Elementy konstrukcyjne

Jedynym elementem istniejącego systemu, który nie wymaga gruntownych poprawek jest sama konstrukcja urządzenia grzewczego, jakim jest kocioł na słomę. W planowanym systemie cała objętość spalin wychodząca z kotła jest wykorzystywana do procesu suszenia słomy. Możliwe jest również ominiecie instalacji suszarek, w tym przypadku spaliny trafiają bezpośrednio do komina (tryb bypass, opisany poniżej). Możliwość pokierowania spalin bezpośrednio do komina jest istotne w przypadku, gdy parametry spalin są niewystarczające do ich wykorzystania do suszenia (np. zbyt niska temperatura, za wysoka wilgotność, itp.).

Kolejnym elementem instalacji jest multicyklon specjalnie zaprojektowany do danej wielkości kotła biomasowego. Powinien się on znajdować jak najbliżej kotła biomasowego, najlepiej w budynku kotłowni, aby spaliny wychodzące z kotła nie wychładzały się. Dodatkowo, multicyklon powinien zostać zaizolowany ze względu na możliwą kondensację w obrębie multicyklonu pary wodnej zawartej w spalinach. Zdarza się, że wraz z zapylonymi spalinami kocioł opuszczają również kilkucentymetrowe żarzące się źdźbła słomy. Urządzenie to zatem będzie miało dwa zasadnicze funkcje. Po pierwsze służyć będzie wstępnemu odpylaniu spalin z gruboziarnistej frakcji pyłu oraz z unoszonych z kotła żarzących się ździebeł słomy. Po drugie będzie ochraniał instalację suszarniczą przed potencjalnym zapłonem (możliwość zapłonu słomy znajdującej się w suszarce).

Blisko multicyklonu powinien znajdować się wentylator wyciągowy spalin, który wytwarzać będzie odpowiedni poziom podciśnienia na czopuchu kotła. Musi on być odporny na wysokie temperatury sięgające 350⁰C oraz powinien mieć

176 możliwość pracy z mediami wysoko zapylonymi. Wentylator wyciągowy powinien mieć możliwość pracy ze zmienną prędkością obrotową realizowaną przez zmianę częstotliwości pracy przy pomocy falownika.

Wszystkie kanały, którymi przepływają spaliny powinny być zaizolowane materiałem odpornym na wysokie temperatury, np. wełną mineralną. Pełna izolacja rurociągów ma za zadanie ograniczenie lokalnego spadku temperatury i wykraplania się spalin w przewodach. Dodatkowo, kanały powinny być wykonane ze stali kwasoodpornej, aby nie następowała ich korozja przy potencjalnym wykropleniu się spalin. Kanały powinny posiadać otwory rewizyjne w celu możliwości czyszczenia wszystkich ścianek.

Kolejnym bardzo ważnym elementem jest mieszacz, który ma za zadanie mieszanie gorących spalin z powietrzem atmosferycznym dla osiągnięcia zadanej temperatury czynnika suszącego. Jest to newralgiczne miejsce całej instalacji ze względu na duże spadki temperatury spalin – z ok. 250⁰C do wartości zadanej (najczęściej z zakresu 100-150⁰C) i w związku z tym narażone na podwyższone ryzyko kondensacji pary wodnej. Dla zniwelowania tego efektu konieczne jest dokładne zaizolowanie, aby nie dochodziło do kondensacji w pobliżu ścianek mieszacza. Powietrze atmosferyczne powinno być podawane od boku mieszacza lub od góry, aby wyeliminować obecny problem zatykania się kanałów dostarczających powietrze. Dodatkowo, doprowadzanie wymaganej ilości powietrza atmosferycznego realizowane powinno być za pomocą niewielkich wentylatorów sterowanych falownikami. Obecny system nie pozwala na dokładną regulację temperatury czynnika suszącego ze względu na długi czas otwarcia przepustnic. Mieszacz od dołu powinien posiadać otwór rewizyjny, aby jego czyszczenie było łatwiejsze. Ponadto mieszacz powinien posiadać odpływ kondensatu.

Wentylator promieniowy wykorzystywany do wtłaczania czynnika suszącego do wnętrza balotu powinien znajdować się w miarę możliwości jak najbliżej mieszacza oraz samej suszarni, aby niwelować straty ciepła czynnika suszącego. Wentylator ten powinien być odporny na temperatury dochodzące do 170⁰C. Dodatkowo, pomiędzy mieszaczem i wentylatorem powinna zostać zainstalowana przepustnica sterowana siłownikiem lub silnikiem krokowym. Przepustnica ta będzie miała za zadanie sterowanie przepływem czynnika suszącego, jednak jej priorytetem będzie

177 utrzymywanie stałego ciśnienia w instalacji pomiędzy wentylatorem wyciągowym spalin a wentylatorem wtłaczającym czynnik suszący do balotu słomy. Poziom jej otwarcia/zamknięcia będzie sterowany sygnałem z czujnika podciśnienia w kanale spalinowym zainstalowanym za mieszaczem.

Suszarnia powinna znajdować się jak najbliżej wentylatora wtłaczającego czynnik suszący. W celu stworzenia (pół)automatycznego systemu suszarnię należy umieścić tuż przy kotle, aby uprościć proces załadowywania oraz wyładowywania słomy do/z suszarni oraz załadowywania wysuszonej słomy do komory spalania kotła.

Przewiduje się dwa rozwiązania:

1) Pierwsze (bazowe): umiejscowienie suszarni tuż obok kotła biomasowego przedstawione zostało na rys. 120 (rozwiązanie dla instalacji kotła biomasowego już istniejącego). Suszarnia ta powinna być wyposażona w manualnie otwierane drzwi służące do wkładania słomy do jej wnętrza. Dodatkowo, powinna być zapewniona możliwość wykonywania otworów we wnętrzu balotu słomy przy pomocy rur zakończonych „na szpic” i sterowanych siłownikiem hydraulicznym. Rury do wykonywania otworów powinny być zintegrowane z dyszą wtłaczającą czynnik suszący. Po wykonaniu otworów należy wyciągnąć rury z wnętrza balotu. Otwory wykonywane są w celu zmniejszenia oporu przepływu czynnika suszącego przez balot słomy, co znacznie usprawnia proces suszenia słomy. Na drzwiach suszarni powinna zostać zamontowana dociskowa płyta metalowa, szczelnie przylegająca do balotu po zamknięciu drzwi suszarki, wymuszając w ten sposób promieniowy przepływ czynnika.

178 Rys. 120. Schemat instalacji dla istniejącego kotła (rozwiązanie zintegrowane): 1 – kocioł na słomę, 2 – multicyklon, 3 – wentylator wyciągowy spalin, 4 – przepustnica spalin (tryb bypass), 5 – przepustnica otwierająca/zamykająca przepływ spalin do suszarni, 6 – przepustnica regulująca podciśnienie w instalacji, 7 – mieszacz, 8 – wentylator wtłaczający czynnik suszący, 9 – suszarnia, 10 – wentylator wyciągowy spalin z suszarni, 11 – komin, 12 – wentylator nadmuchowy, T1-5 – pomiar temperatury, Δp1,2 – pomiar podciśnienia.

2) Drugie (zintegrowane): umiejscowienie suszarni, możliwe w nowopowstających instalacjach, to połączenie w szeregu suszarnia-kocioł (w istniejących jednostkach, ze względu na konieczność przeprojektowania ściany frontowej kotła, będzie bardzo trudne do wykonania). Rozwiązanie to przedstawione zostało na rys. 121. W celu załadunku słomy do suszarni można wykorzystać podnośnik hydrauliczny umieszczony na ciągniku, wózek widłowy itp. (tryb półautomatyczny) lub stół podawczy (tryb automatyczny). W tym połączeniu suszarnia powinna być zintegrowana z kotłem. Po wykryciu przez system automatyki zakończenia procesu spalania następuje otwieranie drzwi kotła. Drzwi powinny zostać tak zaprojektowane, aby miały możliwość otwierania się, gdy wewnątrz suszarni znajduje się balot słomy. Najlepszym rozwiązaniem będą drzwi odsuwane w bok. W tym momencie następuje wsunięcie balotu słomy do wnętrza komory spalania za pomocą siłownika hydraulicznego. Następnie zamknięcie drzwi kotła i otwarcie drzwi suszarni

179 oraz załadunek kolejnego balotu słomy do jej wnętrza. Po zamknięciu drzwi suszarni za pomocą siłownika hydraulicznego wykonane zostaną otwory we wnętrzu balotu jak w przypadku pierwszym, a dociskowa płyta metalowa znajdować się będzie na drzwiach kotła.

Rys. 121. Schemat zintegrowanego systemu (rozwiązanie drugie): 1 – kocioł na słomę, 2 – multicyklon, 3 – wentylator wyciągowy spalin, 4 – przepustnica spalin (tryb bypass), 5 – przepustnica otwierająca/zamykająca przepływ spalin do suszarni, 6 – przepustnica regulująca podciśnienie w instalacji, 7 – mieszacz, 8 – wentylator wtłaczający czynnik suszący, 9 – suszarnia, 10 – wentylator wyciągowy spalin z suszarni, 11 – komin, 12 – wentylator nadmuchowy, 13 – stół podawczy słomy, T1-5 – pomiar temperatury, Δp1,2 – pomiar podciśnienia.

Suszarnia musi zostać wyposażona w system przeciwpożarowy w celu uniknięcia zapłonu słomy we wnętrzu suszarni. W tym celu w górnej części suszarni powinny zostać zamontowane zraszacze, które uruchamiają się przy osiągnięciu zadanej wartości temperatury.

Na wylocie z suszarki, czynnik suszący będzie miał bardzo niską temperaturę, zatem powinien zostać zainstalowany wentylator wyciągowy w celu jego skutecznego usunięcia przewodem kominowym.

Podczas wykorzystywania słomy o wilgotności do 20%, suszarnia nie będzie pracować. W rozwiązaniu bazowym balot będzie trafiać bezpośrednio do komory spalania w kotle z pominięciem suszarni. W rozwiązaniu zintegrowanym słoma będzie wkładana do suszarni, ale spaliny nie będą wtłaczane w głąb balotu słomy. W tym celu

180 wykonany zostanie bypass. Zaczynać się on będzie tuż za wentylatorem wyciągowym spalin z kotła i wpięty będzie bezpośrednio do przewodu kominowego. Na kanałach spalinowych należy zamontować przepustnice sterowane za pomocą siłowników celem możliwości wyboru przepływu spalin do suszarni albo bezpośrednio z kotła do przewodu kominowego.

Bardzo ważne jest odpowiednie składowanie paliwa wykorzystywanego do spalania w dedykowanym systemie. Słomy nie należy przetrzymywać na otwartej przestrzeni, ponieważ niekorzystne warunki atmosferyczne pogarszają jej jakość– wzrost wilgotności. Zalecane jest pobudowanie zadaszonego, wentylowanego magazynu na słomę, w którym możliwe będzie przetrzymywanie słomy przez okres co najmniej 1-2 miesięcy. Pozwoli to na wstępne przygotowanie i wysuszenie słomy wykorzystywanej do spalania, co dodatkowo podniesie sprawność całego systemu.

Układ kotłowy ma możliwość pracy na dwóch czynnikach roboczych jakimi są woda oraz olej termalny. W przypadku wody system będzie pracować na niższych temperaturach, ponieważ nie można przekroczyć temperatury wrzenia wody, która dla układów otwartych wynosi 100⁰C (z reguły temperatura medium grzewczego nie przekracza 95⁰C). Wykorzystując wodę system pracować będzie jako typowa instalacja wodna. W przypadku oleju termalnego czynnik roboczy można podgrzewać do znacznie wyższych temperatur, co korzystnie wpłynie na ograniczenie emisji pyłowych do atmosfery. Wykorzystując olej termalny jako czynnik roboczy instalacja będzie pracować niemal identycznie jak w przypadku instalacji wodnej. Wersja wodna i olejowa różnić się będą tylko dwoma dodatkowymi elementami jakim są olejowa pompa obiegowa oraz wymiennik olej-woda, w którym woda będzie odbierać ciepło od oleju nagrzanego w kotle. System ten będzie analogicznym systemem do opisanego w rozdziale 5.2. Nagrzana woda magazynowana będzie w zbiorniku buforowym, tak jak to miałoby to miejsce w przypadku systemu opartego tylko na wodzie. Preferowanym rozwiązaniem jest system olejowy ze względu na możliwość pracy na wyższych parametrach czynnika roboczego co przyczyni się do wydajniejszego spalania paliwa w kotle, a jednocześnie w bardzo prosty sposób zmniejszy emisje pyłowe do atmosfery.

Ponadto, wykorzystanie oleju termalnego jako czynnika roboczego pozwoli na bardzo łatwe rozbudowanie systemu grzewczego o kolejne elementy zwiększające

181 funkcjonalność systemu oraz może przynosić dodatkowe korzyści finansowe użytkownikom takiego systemu. Możliwe jest rozbudowanie systemu do układu kogeneracyjnego lub trigeneracyjnego. Czyli nie tylko będzie możliwość wytwarzania ciepła, ale również generacji energii elektrycznej jak i chłodu. Prace nad takimi systemami są coraz częściej prowadzone, co w najbliższej przyszłości pozwoli na wprowadzenie takich rozwiązań. W takich systemach, w okresach zimowych ciepło głównie wykorzystywane będzie na potrzeby ogrzewania budynków jak również przygotowania ciepłej wody użytkowej. W okresach o zmniejszonym zapotrzebowaniu na ciepło, czyli późną wiosną, latem oraz wczesną jesienią, system może być wykorzystywany do: (i) wytwarzania chłodu na cele klimatyzacyjne poprzez instalację chłodziarki absorpcyjnej, (ii) generacji energii elektrycznej przez zastosowanie odpowiednich układów z silnikami lub mikroturbinami parowymi.