Прямое сжигание топлива, в том числе биомассы, — самый древний и еще очень распространенный способ получения тепла.
Процесс горения биомассы является довольно сложным в силу неоднородности ее структуры. Горючие компоненты биомассы представляют собой твердые органические вещества. В них может содержаться значительное количество влаги — конденсированной и абсорбционной, причем количество последней зависит от влажности окружающей среды и может достигать 50 %. В некоторых отходах сельскохозяйственных культур, таких, как солома, влажность может равняться 10... 15 %.
Содержание минеральных веществ в растительной биомассе зависит от типа растений, места произрастания и загрязненности почвы. Древесина содержит около 0,5 % золы, которая состоит в основном из щелочных и щелочноземельных катионов в виде карбонатов, солей карбонатных кислот и некоторого количества кремния. В коре золы больше, чем в древесине. В злаковых культурах зола может достигнуть 18 % ; в ней значительное содержание кремния.
Следует заметить, что при полном сгорании органических веществ образуются диоксид углерода и вода, не представляющие особой опасности для окружающей среды.
При термическом разложении целлюлозы и гемицеллюлозы происходят сложные реакции с образованием промежуточных продуктов. Эти реакции могут проходить как параллельно, так и последовательно. Основные этапы термического разложения целлюлозы следующие [10]:
- при температурах ниже 300 °C пиролиз целлюлозы сопровождается образованием свободных радикалов, удалением воды, деполимеризацией, образованием соединений с карбонильной и карбоксильной группами СО и СО2;
- при температурах 300...450 °C гликозидная связь полисахаридов разрушается с образованием свободной гидроксильной группы;
- при температуре 300...450 °C и при более высокой температуре образуются различные карбонильные соединения, такие, как уксусный альдегид, глиоксаль и акролеин, которые легко испаряются;
- в результате конденсации ненасыщенных продуктов образуются углеродсодержащие остатки, представляющие свободные радикалы; при нагревании до 500 °C и выше образуется смесь этих продуктов;
- при высоких температурах и малых размерах частиц сырья идет в основном процесс газификации;
- при низких температурах и больших размерах частиц — образование углистого вещества, воды и СO2.
Из приведенной схемы горения следует, что термическое разложение биомассы происходит при достаточно высоких температурах с образованием смеси горючих газов, которые окисляются кислородом воздуха. При низкотемпературном пиролизе образуется значительное количество углистого остатка. На рис. 4.1 приведена схема процесса при пламенном сгорании газов, обеспечивающем газификацию топлива; при значениях температур ниже определенного уровня происходит медленное горение или неполное сгорание твердой углистой фазы [10].
Интенсивность реакции горения определяется уравнением
Следует учитывать, что используемая энергия будет меньше определяемой расчетом для идеальных условий горения. Это обусловлено рядом причин (трудно обеспечить оптимальные условия горения; диффузия части теплоты сгорания с продуктами горения). Поэтому располагаемая энергия
(4.2)
где АЛ — изменение энтальпии; Т — абсолютная температура; AS — возрастание энтропии.
Во многих странах в последнее время много внимания уделяется малой энергетике, базирующейся на местных энергетических ресурсах. Например, в Дании в качестве топлива широко используют щепу, солому и даже злаки. В этой стране эксплуатируются 80 000 установок малой мощности для сжигания биомассы. В Дании 41 фирма выпускает 130 типов котлов для сжигания биомассы [2].
