjalnym źródłem ogrzewania biomasy będącym przedmiotem badań jest hydroliza i monomeryzacja celulozy jako źródło ciepła skutkujące niską produkcją gazów cieplarnianych.
Zdrowie lasu
Ponieważ biomasa leśna jest zazwyczaj pozyskiwana z drewna, które ma niższą wartość handlową, biomasa leśna jest zwykle pozyskiwana jako produkt uboczny innych operacji pozyskiwania drewna. Ogrzewanie biomasą zapewnia rynki dla drewna o niższej wartości, co umożliwia zdrową i opłacalną gospodarkę leśną. W Nowej Anglii od 2017 r. jednym z największych zagrożeń dla zdrowia lasów jest przekształcenie lasów w rolnictwo i rozwój. Naukowcy z Harvard Forest poinformowali w 2017 r., że 65 akrów lasów jest traconych dziennie w wyniku konwersji. Zapewniając rynki dla drewna niskiej jakości, podnosi się wartość lasów, co zmniejsza prawdopodobieństwo przekształcenia się w budownictwo mieszkaniowe lub rolnictwo.
Wady ogrzewania biomasą
Wykorzystanie biomasy rolniczej na dużą skalę usuwa grunty rolne z produkcji żywności , zmniejsza zdolność do pochłaniania dwutlenku węgla w lasach, które nie są zarządzane w sposób zrównoważony, i wydobywa składniki odżywcze z gleby. Spalanie biomasy powoduje zanieczyszczenia powietrza i dodaje do atmosfery znaczne ilości węgla, które mogą nie zostać zwrócone do gleby przez wiele dziesięcioleci. Opóźnienie czasowe między spaleniem biomasy a momentem, w którym węgiel jest wyciągany z atmosfery, gdy roślina lub drzewo rośnie, aby go zastąpić, jest znane jako dług węglowy. Pojęcie długu węglowego jest przedmiotem debaty. Rzeczywisty wpływ emisji dwutlenku węgla może zależeć od filozofii, skali zbiorów, rodzaju gruntu, rodzaju biomasy (np. trawa, kukurydza, nowe drewno, drewno odpadowe, glony), rodzaju gleby i innych czynników.
Wykorzystanie biomasy jako paliwa powoduje zanieczyszczenie powietrza w postaci tlenku węgla , NOx (tlenków azotu), lotnych związków organicznych (VOC ), cząstek stałych i innych zanieczyszczeń, w niektórych przypadkach na poziomach wyższych niż te z tradycyjnych źródeł paliw, takich jak węgiel lub gaz ziemny . Sadza – zanieczyszczenie powstające w wyniku niecałkowitego spalania paliw kopalnych, biopaliw i biomasy – jest prawdopodobnie drugim największym czynnikiem przyczyniającym się do globalnego ocieplenia. W 2009 roku szwedzkie badanie gigantycznej brązowej mgły, która okresowo pokrywa duże obszary w Azji Południowej, wykazało, że powstała ona głównie ze spalania biomasy, aw mniejszym stopniu ze spalania paliw kopalnych. Naukowcy zmierzyli znaczne stężenie 14 C , które jest związane raczej z niedawnym życiem roślin niż z paliwami kopalnymi. Nowoczesne urządzenia do spalania biomasy radykalnie redukują szkodliwe emisje dzięki zaawansowanej technologii, takiej jak systemy regulacji tlenu.
Podczas spalania węgiel z biomasy jest uwalniany do atmosfery jako dwutlenek węgla (CO 2 ) . Ilość węgla przechowywanego w suchym drewnie wynosi około 50% wagowo. Pochodząc ze źródeł rolniczych, materię roślinną używaną jako paliwo można zastąpić sadzeniem dla nowego wzrostu. Gdy biomasa pochodzi z lasów, czas na odzyskanie zmagazynowanego dwutlenku węgla jest na ogół dłuższy, a zdolność lasu do składowania dwutlenku węgla może być ogólnie zmniejszona, jeśli stosowane są destrukcyjne techniki leśne.
Propozycja, że biomasa leśna jest neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla, wysunięta na początku lat 90., została zastąpiona nowszą nauką, która uznaje, że dojrzałe, nienaruszone lasy pochłaniają węgiel skuteczniej niż obszary wycięte. Kiedy węgiel drzewny jest uwalniany do atmosfery w jednym impulsie, przyczynia się on do zmian klimatycznych o wiele bardziej niż drewno leśne, które powoli gnije przez dziesięciolecia. Niektóre badania wskazują, że „nawet po 50 latach las nie powrócił do swojego początkowego składowania dwutlenku węgla” i „optymalną strategią jest prawdopodobnie ochrona lasu stojącego”. Inne badania pokazują, że magazynowanie dwutlenku węgla zależy od lasu i wykorzystania zebranej biomasy. Lasy są często zarządzane dla drzew wielowiekowych z częstszymi, mniejszymi zbiorami drzew dojrzałych. Te lasy oddziałują z węglem inaczej niż dojrzałe lasy, które są wyraźne. Ponadto im bardziej wydajna konwersja drewna w energię, tym mniej drewna zostanie zużyte i tym krótszy będzie cykl węglowy.
Ogrzewanie biomasą w naszym świecie
Cena ropy naftowej wzrasta od 2003 r., aw konsekwencji podwyżki cen gazu ziemnego i węgla zwiększyły wartość biomasy do produkcji ciepła. W miarę wzrostu cen paliw kopalnych o dużej gęstości energetycznej , utylizacja lasów, odpady rolnicze i uprawy uprawiane specjalnie do produkcji energii stają się konkurencyjne . Wysiłki na rzecz rozwoju tego potencjału mogą mieć wpływ na regenerację źle zarządzanych gruntów uprawnych i być trybikiem w kole zdecentralizowanego, wielowymiarowego przemysłu energii odnawialnej . Wysiłki na rzecz promowania i rozwoju tych metod stały się powszechne w całej Unii Europejskiej w 2000 roku. W innych częściach świata nieefektywne i zanieczyszczające sposoby wytwarzania ciepła z biomasy w połączeniu ze złymi praktykami leśnymi znacznie przyczyniły się do degradacji środowiska .
Zbiorniki buforowe
Zbiorniki buforowe przechowują gorącą wodę wytwarzaną przez urządzenie na biomasę i rozprowadzają ją w systemie grzewczym. Czasami określane mianem „magazynów cieplnych”, mają kluczowe znaczenie dla efektywnej pracy wszystkich kotłów na biomasę, w których obciążenie systemu zmienia się gwałtownie lub objętość wody w całym układzie hydraulicznym jest stosunkowo niewielka. Zastosowanie zbiornika buforowego o odpowiedniej wielkości zapobiega szybkiemu cyklowi pracy kotła, gdy obciążenie jest poniżej minimalnej mocy kotła. Szybki cykl pracy kotła powoduje duży wzrost szkodliwych emisji, takich jak tlenek węgla , pył i NOx , znacznie obniża sprawność kotła i zwiększa zużycie energii elektrycznej przez urządzenie. Ponadto wymagania serwisowe i konserwacyjne zostaną zwiększone, ponieważ części są obciążone szybkimi cyklami nagrzewania i chłodzenia. Chociaż większość kotłów twierdzi, że jest w stanie obniżyć moc nominalną do 30%, w rzeczywistości jest to często nieosiągalne ze względu na różnice w paliwie od paliwa „idealnego” lub testowego. Dlatego należy rozważyć odpowiedni rozmiar zbiornika buforowego tam, gdzie obciążenie kotła spada poniżej 50% mocy nominalnej – innymi słowy, o ile składnik biomasy nie jest czysto podstawowym obciążeniem, system powinien zawierać zbiornik buforowy. W każdym przypadku, gdy system wtórny nie zawiera wystarczającej ilości wody do bezpiecznego usunięcia ciepła resztkowego z kotła na biomasę, niezależnie od warunków obciążenia, system musi zawierać zbiornik buforowy o odpowiedniej wielkości. Resztkowego ciepła z jednostki biomasy jest bardzo zróżnicowana w zależności od konstrukcji kotła i masy termicznej w komorze spalania. Lekkie, szybko reagujące kotły zużywają tylko 10 l/kW, podczas gdy przemysłowe urządzenia do mokrego drewna o bardzo wysokiej masie termicznej wymagają 40 l/kW.
Rodzaje systemów grzewczych na biomasę
Wykorzystanie biomasy w systemach grzewczych ma zastosowanie w wielu różnych typach budynków i wszystkie mają inne zastosowania. Istnieją cztery główne typy systemów grzewczych wykorzystujących biomasę do ogrzewania kotła. Typy to: w pełni zautomatyzowany, półautomatyczny, opalany pelletem oraz kogeneracyjny.
Całkowicie automatyczny
W całkowicie zautomatyzowanych systemach rozdrobnione lub rozdrobnione drewno odpadowe jest przewożone na miejsce samochodami dostawczymi i wrzucane do zbiornika magazynowego. System przenośników transportuje następnie drewno ze zbiornika magazynowego do kotła z określoną prędkością. Tempem tym zarządza komputer i laser, który mierzy ilość podawanego paliwa przez przenośnik. System automatycznie włącza się i wyłącza, aby utrzymać ciśnienie i temperaturę w kotle. W pełni zautomatyzowane systemy oferują dużą łatwość obsługi, ponieważ wymagają jedynie sterowania komputerem przez operatora systemu, a nie transportu drewna, jednocześnie oferując kompleksowe i efektywne kosztowo rozwiązania złożonych wyzwań przemysłowych.
Półautomatyczne lub „kosz przepięciowy”
Systemy półautomatyczne lub „Surge Bin” są bardzo podobne do systemów w pełni zautomatyzowanych, z wyjątkiem tego, że wymagają więcej siły roboczej do utrzymania działania. Mają mniejsze zbiorniki magazynowe i znacznie prostsze systemy przenośników, które będą wymagały personelu do obsługi systemów. Uzasadnieniem zmian z w pełni zautomatyzowanego systemu jest wydajność systemu. Ciepło wytworzone przez komorę spalania może być wykorzystane do bezpośredniego ogrzania powietrza lub może być wykorzystane do podgrzania wody w układzie kotłowym, który pełni rolę medium, przez które dostarczane jest ciepło. Kotły opalane drewnem są najbardziej wydajne, gdy pracują z najwyższą wydajnością, a ciepło wymagane przez większość dni w roku nie będzie szczytowym zapotrzebowaniem na ciepło w ciągu roku. Biorąc pod uwagę, że system będzie musiał działać z wysoką wydajnością tylko przez kilka dni w roku, jest on dostosowany do wymagań przez większą część roku, aby utrzymać wysoką wydajność.
Opalany pelletem
Trzecim głównym rodzaju biomasy instalacji grzewczych peletek systemy -fired. Pellet jest przetworzoną formą drewna, przez co jest droższy. Chociaż są droższe, są znacznie bardziej skondensowane i jednolite, a przez to bardziej wydajne. Ponadto stosunkowo łatwe jest automatyczne podawanie peletu do kotłów. W tych systemach pelety są przechowywane w silosie typu zbożowego, a do ich transportu do kotła wykorzystuje się grawitację. Wymagania dotyczące przechowywania są znacznie mniejsze w przypadku systemów opalanych peletami ze względu na ich skondensowany charakter, co również pomaga obniżyć koszty. systemy te są używane w wielu różnych obiektach, ale są najbardziej wydajne i opłacalne w miejscach, w których przestrzeń do przechowywania i systemów przenośnikowych jest ograniczona i gdzie pellety są wytwarzane dość blisko obiektu.
Rolnicze systemy peletowe
Jedną z podkategorii systemów pelletowych są kotły lub palniki zdolne do spalania pelletu o większej zawartości popiołu (pelety papierowe, pellety siano, pellety ze słomy ). Jednym z nich jest palnik na pellet PETROJET z obrotową cylindryczną komorą spalania. Pod względem wydajności zaawansowane kotły na pelety mogą przewyższać inne formy biomasy ze względu na bardziej stabilne charakterystyki paliwa. Zaawansowane kotły na pelety mogą nawet pracować w trybie kondensacji i schładzać spaliny do 30-40 °C zamiast 120 °C przed wprowadzeniem do komina.
Połączone ciepło i moc
Kombinowane systemy ciepłownicze są bardzo przydatnymi systemami, w których odpady drzewne, takie jak zrębki drzewne , są wykorzystywane do wytwarzania energii, a ciepło powstaje jako produkt uboczny systemu wytwarzania energii. Mają bardzo wysoki koszt ze względu na działanie wysokiego ciśnienia. Z powodu tej operacji pod wysokim ciśnieniem, potrzeba dobrze wyszkolonego operatora jest obowiązkowa i podniesie koszty operacji. Inną wadą jest to, że chociaż produkują energię elektryczną, wytwarzają ciepło, a jeśli wytwarzanie ciepła nie jest pożądane przez niektóre części roku, konieczne jest dodanie chłodni kominowej, co również podniesie koszty.
W pewnych sytuacjach CHP jest dobrym rozwiązaniem. Producenci wyrobów z drewna korzystaliby z skojarzonego systemu elektrociepłowni, ponieważ mają duże zapasy drewna odpadowego i zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną. Innymi miejscami, w których systemy te byłyby optymalne, są szpitale i więzienia, które potrzebują energii i ciepła do ciepłej wody. Systemy te są zwymiarowane tak, aby wytwarzały wystarczającą ilość ciepła, aby dopasować się do średniego obciążenia cieplnego, dzięki czemu nie jest potrzebne dodatkowe ciepło, a wieża chłodnicza nie jest potrzebna.