Kiekvienas kūrenimo sezonas primena senas biomasės deginimo problemas. Daug individualių namų savininkų, tikėdamiesi mažesnių šildymo išlaidų, pradeda eksploatuoti išlikusius kieto kuro katilus arba įsirengia naujus. Vertinant ekonominę tokio kuro pasirinkimo naudą sunku vienareikšmiškai pasakyti, kad tai bus tikrai naudingas ir patogus variantas.

Visiškai automatizuotam katilui reikalingas specialus kuras - granulės arba skiedros, dar vadinamos ,,čipsais". Tik tokiu atveju įmanoma užtikrinti stabilų kuro tiekimą į pakurą ir optimalų jo degimą. Nors toks katilas gali dirbti kelias dienas minimaliai prižiūrimas, bet tokio eksploatacinio komforto ir patikimumo bei saugumo, kokį garantuoja dujiniai katilai, deja, nebus.

Kitas veiksnys - kuro kaina. Geros kokybės granulės turi būti sausos, mažo peleningumo ir su nedideliu nuobirų kiekiu. Toks kuras gana brangus - nuo 450 iki 550 Lt/t. Jo šiluminė vertė sudaro 17-18 MJ/kg. Gamtinių dujų ji yra apie du kartus didesnė (34-38 MJ/kg). Kad būtų pagamintas tas pats šilumos kiekis, reikės sudeginti du kartus daugiau granulių. Dujos bus du kartus brangesnės negu granulės, bet įsirengdami granulėms skirtą katilą mokėsime du kartus daugiau negu už dujinį (skirtumas apie 5 000 Lt).

Kad aplinka būtų teršiama mažiau

Pasirinkti biomasės (malkų, granulių, skiedrų ir kt.) deginimą skatina aplinkos taršos mažinimo reikalavimai. Nors tai atsinaujinantis energijos šaltinis, mažinti taršą nėra taip paprasta. Visų pirma dėl to, kad ruošiant bei transportuojant malkas, apie 15-30 proc. galutinės kuro šiluminės vertės sudarys iškastinio kuro sąnaudos. Be to, išlieka ir emisijų problema. Didžioji dauguma eksploatuojamų kieto kuro katilų yra su paprasčiausiais traukos reguliatoriais, t. y. temperatūrai pasiekus nustatytą vertę, iki minimumo sumažinamas oro padavimas į katilo pakurą.

Tokiame degimo režime išmetamose degimo dujose anglies monoksido kiekis viršija visas leistinas ribas. Nesvarbu, ar deginama akmens anglis ar biomasė. Kita labai opi problema - kietųjų dalelių emisija į aplinką. Ilgą laiką kietųjų dalelių emisija buvo siejama su anglį bei mazutą naudojančiomis katilinėmis bei dyzeliną deginančiais vidaus degimo varikliais ir skystojo krosninio kuro katilais, bet sąmoningai ar ne, pamirštant biomasės deginimą. Biomasėje lakiosios medžiagos sudaro apie 80, o peleningumas - 0,4-3,8 proc. Į aplinką išskiriamų kietųjų dalelių kiekis ypač padidėja, jei katilas dirba neoptimaliu režimu dirbančio ir deginamas prastos kokybės kuras.

Kaip pasiekti, kad deginant biomasę būtų mažiau teršiama aplinka? Atsakymas paprastas - naudoti modernius biomasės katilus su automatizuoto valdymo sistema ir taikyti dujų valymo filtrus. Įgyvendinti šias priemones nėra taip paprasta.

Biomasės deginimo katilai

Norint užtikrinti kuo optimalesnį degimo procesą katiluose su rankinio kuro padavimo įranga, elektromechaninis traukos reguliatorius keičiamas į valdikliu reguliuojamą oro padavimo ventiliatorių. Tokie katilai dirba efektyviau. Pavyzdžiui, Warmet 200 Ceramik serijos katilai. Juose galimi du degimo režimai - apatinis ir viršutinis (prastos kokybės peleningam kurui). Reguliuojamas oro padavimas leidžia sumažinti taršos emisijų dydį, bet visiškai išspręsti emisijų problemos nepavyks.

Kad būtų paprasčiau valdyti, ventiliatorius įjungiamas nustatytiems laiko tarpams, t. y. impulsiniu režimu: 10-60 s pučiama ir 30-80 s pauzė. Toks reguliavimas nėra optimalus, nes nevisiškai sudegęs kuras ir pelenai gali būti išpūsti į antrinio degimo kamerą ir kamino kanalą, o pauzių metu normaliam degimui nepakaks deguonies. Oro padavimas nustatomas katilo darbui pagal šilumos poreikį sistemoje, bet pereinamuose arba mažos galios režimuose išlaikyti optimalų oro perteklių nėra galimybės. Mažinant katilo generuojamą šilumos kiekį, reikia mažinti degančio kuro kiekį pakuroje ir atitinkamai paduoti reikiamą oro kiekį.

Reguliuoti katilo veikimą nėra taip paprasta, kaip atrodo. Sistema turi reaguoti į traukos pasikeitimą pakuroje ir kamine bei palaikyti optimalų oro perteklių pakuroje, keičiantis generuojamos galios dydžiui. Jei paduodama per mažai oro, auga lakiųjų teršalų emisija (CO, CO₂), o esant dideliam pertekliui, išauga šilumos nuostoliai ir kietųjų dalelių emisija.

Kontrolės priemonės

Visa apimančiu optimizavimo parametru yra deguonies kiekis degimo dujose. Automobiliniuose varikliuose šie jutikliai naudojami daugiau kaip keturiasdešimt metų. Esant optimaliam stechometriniam santykiui (λ= deguonies kiekis ore, reikalingas kuro sudegimui), išėjimo signalas sudaro apie 500 mV. Darbo zonos plotis gana siauras - nuo 0,98 iki 1,02. Kad būtų galima patikimai reguliuoti katilo degimo procesą, reikalingi specialiai adaptuoti Lambda (λ) jutikliai. Jais galima kontroliuoti deguonies koncentracija platesnėse ribose.

Lambda zondai pradeda veikti, esant aukštai analizuojamų dujų temperatūrai (350-400 °C). Biomasės katiluose ištekančių dujų temperatūra pakyla iki 125-250 °C, todėl zondams būtinas elektrinis pašildymo elementas, palaikantis reikiamą darbinę temperatūrą, arba jį reikėtų įrengti aukštos temperatūros zonoje, o tai ne visada įmanoma. Sumontavus katilą šildymo sistemoje, katilą būtina suderinti, parenkant kuro ir oro padavimo parametrus pagal mažiausias CO ir CO₂ emisijas, esant 80-90 proc. katilo vardinei galiai. Optimalaus oro padavimas mažina ne tik lakiųjų medžiagų, bet ir kietųjų dalelių emisiją, tačiau nauji aplinkosaugos normatyvai reikalavimų kartelę pakėlė tiek, kad be papildomo degimo dujų filtravimo juos įgyvendinti nepavyks.

Filtravimo būdai

Sugaudyti dideles kietąsias daleles nesudėtinga. Pakanka įrengti papildomą inercinį arba integruotą į katilo konstrukciją filtrą (specialios konstrukcijos kamera su srauto formavimo elementais). Sugaudyti mažąsias daleles (PM2,5 ir mažesnes) nėra taip paprasta, nes jos iš degimo kameros išnešamos net ir nedidelio greičio dujų srautu.

Filtravimo įrenginiai skirstomi į kelias grupes pagal veikimo principą ir taikomus fizikinius reiškinius. Pirmajai grupei priskiriami hidrodinaminiai filtrai, išnaudojantys inercines ir aerodinamines dalelių savybes. Tai būtų įvairūs ciklonai, papildomos pelenų surinkimo kameros. Antrajai grupei priklauso sietiniai, sluoksniniai (su įvairių dispercinių medžiagų užpildu) ir molekuliariniai filtrai. Trečiąją grupę sudaro drėgno valymo filtrai, naudojantys vandenį ir rečiau specialius tirpalus.

Mažojoje energetikoje dažniausiai naudojami hidrodinaminiai filtrai dėl jų paprastumo ir pigumo. Deja, jais neįmanoma efektyviai surinkti mažas kietąsias daleles, o įrengti sietinius ir drėgnojo valymo filtrus mažose katilinėse dažnai neįmanoma ir brangu. Kaip išeitis dujoms valyti, deginant biomasę, gali būti elektriniai filtrai. Pramoniniuose objektuose šio tipo filtrai naudojami ne vieną dešimtmetį.

Kietosioms dalelėms atskirti geriausiai tinka vainikinio (karūninio) išlydžio filtrai ir separatoriai. Filtro konstrukcija nedideliems degimo dujų debitams (iki 1 000 m³/val.) labai paprasta. Jo pagrindą sudaro du elektrodai, kurių vienas, potencialinis, yra su mažu kreivumo spinduliu. Tai gali būti 0,1-0,25 mm skersmens viela ar plokštelė su aštria brauna. Prijungus prie elektrodų aukštos įtampos šaltinį, artimoje potencialiniam elektrodui aplinkoje vyksta intensyvi „šalta" jonizacija, o erdvę tarp elektrodų užpildo jonai, sudarydami erdvinį krūvį. Patekusios į tarpelektrodinę terpę kietosios dalelės įgauna krūvį ir veikiamos elektrinio lauko nusėda ant įžeminto elektrodo.

Elektrinių filtrų veikimas

Sudėtinguose elektriniuose filtruose gali būti dvi zonos - dalelių užkrovimo (vainikinio išlydžio) ir elektrostatino separavimo. Mažiems dujų srautams skirtiems filtrams įtampa ant potencialinio elektrodo priklausomai nuo konstrukcijos yra nuo 15 iki 30 kV. Didesnis gamintojų ir vartotojų susidomėjimas elektriniais filtrais pastebėtas pastaraisiais metais. Viena iš pirmaujančių šioje srityje yra kompanija „RUEGG Cheminee AG", gaminanti filtrus mediena kūrenamiems katilams ir židiniams. Jo schema pavaizduota paveiksle.

Aukštos įtampos jonizuojantis elektrodas (7) įrengtas apvalaus dujų kanalo centre. Patekusios į erdvinio krūvio zoną kietosios dalelės įgauna elektrinį krūvį ir veikiamos elektrinių jėgų nusėda ant dujų kanalo sienelių. Eksploatuojant katilą, tereikia periodiškai mechaniškai pašalinti nusėdusias dulkes nuo kamino sienelių. Nors filtro konstrukcija paprasta, jo efektyvumas siekia apie 90 proc. Taip pat nereikalingas ir papildomas traukos generatorius, nes jis nesudaro traukos nuostolių dujų pašalinimo kanale. Be to, yra ir papildomas valymo efektas: lakiųjų medžiagų oksidacija išlydžio metu susidariusiu ozonu.

Kad filtras veiktų patikimai, pritaikyti keli specifiniai techniniai sprendimai. Potencialinį elektrodą laikantis izoliatorius apipučiamas švariu aplinkos oru, kad užsiteršus kietosiomis dalelėmis jis nebūtų „pramuštas". Kitas pavojus - kondensacija dujų nutekinimo kanale. Net ir deginant sausą kurą, į pakurą patenkantis oras visuomet yra drėgnas. Kondensacijos procesas ypač intensyvus, kol neįšyla kamino kanalas. Dėl susikaupusio kondensato ne tik gali būti „pramuštas" izoliatorius, bet ir perkrautas aukštos įtampos šaltinis. Apsaugai nuo kondensacijos kontroliuojama temperatūra potencialinio elektrodo zonoje ir aukšta įtampa įjungiama tik pasiekus saugią darbo temperatūrą.

Aukštos įtampos dydis reguliuojamas, kontroliuojant srovę aukštos įtampos grandinėje. Taip išvengiama tarpelektrodinio tarpo „pramušimo" ir aukštos įtampos šaltinio perkrovos. Filtras montuojamas plieniniuose dūmų nutekinimo kanaluose. Trišakis intarpas užsakomas pagal esamą kanalo skersmenį. Prieš ir po filtro turi būti įrengtos srauto išlyginimo atkarpos (ilgis nuo alkūnės ne mažesnis kaip 2 kanalų skersmuo), o maksimaliam valymo efektyvumui pasiekti dulkių nusodinimo atkarpos ilgis turi būti ne mažesnis kaip 1,5 metro. Filtro padėtis (vertikali ar horizontali) neturi didelės įtakos separavimo procesui. Maksimali granulių katilo šiluminė galia 70 kW, o židinio - 35 kW. Taip ribojama degimo dujų srautas per elektrinį filtrą. Didesnės galios katilams teks montuoti 2 filtrus lygiagrečiai.

Šiuo metu tokio tipo filtrai yra papildoma priemonė emisijoms mažinti, tačiau sparčiai augant biomasės deginimui, juos naudoti taps privaloma ir didelės, ir mažos galios katilinėse. Jų diegimą paspartins ir pastaraisiais metais padidėjusi aplinkos tarša komunaliniame sektoriuje. Analogiškų filtrų panaudojimo problemas sprendžia ir Lietuvos energetikos instituto mokslininkai. Labai tikėtina, kad netrukus jie bus gaminami ir Lietuvoje.

Rimvydas AMBRULEVIČIUS

Mano ūkis, 2014/04