Енергоефективність модульних котелень

Енергоефективність модульних котелень

Вступ

Енергоефективність – ключовий аспект при розробці будь-якої інженерної системи. Зростання цін на енергоресурси, вплив глобальних кліматичних змін та зобов’язання щодо зменшення викидів парникових газів вимагають впровадження нових енергоефективних технологій у сфері теплопостачання. Модульні твердопаливні котельні завдяки своїм характеристикам здатні забезпечити надійне теплопостачання та високу ефективність використання енергоресурсів. Така установка може стати економічним та екологічно вигідним рішенням для багатьох промислових і житлових потреб.  Вони є компактними та ефективними системами, що робить їх одним з найбільш привабливих варіантів джерела теплоти.

Енергетична ефективність модульних котелень

Енергозбереження та енергоефективність є одними з основних напрямків розвитку теплоенергетики у світі. Для розуміння основних факторів, які впливають на рівень енергоефективності котельні, необхідно розглянути тепловий баланс системи.

Тепловий баланс котельні [1]

Тепловий баланс будь-якої котельні складається з таких компонентів:

Qп​=Q1​+Q2​+Q3​+Q4​+Q5​+Q6​

 Qп – теплота, отримана в результаті спалювання палива. Кількість теплової енергії, що буде вивільнено при спалюванні, насамперед залежить від характеристик та хімічного складу самого палива [2].

Q1 – корисна теплота, що буде передана споживачам. Це та кількість теплової енергії, що буде доставлена теплоносієм споживачу. Однак слід враховувати ще втрати теплоти при транспортуванні теплоносія, величина яких буде залежати від теплотехнічних характеристик теплової ізоляції магістральних трубопроводів.

Q2 – втрати теплоти з відхідними газами. Цей компонент втрат зазвичай є найбільшим. Для зменшення втрат теплоти із відхідними газами необхідно контролювати величину коефіцієнта надлишку дуттьового повітря. Якщо коефіцієнт надлишку дуттьового повітря є надмірним, то теплові втрати зростають через те, що зайве повітря, яке не бере участі у згорянні палива, поглинає теплоту та видаляється разом з продуктами згоряння. Недостатній коефіцієнт надлишку повітря може викликати неповне згоряння палива та підвищену концентрацію шкідливих речовин в продуктах згоряння. Сучасні котельні та, зокрема модульні, оснащені системами автоматичного регулювання подачі палива та повітря, що забезпечує оптимальне співвідношення цих компонентів для максимально ефективного спалювання. Тому для забезпечення високої якості спалювання твердого палива наявність системи автоматичної подачі палива є обов’язковою [3]. Крім того, для зменшення цього компонента тепловтрат використовують спеціальні теплообмінники (економайзери), які дають змогу передати частину теплової енергії від продуктів згоряння до зворотного теплоносія або ж дуттьового повітря перед тим, як продукти згоряння будуть викинуті в атмосферу.

Принцип роботи водяного економайзера [4]

Q3 – втрати теплоти від хімічної неповноти згоряння. Викиди, викликані неповним згоранням, в основному виникають внаслідок недостатнього змішування повітря для горіння та палива у топковій камері. Це може бути викликано низькою температурою, коротким часом перебування палива в процесі горіння та недостатньою концентрацією кисню [5]. Основним фактором, який впливає на виникнення хімічного недопалу є недостатній коефіцієнт надлишку повітря.

Q4 – втрати теплоти від механічної неповноти згоряння. Величина втрат від механічної неповноти згоряння залежить від якості палива, а також від способу спалювання. В більшості сучасних твердопаливних котлів малої і середньої потужності використовується спосіб спалювання в шарі [6]. Якість палива визначається його хімічним складом та вологістю, від чого і залежить його питома теплота згоряння. Підвищити якість палива з біомаси можна шляхом гранулювання, брикетування та осушення. Пресування палива в брикети або пелети покращує його властивості, в результаті чого досягається нижчий вміст вологи, краща однорідність і зниження витрат на транспортування та зберігання.

Q5​ – втрати через оболонку самого котла і, відповідно, огороджувальні конструкції котельні. На важливість цього компонента вказує значна різниця температур між температурою внутрішніх поверхонь топкової камери в процесі спалювання та температурою внутрішнього повітря в котельні. Як відомо, величина теплового потоку є прямопропорційною різниці температур, тому оболонку котлів та огороджувальні конструкції котелень якісно теплоізолюють для забезпечення  високого опору теплопередачі та мінімізації даного компонента втрат.

Q6 – втрати теплоти зі шлаком. Величина втрат теплоти із шлаком безпосередньо залежить від зольності палива, температури в топці, способу видалення золи, а також від того, наскільки ефективно зола відокремлюється від горючих залишків.

Крім того, надзвичайно важливим фактором, що впливає на ефективність роботи котельні є необхідність регулярного механічного очищення теплообмінних поверхонь котла [7] та моніторинг ефективності і справності роботи усіх компонентів котельні. Дієвим методом для моніторингу ефективності роботи котельні є порівняння теоретичної кількості теплової енергії, що має бути отримана в процесі спалювання певної кількості палива за деякий період з фактично відпущеною кількістю теплової енергії за цей самий період [8].

Враховуючи велику варіативність можливих втрат, можна зробити висновок, що енергетична ефективність будь-якої котельні визначається заходами впровадженими для їх мінімізації. Найбільш важливими технічними рішеннями для підвищення енергоефективності твердопаливних котлів є удосконалення системи паливоподачі, точний контроль співвідношення кількості повітря і палива, підготовка палива та рекуперація теплоти від продуктів згоряння. Усі описані заходи дозволяють підвищити коефіцієнт корисної дії твердопаливної котельні, а отже, і її енергетичну ефективність, а також зменшити антропогенний вплив на навколишнє середовище.

Вплив на екологію та способи його зменшення

Тенденція до використання твердого палива на рослинній біомасі, особливо деревині, зростає щороку, витісняючи з ринку традиційні види палива, такі як нафта, вугілля і газ. З екологічної точки зору, біомасою є сполуки на основі вуглецю (органічні сполуки), які утворилися під дією сонячного випромінювання у процесі фотосинтезу, що є природним варіантом перетворення сонячної енергії. Під час спалювання біомаси вуглець взаємодіє з атмосферним киснем, утворюючи діоксид вуглецю та воду. Цей процес є циклічним, тому що діоксид вуглецю, що виділився при спалюванні, може знову брати участь у виробництві нової біомаси в процесі фотосинтезу [9]. Однак продукти згоряння біомаси не можна вважати повністю безпечними. Різновиди шкідливих хімічних сполук та їх кількість у продуктах згоряння залежить від хімічного складу самого палива та якості процесу спалювання. При високій якості процесу горіння твердої біомаси до атмосфери викидатимуться діоксид вуглецю (вуглекислий газ, CO₂), водяна пара (H₂O), оксиди сірки (SO_x) та оксиди азоту (NO_x). При неповному згорянні будуть виділятися також монооксид вуглецю (чадний газ, CO), леткі органічні сполуки, органічні сполуки, що конденсуються (смола), тверді частки та інші. Усі названі речовини при перевищенні гранично допустимих концентрацій, в більшій чи в меншій мірі негативно впливають на навколишнє середовище, зокрема клімат і здоров’я людей. З метою недопущення забруднення атмосферного повітря продуктами згоряння, необхідно здійснювати постійний контроль за викидами забруднюючих речовин, вживати заходи і застосовувати пристрої для їх ефективного вловлювання, знешкодження та утилізації, що дозволить дотримуватися встановлених санітарних нормативів допустимого вмісту забруднюючих речовин в атмосферному повітрі. Для зменшення кількості шкідливих сполук в продуктах згоряння застосовують спеціальні технічні рішення, які можна поділити на первинні та вторинні.

Первинні – це організаційно-підготовчі заходи, спрямовані на підготовку палива та організацію процесу спалювання в топковій камері, в тому числі вибір конструктивних рішень котлів. Первинні методи полягають у вдосконаленні технології горіння [10]. Наприклад, застосування низькотемпературних пальників (для газових котлів), що дозволяє знизити температуру горіння і, відповідно, утворення оксидів азоту (NO_x) або використання більш якісного попередньо підготовленого палива. Також ці заходи включають оптимізацію процесу спалювання шляхом безперервної подачі необхідної кількості палива та повітря. Викиди продуктів неповного згоряння можна ефективно зменшити підвищивши якість процесу горіння.

Вторинні – технічні заходи для очищення продуктів згоряння від утворених забруднюючих речовин завдяки спеціалізованому очисному обладнанню. Вторинні методи включають встановлення спеціальних систем для очищення димових газів. Серед таких технологій можна виділити:

Принцип роботи циклона [11]

Циклон – пристрій, що використовується для очищення димових газів від твердих часток. В такій установці тверді частинки відділяються при обертальному вихровому русі газового потоку завдяки інерції. Стінки циклона також можуть омиватися водою для підвищення ефективності осадження частинок. Під час обертання газового потоку тверді частинки контактують з рідиною на стінках циклона, адгезуються до неї і виводяться разом із рідиною в зливний резервуар. Також використовують мультициклони, які мають аналогічний принцип роботи до сухого циклона, але складаються із кількох сухих циклонів підключених паралельно. Це дозволяє збільшити площу фільтрації та покращити здатність видаляти дрібні частинки. Однак основним недоліком циклонів та мультициклонів є незадовільний рівень очищення димових газів від дрібних фракцій розміром менше 1 мкм.

Принцип роботи скрубера [12]

Скрубер – пристрій, який очищує димові гази від твердих часток і газоподібних домішок. Принцип роботи скрубера полягає в тому, що газовий потік проходить через водяну плівку, яка стікає по стінках апарата. Частинки пилу та деякі газоподібні компоненти адсорбуються рідиною і видаляються разом із нею. Він є більш ефективним для уловлювання та видалення дрібних фракцій, ніж циклон. Проте скрубер вимагає додаткових витрат при експлуатації.

Принцип роботи тканинного фільтра [13]

Тканинний фільтр – пристрій, у якому в якості фільтруючого матеріалу застосовуються різні види фільтрувальних тканин з натуральних або синтетичних волокон, які здатні уловлювати дуже дрібні частинки пилу. Під проходження димових газів крізь тканину тверді частинки осідають на її поверхні. Тканинні фільтри мають високу ефективність і можуть працювати із частинками розміром до 1 мкм і менше. Такі фільтри потребують регулярного очищення та заміни фільтрувальних елементів.

Принцип роботи електрофільтра [14]

Електрофільтр – пристрій, що дозволяє уловлювати найдрібніші частинки пилу. Принцип його роботи базується на іонізації газового середовища і притягуванні заряджених часток до електродів. Дані апарати є дуже ефективними навіть для частинок розміром 1 мкм та менше. Аеродинамічній опір електрофільтра є нижчим за опір рукавного фільтра. Однак суттєвими недоліками електрофільтрів є значні капітальні витрати та складність експлуатації.

Кожен із представлених методів має свої переваги та недоліки. Доцільність застосування конкретного методу визначається потужністю теплогенеруючої установки, а також вимогами до ефективності очищення димових газів. Вибір системи очищення продуктів згоряння базується на основі даних про розрахункову витрату димових газів, а також залежить від значень початкової та необхідної кінцевої концентрації шкідливих речовин. Таким чином, процес проєктування системи очищення продуктів згоряння є складним та відповідальним етапом, який і визначає екологічність роботи котельної установки.

Висновки

Підвищення ефективності використання теплової енергії є ключовим завданням для забезпечення сталого розвитку та зменшення негативного впливу на навколишнє середовище. Модульні твердопаливні котельні – це інноваційне та енергоефективне технічне рішення, яке дозволяє знизити залежність від імпортних енергетичних ресурсів і сприяє розвитку внутрішнього виробництва. Енергоефективність в модульних котельнях досягається за рахунок використання якісного палива, мінімізації теплових втрат та автоматизованого контролю за процесом горіння. Використання деревини та пелет з біомаси, як палива, є важливим напрямком вирішення енергетичних та екологічних проблем. Спалювання біомаси можна вважати вуглецево-нейтральним процесом, адже при ньому виділяється стільки CO₂, скільки було поглинуто рослинами під час їхнього росту. Тому біомасу можна вважати відносно екологічно чистим видом палива, оскільки її використання знижує залежність від викопних ресурсів і сприяє зменшенню викидів вуглекислого газу в атмосферу.

Отже, використання твердопаливних модульних котелень є актуальним напрямком в енергетичній стратегії України, яка спрямована на забезпечення надійності теплопостачання, енергетичної ефективності та збереження природних ресурсів і довкілля. Завдяки своїй компактності та особливостям конструкції така котельня може бути швидко встановлена та введена експлуатацію навіть у складних умовах. Враховуючи такі переваги модульних твердопаливних котелень, як-от: енергетична ефективність, відносна екологічність, економічна доцільність та гнучкість, їх можна вважати однією з найкращих альтернатив традиційним джерелам теплоти.

Ми пропонуємо повний комплекс послуг: розробку проєкту, вибір і визначення необхідної потужності модульної котельні, монтаж, а також пуско-налагоджувальні роботи. При будівництві наших котелень використовуємо тільки високоякісне обладнання. Зокрема встановлюємо твердопаливні котли, які забезпечують високий коефіцієнт використання палива. Встановлюємо та налаштовуємо систему автоматизації, що забезпечує автономну, ефективну та безпечну роботу котельні. Використовуємо огороджувальні конструкції з високими показниками термічного опору, завдяки чому забезпечуються мінімальні втрати теплової енергії крізь оболонку. Наші фахівці мають великий досвід у розробці, установці та обслуговуванні котелень.

Підвищення ефективності використання теплової енергії є ключовим завданням для забезпечення сталого розвитку. Модульні твердопаливні котельні, які пропонує Енергія Сервіс, дозволяють знизити залежність від імпортних енергетичних ресурсів і сприяють розвитку внутрішнього виробництва. Використання деревини та пелет з біомаси допомагає вирішити енергетичні та екологічні проблеми, а також зменшити викиди CO₂.

Завдяки компактності та енергоефективності, модульні котельні від Енергія Сервіс є одним із найкращих варіантів для теплопостачання в умовах сучасних економічних та екологічних викликів.

Ми пропонуємо повний комплекс послуг: проєктування, вибір обладнання, монтаж і налаштування. Для отримання консультації зв’яжіться з нами через сайт Енергія Сервіс.

Бібліографія

1. Mass Save. Savings through energy efficiency. URL: https://www.masssave.com/blog/residential/condensing-boilers-what-are-they-and-why-are-they-so-efficient

2. Pełka G., Luboń W., Pachytel P. Analysis of the efficiency of a solid fuel boiler depending on the choice of combusted fuel. E3S Web of Conferences. 2020. Vol. 154. URL: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202015402003 

3. Chunkwood fuel feeding and combustion experiments in small-scale boilers to provide design suggestions for chunkwood friendly boiler construction / T. Persson et al. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2024. Vol. 71. P. 103986. URL: https://doi.org/10.1016/j.seta.2024.103986 

4. Souza S. A., Lamas W. d. Q. Thermoeconomic and ecological analysis applied to heating industrial process in chemical reactors. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. Vol. 29. P. 96–107. URL: https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.095

5. Energy usage of spruce with waste face masks and spent coffee grounds as fuel in a pellet boiler / N. Čajová Kantová et al. Heliyon. 2024. Vol. 10, no. 15. P. e34802. URL: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e34802

6. Сенчук М. П. Швидкість горіння твердого палива в топкових процесах опалювальних котлів. Вісник національного університету «Львівська політехніка». 2016. № 844. С. 194–202. URL: https://repositary.knuba.edu.ua/items/ecb94511-b309-4fd0-bda9-fd909825c5a9

7. Analysis of fouling in domestic boilers fueled with non-woody biomass / E. Monedero et al. Renewable Energy. 2024. Vol. 226. P. 120459. URL: https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.120459 

8. Lasek J. A., Matuszek K., Hrycko P. The influence of primary measured parameters and electricity consumption in automatic solid fuels-fired boilers on the seasonal space heating energy efficiency. Fuel. 2022. Vol. 313. P. 122689. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.122689 

9. Практичний посібник з використання біомаси як палива в муніципальному секторі України : посібник / Г. Гелетуха та ін. Громад. орг. “Агентство з відновлюв. енергетики”, 2017. 29 с.

URL: https://uabio.org/wp-content/uploads/2018/01/biofin.pdf.

10. Сенчук М. П. Підвищення ефективності спалювання твердого палива в шарі. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. 2021. № 39. С. 29–37. URL: http://vothp.knuba.edu.ua/article/view/253795.

11. Cyclone Separator – Principle, Construction, Working, and More. Soln Pharma. URL: https://www.solnpharma.com/2021/11/cyclone-separator-principle.html

12. Wet Scrubber. URL: https://www.acokk.co.jp/guide/wet-scrubber/.

13. Ceramic filter dust collector | Solutions | METAWATER. URL: https://www.metawater.co.jp/eng/solution/product/sewer/filter_dust/.

14. Electrostatic Precipitator (ESP) Explained – saVRee. Home – saVRee. URL: https://savree.com/en/encyclopedia/electrostatic-precipitator-esp.