Практика впровадження твердопаливних котелень у ЖКГ України

Досвід, технології та економіка, деталі проектування, рекомендації щодо підбору обладнання для котелень на твердому паливі в житлово-комунальному господарстві Україні. Такі питання висвітлюються у «Посібнику для представників ЖКГ з використання біомаси як палива у муніципальному секторі», підготовленому за сприяння ПРООН Біоенергетичною асоціацією України, інформаційним партнером якої є журнал AW-Therm. Пропонуємо увазі читачів деякі викладки з цього видання, що вийшло у світ наприкінці минулого року

Основними технологіями використання деревної біомаси як палива в Україні наразі є спалювання в пальниках ретортного типу (рис. 1), на решітках та ін. Пряме спалювання є добре відпрацьованою технологією і відрізняється своєю простотою та доступністю. Вдосконалення цих технологій іде шляхом вирішення проблем забруднення навколишнього середовища, пристосування до використання різних видів палива, підвищення ефективності.

Рис. 1. Пальник ретортного типу

Спалювання в шарі палива є основною технологією використання біопалива та конструктивно включає: паливну решітку, на якій відбувається процес горіння, паливо-живильний пристрій (механічний, гідравлічний чи пневматичний), системи подачі повітря та видалення золи. Первинне повітря подається під решітку та через отвори проникає у шар палива, де викликає процес газифікації горючих газів. Вторинне повітря подається над шаром палива (в зону окислення) і супроводжує процес згоряння. Зола періодично видаляється шляхом струшування, зрушення або чищення.

При спалюванні твердого біопалива з різним фракційним складом, підвищеним вмістом золи, сумішей палива використовують котли з киплячим (при тепловій потужності понад 5 МВт) або циркулюючим киплячим шаром (більше 20 МВт).

Обладнання

Водогрійні котли на біопаливі можуть застосовуватись як для опалення окремих будинків чи приміщень, так і в системах централізованого теплопостачання. У залежності від потужності та виду палива як обладнання можуть використовуватись котли і теплогенератори з ручним або автоматичним завантаженнямЗазвичай при потужностях до 2 МВт спалювання сипких деревних відходів і гранул реалізується в котлах з автоматичною подачею та відбувається в спеціальному пальнику або реторті з нижньою чи верхньою подачею сировини. При потужності від 800 кВт часто встановлюють котли з похило-перештовхувальними решітками (рис. 2).

Рис. 2. Котел с похило-перештовхувальною решіткою

Надійність роботи котла при зміні погодних умов досягається підбором такої потужності, що обумовлює якомога довшу його роботу із стабільною продуктивністю (в базовому режимі). Пікові теплові навантаження мають забезпечуватись котлами на газовому або рідкому паливі, підключеними до системи опалення паралельно до котлів на біомасі. Встановлена теплова потужність котлів на біомасі при цьому може становити від 40 до 70% розрахункового теплового навантаження споживачів, що більш точно може бути визначено техніко-економічним обґрунтуванням.

Теплогенератор на біопаливі може бути встановлений як в існуючій котельні, при наявності вільного місця для розміщення обладнання паливоподачі, так і у вигляді окремої котельні (рис. 3).

Рис. 3. Котельня з бункером для гранул

У деяких випадках рекомендується оснащувати котельні на біомасі водяним баком-акумулятором, запас нагрітої води якого використовується для компенсації добової нерівномірності споживання тепла та для захисту від перегріву. Рекомендоване співвідношення між об’ємом бака-акумулятора та потужністю становить 10/1, тобто при 1 кВт встановленої потужності котла необхідно орієнтуватись на 10 л об’єму бака-акумулятора.

Ефективність виробництва теплової енергії з біомаси на об’єктах муніципальної сфери залежить від:

організації надійного постачання паливної сировини;
використання якісного обладнання та відповідних технологій;
дотримання безпечної експлуатації та забезпечення екологічних, санітарних, будівельних та пожежних норм;
оптимізації витрат.

Проблема логістики

Виходячи з досвіду реалізації біоенергетичних проектів в Україні, основні труднощі полягають в організації надійного забезпечення об’єктів теплоенергетики паливною сировиною. Особливості організації логістики біопалива, в першу чергу, залежать від виду сировини – чи то аграрних відходів, таких як солома чи стебла кукурудзи, деревини, або ж готового покращеного біопалива у вигляді гранул і брикетів (рис. 4). Зовнішніми факторами впливу на схему організації логістики є клімат, дороги і рельєф місцевості, масштаб проекту та відстань перевезення.

Рис. 4. Доставка біопалива за допомогою автотранспорту

Організація заготівлі біомаси характеризується сезонністю, що особливо чітко проявляється у разі використання палива сільськогосподарського походження. Часові рамки доступності збору агробіомаси досить обмежені – від кількох тижнів до кількох місяців, а час заготівлі визначається періодом збирання врожаю, погодними умовами та агротехнічними вимогами.
На даний час схеми логістики виробників теплової енергії з біомаси в переважній більшості стосуються лише транспортування. Поміж тим, відсутність розвиненого ринку біопалива змушує споживачів займатися питаннями заготівлі та складування для тривалого зберігання (рис. 5).

Рис. 5. Склад для паливної тріски

Розширення організаційної схеми логістики дозволяє зменшити не лише технічні ризики, а й витрати на біопаливо, що суттєво впливає на собівартість теплової енергії. В Україні існує позитивний досвід компаній, які самостійно займаються заготівлею деревних відходів і соломи, вирощують енергетичні культури, виробляють гранули та брикети для забезпечення власних об’єктів паливом. Таким чином забезпечується замкнутий цикл від заготівлі біомаси до виробництва теплової енергії.

Потенціал соломи

Солома як паливо використовується в котлах або теплогенераторах для періодичного спалювання цілих тюків та з попереднім їх подрібненням. Поміж тим, найбільш зручним є спалювання соломи у вигляді гранул та брикетів у пальниках ретортного типу або на колосникових решітках.

Рис. 6. Солома – сировина для виготовлення пелет

Протягом декількох років в Україні спостерігається значний розвиток виробництва гранул із соломи. Основний обсяг продукції постачається на експорт, проте останнім часом намітилась позитивна тенденція збільшення споживання солом’яних гранул на внутрішньому ринку. Проблема використання таких гранул пов’язана з їх хімічним складом і технічними обмеженнями щодо можливості їх спалювання в типових котлах для деревних гранул.

Нюанси проектування

Площа ділянки, необхідної для спорудження котельні, визначається прийнятими технічними рішеннями щодо потужності, видом палива і типом обладнання. Під час планування забудови (ДБН 360-92** «Містобудування. Планування і забудова міських та сільських поселень») для опалювальних котелень на твердому паливі, розташованих окремо та розміщених у районах житлової забудови, розмір земельної ділянки має бути не менше ніж 1 га за теплопродуктивності 5–10 Гкал/год, 2 га – для 10–50 Гкал/год, 3 га – для 50–100 Гкал/год і т. д. Площі ділянок можуть бути зменшені за умови дотримання вимог, які регламентуються іншими нормативними документами.

Промислові об’єкти, що є джерелами забруднення навколишнього середовища, повинні відокремлюватись від житлової забудови санітарно-захисними зонами – від джерел викидів до межі житлової забудови, ділянок громадських установ, будинків і споруд. Для опалювальних котелень така зона встановлюється від димових труб та місць зберігання і підготовки палива, джерел шуму.
Основні будівельні вимоги до котелень потужністю понад 200 кВт викладені в ДБН В-2.5.77-2014 «Котельні». Більшість пунктів стосуються котелень у залежності від типу палива (рідке, тверде, газоподібне), а окремі вимоги залежать від виду палива (вугілля, торф, гранули). Під час розробки проектів котелень на біопаливі особливу увагу варто приділяти компонуванню обладнання (рис. 7), організації паливних складів і паливоподачі, системам газоочищення та золовидалення, протипожежним заходам.

Рис. 7. Один із можливих варіантів проекту котельні на твердому біопаливі

Не допускається проектування котелень прибудованих, вбудованих, дахових для таких будинків і споруд громадського призначення, як дитсадки, навчальні заклади, заклади охорони здоров’я та соцзахисту населення. Кількість і потужність котлів, що встановлюють у котельні, потрібно вибирати за розрахунковою потужністю котельні з урахуванням режимів роботи при мінімальному навантаженні. Для споживачів першої категорії кількість котлів та їх сумарна потужність повинні забезпечувати надійний відпуск теплової енергії за умови виходу з ладу найбільш потужного котла. Встановлення котлів і теплогенераторів на відкритому повітрі допускається, якщо це передбачено їх конструкцією.

Склади твердого палива, як правило, проектуються відкритими. Проектування закритих складів допускається для районів зі щільною забудовою та в разі умов ущільненого будівництва. Місткість паливних складів, за умови постачання палива автотранспортом, може не перевищувати семидобового запасу. Склади біопаливних гранул, прибудовані до будівель котелень, не повинні перевищувати 150 м³.

Доцільна реконструкція

У муніципальному секторі найбільш доцільним кроком є реалізація проектів реконструкції діючих котелень. У реальних умовах при зниженні приєднаного теплового навантаження на підприємствах теплопостачання створюється надмірна встановлена теплова потужність застарілих котлів.

Доцільним виглядає зменшення встановленої потужності обладнання за рахунок виведення з експлуатації морально застарілого обладнання та устаткування з низькою ефективністю. У першу чергу, з експлуатації та балансу необхідно вивести потужні котельні установки, які не використовуються та не можуть працювати з потужністю нижче приєднаного теплового навантаження. Таким чином, з’являться вільні площі та можливості для впровадження сучасного ефективного теплогенерувального обладнання, яке працює на альтернативних видах палива.

Часті обмеження

Реалізація біоенергетичних проектів у багатьох випадках може бути ускладнена відсутністю можливості забезпечення санітарно-екологічних і протипожежних норм. Велика кількість муніципальних котелень, збудованих понад 40–60 років тому, свого часу були переведені на використання природного газу та опинились у щільній міській забудові. Складність переведення таких котелень на тверде паливо, зокрема біомасу, обумовлені не лише недостатніми для будівництва площами земельних ділянок, а й розташуванням у безпосередній близькості до житлової забудови, що пов’язано з високою ймовірністю порушення меж санітарно-захисних зон.
Для таких об’єктів основними обмежувальними факторами є рівень шуму, викиди забруднюючих речовин, пожежні розриви та наявність під’їзних шляхів.

Економічна ефективність

Зазвичай реалізація проектів використання біомаси для виробництва теплової енергії зорієнтована на заміну природного газу. В індивідуальних котельнях виконуються проекти повного заміщення газу, а в котельнях централізованого теплопостачання великої потужності – часткового заміщення, де газові котли відіграють роль резервних та пікових.

Економія природного газу на кожну вироблену 1 Гкал теплової енергії з біомаси становить 132–165 м³, а скорочення викидів парникових газів при заміщенні газу біомасою – близько 1,9 т СО₂/тис. м³ (рис. 8).

Рис. 8. Економія газу та зниження викидів СО₂

Економічна ефективність біоенергетичних проектів залежить від індивідуальних умов, що визначаються впливом таких основних факторів:

тривалість опалювального періоду та використання встановленої потужності обладнання, що залежить від кліматичних умов населеного пункту;
ціна на традиційне паливо, яка залежить від категорії споживачів;
ціна біопалива з доставкою, яка залежить від якості та виду палива, а також від відстані транспортування;
масштаб проекту, обсяг капітальних витрат та умови фінансування.

Для прикладу, опалювальний період у Сумській області може тривати 187 діб, а розрахункова температура дорівнює мінус 25°С, в той же час у Закарпатті тривалість опалювального періоду – 154 доби, а розрахункова температура дорівнює мінус 18°С.

На сьогоднішній день в Україні розрізняють чотири групи споживачів теплової енергії: населення, бюджетні установи та організації, комерційні споживачі та релігійні організації. Для кожної групи встановлюються різні ціни на природний газ, а, відповідно, й тарифи на теплову енергію. Більш економічно доцільним є заміщення теплової енергії для бюджетних установ і комерційних споживачів, де тарифи є найвищими.

Внаслідок заміщення дорогого природного газу більш дешевим біопаливом виникає економія коштів, яка може бути спрямована на повернення інвестицій. Заснована на цьому методика економічної оцінки проектів може застосовуватись для проектів, які фінансуються за рахунок власних коштів та реалізуються для забезпечення власних потреб у тепловій енергії. Для проектів, які передбачають залучення інвестицій та продаж теплової енергії стороннім споживачам, оцінку проектів варто виконувати на підставі аналізу інвестиційних показників – простого та дисконтованого терміну окупності (DPBP), чистої приведеної вартості (NPV) та внутрішньої норми рентабельності (IRR).

Економічна ефективність однакових проектів виробництва теплової енергії з різною вартістю біопалива може відрізнятись дуже суттєво, в т. ч. бути економічно недоцільною. У той же час, завдяки цілорічному виробництву та реалізації «зеленої» електричної енергії та збуту теплової енергії будівництво потужних котелень і ТЕЦ на агробіомасі в системах централізованого теплопостачання може бути економічно доцільним.

Витрати капітальні та експлуатаційні

У структурі витрат на виробництво теплової енергії витрати на біопаливо можуть становити 40–60%, а тому вартість палива є ключовим параметром економічної доцільності заміщення традиційних видів палива.

На підставі аналізу даних про результати 200 публічних закупок дров на суму понад 100 млн грн у 2017 році можна зробити висновок, що ціна на біопаливо в залежності від якості та регіону може відрізнятись у кілька разів, що пов’язано з витратами на доставку. У перерахунку на масу середня вартість дров становить 900 грн/т, з ПДВ. Вартість паливних гранул із доставкою – 1170–3400 грн/т, брикетів – 1300–3700 грн/т, а деревної тріски – 800–1400 грн/т.

До капітальних витрат на реалізацію будівельних проектів відносяться обладнання і матеріали, роботи та послуги, організаційні витрати, податки та збори. Ціноутворення під час розробки проектів та будівництва базується на нормативно-розрахункових показниках і поточних цінах трудових та матеріально-технічних ресурсів.

Вартість проектних робіт для котельні залежить від потужності об’єкта, виду робіт, типу палива та інших ускладнювальних факторів. Кількість стадій проектування залежить від класу наслідків об’єктів будівництва. Для котелень з класом наслідків СС1 проектування виконується в одну (робочий проект), для СС2 – у дві (ТЕО + робочий проект) або три стадії проектування (ТЕО + проект + робоча документація). Витрати на стадію ТЕО становлять 20–25% від загальних витрат на проектування. За усередненою оцінкою вартість розробки проектно-кошторисної документації – близько 5% від загальної вартості будівництва.

Згідно з проведеними дослідженнями щодо закупівлі твердопаливних котлів, які працюють на біопаливі, для потреб муніципального сектору здебільшого використовується дешеве вітчизняне обладнання. Його середня вартість становить 0,5–1,5 тис. грн/кВт, з ПДВ. У той же час вартість проектів «під ключ» коливається в дуже широкому діапазоні та залежить як від обладнання, так і від обсягів будівельних робіт.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!