Institut za nuklearne nauke - Vinča

Časopis Industrija vam predstavlja jedan od najznačajnijih instituta u Srbiji – Institut za nuklearne nauke Vinča i dr Dejana Đurovića koji, pri Laboratoriji za termotehniku i energetiku ovog instituta, radi na projektima vezanim za energetsku efikasnost i korišćenje obnovljivih izvora energije, kao i na razvoju tehnologija za energetski efikasno korišćenje biomase i optimizaciju industrijskih procesa.

Na osnovu višedecenijskog rada u oblasti termotehnike i termoenergetike, sa posebnim osvrtom na korišćenje biomase na energetski efikasan način uz zadovoljenje svih normi iz oblasti zaštite životne sredine, Laboratorija za termotehniku i energetiku (LTE) Instituta za nuklearne nauke - Vinča sa pravom predstavlja jednu od najznačajnijih institucija u zemlji i regionu u ovoj oblasti. U prilog tome govore i sledeći podaci:
Aktuelni projekti iz oblasti energetike koje finansira Ministarstvo prosvete, nauke i tehnološkog razvoja, a čiji je nosilac LTE, su ocenjeni kao ubedljivo najbolji;
U LTE je razvijena i patentirana tehnologija za sagorevanje balirane biomase, koja je primenjena na industrijskom postrojenju u Poljoprivrednoj Korporaciji Beograd (PKB) snage 2 MW;

Veliki broj radova na ovu temu objavljenih u vrhunskim međunarodnim časopisima, brojna tehnička rešenja i unapređenja, kao i dve odbranjene doktorske disertacije na Mašinskom fakultetu Univerziteta u Beogradu, daju još veći značaj razvijenoj tehnologiji sa naučno istraživačke strane;
Stalno praćenje stanja i razvoja tehnologije u Evropi i svetu u ovoj oblasti;
Permanentno usavršavanje kadrova, kroz pohađanje odgovarajućih stručnih seminara, kao i domaćih i međunarodnih konferencija;
Obučenost stručnjaka za izradu “Cost-benefit” analize projekata po metodologiji Evropske unije. Na osnovu takve jedne naše analize, Republika Srbija je dobila garant u visini od približno 8 miliona evra od organizacije švajcarske vlade - SECO (Swiss State Secretariat for Economic Affairs), za izgradnju kogenerativnog postrojenja na biomasu.
Korišćenje fosilnih goriva postaje sve više problematično sa aspekta zaštite životne sredine. Jedna od mogućnosti prevazilaženja očekivanih problema je korišćenje biomase iz poljoprivredne proizvodnje, kojom Srbija raspolaže u velikim količinama.

Dr Dejan Đurović

U Institutu za nuklearne nauke Vinča, Laboratorija za termotehniku i energetiku, poslednjih 20-30 godina intenzivno se radi na razvoju sistema za iskorišćenje raspoložive biomase u Srbiji, kao goriva. Ono što je još na početku tog rada ustanovljeno, jeste da postoji velika razlika u karakteristikama biomase sa stanovišta pogodnosti primene. Biomasa se sa stanovišta pogodnosti sagorevanja, odnosno primene, može podeliti na dve osnovne grupe i to: šumska biomasa i biomasa iz poljoprivredne proizvodnje. Osnovna razlika ove dve pomenute vrste biomase je u karakteristikama pepela, odnosno karakterističnim temperaturama topivosti pepela.
Nepovoljna okolnost za primenu biomase iz poljoprivredne proizvodnje je to što pepeo tih biomasa, po pravilu, ima izraženu sklonost ka lepljenju, odnosno temperatura sinterovanja pepela biomase iz poljoprivredne proizvodnje je znatno niža od one kod pepela šumske biomase. Ta pojava nije slučajna, već je posledica primene veštačkih đubriva u uzgoju poljoprivrednih kultura.

Pored toga bimasa je vlaknaste strukture i teško ju je sitniti i pripremati za mehanizovano i kontrolisano loženje. Kad se govori o mehanizovanom i kontrolisanom loženju, obično se misli na sagorevanje usitnjene biomase ili sagorevanje briketa ili peleta koji se prave od usitnjene biomase. Uz sve to, da bi se biomasa primenila na pomenuti način mora se i sušiti ukoliko njena vlažnost prelazi granice, a obično prelazi, zahtevane u pomenutim tehnologijama. Znači u klasičnom sistemu primene biomase iz poljoprivredne proizvodnje morala bi se primeniti i: sušara, seckalica, mlin, briketirka (peletirka), specijalan sistem za doziranje ili uduvavanje. Sa energetskog prvenstveno, pa i ekonomskog, što nikako nije zanemarljivo, to smanjuje efekte primene biomase iz poljoprivredne proizvodnje. Zbog toga, pri odlučivanju koju biomasu i u kom obliku treba primeniti, pored podatka o umanjivanju toplotne moći usled određene transformacije forme biomase, mora se voditi računa i o investicionim, eksploatacionim i troškovima održavanja. Ukoliko je instalisana snaga, potrebna za transformaciju veća, pomenuti troškovi ubrzano rastu, što se u krajnjem slučaju odražava na jediničnu cenu energije koja se dobija od goriva.

Bilo je jasno da se moraju razvijati tehnologije primerene našim mogućnostima, a to su: relativno niske tehnološke mogućnosti domaće privrede, relativno niska tehničko i tehnološka obučenost raspoloživog kadra za upravljanje tim postrojenjima, mala likvidnost i mogućnost ulaganja potencijalnih kupaca. Prema tome, morale su se razvijati tehnologije koje zadovoljavaju sledeće uslove:
niska cena postrojenja,
mala cena pripreme, transporta i skladištenja goriva,
jednostavna za rukovanje,
kontrolisano sagorevanje,
visok stepen iskorišćenja goriva,
mogućnost paralelnog korišćenja više vrsta biomasa, pa i drugih goriva, kao i
zadovoljenje ekoloških normi.

Sagledavajući sve prethodno iznete zahteve, odlučeno je da se ide u razvoj specifičnih ložišta za sagorevanje balirane biomase iz poljoprivredne proizvodnje. Poslednjih desetak godina desile su se mnoge promene u poljoprivredi, mnogi veliki poljoprivredni kombinati su se raspali, a sa druge strane ojačali su pojedini individualni poljoprivredni proizvođači, koji obrađuju više desetina pa i stotina hektara zemlje. Tom trendu se Laboratorija za termotehniku morala prilagoditi, odnosno razviti postrojenja manjih i srednjih snaga, visokoefikasne, jeftine i ekološki prihvatljive energetske jedinice za razne potrebe novog tržišta, jer koliko god su ojačani pojedini poljoprivrednici veliki - još nisu dostigli nivo veličine poljoprivrednih kombinata. Samim tim njihove potrebe se iskazuju u manjim energetskim jedinicama. Po našim procenama to su kotlovi i ložišta snage 300 do 1 000 (2 000) kW. Sagledano je da je za takva postrojenja najprikladnija balirana biomasa iz poljoprivredne proizvodnje.
Balirana biomasa kao gorivo ne zahteva velika ulaganja u pripremu, jer balirke poseduje skoro svaki poljoprivredni proizvođač. To nisu skupe i komplikovane mašine i ne iziskuju veliku energiju po kilogramu balirane biomase. Sa druge strane, ni mesta gde bi se ta biomasa koristila kao gorivo nisu udaljena od mesta nastanka, pa ni transport ne predstavlja veći problem. Skladištenje može biti problem, ali kako u Srbiji ima mnogo neiskorišćenog poljoprivrednog zemljišta, šteta od zauzimanja poljoprivrednog zemljišta je neznatna a povećani investicioni troškovi za izgradnju skladišta se brzo isplaćuju kroz razliku u ceni fosilnog (tečno i gasovito) goriva i biomase.

Svi navedeni razlozi su uticali da se krene u razvoj tehnologija sagorevanja balirane biomase. Prvi korak je bio utvrđivanje koje su biomase pogodne za korišćenje u ovoj tehnologiji. Želja je bila da se, za početak, razviju ložišta za pogodne biomase, ali je krajnji cilj da se omogući korišćenje kukuruzovine kao najvećeg energetskog potencijala u biomasi naše zemlje. Paralelno sa rešavanjem problema sagorevanja, vodi se računa i o rešavanju problema odlaganja pepela. Pepeo biomase predstavlja mineralni nesagoreli deo biljke, koji ona crpi iz zemlje. Tako gledajući, najlogičnije je da se ta ista materija vrati tamo odakle je i uzeta, odnosno u zemlju. U ovom trenutku smatramo da je najpogodnije mešati pepeo, nastao u procesu sagorevanja biomase sa stajskim đubrivom i na taj način ga vraćati u zemlju. Na osnovu dosadašnjih saznanja, kvalitet stajskog đubriva bi se znatno popravio dodavanjem pepela od biomase.

Preliminarnim ispitivanjima u okviru projekata Ministarstva nauke Srbije, ustanovljeno je da sa sigurnošću možemo računati na sojinu slamu. U svim dosadašnjim eksperimentalnim ispitivanjima i ispitivanjima na demonstracionim postrojenjima, ona nije pravila problem u eksploataciji. Kukuruzovina se u laboratorijskim ispitivanjima pokazala kao potencijalno moguće gorivo, ali su eksploataciona ispitivanja tek na početku. Sa druge strane, pšenična slama se pokazala kao veoma nepogodno gorivo i na taj potencijal ne bi trebalo računati u ovom trenutku.
Svi eksperimentalni podaci dobijeni do sada, pokazali su da se kontrolisano niskotemperaturno (800-820°C) i ekološki prihvatljivo sagorevanje može ostvariti samo u ozidanim ložištima. Ozidana ložišta svojom konstrukcijom i dugim zadržavanjem gasovitih produkata sagorevanja, u zonama sagorevanja, omogućavaju dobro sagorevanje i na relativno niskim temperaturama.
Sve izneto u prethodnim stavovima je praktično odredilo koncepciju ložišta koje će se razvijati. Usvojeno je da ložište ima sledeće osnovne karakteristike:
ložište od vatrostalne opeke,
ložište višepromajno ili sa više promena smera struje gasova,
kontinualno doziranje goriva,
tehnologija primenljiva i za male i velike bale (male bale 0,4x0,5x0,8 m, 10-15 kg, velike bale paralelopipednog ili valjkastog oblika različitih dimenzija i težine do 300 kg),
mogućnost korišćenja biomase povišene vlage (vlaga 20-40%),
mogućnost korišćenja više vrsta biomasa.

Nakon ovih razmatranja, usvojen je koncept ložišta sa cigaretnim sagorevanjem bala. To podrazumeva da se više bala nalazi nanizano u jednom, a može i u više cevnih spremišta. Na taj način biomasa u spremištu predstavlja jednu celinu kod koje sagoreva samo vrh, kao kod cigarete. Snaga postrojenja se reguliše:
količinom biomase u procesu sagorevanja,
količinom vazduha za sagorevanje,
brzinom dotura biomase.

Usvojeni način sagorevanja omogućava ispunjenje svih postavljenih zahteva. Sa druge strane, pri razvoju konkretnih postrojenja znalo se da mora postojati suštinska razlika u tehničkim rešenjima za manje jedinice (50-300 kW) i onih čija snaga prelazi 500 kW. U manjim jedinicama, predviđeno je da se koriste male bale, dok se u većim jedinicama koriste veće bale.
Kao odličan primer dobre prakse primene ove razvijene tehnologije, treba istaći postrojenje nominalne snage 1,5 MW sa cigaretnim sagorevanjem velikih četvrtastih bala sojine slame. Kotao je pušten u rad početkom februara 2008. godine u okviru PKB korporacije i služi za zagrevanje 1 ha plastenika. Kotlovsko postrojenje je dopunjeno akumulatorom toplote, kapaciteta 100 m3, radi ispravljanja „pikova“ u potrošnji energije, jer se kod plastenika može javiti potreba za viškom grejanja tokom noći i manjkom za vreme dana, naročito ukoliko su dani sunčani. Akumulator služi da u toku tih pikova u potrošnji primi odnosno isporuči višak/manjak energije, bez zaustavljanja rada kotla.
Svakim danom svog rada ovo postrojenje donosi uštedu PKB-u od 1 500 do 3 000 evra u odnosu na prethodni sistem grejanja sa lakim lož uljem. Imajući u vidu da ovo postrojenje godišnje radi između 180 i 210 dana, navodi na zaključak da su uštede ogromne.

Šema postrojenja nominalne snage 1,5 MW sa cigaretnim sagorevanjem velikih četvrtastih bala poljoprivredne biomase data je na gornjoj slici.
Balirana biomasa (1) se pomoću klipnog dodavača (3) kroz vodom hlađeni uvodnik (2) uvodi u ložište (12). Klipni dodavač je pogonjen pomoću odgovarajućeg hidrauličnog sistema (5). Primarni vazduh za sagorevanje se obezbeđuje pomoću ventilatora primarnog vazduha (4) i on se deli na dva dela. Jedan deo primarnog vazduha se uvodi neposredno ispod i iznad bale, a drugi deo kroz spremište pepela (7). Pomoću dela primarnog vazduha koji se uvodi kroz pepeo vrši se fluidizacija i dogorevanje nesagorele biomase, u sloju sopstvenog pepela, koja propadne kroz vodom hlađenu rešetku (11). Pepeo se pomoću pužnog izvlakača (6) izvlači iz sistema čime se održava željena visina fluidizovanog sloja.

Sekundarni vazduh se u proces sagorevanja uvodi kroz vodom hlađeni uvodnik sekundarnog vazduha (8), neposredno u zonu sagorevanja koksnog ostatka. Ovaj uvodnik ima mogućnost translatornog i delimično rotacionog kretanja. Pomoću translatornog kretanja uvodnika sekundarnog vazduha, vrši se regulisanje snage ložišta (omogućavanjem da manja ili veća količine biomase učestvuje u procesu sagorevanja), a rotacionim kretanjem skidanje pepela i delimično sagorele biomase sa vrha bale. Sekundarni vazduh se obezbeđuje pomoću ventilatora sekundarnog vazduha (9), a translatorno i rotaciono kretanje uvodnika pomoću prenosnog mehanizma (10). Dimni gasovi nastali u primarnoj komori sagorevanja, nakon skretanja ulaze u sekundarnu i tercijarnu komoru u kojima se vrši dogorevanje gasne faze, nakon čega preko plameno-dimne cevi (13) ulaze u prvu i drugu promaju razmenjivača toplote (14) i (15). Na izlasku iz razmenjivača toplote, ohlađeni dimni gasovi najpre ulaze u ciklonski prečistač (16), a nakon toga u dimnjak (17).
Prednost ovog načina sagorevanja je minimalan utrošak električne energije za pripremu goriva, niska sopstvena potrošnja energije (svega 30 kW) u odnosu na druge kotlove istih ili sličnih snaga, zadovoljavanje ekoloških kriterijuma sagorevanja, niski eksploatacioni i investicioni troškovi i mogućnost potpune automatizacije rada postrojenja. Ovakva ložišta se mogu primeniti u svim vrstama kotlova kao i agregata za proizvodnju toplog, odnosno, vrelog vazduha ili gasa, kao i za proizvodnju tople ili vrele vode, suvozasićene ili pregrejane pare, za zagrevanje termalnog ulja i slično. Takođe, moguće je povezivanje ovakvog ložišta sa modulima za proizvodnju električne energije, bilo sa klasičnim parnim turbinama ili sa ORC (Organic Rankine Cycle) sistemima. Pored toga, ova tehnologija omogućuje i potpunu automatizaciju celokupnog procesa sagorevanja goriva. Izgradnja jednog ovakvog postrojenja pored ekonomskog efekta ima i veliki značaj za lokalnu saomupravu jer dovodi do upošljavanja novih ljudi, angažovanja domaće industrije; sprečava odlazak mladih ljudi iz ruralnih krajeva i doprinosi održivom razvoju sela i manjih sredina.