КОТЕЛ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ,  НА ДРОВАХ, ОПИЛКАХ   И ПЕЛЛЕТАХ    ДЛЯ  ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

прямоточный котел

Теперь давайте рассмотрим тему  котлов, которые будут давать пар от тепла сжигания твердого топлива для привода в действие  парового двигателя и далее- для вращения электрического генератора.

Такой котел на твердом топливе (чаще всего  в качестве твердого топлива используются дрова, пеллеты или даже опилки), является непременным атрибутом   многих сельских домов и усадеб в малых городах и в поселках.  Котел на твердом топливе – это более совершенное устройство для отопления и обогрева, чем простая  русская печь или печь-голландка.  Его КПД  может достигать 80 – 85 % , и  через  теплообменник по трубам горячая вода  может  разводиться  на большие расстояния для обогрева через радиаторы сразу нескольких  комнат или иных помещений.

Я со своими коллегами решили модернизировать так хорошо знакомый многим отопительный котел и на его базе создать малую электростанцию на дровах — пеллетах — опилках.   Действительно  сетевое электричество  повсюду только дорожает, а те люди, кто вырабатывал электроэнергию на автономных дизель – генераторах, вынуждены платить за солярку  уже очень серьезные деньги.  А в нашем случае  есть котел на очень дешевом местном твердом топливе – который, по сути дела,  представляет собой уже половину  малой электростанции.
Конечно,  группе разработчиков пришлось  создавать особый котел для малой электростанции. В отличие от водогрейных водяных котлов, это теперь паровой котел высокого давления, где давление перегретого пара  имеет значение до 60 атм.

Но свою функцию  давать тепло для обогрева помещений установка с таким котлом теперь выполняет даже лучше.  При этом  такой   котел абсолютно взрывобезопасен, не смотря на высокое давление.  Дело в том, что  конструкция  котла – прямоточная,  и его устройство  состоит из  тонких и длинных плоских кипятильных панелей,  и не имеет в свой конструкции сосудов, находящихся  под  давлением.  При этом  конструкция прямоточного котла с плоскими кипятильными панелями оказывается  заметно эффективнее, чем традиционные прямоточные котлы со стандартными  решетками из кипятильных трубок.  Такие решетки (если их устанавливать в один ряд) могут улавливать только  не более 60% радиационной энергии горящего топлива, а кипятильные панели улавливают практические 100% радиационной энергии.  В настоящее время идет патентование  этой конструкции кипятильных поверхностей.

Но самое главное в этой новаторской разработке, то,  что теперь паросиловая установка дает не только тепло для отопления, но и электричество, и  в значительных объемах. Линейка установок  включает в себя установки от 6 до 60 квт мощности по электричеству.

Перегретый пар высокого давления из котла на твердом топливе идет  в малый паровой аксиально – поршневой двигатель, который  вращается с частотой  в 600 – 800 оборотов в минуту и приводит в движение  генератор переменного тока. И далее ток идет в электро-силовую  систему, где за счет действия силовой электроники может преобразовываться в электроэнергию разного типа и разного напряжения.   Можно на выходе получать постоянный ток на 12 или на 24 вольта, а можно иметь и переменный ток со стабильной частотой в 50 герц, в виде обычных  220 вольт, а можно и получать три фазы на  380 вольт.  Трёхфазный ток обычно используется в различных цехах, мастерских или на фермах для привода в действие электромоторов различного оборудования.
Таким образом, в России начался выпуск малых когенерационных паросиловых установок на основе котла на твердом топливе и малой паросиловой установки с электрогенератором.   Такая установка дает одновременно и тепло для  отопления  и электроэнергию.
Прежде такие системы действовали и действуют только в очень больших  габаритах: это всем известные  ТЭЦ, электрической мощностью в сотни мегаватт, которые снабжают теплом и электричеством  крупные города. А вот малых установок подобного типа, которые бы работали от котла   на  любом твердом дешевом топливе:  на дровах — пеллетах, на опилках – щепе, угле или торфе, и при этом могли устанавливаться для автономного и независимого  тепло — электроснабжения в любой сельской усадьбе, или при небольшой лесопилке в отдаленном  лесном  районе, прежде никто в мире не делал… КПД по электричеству  в подобной малой энергетической системе составляет 10 -12%, что значительно лучше, чем у паровозов 100 летней давности, КПД которых составлял  около 5%.
В заключение можно сказать,  что такая малая электростанция с котлом высокого давления на местном, практически подножном, твердом топливе (от угля — до опилок и пеллет) и с современной паровой машиной, может значительно  облегчить  создание различных  малых  сельскохозяйственных  и обрабатывающих производств  в сельской глубинке и в отделённых лесных районах.

Видео испытания малого парового котла на твердом топливе.

февраль 2020 г- новое видео с котлом

*         *         *

Малая местная электрогенерация  основной своей топливной базой должна и может иметь   дешевое твердое  топливо, которое  добывается совсем не далеко от места его сжигания для производства электроэнергии. Именно тогда она станет поистине дешевой и доступной для всех.

       ТОПЛИВНО-СЫРЬЕВАЯ БАЗА

Топливно-сырьевая база  малой (распределенной или альтернативной) электроэнергетики  для автономного электроснабжения  поистине безгранична.  Прежде всего — это дешевое местное твёрдое топливо и горючие отходы.  И если местное топливо — стоит хоть каких- то небольших денег, то горючие отходы не просто бесплатны, а нуждаются в утилизации и  необходимы затраты для его вывоза и переработки. На что тратятся немалые деньги, как и деньги тратятся на штрафы за нарушение экологических норм за складирование и хранение таких отходов.. В этом случае сжигание на месте появления таких отходов троекратно выгодно, ибо помогает практически избежать таких постоянных и серьезных штрафов. . Коротко рассмотрим основные составляющие элементы этой группы топливных веществ и материалов..

1. ТОРФ

Россия делит с Канадой два первых места по залежам торфа – примерно 150-160 млрд тонн топлива.  При этом торф является возобновляемым полезным ископаемым – его каждый год нарастает в болотах страны примерно 260-280 млн тонн.  Сжигание торфа является экологически чистым процессом. Дело в том, что торф не содержит серы, чего не скажешь о мазуте, угле или солярке.  Огромные залежи торфа протянулись по России от Псковской области на  западе страны, до Томской и Тюменской  областей на востоке.  Торф является очень дешевым, местным, по сути дела «подножным» топливом для очень большого количества регионов в средней России, на русском севере, на Урале и в Западной Сибири.
При этом доля торфа в национальном энергобалансе России крайне мала- всего 0,2%, в то время как, например, в  Финляндии эта цифра достигает 11%, а в Ирландии – 16 %.

2. ГОРЮЧИЕ ОТХОДЫ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА

На территории Российской Федерации размещено около 25% мирового запаса лесных  ресурсов планеты, а это приблизительно 82 млрд. м ³ древесины. Учитывая допустимый размер ежегодной вырубки (500 млн. м3), сегодня обрабатывается не более 40%  объема.
При разработке лесосечного фонда в объёме приблизительно 400 млн. м³  отходы лесной промышленности составили примерно 120 млн. м³ древесины, а отходы деревообрабатывающей промышленности — примерно 57 млн. м³. В настоящее время из общего количества отходов используется в виде технологического сырья немногим более 5 млн. м³ и в виде топлива для предприятий — примерно 20 млн. м³.  Т.е. используется не более 12 %  отходов в этой отрасли.

На сегодняшний день в лесной и деревообрабатывающей промышленности  в год  получают около 70 млн. т. древесных отходов (ветки, горбыли, опилки, щепа, кора, стружка и проч.)    В этих отраслях производства по технологическим особенностям производственные отходы очень велики:
—  в лесопилении  —  40 %,
—  в мебельном производстве — 50 %  от  расходуемого сырья.

              Сегодня в России насчитывается около 10 000 производителей пиломатериалов, при этом почти 75% всей продукции  лесопромышленной  отрасли  изготавливаются на малых предприятиях — небольших частных лесопилках.   Это формат небольших предприятий, которые выпускают до  10 тыс. м³ пиломатериала  в год.  При этом,  в каждом из таких предприятий в год будет образовываться от  300 тонн  до  1 тысячи тонн древесных отходов. Каждые 100 тонн опилок и щепы заменяют  27 тонн солярки, что в ценах начала 16г. стоит около миллиона руб.
Энерговооруженность по оборудованию большинства таких предприятий не превышает 200 – 300 кВт мощности по электромоторам.
Все эти предприятия потребляют электроток  из сети, или работают за счет автономной электрогенерации на дизель- генераторах  на  дорогой солярке.
Все такие предприятия  получают побочным  результатом к выпуску основной продукции, большое количество горючих твёрдых древесных отходов.
Если перевести такие предприятия на автономную выработку электроэнергии за счёт сжигания собственных отходов, то цена электроэнергии для них может уменьшиться в разы и достигнуть до 40-60 коп. за 1 квт.   Цена будет иметь некий вес при бесплатном топливе – ибо надо оплачивать труд специалиста, следящего за котлом и его полуавтоматической загрузкой топливом, а так же на эксплуатацию автоматики и проч.
Многие из этих  10 тыс.  предприятий  будут иметь интерес  к покупке  генераторов на 30 –300 кВт, с приводом от паровых двигателей на сжигании отходов.
Еще  существует возможность перевести часть технического транспорта (тягачи, грузовики и трактора) на паровой ход и не тратить на них  дорогое жидкое топливо.

3. ОТХОДЫ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Отходы сельскохозяйственного производства являются очень  энергоемким топливом, для сжигания с топках котлов. С другой стороны эти отходы являются большой проблемой для сельхоз-производителей, ибо их экологически безопасная утилизация  оказывается трудной экономической и технической задачей.
Так, например, в  Краснодарском крае каждый год   остается около 900 тыс. тонн рисовой соломы, которая долго не перегнивает в почве из-за повышенного содержания кремния в ней. Или на юге России каждый год остается после уборки урожая подсолнечника и переработки его на масло примерно 5 миллионов тонн лузги.  А вообще на полях юга и центральной части  России остается отходов  в массе эквивалентной примерно 11-12 млн. тонн условного топлива (т.е. эквивалент 11-12 млн. тонн хорошего угля).
А еще есть отходы животноводства, которые так же трудно утилизировать и лучшим способом является их сжигание.  Так 1 кг. прироста мяса курицы- бройлера  производит 3 кг отходов в виде подстилочно-пометной массы. В год в России производится в среднем 3.5  млн тонн мяса птицы, т.е. получается около 10 млн тонн отходов. Но есть еще отходы от  поголовья кур-несушек, это еще и еще отходы.
Кроме птицы подстилочно- пометную массу производят свинофермы и  поголовье стада коров и пр. и др. Все это многие десятки миллионов тонн весьма токсичных и трудно утилизируемых отходов. И лучший выход из положения  это сжигать все это и вырабатывать на полученном  тепле электроэнергию.

4. ФАКЕЛЫ ПОПУТНОГО  ГАЗА

В России на нефтепромыслах  в год сжигается 10 млрд. куб.м попутного газа в факелах. И  нефтедобытчики регулярно и непрерывно платят значительные штрафы за такой способ утилизации попутного газа, ибо он загрязняет атмосферу. Наилучший способ утилизировать такие объемы попутного газа- это сжигать его в топках и получать электроэнергию для буровых и поселков нефтяников. Ибо  они получают сейчас на приисках электроэнергию от дизель — генераторов, которые потребляют дорогую солярку.

5. ЭНЕРГИЯ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА

За счет использования паросиловых контуров с роторными двигателями при применении в качестве рабочего тела легкокипящих жидкостей, можно очень хорошо использовать тепло солнечных лучей. Т.е. в солнечных коллекторах легкокипящая жидкость будет испаряться, крутить лопасти парового роторного двигателя и давать электричество.   По расчетам, КПД такой установки по электричеству может достигнуть 28-32 %, что примерно  в 2,5 раза лучше, чем наиболее распространенные сегодня фотоэлектрические кремниевые батареи.
Продолжение темы про энергогенерацию и электроснабжение на тепле солнечных лучей — смотри ТУТ.

6.  ОТХОДЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ТЕПЛА  ПРОМПРЕДПРИЯТИЙ
Это большая и многообразная тема. Но рассматривать здесь ее подробно не будем, по причине ее специфичности. Но могу привести только один пример – вращающиеся печи по производству цемента выбрасывают воздух с температурой 600-700 градусов. И таких примеров в сегодняшней промышленности масса.  Это тепло можно без больших технических трудностей превращать в пар,  и вращать этим паром паровые роторный двигатели для привода  электрогенераторов.

7. УГОЛЬ.

Уголь — один из самых распространенных и недорогих видов топлива. Но он не является  местным  видом топлива, и чаще всего завозится на места из далека.  Поэтому и не будем его рассматривать в этом обзоре.

8. СЖИГАНИЕ БЫТОВОГО МУСОРА

…. Во всем мире остро стоит проблема  утилизации бытового мусора. В бытовом мусоре задыхаются города Европы, Азии, обеих  Америк и  Австрайлии… Россия тоже во всей полноте испытывает проблему  «заполнения мусором»…
…. Одним из наиболее подходящих способов  утилизации мусора является его сжигание на специальных заводах. Этот процесс сжигания идет в факелах природного газа — и поэтому является достаточно дорогостоящим процессом. У большинства городских  властей нет денег не только на строительство таких заводов, но -главное — нет денег на оплату постоянно и регулярно больших счетов за газ. который тратится на сжигание мусора.  Власти экономят деньги  на процессе сжигания- газа идет мало, поэтому процесс сжигания идет при невыысокой температуре и происходит не полностью. Поэтому в трубу вылетают продукты неполного сгорания пластиков,  полимеров, резины, красок и проч. Это цианиды,  диоксины, окислы токсичных металлов  и проч.
Но если  увеличить количество газа и повысить температуру сжигания — будет сгорать все без основных вредных выхлопов, но и цена топлива на такое высокотемпературное сжигание значительно увеличиться. Вот и экономят наши муниципалитеты свой скудный бюджет, отравляя продуктами неполного сгорания воздух на много километров вокруг.
Но если такой горячий воздух от высокотемпературного сжигания  пускать к котел, где циркулирует легкокипящая жидкость, и полученный пар высокого давления  затем подавать в роторный паровой двигатель, то  опять же можно в значительных количествах получать электричество, и мусоросжигательный завод начнет давать прибыль муниципалитету в виде дешевой электроэнергии, которую можно подавать на муниципальные предприятия, приводить в работу городской общественный электротранспорт и проч….
…. Вроде — бы простая схема, но она прежде не реализовывалась потому, что мощность по теплу  у мусоросжигательных заводов не очень велика, и стандартную паровую турбину от электростанций туда не поставишь. Да и цена даже у небольших паровых турбин на 2-3 мВт такова, что  даже крупный и богатый город не сможет себе такой установить… А что говорить о средних райцентрах или небольших городах, которые так же задыхаются от избытка бытовых отходов и испытывают проблемы с оплатой электроэнергии на коммунальные нужды… Да и не производит небольшой город столько мусора — ТБО (твердых бытовых отходов) , чтобы  круглые сутки крутить от его сжигания большую и мощную паровую турбину.
Так же — по опыту известно, чтобы энергетическое предприятие было рентабельным по выработке электроэнергии, паровая турбина должна быть мощностью не менее 6 мВт… Строительство мусоросжигательного завода  такой мощности с паросиловой установкой такого размера  под силу уже  даже не всякому крупному и финансово благополучному областному центру, т.е. даже городу- миллионнику…. Но при этом мусор (твердые бытовые отходы) образуется везде, и в малом селе, и в небольшом райцентре и среднем промышленном городке.
…. В итоге —  в России ежегодно используется в качестве топлива менее 1% твердых бытовых отходов (из 40 млн.тонн бытовых отходов), что ничтожно мало по сравнению со Швейцарией (80 %), Данией (80%), Японией (85%), Францией (65%), Германией (60%) и некоторыми другими странами.
… Поэтому около 80% процентов мусора организовано и относительно законно вывозятся на свалки, от состояния которых у экологов волосы встают дыбом. А остальные 20 % мусора страны нелегально вываливается в овраги, на опушки лесов, на пустыри вокруг городов и сел, в лесополосы  и проч и проч…

…. Выход из этой ситуации таков- ставить на местах появления бытового мусора (в райцентра, малых и средних городах и проч)  небольшие мусоросжигательные заводы на твердом местном топливе, которые будут сжигать это топливо пополам с мусором  и горячие газы от их сжигания направлять в котлы, а полученный пар будет  крутить  средние по мощности паровые роторные двигатели, что будут приводит в действие электрогенераторы для электроснабжения. И мощность таких  паровых роторных моторов может быть любой- от 10 до 1000 кВт….

Перейти  —    страница о «Паровые Роторные Двигатели»

Вернутся — на «Главную  — Малая Электроэнергетика и Электроснабжение«