Расширение доступа к теплоснабжению за пределами «последней мили» Пилотный проект внедрения высокоэффективных отопительных технологий с низким уровнем выбросов в странах Центральной Азии © 2019 Международный банк реконструкции и развития / Всемирный банк Вашингтон, округ Колумбия, 20433, 1818 H Street NW Телефон: 202-473-1000 Веб-сайт: www.worldbank.org Настоящий документ подготовлен сотрудниками Всемирного банка с использованием материалов из внешних источников. Содержащиеся в нем выводы, толкования и заключения не обязательно отражают мнения Всемирного банка, Совета исполнительных директоров Всемирного Банка или правительств представляемых ими стран. Всемирный банк не гарантирует точности данных, представленных в настоящей публикации. Границы, цвета, наименования и другая информация, указанная на картах, содержащихся в настоящей публикации, не являются выражением мнения Всемирного банка относительно правового статуса какой-либо территории либо поддержки или признания границ. Права и разрешения Материал данной публикации защищен авторским правом. Поскольку Всемирный банк поощряет распространение этой работы, данный документ разрешено свободно копировать, частично или полностью, в том числе в некоммерческих целях, при условии указания источника. Все другие запросы, связанные с получением прав и лицензий, в том числе вторичных прав на использование документа следует направлять в Отдел публикаций Всемирного банка по адресу: World Bank, 1818 H Street, NW., Washington, DC 20433, USA; факс: 202-522-2422; адрес электронной почты: pubrights@worldbank.org. Фотографии любезно предоставлены: Криспин Пембертон-Пигот, Муратом Джумашевым, Русланом Исмаиловым. ii Оглавление Выражение признательности................................................................................................................ vii Сокращения и аббревиатуры .................................................................................................................. ix Краткое содержание ................................................................................................................................. x Раздел 1. Вступление ................................................................................................................................. 1 Раздел 2. Применение научных знаний и принципов промышленного производства к малогабаритным установкам сжигания угля ....................................................................................... 7 Раздел 3. От теории к практике ........................................................................................................... 12 Раздел 4. Результаты пилотного проекта в Кыргызстане .............................................................. 14 Раздел 5. Адаптированные конструкция и производство ................................................................. 19 Раздел 6. История разработки отопительных печей / газогенераторов с горизонтальным процессом газификации ........................................................................................................................... 24 Раздел 7. Выводы ...................................................................................................................................... 29 Ссылки и дополнительные ресурсы........................................................................................................ 32 Приложение А. История разработки отопительной печи модели KG4 ........................................... 33 Приложение B. Чертежи кустарной модели печи KG4........................................................................ 42 iii Таблицы Таблица BES.1.1 Сравнение технических характеристик ................................................................... xii Таблица B1.1.1 Сравнение технических характеристик....................................................................... 3 Таблица 4.1 Сравнение некоторых симптомов респираторных заболеваний до и после установки модели KG4 ................................................................................................................................................ 17 Таблица 4.2 Сравнение некоторых симптомов респираторных заболеваний до и после установки модели KG5 ................................................................................................................................................ 17 Рисунки Рисунок BES1.1 Традиционная монгольская отопительная печь (слева) и газогенератор KG4 (справа) ...................................................................................................................................................... xii Рисунок B1.1.1 Традиционная монгольская отопительная печь (слева) и газогенератор KG4 (справа) ........................................................................................................................................................ 3 Рисунок 2.1 Камера сгорания и топливный бункер .............................................................................. 10 Рисунок 3.1 Слой кокса ниже камеры сгорания ..................................................................................... 12 Рисунок 3.2 Вариант высокотемпературной облицовки .................................................................. 12 Рисунок 4.1 Домашнее хозяйство в Ошской области, Кыргызстан .................................................. 14 Рисунок B4.1.1. Домашнее хозяйство в селе Учбай, Ош/Ноокат. ...................................................... 15 Рисунок B4.2.1. Верхняя поверхность печи KG4 с емкостями для воды .................................................... 15 Рисунок 4.2 Снижение воздействия ТЧ2.5 после установки KG4 в Ошской и Джалалабадской областях вдоль коридора CASA. ............................................................................................................. 16 Рисунок 5.1 Пожилая женщина и ее печь ............................................................................................... 19 Рисунок B5.2.1 Сварщик ............................................................................................................................ 21 Рисунок 5.2 Фреза станка с ЧПУ, вырезающая чугунное лекало для верхней части печи............... 22 Рисунок 6.1 Основные черты модели ГГПГ, 2016–18 ............................................................................ 24 Рисунок 6.2 Профиль эмиссий: традиционная монгольская отопительная печать, работающая на угле, 2010 .............................................................................................................................................. 26 Рисунок 6.3 Профиль выбросов: Отопительная печь с камерой сгорания с горизонтальным потоком модель GTZ7.4, 2010 ................................................................................................................. 27 Рисунок A.1 Восход солнца в г. Улан-Батор, декабрь 2007 г................................................................ 33 Рисунок A.2 Модель G2-2000 .................................................................................................................... 34 Рисунок A.3 Угольная горелка с нижней тягой ..................................................................................... 34 Рисунок A.4 Характерные черты печи типа «J» .................................................................................. 35 Рисунок A.5 Вторичный поддув воздуха................................................................................................. 36 iv Рисунок A.6 Отопительная печь с нижней тягой ................................................................................ 36 Рисунок A.7 Первый прототип модели GTZ7 ........................................................................................ 36 Рисунок A.8 Модель GTZ7.1 ...................................................................................................................... 37 Рисунок A.9 Термограмма GTZ7.1 ............................................................................................................ 37 Рисунок A.10 Чертеж горения с горизонтальным потоком процесса газификации, 2011, в разрезе .................................................................................................................................................................... 37 Рисунок A.11 Модифицированная печь для монгольской юрты ......................................................... 37 Рисунок A.12 Прототип модели TJ4, Муминабад................................................................................. 38 Рисунок A.13 Два изображения модели TJ4: варочная поверхность (фото слева) и зольник (фото справа) ....................................................................................................................................................... 38 Рисунок A.14 TJ4 Проверка эксплуатационных параметров .................................................................... 39 Рисунок A.15 Модель MN4.1 .................................................................................................................... 39 Рисунок A.16 Модель MN4. Смешивание огнеупорного пластика (фото слева) и удаление формы (фото справа) ........................................................................................................................................... 40 Рисунок A.17 Модель SA8.0 ...................................................................................................................... 40 Рисунок A.19 Модель KG4 в России.......................................................................................................... 41 Рисунок A.18 Модель KG4 в Польше ........................................................................................................ 41 Рисунок B.1 Решетка из сварочной стали ............................................................................................. 42 Рисунок B.2 Чугунная решетка, Версия 1.4, Часть 1 ............................................................................ 43 Рисунок B.3 Чугунная решетка, версия 1.4, Часть 2 с ссылками на файл STL и файл STL для конструктора........................................................................................................................................... 43 Рисунок B.4 Металлическая плоская плита + Металлическая гнутая плита ................................ 44 Рисунок B.5 Чугунная перегородка для кирпичной стенки толщиной 40 мм ................................... 44 Рисунок B.6 Кирпичи, вид 2-д и 3-д .......................................................................................................... 45 Рисунок B.7 Кирпичная облицовка: вид сбоку ........................................................................................ 45 Рисунок B.8 Вращение крышки бункера для выхода дыма или наблюдения за уровнем топлива . 45 Рисунок B.9 Фотографии и схемы, демонстрирующие основные этапы процесса производства модели KG4 ................................................................................................................................................ 46 Вставки Вставка ES1. Сравнение традиционной монгольской печи и модели KG4 на угольном сырье ....... xii Вставка 1.1 Сравнение традиционной монгольской печи и модели KG4 на угольном сырье ........... 3 Вставка 2.1 Пояснение основных терминов и концепций .................................................................... 8 Вставка 4.1 Там, где есть огонь, всегда есть дым?............................................................................ 15 v Вставка 4.2. Оценка социального статуса малообеспеченных семей ............................................. 15 Вставка 5.1 Адаптация таджикской модели отопительной печи для Кыргызстана................... 21 Вставка 5.2 Местные условия: наблюдения из практики .................................................................. 21 Вставка A.1 Развеиваем миф о дыме, якобы характерном для угольного топлива ...................... 35 vi Выражение признательности Настоящий технический отчет был подготовлен в рамках Проекта оказания консультационных и аналитических услуг «Экологически чистое и энергоэффективное теплоснабжение в Кыргызстане и Таджикистане» (Проект ASA), который направлен на расширение доступа домашних хозяйств к экологически чистым и энергоэффективным отопительным технологиям в Таджикистане и Кыргызстане за счет наращивания потенциала, продвижения обучения, сотрудничества и поддержки инвестиционных операций. В техническом отчете представлены результаты реализации пилотного проекта в Центральной Азии по внедрению высокоэффективных отопительных технологий с низким уровнем выбросов и их потенциального применения в качестве малозатратного и временного решения для миллионов членов домашних хозяйств, не имеющих доступа к услугам отопления. Это технологическое решение улучшит состояние здоровья и снизит уровень загрязнения воздуха внутри жилых помещений домашних хозяйств и масштаб энергетической бедности, а также ограничит негативные воздействия на климат. Команда специалистов Всемирного банка по проекту ASA работает под руководством Ябей Жанг. В состав команды входят: Катрин Хофер, Тахмина Мухамедова, Криспин Пембертон-Пигот, Роберт ван дер Плас, Катарина Гасснер, Юн Ву, Замир Чаргынов и Акылай Осмоналиева. Проект опирается на практические наработки в области высокоэффективных отопительных технологий с низким уровнем выбросов (HELE) и работает над их внедрением. На разработку этих технологий было затрачено несколько десятков лет работы международной команды специалистов, которая сопровождалась неоднократными полевыми испытаниями исследователей, конструкторов, практических специалистов и пользователей печей в Монголии, Китае, Кыргызстане, Таджикистане и в Южной Африке при поддержке программ Всемирного банка и партнерских организаций. Программы Всемирного банка включают: Инициативы экологически чистых печей в странах Восточной Азии и Тихого океана (EAP), Проект энергоэффективных отопительных технологий в Кыргызстане, Программа технической помощи энергетическому сектору Таджикистана в зимнее время, Проект экологически чистого и энергоэффективного теплоснабжения в Кыргызстане и Таджикистане, Программа предупреждения и контроля загрязнения воздуха в китайской провинции Хэбэй и Проект «Чистый воздух» в Улан-Баторе. Ключевые партнерские организации: Сельскохозяйственный университет Китая (CAU), Инженерный колледж при Лаборатории экологически чистого производства и использования возобновляемых источников энергии при Министерстве сельского хозяйства (Китай), ОФ «Camp Ала-Тоо» (Кыргызстан), Caritas Switzerland (Таджикистан), Исследовательская группа по климатологии Школы геопространственной отрасли Северно-западного университета, кампус Потчефструм (Южная Африка), Испытательная лаборатория выбросов и энергоэффективности печей в Улан-Баторе (Монголия) и Германское общество технического сотрудничества (ранее – GTZ; на текущий день – GIZ). На мероприятии по обмену знаниями «Юг-Юг» в апреле 2017 года состоялся конструктивный обмен знаниями и были организованы встречи команды Всемирного банка с vii делегациями Китая, Монголии, Кыргызстана и Таджикистана. Участники мероприятия почерпнули накопленный опыт в области экологически чистых и энергоэффективных отопительных технологических решений и обменялись практической информацией. Команда Всемирного банка благодарит Программу «Fresh Air», финансируемую Европейским Союзом, за оказанное сотрудничество. В частности, в рамках Программы была проведена независимая оценка качества воздуха внутри помещений и воздействия на здоровье апробируемых отопительных технологий HELE в Кыргызстане. Программа «Fresh Air» реализуется под руководством Фредерика ван Гемерт, а оценка апробируемых технологий в Кыргызстане была выполнена Талантом Сооронбаевым, главным пульмонологом Министерства здравоохранения Кыргызской Республики. Настоящий технический отчет подготовлен Криспин Пембертон-Пигот, Ябей Жанг и Нормой Адамс. Команда выражает благодарность следующим рецензентам за их конструктивные отзывы: Гайлиус Драугелис, Юрий Мирошниченко и Гэрольд Аннегарн (Северно-западный университет Южной Африки). Йекбун Гургоз из Коалиции по вопросам климата и чистого воздуха также любезно поделился своими комментариями к отчету. Команда высоко ценит общую координацию работы со стороны руководства Всемирного банка и технический вклад и поддержку коллег в процессе, в частности, со стороны Лилии Бурунчук, Ранжит Ламех, Жан-Мишель Хаппи, Самир Шукла, Рохит Ханна, Яс Сингх, Абдулазиз Фаги, Хусам Мохаммед Бейдес и Дунг Ким Ле. Проект ASA и публикация этого технического отчета стали возможными благодаря финансовой и технической поддержке, оказанной в рамках Программы содействия развитию системы управления в секторе энергетики (ESMAP). Программа глобального обмена знаниями и технической помощи, администрируемая Всемирным банком, оказывает помощь странам с низким и средним уровнем доходов в повышении ноу-хау и институционального потенциала в сфере разработки экологически устойчивых технологических решений в области энергетики и в целях сокращения бедности и стимулирования экономического роста. ESMAP финансируется Австралией, Австрией, Канадой, Данией, Европейской Комиссией, Финляндией, Францией, Германией, Исландией, Италией, Японией, Литвой, Люксембургом, Нидерландами, Норвегией, Фондом Рокфеллера, Швецией, Швейцарией, Великобританией и Всемирным банком. viii Сокращения и аббревиатуры АБР Азиатский банк развития ТУ Технический углерод BLDD Печь с нижним розжигом и нисходящим потоком воздуха CAU Сельскохозяйственный университет Китая ДИ Доверительный интервал CO Монооксид углерода ИЭЧОП Инициатива экологически чистых отопительных печей ИВ Избыток воздуха GIZ Германское общество международного сотрудничества GmbH (ранее - GTZ) GTZ Германское общество технического сотрудничества (GIZ) HELE Высокоэффективные отопительные технологии с низким уровнем выбросов H2 Молекулярный водород HAP Загрязнение воздуха домашних хозяйств H2S Сероводород ЗВВП Загрязнение воздуха внутри помещений КНД Котлы с низким давлением (в этом контексте – габариты установки рассчитаны для отопления частных домов) СНГ Сжиженный нефтяной газ НПО Неправительственная организация NWU Северо-западный университет [Кампус Потчефструм, Южная Африка] ПАУ Полициклические ароматические углеводороды ПНС Продукт неполного сгорания ТЧ Твердые частицы SEET Испытательная лаборатория выбросов и эффективности печей в г. Улан-Батор SeTAR Центр устойчивого развития энергетических технологий и исследований, Университет Йоханнесбурга ЛОС Летучие органические соединения ix Краткое содержание В развивающихся странах с холодным климатом доступ к постоянному и приемлемому по цене теплоснабжению имеет первостепенное значение для благополучия малообеспеченных жителей сельской местности и пригородных районов, у которых, как правило, ограничен доступ к централизованному теплоснабжению, трубопроводному природному газу и электрическим сетям. На текущий день, постоянный недогрев жилых помещений стал обыденным явлением, которое имеет негативное влияние на состояние здоровья, в том числе провоцирует болезни и осложнения текущих заболеваний, иногда даже со смертельным исходом. Во многих странах Центральной Азии с холодными климатическими условиями, где спрос на теплоснабжение не удовлетворен, многие домашние хозяйства не могут обеспечить теплоснабжение в своих домах на таком уровне, чтобы избежать последствий для здоровья. В Кыргызстане (одной из беднейших стран Центральной Азии) услуги централизованного теплоснабжения доступны всего лишь для 17 процентов населения страны из 1,1 миллионов домашних хозяйств, главным образом в столице страны – г. Бишкек – и в других крупных городах. Большинство малообеспеченного населения в сельской местности и пригородных районах в развивающихся странах уже давно пользуются традиционными отопительными печами на твердом топливе или простыми котлами низкого давления (КНД), которые низкоэффективные, негерметичные и сильно загрязняют воздух внутри и вне помещений. Например, традиционные отопительные системы в Кыргызстане и Таджикистане обычно работают на сыром угле или на различных видах кизяка и дров, при этом их тепловой КПД составляет всего лишь 20-40 процентов в обычном режиме работы. Неполное сгорание топлива и его низкая энергетическая эффективность еще больше повышают уровень энергетической бедности и усугубляют последствия постоянного недогрева жилых помещений. Утечки дыма загрязняют воздух домашних хозяйств (HAP), что имеет непосредственные отрицательные воздействия на состояние здоровья населения и окружающей среды. При инерционном сценарии развития ожидаются серьезные и постоянные негативные воздействия на экономическое положение страны в целом и, в частности, на финансовую ситуацию домашних хозяйств, состояние общественного здравоохранения, климатические условия и ситуацию в обществе в целом. Доступ к высокоэффективным отопительным печам с низким уровнем выбросов (HELE) - это малозатратное и временное решение для домашних хозяйств, не имеющих доступа к услугам теплоснабжения, до тех пор, пока не будет возможен переход на использование других видов топлива (газ или электроэнергия). В результате реализации пилотных программ Всемирного банка в странах Центральной Азии (в Таджикистане и Кыргызстане) на рынке появились несколько видов отопительных и варочных печей современного типа на твердом топливе. Одна из таких печей - газогенератор с горизонтальным процессом газогенерации (ГГПГ) – печь для отопления помещений, модель «KG4». Отопительная печь HELE и ее аналог (КНД, модель KG5) были установлены в 41 частном доме в рамках пилотной программы энергоэффективного теплоснабжения в Кыргызстане в отопительный период 2016-2017 годов, при финансировании x Программы содействия развитию системы управления в секторе энергетики (ESMAP). В рамках этой пилотной программы отопительные системы KG4 и KG5 производятся местными мастерами и в ремесленных цехах в г. Бишкек. Развитие продукта и его полевые испытания продолжались в течение отопительного зимнего периода 2017-2018 годов. В настоящем техническом отчете содержится описание пилотных программ по разработке отопительных систем HELE в странах Центральной Азии и их потенциального использования как малозатратных и временных решений для миллионов членов домашних хозяйств, не имеющих доступа к услугам теплоснабжения. Это технологическое решение улучшит состояние здоровья и снизит уровень загрязнения воздуха внутри жилых помещений домашних хозяйств и масштаб энергетической бедности, а также ограничит негативные климатические воздействия. На примере отопительной печи KG4 (газогенератора с горизонтальным процессом газификации угля) в отчете рассматриваются технические характеристики отопительных печей HELE, включая теоретическую базу, конструкцию и практический опыт эксплуатации. Эта информация поможет изготовителям печей, разработчикам проектов и лицам, принимающим решения, понять, как и почему были разработаны отопительные печи HELE, и какие положительные результаты они могут дать. Производительность модели KG4 оказалась выше производительности традиционных печей для региона. Модель KG4 была протестирована в лаборатории Сельскохозяйственного университета Китая (CAU) на предмет количественного определения содержания ТЧ2.5 и выбросов монооксида углерода (CO) и для определения теплового КПД при обычном режиме эксплуатации. Сравнение параметров производительности с параметрами базовой традиционной отопительной печью было удовлетворительным. В ходе испытаний тепловой КПД модели KG4 был определен на уровне 87 процентов по сравнению с базовым КПД 30 процентов. На один мегаджоуль отпущенной единицы тепловой энергии в жилой дом выбросы ТЧ2.5 сократились на 99 процентов, выбросы СО – на 92 процента, а выбросы технического углерода (ТУ) – на 92 процента (см. вставку ES.1). xi Вставка ES1. Сравнение традиционной монгольской печи и модели KG4 на угольном сырье Рисунок BES1.1 Традиционная монгольская В отопительный сезон 2016–2017 годов газогенератор отопительная печь (слева) и газогенератор KG4 был испытан на практике в рамках пилотной KG4 (справа) программы в Кыргызстане, после чего прошли лабораторные испытания в Китае. Общая производительность модели KG4 достаточно высокая по сравнению с хорошо изученной базовой традиционной моделью монгольской отопительной печи (см. рисунок BES1.1.1). Модель KG4 продемонстрировала повышение теплового КПД более чем на 57 процентов (с отметки ниже 30 процентов до 87 процентов) и резкое сокращение уровня выбросов (99 процентов ТЧ2.5 и по 92 процента CO и ТУ) (Таблица BES1.1.1). Таблица BES.1.1 Сравнение технических характеристик Характеристика Традиционная Газогенератор монгольская печьa модели KG4 Тепловой КПД (%) 30 87 ТЧ2.5 (мг/МДжNET) 794 2.3 CO (г/МДжNET) 16.6 1.4 Снижение уровня базовые 99.7 ТЧ2.5 (%) Снижение уровня Базовые 92.0 CO (%) Снижение уровня Базовые 92.0 BC (%) a. Хорошо изученная монгольская отопительная печь традиционного типа использовалась как базовый образец, так как традиционные отопительные печи в КР аналогичны по конструкции, условиям эксплуатации, утечкам, уровню выбросов и параметрам производительности. Специалисты лаборатории Сельскохозяйственного университета Китая BEST попытались определить в количественном выражении уровень выбросов традиционных отопительных печей КР, но он оказался настолько высоким, что испытательное оборудование загрязнилось и испытания пришлось прекратить спустя два часа. Модель KG4 была благосклонно принята домашними хозяйствами в КР, участвующими в пилотном проекте. По сравнению с традиционной печью на угле, теоретически, при использовании печи KG4 расход угля снижается на 60 процентов. Опрос домашних хозяйств - участников пилотной программы показал, что на практике, экономия расходов пользователей составила 60 процентов за счет сокращения расходов на топливо (около 40 процентов) и постоянного поддержания повышенной температуры в комнатах или отопления большего количества комнат в доме (около 20 процентов). Все пользователи дали удовлетворительную оценку производительности печи KG4, при этом, они отметили повышенную комфортность, сокращение расходов на топливо (на 40 процентов или больше), удобство в эксплуатации и улучшенное качество воздуха внутри помещений. Независимая оценка, проведенная Программой «Fresh Air», финансируемой xii Европейским союзом, показала, что качество воздуха внутри помещений значительно улучшилось, и воздействие ТЧ2.5 сократилось на 60 процентов, а также было отмечено резкое сокращение возникновения респираторных симптомов у всех членов семьи. Эмпирические данные пилотных программ показали, что возможно эффективное сжигание твердого топлива определенного состава с низким уровнем выбросов, при условии его правильной комбинации с конструкцией печи HELE. Общепринятое заблуждение относительно печей на твердом топливе – это то, что дым является характеристикой угля и, поэтому, только за счет повышения теплового КПД (т.е. сокращения расхода топлива) могут быть снижены выбросы дыма. В действительности, во многих так называемых модернизированных печах выбросы на одну единицу отпущенного тепла не уменьшаются, так как дым образуется не только из-за топлива или при эксплуатации печи, а из-за их неправильной комбинации. Более того, большая часть выбросов образуется при розжиге печи и на этапах дозакладки топлива. Недавние пилотные проекты показали, что благодаря применению современных научных принципов сгорания на практике и понимания состава топлива и широкого характера использования (т.е. культурного контекста), на рынке могут появиться отопительные системы на твердом топливе местного производства на основе технологий HELE. Разработка малогабаритных и современных установок сжигания топлива, приемлемых для некоторых малообеспеченных сообществ в сельской местности, была результатом почти десятка лет работы международной команды специалистов и полевых обследований исследователями, конструкторами, практическими специалистами и пользователями печей в Монголии, Китае, Кыргызстане, Таджикистане и в Южной Африке. Модель KG4 была спроектирована на базе прототипных образцов, разработанных в Таджикистане, и модифицирована под условия более холодного климата в Кыргызстане, с учетом местных требований к приготовлению пищи и имеющихся материалов. Положительные отзывы пользователей были получены после реализации пилотной программы в 2016-2017 годах. Пользователи в частности оценили более чистый воздух в помещениях и более длительный интервал между дозакладкой топлива. Реализуются пилотные проекты, в том числе проводятся интенсивные лабораторные испытания и ведется доработка вариантов продуктов HELE. Конструкция в свободном доступе (открытый дизайн) помогла заинтересованным сторонам внедрить и модифицировать технологию с учетом различных условий в стране и в культурной среде. Система сгорания, разработанная для модели KG4, опубликованная в свободном доступе на сайте для проектирования, была адаптирована под новые конструкции КНД и другие отопительные печи HELE практическими специалистами в Монголии, Южной Африке, России и Польше. Удачная конструкция и внедрение отопительных печей HELE требуют серьезного взаимодействия с пользователями, мотивации производственного сектора и технической помощи для отдельных производителей. Первая приоритетная задача – это понять потребности пользователей печей, их предпочтения, условия жизни, и эксплуатационные навыки, а также наличие оборудования и характеристики топлива. Также критически важно мотивировать постоянный цикл разработки продукта, пробной реализации, расширения формального рынка, и снижения стоимости в промышленном секторе. В случае Кыргызстана, крупные производители xiii заинтересовались в этой технологии, когда они осознали масштабы потенциального рынка и в процессе демонстрации узнали, насколько хорошо зарекомендовал себя этот продукт. Подход с применением конструкции в свободном доступе и наращивание потенциала в рамках гранта технической помощи помогли местным производителям запустить производство печей HELE. В странах Центральной Азии заложен потенциал развития процветающего рынка отопительных печей HELE местного производства по приемлемой цене и учитывающий местную культуру покупателей. Если лица, принимающие решения, поймут, что выполнимо с технической точки зрения, возможно применение стимулов или регулятивные меры для продвижения продуктов, производительность которых выше предлагаемой продукции на рынке, что может привести к трансформационным изменениям для домашних хозяйств, сообществ и ситуации с энергоснабжением в сельской местности. Этот пилотный проект в Центральной Азии демонстрирует, что отопительные печи HELE могут стать малозатратным и промежуточным решением для большинства малообеспеченных домашних хозяйств (главным образом в сельской местности), у которых ограничен доступ к реальным альтернативным вариантам перехода на другие виды топлива (централизованное теплоснабжение, газо- или электроснабжение) в кратко- и среднесрочном периоде. Государственный сектор, уделяя особое внимание новым технологиям с учетом местной культуры и потребностей и наращивая местные производственные возможности и мощности, может сформировать благоприятную среду для развития рынка отопительных печей HELE. По оценкам, не менее 500 миллионов человек или 100 миллионов домашних хозяйств зависят от традиционных отопительных печей на твердом топливе (в основном на угле). Большая часть этих домашних хозяйств проживают в сельской местности, где нет централизованной сети теплоснабжения или газопроводных сетей и маловероятно, что они будут доступны в этих районах в кратко- и среднесрочной перспективе. В случае перевода домашних хозяйств на использование отопительных печей HELE вместо традиционных печей, ожидается существенная экономия топлива, снижение уровня выбросов и благоприятные последствия для здоровья 1. 1 При условии, что на текущий день домашнее хозяйство использует в среднем 2,5 тонны угля в год для отопления, переход на технологии HELE обеспечивает экономию топлива на 40%, сокращение ТЧ2.5 на 90% и выбросов технического углерода (ТУ) на 85%. За счет перехода на эти технологии выбросы CO2 сократятся на 2,7 тонны, выбросы ТЧ2.5 - на 20,5 кг и ТУ - на 4,7 кг в год. Если 100 миллионов домашних хозяйств будут переведены на технологии HELE, ежегодное сокращение выбросов составит 272 миллиона тонн CO2, 2 миллиона тонн ТЧ2.5 и 0,46 миллионов тонн ТУ. Обратите внимание, что вышеприведенные допущения основаны на консервативном подходе и предполагают применение улучшенной средней базовой технологии по сравнению с используемой технологией в регионе Центральной Азии (вставка ES.1). xiv Раздел 1. Вступление Общая ситуация В странах, расположенных на высоких широтах с резко континентальным климатом, зима обычно длится долго, из-за чего домашние хозяйства несколько месяцев подряд пользуются отопительными приборами. В развивающихся странах с холодным климатом доступ к надежным и приемлемым по цене системам отопления помещений имеет особое значение для благополучия жителей сельской местности с низким уровнем дохода, у которых, как правило, ограничен доступ к электроэнергии, трубопроводному природному газу и другим современным источникам производства тепловой энергии. В районах с холодным климатом спрос на теплоснабжение многих домашних хозяйств не покрывается по причине бедности и (или) недоступности современной энергетической инфраструктуры. 2 Постоянный недогрев жилых помещений с негативным влиянием на состояние здоровья (иногда даже со смертельным исходом) - это обычное явление. 3 Во многих странах Центральной Азии большая часть домашних хозяйств в сельских и пригородных районах не имеют доступа к централизованной системе теплоснабжения или газораспределительной сети. Пропускная способность предельно изношенной сети электропередачи ограничена, а рост потребления электроэнергии, чтобы покрыть ее регулярный дефицит для целей отопления зимой, не представляет собой эффективный и альтернативный вариант. Кроме того, возобновляемые источники энергии (ВИЭ) для отопления жилых помещений домашних хозяйств еще не жизнеспособны в финансовом отношении, а запасы древесной биомассы ограничены. В Кыргызстане централизованное теплоснабжение доступно только для 17 процентов населения страны из 1,1 млн. домашних хозяйств, главным образом, в крупных городах. Для покрытия нужд в отоплении жилых помещений 83 процента населения (в основном, малообеспеченное население в сельской местности) уже давно пользуются традиционными отопительными печами на твердом топливе или простыми котлами низкого давления (КНД) c отопительными батареями. Некоторые семьи (при наличии финансовых возможностей) пользуются электроэнергией по субсидируемым ценам для отопления помещений помимо отопительных печей, что в основном происходит в ночное время. Традиционные отопительные печи на угле или на различных формах кизяка и дров сильно загрязняют окружающую среду, при этом их тепловой КПД составляет всего лишь 20-40 процентов (маломощная по сравнению с высокомощной). Время 2 Эта концепция поясняется в презентации Фелисити Спорс «Неудовлетворенный спрос: определение и изучение различных подходов к его решению в методологиях Механизма чистого развития» на семинаре UNFCCC по стандартизации, июнь [Felicity Spors, “Suppressed Demand: Definition and Consideration of Different Approaches to Address It in CDM Methodologies,”] (http://cdm.unfccc.int/methodologies/Workshops/cdm_standards/s3_wb.pdf). 3 Исследование Гаспаррини и др. в ряде стран (2015 г.) [Gasparrini et al. (2015)], в котором анализировались свыше 74,2 млн. смертей за различные отрезки времени с 1985 по 2012 годы, выявило, что смертность по причине температуры и недогрева помещений намного превышает смертность от аномальной жары (в диапазоне от 8:1 в Канаде до 16:1 в Китае). 1 сгорания топлива и его низкая эффективность еще больше повышают уровень энергетической бедности, 4 загрязняют атмосферный воздух и воздух внутри помещений, влияют на климат и вызывают негативные последствия для здоровья, связанные с загрязненным воздухом внутри помещений, так как члены семьи постоянно или периодически подвержены простудным заболеваниям. Многие домашние хозяйства не располагают финансовыми средствами или не имеют в наличии доступные технологии, чтобы поддерживать тепло в жилых домах и не допускать отрицательных воздействий на здоровье. Надежды малообеспеченного населения на отопление Что касается тех домашних хозяйств, у которых, скорее всего, не будет доступа к современным видам топлива для отопления помещений в ближайшем будущем, доступ к высокопроизводительным отопительным печам с низким уровнем выбросов (HELE) может быть малозатратным и промежуточным решением. Это решение возможно предоставить и масштабировать в ближайшее время, пока не появится возможность перехода на другой вид топлива. В результате реализации пилотных программ Всемирного банка в Центральной Азии за последнее время на рынке появились несколько видов отопительных печей и варочных печей современного типа на твердом топливе (Всемирный банк, 2017b). Одна из недавно испытанных на практике печей – это газогенератор с горизонтальным процессом газогенерации (ГГПГ), тип модели «KG4» конструкции в публичном доступе. Установка была спроектирована международным экспертом в рамках социального сотрудничества с ОФ «CAMP Ала-Тоо», местной неправительственной организацией (НПО). Модель печи KG4 производится мастерами и в цехах в г. Бишкек, Кыргызстан (см. Вставку 1.1). 4 За счет замены традиционных печей на угле и дровах и КНД на более эффективные модели с тепловым КПД не ниже 70 процентов в два раза сокращаются затраты домашнего хозяйства на топливо для отопления по сравнению с затратами на услуги отопления или повышается средняя температура внутри помещений без дополнительного потребления топлива. В селах вокруг г. Ош примерные финансовые выгоды от применения модели печи KG4 составили 1,40 долларов США за ночь. 2 Вставка 1.1 Сравнение традиционной монгольской печи и модели KG4 на угольном сырье Рисунок B1.1.1 Традиционная монгольская В отопительный сезон 2016–17 годов, газогенератор KG4 отопительная печь (слева) и газогенератор был испытан на практике в рамках пилотной программы KG4 (справа) в Кыргызстане, после чего были выполнены лабораторные испытания в Китае. Общая производительность модели KG4 достаточно высокая, по сравнению с хорошо изученной базовой традиционной моделью монгольской отопительной печи (Рисунок B1.1.1). Модель KG4 продемонстрировала повышение теплового КПД более чем на 57 процентов (с отметки ниже 30 процентов до 87 процентов) и резкое сокращение уровня выбросов (99 процентов ТЧ2.5 и по 92 процента CO и ТУ) (Таблица B1.1.1). Таблица B1.1.1 Сравнение технических характеристик Характеристика Традиционная Газогенератор монгольская печь a модели KG4 Тепловой КПД (%) 30 87 ТЧ2.5 (мг/МДжNET) 794 2.3 CO (г/МДжNET) 16.6 1.4 Снижение уровня базовые 99.7 ТЧ2.5 (%) Снижение уровня Базовые 92.0 CO (%) Снижение уровня Базовые 92.0 ТУ (%) b. Хорошо изученная монгольская отопительная печь традиционного типа использовалась как базовый образец, так как традиционные отопительные печи в КР аналогичны по конструкции, условиям эксплуатации, утечкам, уровню выбросов и параметрам производительности. Специалисты лаборатории Сельскохозяйственного университета Китая BEST попытались определить в количественном выражении уровень выбросов традиционных отопительных печей КР, но он оказался настолько высоким, что испытательное оборудование загрязнилось и испытания пришлось прекратить спустя два часа. В модель KG4 добавлен топливный бункер на стороне камеры сгорания (см. Рисунок B1.1.1). Закладка топлива осуществляется не в топку, а в топливный бункер, как правило, два раза в день, вместо каждых 3-4 часов при эксплуатации печей традиционного типа. На уровне ниже топливного бункера топливо медленно нагревается и вырабатывает горючий газ, который достаточно хорошо горит. Задвижка контролирует поток воздуха, что дает пользователю возможность регулировки тепловой энергии и мощности от 3 до 13 кВт. В результате изменений в потоке воздуха быстро меняется и теплоотдача. На нагретой поверхности печи помещаются трехлитровые кастрюли с водой, а в отверстиях для приготовления пищи вмещается посуда для приготовления пищи емкостью до 15 литров. Квадратная крышка бункера используется для нагрева воды для мытья посуды. 3 В начале отопительного сезона 2016-2017 годов, в рамках пилотной программы по энергоэффективному отоплению Всемирного банка были установлены печи образца KG4 и ее аналоги - котлы низкого давления (КНД) (модель KG5) - в 41 жилом доме в сельской местности. 5 Проводился мониторинг качества воздуха внутри помещений, отзывов пользователей, температуры в помещениях и объема потребления топлива. 6 Измерения в эксплуатационных условиях показали, что минимальная температура на кухне повысилась в среднем на 5oC. Ошибочные предположения в прошлом Два десятка лет назад общепринятое мнение при реализации большинства программ по модернизации печей заключалось в том, что дымовые газы образуются из-за топлива, и они не связаны с конструкцией установки, где сжигается топливо. Допущение заключалось в том, что дым - это неотъемлемый элемент сгорания топлива. Что касается угля, общее ошибочное предположение – это то, что переход с угля-сырца на переработанный полукоксующийся уголь или сокращение потребления угля за счет повышения теплового КПД автоматически снижает уровень выбросов. Наблюдения и испытания с 2007 по 2012 годы в г. Улан-Батор показали, что по сравнению с традиционными моделями печей, большинство из так называемых модернизированных образцов печей не снизили уровень выбросов на одну единицу тепловой энергии. Уровень выбросов зачастую даже увеличивался. Причина этому следующая: дым образуется не только из- за топлива или печи, но и в результате сгорания конкретного вида топлива в конкретной модели печи, которая эксплуатируется определенным способом. Дым образуется, когда печь и топливо не подходят друг к другу, и дыма становится еще больше при розжиге и дозакладке топлива. Эмпирические данные недавно реализованных пилотных программ в Кыргызстане, Таджикистане, Китае, Монголии и Индонезии при поддержке Всемирного банка показали, что при правильной комбинации твердого топлива и конструкции печи HELE возможно создать конструкцию эффективной отопительной печи на твердом топливе с низким уровнем выбросов ТЧ2.5. Смещение парадигмы На разработку малогабаритной и современной технологии сгорания, которая будет общепринята малообеспеченным населением в Центральной Азии, было затрачено десятки лет работы международной команды специалистов, которая сопровождалась неоднократными полевыми испытаниями исследователей, конструкторов, практических специалистов и пользователей печей в Монголии, Китае, Кыргызстане, Таджикистане и в Южной Африке (см. Приложение А), а также были потрачены годы наблюдений и испытаний в Китае и Монголии.7 В 5 Небольшое количество было установлено в сельской местности Таджикистана в рамках аналогичного пилотного проекта. 6 Качество воздуха внутри помещений и 48-часовое воздействие ТЧ2.5 на человека были замерены в рамках Программы «Fresh Air», которая также проводила детальную оценку респираторных и нереспираторных воздействий на здоровье, включая функцию легких. 7 Программы Всемирного банка включают: Инициативы экологически чистых печей в странах Восточной Азии и Тихого океана (EAP), Проект энергоэффективных отопительных технологий в Кыргызстане, Программа технической помощи энергетическому сектору Таджикистана в зимнее время, Проект экологически чистого и 4 2010 году в Монголии при поддержке GTZ (ранее – GIZ) была спроектирована установка для сжигания высоколетучего газа (бурого каменного угля) с низким уровнем дыма. Эта установка была позже модифицирована в недорогую модель с кирпичной облицовкой в Таджикистане, и модель получила название TJ4. Эта модель была успешно трансформирована в отопительные печи, получившие высокую оценку пользователей за ее удобство в эксплуатации, возможность приготовления пищи, возможность регулировки мощности и постоянную отдачу тепла, при этом, расход топлива сократился. Так как характеристики комфортности и удобства являются субъективными, отопительные печи следовало адаптировать с учетом климатических условий и культурных предпочтений. Кроме того, следовало учитывать материалы, навыки и используемые инструменты в каждом районе, чтобы обеспечить возможность производства печей. Результаты испытаний в условиях эксплуатации местной адаптированной модели KG4 в отопительный зимний сезон в Кыргызстане (в 2016-2017 и в 2017-2018 годах) показали, что для результативного учета нужд пользователей с применением базовых принципов проектирования установок HELE следует учитывать ряд социально-экономических, культурных и климатических факторов. Результаты испытаний также доказали достижимость этой задачи. Наука развития передовых технологий эффективного сгорания и эффективности топлива может быть адаптирована под определенную культурную среду за счет доступных на местном рынке производственных навыков и материалов. Цель и структура Отчета Настоящий технический отчет направлен на документальное отражение пилотных программ по разработке отопительных систем HELE в странах Центральной Азии и их потенциального использования как малозатратных и промежуточных решений для миллионов членов домашних хозяйств, не имеющих доступа к услугам отопления. Это технологическое решение улучшит состояние здоровья и сократит степень загрязнения воздуха внутри жилых помещений домашних хозяйств и уровень энергетической бедности, а также ограничит негативные климатические воздействия. На примере отопительной печи KG4 (газогенератора с горизонтальным процессом газификации угля) в отчете рассматриваются технические аспекты отопительных печей HELE, включая теорию, конструкцию и практический опыт использования. Эта информация поможет изготовителям печей, разработчикам проектов и лицам, принимающим решения, понять, как и почему были разработаны отопительные печи HELE. В разделе 2 представлена теория горения, лежащая в основе отопительных печей HELE, а в качестве примера используется испытанная в условиях эксплуатации модель KG4. В разделе 3 описывается процесс энергоэффективного отопления в Кыргызстане и Таджикистане, Программа предупреждения и контроля загрязнения воздуха в китайской провинции Хэбэй, и Проект «Чистый воздух» в Улан-Баторе. Ключевые партнерские организации: Сельскохозяйственный университет Китая (CAU), Инженерный колледж при Лаборатории экологически чистого производства и использования возобновляемых источников энергии при Министерстве сельского хозяйства (Китай), ОФ «Camp Ала-Тоо» (Кыргызстан), Caritas Switzerland (Таджикистан), Исследовательская группа по климатологии Школы геопространственной отрасли Северно- западного университета, кампус Потчефструм (Южная Африка), Испытательная лаборатория выбросов и энергоэффективности печей в Улан-Баторе (Монголия); и Германское общество технического сотрудничества (ранее – GTZ; на текущий день – GIZ). 5 практического применения этой теории. В Разделе 4 приводятся результаты полевых испытаний в Кыргызстане, а в Разделе 5 объясняется, как конструкторы могут решать разнообразные задачи адаптации. В разделе 6 приведены примеры современных моделей печей и демонстрируются результаты лабораторных испытаний. В последнем 7-м разделе обобщаются извлеченные уроки и предлагаются способы охвата значительной части населения, не имеющего доступа к отопительным технологиям. 6 Раздел 2. Применение научных знаний и принципов промышленного производства к малогабаритным установкам сжигания угля Общепринятое заблуждение – это то, что твердое топливо не может сжигаться с низким уровнем выбросов в жилом помещении, при этом возможны тяжелые последствия для домашних хозяйств, потребляющих уголь, дрова или кизяк в качества топлива для отопления помещений. Абсолютно верно, что некоторые виды угля и дров, содержащие токсичные вещества не должны использоваться как топливо для бытового отопления в неочищенной форме 8, 9, но, все же, некачественное сгорание не является характеристикой топлива. Взаимосвязь между случайными выбросами в результате неполного сгорания и присущими выбросами – это концептуальная ошибка. «Дым» от печи на угле или дровах не означает, что топливо содержит изначально несгораемый дым. Напротив, это говорит о неполном сгорании из-за эксплуатации низкоэффективной печи традиционного типа, часто в сочетании с неправильно подобранным видом топлива. За счет применения современных принципов проектирования и материалов, современные высокопроизводительные отопительные печи с низким уровнем выбросов (HELE) могут создать соответствующие условия для сжигания сырого угля таким образом, чтобы образованный дым полностью испарялся при первичном удалении летучих веществ из угля, содержащий главным образом сжатый летучий углеводород (см. вставку 2.1). Как можно регулировать процесс сжигания сырого угля? Чтобы сырой уголь сжигался полностью, необходимо образование газов и поддержание их в горячем состоянии определенное время, а также, чтобы уголь хорошо перемешался с достаточным объемом воздуха для завершения окислительного процесса (сжигания). Для этого необходимо поддерживать соответствующий баланс между временем, температурой и турбулентностью и эти три параметра зависят от вида топлива. Тепловая мощность может регулироваться за счет изменения нормы подачи топлива или первичной скорости потока воздуха, и оба значения могут меняться вручную или автоматически. Для достижения рабочего диапазона, норма подачи топлива может быть снижена или замерена, ограничивая объем вырабатываемого тепла. Альтернативным вариантом является полная загрузка топлива в камеру и регулирование или замеры потока воздуха. В обоих случаях контролируется степень сгорания топлива. Подходы к замерам расхода топлива и воздуха значительно отличаются. Для ГГПГ KG4 используется последний подход: полностью загруженная камера и строго регулируемый поток воздуха, так как за счет этого повышается теплоотдача для обогрева помещения и достигается полный рабочий диапазон тепловой мощности. 8 https://www.wood-database.com/wood-articles/wood-allergies-and-toxicity/ 9 http://www.fluorideresearch.org/372/files/FJ2004_v37_n2_p125-132.pdf 7 Основные условия для малогабаритных установок газификации угля Разработка современной, пригодной для бытового применения установки газификации угля требует соблюдения важных предварительных условий. 10 Первое требование – это комбинация угля подходящего размера (15-30 мм) или единого размера, с массой топливной частицы 1 грамм на 1 кВт предполагаемого пламени. В печи с высоким КПД уровень избытка воздуха (ИВ) должен быть 70-110 процентов (вставка 2.1), т.е. уровень кислорода - 8-11 процентов на выходе. Чем габаритнее установка, тем меньше допустимый уровень ИВ. Уголь с высоким содержанием летучих веществ обеспечивает быстрое воспламенение и потребляется меньше дров для растопки (т.е. 400 гр. вместо традиционных 1500 гр.). Вставка 2.1 Пояснение основных терминов и концепций В настоящем техническом отчете используются следующие теоретические термины в области горения и технические понятия: Технический углерод (ТУ): Частица мелких твердых частиц (ТЧ ≤ 2.5 мкм аэродинамического диаметра), состоящая из чистого углерода в нескольких связанных формах. ТУ формируется в результате неполного сгорания твердого топлива, биотоплива и биомассы. Монооксид углерода (CO): Газ, образуемый вследствие неполного сгорания углерода, который в идеальных условиях был бы полностью окислен и образовал бы диоксид углерода (CO2). Характеристики угля: Зависят от места образования и возраста; высококачественное горение зависит от: (i) подбора размеров камеры сгорания с учетом характеристик топлива и (ii) подбора размера частиц твердого топлива в зависимости от процесса горения. Кокс: нагретый уголь, прошедший процесс пиролиза, после которого формируются горячие и тлеющие крупные куски, практически полностью состоящие из углерода и золы; весь уголь превращается в кокс до того, как образуется зола. КПД сжигания топлива: коэффициент (в процентах) полного сжигания компонентов топлива. При ограничении потока воздуха до идеального значения формируется очень горячее пламя, которое может полностью сжечь все составляющие топлива, после чего остается только CO2 и водяной пар; однако, если подачи воздуха недостаточно, качество сжигания быстро ухудшается, что может привести к образованию густого дыма. Правильное регулирование потока воздуха обеспечивает высокую температуру пламени и полное сжигание топлива. Тяга: отрицательное давление (в Паскалях) в дымовой трубе, которое образуется за счет газов в трубе, температура которых выше температуры окружающего воздуха; эта разность давлений (подъемная сила) направляет воздух в печь и вытягивает выхлопные газы. Избыток воздуха (ИВ): процентное содержание воздуха, подаваемого в камеру сгорания, сверх того, что теоретически требуется для полного стехиометрического сгорания (т. е. точное количество кислорода, соединяющегося с углеродом и водородом в топливе для производства CO2 и H2O). ИВ указывается в процентах от фактически использованного объема. Уровень ИВ обеспечивает один из самых полезных показателей для анализа горения. Отпущенное тепло: процент тепловой энергии, доставленного из печи в жилое помещение. В печи с естественной тягой (без вентилятора), некоторый объем тепловой энергии требуется для создания тяги в дымоходе в качестве движущей силы для перемещения воздуха через печь. Минимальный объем тепла, необходимый для поддержания тяги, составляет приблизительно 10 процентов от общего объема, что позволяет максимально увеличить теплоотдачу до 90 процентов для отопления помещений. Государственные стандарты часто требуют, чтобы тепловой КПД был не ниже 70 процентов. 10 Для малогабаритных и технологически устаревших печей на биомассе до сих пор не были созданы идеальные условия газификации с аналогичным эффективным коэффициентом горения. Так как в биомассе содержится большой объем кислорода (40 процентов по массе), идеальный диапазон значений в процентном соотношении для параметров избытка воздуха, размера топлива и общей конструкции печи будут отличаться от значения для печи на угле. 8 Отопительные печи и варочные печи: На варочных печах готовится пища и греется вода. Отопительные печи используются для отопления жилых домов и подогрева воды. В Кыргызстане все три функции являются базовыми требованиями почти для всех жилых домов. Конструкция варочной печи может быть комбинированной, а отопление помещения - это в основном инженерная задача. Отопительная стена: вертикальная пустотелая кирпичная стена, к которой подключена печь, используемая для отвода и накопления тепла от вытяжной трубы. Местные условия: комбинация видов топлива и предпочтений владельца в части приготовления пищи и нагрева воды, а также емкости кастрюли, высоты ее расположения, контроля золообразования и стандарта обслуживания для отопления (например, 1000 градусов - дней в месяц). Адаптация / локализация: Разработка конструкции местными ремесленниками и (или) на заводах с применением любых материалов и оборудования, которые они имеют в своем распоряжении; это местные условия с точки зрения производителя. ТЧ2.5: твердые частицы (дым) с аэродинамическим диаметром менее 2,5 мкм. В целом, печи, работающие на твердом топливе, не образуют много частиц размером более 1,5 микрона (большинство из них меньше ТЧ1,0). Показателем для оценки выбросов дыма в печи является масса ТЧ2.5 в миллиграммах на единицу отпущенного тепла в мегаджоулях в жилой дом или в кастрюлю, выраженная как соотношение ТЧ2.5 мг / МДжNET. Процесс пиролиза: термическое разложение топлива; нагревание топлива приводит к удалению летучих соединений в виде газов и испаренных жидкостей на начальной стадии нагрева топлива. Все твердые виды топлива, когда они закладываются в камеру сгорания, подвергаются термическому разложению. Огнеупорные материалы: это материалы, предназначенные для использования при высокой температуре (например, в качестве облицовки камеры сгорания и зоны пиролиза). Полукокс: уголь, который в основном пиролизуется снаружи и может содержать некоторые летучие вещества внутри. Древесный уголь - это полукоксовая биомасса. Весь уголь, помещенный в огонь, сначала сушат, а затем полукоксуют, коксуют и, наконец, сжигают до тех пор, пока не останется только твердый материал - зола, содержащая полностью минеральную массу без углерода. Дым: мелкие частицы твердого и жидкого малолетучего материала, взвешенные в воздухе. Эти частицы конденсированной фазы почти полностью состоят из несгоревшего топлива. Угольный дым в основном состоит из конденсированных жидких или смоляных капель различных углеводородов с небольшим количеством влажного или сухого углерода в процессе пиролиза топлива, и из технического углерода после его коксования. Дым не образуется, если пламя достаточно горячее и обеспечена правильная вентиляция и при этом сжигаются все выделяющиеся газы и частицы. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), продукты неполного сгорания (ПОС), ТЧ2.5 и летучие органические соединения (ЛОС) не являются неотъемлемыми веществами топлива; они являются результатом плохого сгорания в неоптимальных условиях. Сажа: сухие черные частицы, содержащие преимущественно углерод и смолу, образующиеся при неполном сгорании топлива. Летучие органические соединения (ЛОС): подгруппа летучих веществ; любое токсичное углеродное (органическое) вещество с высоким давлением паров при обычной комнатной температуре. Тепловой КПД: количество тепла, доставленного в помещение, выраженное в процентах от тепловой энергии топлива, поданной в печь. Летучие вещества: компоненты угля, которые испаряются, если уголь нагревается до 400°C в отсутствие кислорода; часть неиспаряемых компонентов в основном является нелетучим углеродом, а остальная часть – это инертная, минеральная зола. Состав угля обычно указывается в трех массовых долях: летучие вещества, нелетучий углерод и зола. В процессе газификации не будет горения пламени в зоне газификации. Температура зоны сгорания должна поддерживаться выше ~ 830oC, чтобы обеспечить сжигание окиси углерода (CO) (см. вставку 2.1). Пламя должно удерживаться в горелке круглой или прямоугольной формы; оно не должно быть открытым. Зола должна проходить через топочную решетку без перемешивания. 11 11 Желательно использовать уголь с «низкой» зольностью (например, кыргызский уголь с месторождения Кара-Кече или монгольский уголь Найлаха), так как он обеззоливает топочную решетку без участия пользователя. 9 В процессе газификации через топливный бункер, расположенный непосредственно над верхним концом топочной решетки, подается новая порция топлива; рабочий объем в камере сгорания должен постоянно пополняться топливом для поддержания процесса пиролиза (см. вставку 2.1), и в это же время должен поддерживаться примерно одинаковый объем кокса в нижней части решетки. Кроме того, должен быть установлен соразмерный обходной канал теплообменника, чтобы в дымоходе поддерживалась определенная температура, при которой за счет тяги образуется постоянное и достаточное отрицательное давление внутри печи. Наконец, корпус печи, зольный ящик и любые другие отверстия должны быть оснащены плотно прилегающим и практически воздухонепроницаемым уплотнением. В газогенераторе горизонтального процесса газификации с Рисунок 2.1 Камера бункером есть шесть зон, соответствующих стадиям процесса сгорания и топливный бункер перегонки, расщепления и сгорания топлива (см. рисунок 2.1). После того, как сырое угольное топливо соответствующего размера загружено в бункер (зона 1) и крышка бункера закрыта, начинается осушка и удаление летучих веществ (зона 2). Затем начинается полукоксование угля, в результате чего образуется большое количество густого дыма (зона 3). Во время газификации (зона 4) дым «раскалывается» на простые газы в слое горячего кокса. Образованный угольный газ сжигается за счет вторичного воздуха в зоне сгорания газа (зона 5), иногда называемой камерой сгорания. Наконец, тепло передается в помещение через теплообменник или кастрюлю (зона 6). Пока в бункере есть топливо и очищается зола, эти процессы газификации могут продолжаться бесконечно. В На блоках 2-4 показаны зависимости от свойств золы топливо может подаваться только под активные зоны действием силы тяжести, без участия пользователя, в течение 4–14 часов за раз. Длительность горения зависит от скорости сгорания и в меньшей степени - от характеристики топлива. Если физические характеристики топлива, топливной решетки и высоты слоя топлива на нижней топливной решетке выбраны правильно, то только под действием силы тяжести уголь подходящего размера будет подаваться в зону сгорания без участия пользователя. Эта функция самоподачи очень важна для домашних хозяйств, поскольку на практике, можно заполнить бункер, установить уровень мощности и оставить печь на несколько часов без присмотра. В частных жилых домах в Кыргызской Республике в сельской местности при расходе 10 кг топлива печи могут работать в течение 14 часов (минимальная мощность) или 4 часа (высокая мощность). Не исключается и применение более твердых видов угля или угля с повышенной зольностью, но тогда топливную решетку необходимо периодически встряхивать (каждые 2–6 часов), в зависимости от уровня мощности и физических характеристик золы. Минимальный уровень тяги в дымовой трубе (приблизительно -20 Паскалей, измеренных в верхней части топки) необходим для того, чтобы эта камера сгорания работала с очень низким уровнем выбросов дыма. На этом уровне тяги (или более) турбулентное смешивание воздуха и газа является адекватным, и обеспечиваются оптимальные условия эксплуатации. Для этого 10 вертикальная труба дымохода должна быть высотой не менее 4,1 м (от верхней части печи для обеспечения достаточной тяги), а температура газа в дымоходе, расположенном на уровне 2,4 м над полом, должна поддерживаться на уровне 160oC при работе на большой мощности. 11 Раздел 3. От теории к практике В прототипных образцах угольной печи KG4 используются процессы Рисунок 3.1 Слой газификации угля, описанные в предыдущем разделе. Постепенное нагревание кокса ниже камеры сгорания не менее 4 кг угля удаляет летучие вещества. Это образует густой дым в угольном слое, состоящий из длинноцепных углеводородных полимеров и других газов (например, CxHyOz, CH4, CO, и H2), которые движутся через горячий кокс на нижней решетке у основания камеры сгорания. Как только вся влага и летучие вещества будут удалены, останутся горячие светящиеся кусочки кокса (см. рисунок 3.1). Решетка расположена под таким углом, чтобы под камерой сгорания постоянно находилась небольшая горстка кокса с температурой 900oC. Все газы, полученные при нагревании угля, проходят через кокс. Этот медленный процесс дает достаточно времени для того, чтобы сложные дистиллированные летучие вещества (CxHyOz) подверглись тепловому разложению на более простые газы - CO, H2, и H2O. Горючие газы горят полупрозрачным желтоватым пламенем (см. рисунок 3.1). Так как пламя горячее и ограничено камерой, то металлический корпус печи требует защиты в виде огнеупорного керамического покрытия. За последние несколько лет значительно продвинулась наука в области производства огнеупорной керамики. Высокоэффективные Рисунок 3.2 Вариант фосфатно-связанные материалы имеют большую высокотемпературной облицовки ценность, поскольку они производятся без обжига. Производители печей могут изготавливать детали a. Огнеупорный b. Пластичная вручную, используя простые формы и ручное или кирпич огнеупорная масса электрическое смешивание. Дигидрофосфат алюминия и глинозем, связанные с ортофосфатом алюминия, или геополимеры, изготовленные из промышленных отходов и угольной золы, являются перспективными материалами, так как они могут производиться в небольших масштабах без значительных инвестиций в производственные средства и без необходимости приготовления материалов из обожженной глины с необычными свойствами. Для пилотной программы энергоэффективного отопления в Кыргызстане использовались огнеупорные кирпичи местного производства. В одной из программ в Монголии используется пластичный огнеупорный материал на холодной фосфатной основе, который при высыхании напоминает цемент (см. рисунок 3.2). Компьютеризированная плазменная и лазерная резка металлических листов доступна в крупных населенных пунктах, что позволяет проводить полевые испытания адаптированных версий конструкций печей к местной кухонной утвари и топливу. На этих металлорежущих станках 12 возможно производство сотен одинаковых деталей по разумной цене. В рамках пилотной программы по эффективному отоплению в Кыргызстане печи были изготовлены несколькими производителями, но все элементы были вырезаны одним поставщиком, чтобы гарантировать точность размеров и, в конечном итоге, производительность конечного продукта. 13 Раздел 4. Результаты пилотного проекта в Кыргызстане В течение зимнего отопительного сезона 2016-2017 года, газогенератор KG4 и его аналог (котел низкого давления /КНД KG5) были испытаны в условиях эксплуатации в 41 жилом доме в сельской местности и пригородных районах в Кыргызстане. Были предоставлены практические инструкции по эксплуатации и обслуживанию печей и подготовке топлива. Большая часть использованного угля была из месторождения угля «Кара-Кече». Опросы пользователей, проведенные ОФ «CAMP Ала-Тоо» (партнерской местной неправительственной организацией) в рамках пилотной программы, проводились через 10 недель после установки и повторно - в отопительный сезон. Результаты опросов пользователей показали, что Рисунок 4.1 Домашнее хозяйство в печи KG4 получили положительные оценки от участников Ошской области, Кыргызстан пилотного проекта (Всемирный банк, 2017a). Эти домохозяйства сообщили о ряде преимуществ от эксплуатации печей: повышенная степень комфортности в доме, удобство в эксплуатации, экономия расходов на топливо и улучшение состояния здоровья. Все участники пилотной программы согласились с тем, что после установки новых печей в их домах было всегда тепло и комфортно. Большинство участников сообщило, что они использовали примерно на 40 процентов меньше топлива по сравнению с предыдущим зимним сезоном, хотя они постоянно отапливали свои дома и температура в Эта семья каждую зиму ограничивала помещении была более комфортная. Респонденты площадь жилого пространства из-за отметили возможность отапливать дополнительные низкоэффективной старой отопительной печи. После перехода на модель печи KG-4, в комнаты в большинстве домов (10–30 процентов от обеих комнатах стало тепло, а расходы на площади дома) благодаря новой печи, потому что она уголь сократились. вырабатывала больше тепла, но расход топлива был намного меньше (см. рисунок 4.1). Сообщалось, что зимняя спальная зона (обычно комната, соединенная с кухней открытым дверным проемом) стала намного теплее, чем была до установки KG4. Около 90 процентов пользователей отметили, что они затрачивали меньше времени на разжигание печи. Кроме того, более 80 процентов заметили снижение уровня утечки дыма, а также дополнительные преимущества, в частности, отсутствие необходимости перекрашивания стен кухни каждые несколько месяцев (см. вставки 4.1 и 4.2). 14 Вставка 4.1 Там, где есть огонь, всегда есть дым? Домашнее хозяйство из 2 взрослых и 5 детей (см. рисунок B4.1.1) сообщило, Рисунок B4.1.1. Домашнее хозяйство в селе Учбай, что контроллер из местной энергораспределительной компании обвинил их Ош/Ноокат. в хищениях электроэнергии для целей отопления. Причиной было то, что в доме было тепло, но не было дыма в самом доме или из дымоходной трубы, при этом электрический счетчик не крутился. Женщины в этом домашнем хозяйстве сообщили, что они не разжигали повторно печь с тех пор, как печь KG4 была установлена в ноябре 2016 года. По их оценкам, новая печь сэкономила около 1 тонны угля в отопительный сезон, что составляет 40-процентную экономию. Вставка 4.2. Оценка социального статуса малообеспеченных семей Если отопительная печь модели KG4 есть в частном доме – это значит, что дома Рисунок B4.2.1. Верхняя поверхность печи KG4 с и одежда их жильцов больше не пахнут дымом, что повышает их социальный емкостями для воды статус. Владельцы печей особенно ценят теплую кухню и постоянное наличие горячей воды, благодаря чему можно пить чай в любое время. Квадратная воронка для заправки топлива, показанная на рисунке B4.2.1, была изготовлена владельцем печи, чтобы меньше просыпался уголь. 15 Параллельно с зимним пилотным проектом в Рисунок 4.2 Снижение воздействия ТЧ2.5 после установки 2016–2017 годах в рамках программы «Fresh Air» 12, KG4 в Ошской и Джалалабадской областях вдоль коридора CASA. реализуемой Международной респираторной группой первичной медико-санитарной помощи (IPCRG), было замерено воздействие ТЧ2.5 на члена ТЧ2.5 PM2.5 Нижний Lower 95% CI75% Upper ДИ Верхний 95% CI 75% ДИ 250 ДХ, ответственного за приготовление пищи в течение Воздействие ТЧ2.5 на человека (мкг/м3) 230 48 часов (в большинстве случаев - на женщин). 210 Контрольная группа для оценки индивидуального 190 воздействия состояла из 20 домов, в которых не 170 были установлены новые печи. В 41 домашнем 150 153 153,11 хозяйстве, охваченном пилотной программой (экспериментальная группа), команда IPCRG Fresh Air 130 провела оценку воздействия через два месяца после 110 установки печи и еще раз через год, зимой 2017– 90 83 83,15 1818 гг. Согласно результатам, при эксплуатации 70 61,41 61 модели KG4 качество воздуха в помещении 50 значительно улучшилось. В 2016–2017 годах 30 концентрация ТЧ2.5 в базовой контрольной группе в Контрольная Control Group of Через 2 месяца 2 months Зима 2017 after Winter -2018 2017-2018 группа 20 – 20 homes после stove уста новки installation среднем составляла 153 мкг на м3. Спустя два месяца жилых домов печи концентрация ТЧ2.5 в экспериментальной группе снизилась в среднем до 83 мкг на м3. К зиме 2017–2018 гг. среднее значение еще больше снизилось до 61 мкг на м3 (см. рисунок 4.2). В свою очередь, улучшение качества воздуха в помещениях и снижение воздействия ТЧ2.5 оказали положительное влияние на респираторные симптомы у членов домашнего хозяйства. После установки модели KG4 кашель, одышка и затрудненное дыхание (одышка) исчезли у всех детей и большинства взрослых в участвующих в программе домашних хозяйствах (см. таблицы 4.1 и 4.2). После установки печей в Чуйской области заболеваемость инфекциями дыхательных путей среди детей в 11 домашних хозяйствах – участниках проекта снизилась с 86 до 13 процентов, а заболеваемость детей более чем с двумя типами инфекций дыхательных путей снизилась до 1 процента, что на 31 процент ниже базовой заболеваемости. 13 12 https://www.theipcrg.org/freshair 13 Фредерик ван Гемерт, программный координатор «Fresh Air», из Нидерланд, заметил, что после установки моделей KG4 и KG5, «…симптомы практически исчезли; случаи инфекции дыхательных путей резко сократились, а количество пропусков школы детьми сильно снизилось. Люди были впечатлены новыми обогревателями/печами, особенно Моделью 4, и полностью приняли их». 16 Таблица 4.1 Сравнение некоторых симптомов респираторных заболеваний до и после установки модели KG4 До установки После Показатель печи (%) установки печи (%) Кашель Взрослые 50.0 3.4 Дети 32.8 0 Хрипы Взрослые 10.0 3.4 Дети 7.7 0 Одышка Взрослые 40.0 0 Дети 53.6 4.4 Примечание: В исследовании приняли участие 30 домашних хозяйств в Ошской и Джалал-абадской областях, проживающих вдоль коридора CASA. Таблица 4.2 Сравнение некоторых симптомов респираторных заболеваний до и после установки модели KG5 До установки После Показатель (%) установки (%) Кашель Взрослые 71.4 0 Дети 53.8 0 Хрипы Взрослые 35.7 8.3 Дети 7.7 0 Одышка Взрослые 57.1 0 Дети 69.2 0 Примечание: В ходе зимней пилотной программы 2016-2017 годов, модель KG5 (КНД - аналог KG4) была протестирована на местах в домашних хозяйствах, где использовались водяные обогреватели с пропорционально аналогичными результатами. Домашние хозяйства включали 11 жилых домов в Чуйской области. Благодаря улучшению состояния здоровья, дети гораздо реже пропускают школу, члены домашних хозяйств стали меньше посещать медицинские учреждения, а их расходы на медицинские услуги сократились. Снижение уровня загрязнения воздуха в помещениях домашних хозяйств (HAP) было в основном вызвано: (i) меньшей частотой розжига, необходимого для печи KG4 во время зимнего отопительного сезона (в некоторых случаях печь разжигалась только один 17 раз), (ii) значительным уменьшением объема утечки газа / дыма в домах, и (iii) установкой эффективного дымохода правильного размера. 18 Раздел 5. Адаптированные конструкция и производство Для того, чтобы эффективно решить вопрос адаптации, Рисунок 5.1 Пожилая проектировщики отопительных печей должны в первую очередь женщина и ее печь оценить потребности и восприятие домашних хозяйств, их стремления и реальное положение вещей. Каково состояние места их проживания? Какую погоду домохозяйство должно пережить? Сколько градусо-суток отопления потребуется? На восприятие потенциальных пользователей отопительных печей влияет ряд факторов. Их основная обеспокоенность заключается в возможности нагревать несколько ведер воды, в адекватном электроснабжении для приготовления пищи и соответствующем контроле, социальном статусе используемого топлива и чувстве собственности. Также вопросы, вызывающие обеспокоенность, включают гибкость в использовании горючего, необходимость в распределении До получения более высокой внимания при уходе за печью, легкость в чистке и способность тепловой мощности от поддерживать комфортную температуру (см. рисунок 5.1). проектной печи, эта женщина очень сильно сопротивлялась замене старой печи своей семьи, Конструкторы печей пилотного проекта по повышению но после замены на новую печь она энергоэффективности теплоснабжения в Кыргызстане признали была очень довольноu и наличие множества источников загрязнения воздуха домохозяйств. предложила публично продемонстрировать новую печь. Даже если модель производится с большим снижением выбросов ТЧ2,5 и менее при проведении лабораторных испытаний, было понятно, что эксплуатация печи пользователем может отличаться от того, что мы наблюдали или смоделировали, что неизбежно может привести к снижению преимуществ дополнительных затрат на эксплуатационные параметры печи. По этим причинам, качество местного топлива – важный фактор в разработке конструкции, а оптимальный объем топлива – конечный результат. Поэтому были проведены химические и физические анализы имеющегося в наличии угля, а новые модели были доработаны с учетом объема топлива, который домашние хозяйства хотели использовать. Оказалось, что необходимый размер угля (16–25 мм) дешевле, чем широко используемый размер (80 мм), что позволяет сэкономить до 33 процентов на 1 кг. В результате чего достигаются экономические преимущества снижения потребления топлива. Понимание потребностей региона Требования к отоплению в зимний период в регионе с холодным климатом не ограничиваются домашними хозяйствами. В ходе исходного обследования рынка для одновременно реализуемого пилотного проекта по энергоэффективному теплоснабжению в зимний период в Таджикистане были определены шесть категорий потребления услуг теплоснабжения: (i) медицинские учреждения, (ii) школы, (iii) дошкольные учреждения (где, как правило, теплее), (iv) отопление жилых помещений, (v) отопление жилых помещений плюс приготовление пищи, и (vi) отопление квартир в многоэтажных жилых зданиях. Возможность 19 нагревать воду была необходима для всех выбранных моделей, даже, когда не было необходимости в приготовлении пищи. Теплоснабжение общественных зданий ограничивалось дневным временем суток, т.е. соответствующая высокоэффективная, с низким уровнем выбросов (HELE) отопительная печь разжигалась ежедневно и эксплуатировалась без присмотра. Таджикская модель 4 была одной из шести продуктов, разработанных для решения данных специальных потребностей в отоплении. Модель KG4 была адаптирована на основе таджикской модели TJ4.0; ее размер предназначался для отопления 50–70 кв. м2 жилой площади в регионах, где температура в зимний период времени может упасть до −30 oC, (к примеру, памирский регион и кыргызское высокогорье). С учетом комментариев производителей, потребителей, установщиков и руководителей проекта, обновленная версия модели TJ4.0, названная KG4, была адаптирована к доступным в регионе материалам, навыкам и умениям производителей и эксплуатационным требованиям (см. вставку 5.1). Данные требования отличаются по высоте местности над уровнем моря, культуре приготовления пищи, виду топлива и культуре поведения. Также проведена большая работа по информированию производителей о вопросах, которые вызывают обеспокоенность у потребителей, а также о степени признания и энтузиазма потребителей по отношению к новой модели печи. 20 Вставка 5.1 Адаптация таджикской модели отопительной печи для Кыргызстана К концу 2016 года модель TJ4.0 работала достаточно хорошо с использованием огнеупорных кирпичей в металлическом корпусе. Адаптированная модель KG4 сфокусирована на размещении кухонной утвари и настройки подачи воздуха для сгорания, размере теплообменника (не слишком большой) и, что наиболее важно, на расстоянии между низом центральной разделяющей стены и наклонной решеткой, проходящей под стеной. Такая щель (высота блока 3, см. рисунок 2.1) контролирует, каким образом топливо поступает из топливного бункера, а ее размер зависит от толщины стены и характеристики угля; она также определяет глубину коксового слоя, который, в свою очередь, устанавливает уровень избытка воздуха в пламени над ней. По каждому виду угля параметры камеры сгорания и расстояние между стержнями топливной решетки определялись путем тестов, ошибок, расчетов и повторных тестов. Получившаяся в результате таких действий конструкция была высокоэффективной, с низким уровнем выбросов (HELE) и, в какой-то степени, с автоматической подачей топлива. После успешных тестов на выбросы и эффективность, проведенных в Сельскохозяйственном университете Китая (CAU) в г. Пекин, работа над конструкцией была завершена, а чертежи направлены производителям. Примечания: Чертежи находятся в общественном достоянии и доступны онлайн по следующей ссылке (https://collaboration.worldbank.org/content/sites/collaboration-for-development/en/groups/clean-cooking-and- heating-solutions/files.asset.html/content/usergenerated/asi/cloud/content/sites/collaboration-for- development/en/groups/clean-cooking-and-heating-solutions/files/jcr:content/ content/primary/library/space_heating_stoves-ywyV/kyrgyzstan-btpI/kg-4_3-DdYt.html). Учет местных условий Конструкторы и производители печей сталкиваются с уникальными проблемами в процессе учета местных условий. Конструкторы должны сделать печь «производимой», поскольку даже от гениальной конструкции мало толку, если затем печь невозможно произвести. Трудность заключается в сохранении всех функции идеального прототипа, при этом адаптируя его к местным реалиям, в том числе с учетом доступных на месте материалов, инструментов, умений и навыков. Возможно производство двух видов: (i) стандартные сборные части производятся кустарно при условии, что они нарезаны утвержденным поставщиком и (ii) утвержденные заводы (цеха) выполняют весь объем работ на своем предприятии (см. вставку 5.2). Вставка 5.2 Местные условия: наблюдения из практики Рисунок B5.2.1 Сварщик Ни одна печь не может быть полностью «местной» и ни один сварщик не может все сделать сам. На вопрос, может ли печь быть местного производства однозначного ответа нет. Сам процесс производства скорее представляет собой дифференцированный процесс адаптации. В простом сварочном цеху, где работает два человека, можно произвести печи моделей TJ4 и KG4 путем отработки конструкции, с такими же параметрами топлива и эксплуатации, с которыми можно обеспечить массовое производство на современной фабрике. Команда экспертов технической помощи должна располагать потенциалом провести экспертную оценку возможностей местных производителей и затем принять решения о том, что 21 уже делают, что они могут сделать и что может быть сделано, чему они могут научиться, и что можно реально включить в график реализации пилотного проекта, и только потом можно приступить к реализации пилотного проекта. Большие замыслы могут реализоваться с помощью реалистичной оценки условий рынка. Для пилотной программы в Кыргызстане металлические Рисунок 5.2 Фреза станка с ЧПУ, листы были изготовлены с привлечением подрядчика по вырезающая чугунное лекало плазменной резке с использованием станков с ЧПУ в целях для верхней части печи обеспечения надежных параметров и производительности. 14 У производителей, не имеющих такого оборудования, есть два варианта. Они могут использовать «кустарную» версию чертежей с небольшими изменениями для производства вручную. Такая версия требует больше сварочных работ с небольшим количеством инструментов (угловая шлифовальная машина, рулетка и дуговая сварочная машина). В качестве альтернативы, производители, имеющие станки плазменной резки и листогибочные машины, могут произвести версию из гнутого металлического листа, для чего требуется меньший объем Автоматизация распространяется в крупных населенных пунктах. сварочных работ. Для того, чтобы производители перешли от одного уровня производства к другому, они должны использовать соответствующий набор чертежей, а образцы продукции подлежат одобрению проектным инспектором (Приложение B). Внедрение технологий в местную экономику Отопительная печь модели KG4 доступная для домашних хозяйств, проживающих в сельской и пригородной местности Кыргызстана. Выезд в село в горной местности около Ошского района, показал, что домашние хозяйства, перешедшие с использования традиционной отопительной печи на твердом топливе на использование модели KG4, сэкономили на топливе в чистом выражении 48 долларов в месяц. В период реализации пилотного проекта в 2016 – 2017 годах, верхняя часть модели была металлической, а не чугунной, более износоупорной, и стоила 160 долларов США. Срок окупаемости такой модели составлял 3.3 месяца. Предполагаемый ремонт модели KG 4 был связан с прогоранием металлической поверхности печи, а также коррозией от тепла и конденсации внутри теплообменика. Ожидается, что такой ремонт можно было бы сделать в любом из многочисленных сварочных цехов в Кыргызстане. Новая чугунная решетка, произведенная на местном рынке, которую может заменить собственник (в случае поломки, износа), может тоже прогореть, что могло бы произойти намного 14 В Кыргызстане производство чугуна адекватное. Производители имели доступ к современному оборудованию / станкам с ЧПУ для стандартизации частей, а навыки сварочных работ в каждой отраслевой группы были относительно высокими. 22 быстрее, если бы она была сделана из арматурного стержня. Ожидается, что чугунная крышка прослужит несколько лет. После успешной реализации пилотного проекта зимой 2016 года по 2017 год, Всемирный банк продолжает оказывать техническую помощь по совершенствованию прототипов и проведению тренингов о конструировании печей HELE для местных производителей. Модель KG4.3, оснащенная чугунной крышкой и решеткой, была внедрена в пилотном режиме в зимний отопительный сезон 2017 – 2018 годов. В настоящее время как минимум четыре производителя, расположенные в столице г. Бишкек или в пригородных районах, продемонстрировали умение и навыки, необходимые для производства таких печей HELE в соответствии с приемлемым стандартом. Некоторые из них инвестировали в дополнительное оборудование для расширения портфеля своих услуг. 23 Раздел 6. История разработки отопительных печей / газогенераторов с горизонтальным процессом газификации История разработки отопительных печей, оборудованных газогенератором с горизонтальным процессом газификации (ГГПГ), все еще на стадии эмпирического процесса. Наблюдения, проводимые в последние десять лет, включая интенсивные лабораторные испытания, привели к созданию более эффективных моделей, которые прошли испытания на местах и были адаптированы к условиям различных стран и культур (Приложение A). Итеративные (неоднократные) версии таких моделей предусматривают скорректированные размеры частей. Такие модели использовали альтернативные методы сборки и в них внесены изменения с тем, чтобы использовать определенный вид топлива. Внесенные изменения, капитальные и мелкие, способствовали более значительным изменениям, что вкупе привело к более высоким эксплуатационным показателям (см. рисунок 6.1). Рисунок 6.1 Основные черты модели ГГПГ, 2016–18 Таджикистан—TJ4.0 Кыргызстан—KG4 Кирпичная облицовка; одна Зольник большего размера, с конфорка для приготовления пищи; укороченным и более широким одна конфорка для нагрева воды; корпусом, чтобы он плотно прилегал теплообменник восходящего типа с к стандартной верхней чугунной отводом в центре; требуется резка части; теплообменник расположен кирпича и гнутая решетка. под отверстием для приготовления пищи; в первой модели решетка была прямая. Корпус печи – длинный и узкий. Применяется шпунтовый кирпич. Кыргызстан—KG4.3 Протестирована зимой 2017–2018 годов; управляемая байпасная дымовая труба только для приготовления пищи; чугунная решетка; конические кирпичи; вращающаяся квадратная крышка Пекин —BJ4.0 топливного бункера. Отправлена в Китай для испытания уровня выбросов. Соответствует модели Кирпичная облицовка; две BJ4.0. Отзыв от потребителей был весьма конфорки для приготовления положительным. пищи; тяжелая заслонка бункера; небольшое отверстие Кыргызстан—KG4.4 для приготовления пищи; отвод с ручной байпасной дымовой Модернизированная и немного трубой для второй конфорки для приготовления пищи. укороченная модель KG4.3 с Верхняя часть печи изогнута иначе, но ее чугунной поверхностью, функциональные свойства аналогичные. Печь прошла перегородкой, решеткой, обширные испытания. отверстием для приготовления пиши, и вращающейся квадратной крышкой топливного бункера. 24 Монголия—MN4.2 Боковые отверстия для усиленного охлаждения бункера; уменьшен размер внутренней тяговой трубы ниже дымохода; пластиковые огнеупорные плиты разделены вертикально, чтобы изолировать облицовку бункера от облицовки камеры сгорания. Южная Африка—SA8.1.0 Модель MN4.2 в уменьшенном размере; с коническими кирпичами, двумя конфорками для приготовления пищи и одной конфоркой для отопления; листы с отверстиями для обменного газоотвода, камера сгорания шириной 120 мм. Польша —Войчек Третер KG4 Изготовлено в Польше по загруженным с Интернета чертежам; хорошая производительность в результате первого тиражирования в Европе с использованием российского и чешского каменного угля. Для производства печи требуются небольшие денежные средства, и поэтому, возможна тиражируемость в других странах. Россия - RU4.0 Основана на модели KG4.4; чугунная поверхность из двух частей. За продолговатыми боковыми панелями расположен зольный ящик. Топливный бункер в виде вогнутого, ребристого листа. Облицовка из огнеупорного кирпича и супрасила. 25 Для оценки эксплуатационных показателей печей использован протокол испытаний, принятый и доработанный в ходе реализации Индонезийского проекта «Инициатива по производству экологически чистых отопительных печей» (проект ПЭЧОП), финансируемого Всемирным банком. 15 Важно сравнить характеристику выбросов традиционной отопительной печи, работающей на угле, в реальном режиме времени с характеристикой выбросов обновленной модели HELE, оборудованной газогенератором с горизонтальным процессом газификации. Рисунок 6.2 Профиль эмиссий: традиционная монгольская отопительная печать, работающая на угле, 2010 На Рисунке 6.2 показан характер выбросов ТЧ2.5 в режиме реального времени для традиционной монгольской отопительной печи, работающей на сыром угле Налайха. 16 Печь была произведена в типичной ремесленной мастерской. Профиль выбросов охватывает последовательность процесса горения в течение 3,5 часов (розжиг, загрузка и одна повторная дозакладка топлива). Дозакладка в печь нескольких килограммов топлива на 70-ой минуте – это нарушение в работе печи, после которой печь восстанавливается спустя 20 минут.17 Через два часа 15 Испытания проводились с использованием однородного протокола испытаний CSI, администрируемого в настоящий момент Китайским сельскохозяйственным университетом (CAU) в г. Пекин. Такой метод можно использовать для приготовления пиши, отопительных печей и бойлеров для нагрева воды путем применения соответствующую тестовую последовательность с учетом местных условий. 16 В данном случае в качестве исходной использовалась традиционная монгольская отопительная печь, поскольку кыргызская отопительная печь имеет схожую конструкцию, эксплуатационные параметры, утечки, выбросы и уровень эффективность. Лаборатория CAU «BEST» попыталась определить объем выбросов традиционной кыргызской отопительной печи в количественном выражении, но они был настолько высок, что оборудование засорилось, что вынудило прекратить тесты после двух часов. 17 Степень нарушения в работе печи связана с количеством добавленного топлива. В зимний период времени дозакладка 10 кг в горячую печь в 22.00 приводит к резкому повышению загрязнения в полночь. До 2013 года, когда преимущественно использовались старые печи, качество воздуха окружающей среды в городе слабо 26 после розжига уголь сократился до кокса с меньшим количеством выбросов. Основная часть выбросов приходится на стадии розжига и дозакладки. На Рисунке 6.3 показана вышеупомянутая последовательность горения в течение 3,5 часов с использованием такого же сырого угля в прототипе модели GTZ7.4 2010 года (Приложение А). Именно эта система сгорания использовалась в печах KG4 в Кыргызстане. Результаты испытаний показывают, что по сравнению с исходной моделью печи (см. рисунок 6.2) при использовании модели GTZ7.4 уровень выбросов ТЧ2.5 сократился на 99%. Это подтверждает тот факт, что система сгорания с горизонтальным потоком показывает существенное улучшение в ее работе без замены типа топлива – то, что многие считали невозможным. Такая же технология была применена к котлам низкого давления KG5 (КНД). Рисунок 6.3 Профиль выбросов: Отопительная печь с камерой сгорания с горизонтальным потоком модель GTZ7.4, 2010 Недавно реализованная пилотная программа в нескольких странах Центральной Азии (Монголия, Таджикистан и Кыргызстан) демонстрирует, что, понимая и применяя основополагающую теорию газификации угля и за счет адаптации конструкции печи к видам топлива, доступного на местном рынке, вполне возможно достичь 80% теплового КПД, при этом выбросы ТЧ2.5 составят менее 3 мг на МДжNET (см. рисунок 6.4). Такая ситуация возможна при минимальном изменении в расходах на производство высокоэффективных отопительных печей с низким уровнем выбросов (HELE), которые домашние хозяйства с низким уровнем дохода могут приобрести по доступной цене. коррелировало с массой сожженного топлива, но хорошо коррелировало с количеством розжига и дозакладки. 27 Рисунок 6.4 Эксплуатационные параметры: отопительная печь модель KG4, 2018 28 Раздел 7. Выводы В настоящем техническом отчете продемонстрирована в пилотном режиме усовершенствованная технология сгорания на твердом топливе, применение которой может позволить оказать высококачественные услуги теплоснабжения в небольшом масштабе, которые соответствуют нуждам сельских жителей и домашних хозяйств, проживающих в пригородной местности, не имеющих доступа к централизованной системе теплоснабжения, или тех, кто не может себе позволить использовать современные типы топлива для отопительных целей (к примеру, электроэнергию или газ). В случае с пилотной программой энергоэффективного теплоснабжения в Кыргызстане 100 процентов домашних хозяйств, участвующих в проекте и имеющих модель печи KG4 в домах, использовали печь для приготовления пищи в дополнении к отоплению; 100% таких же домашних хозяйств также использовали печь для нагрева воды для чая, стирки и гигиенических процедур. 18 Какие уроки были извлечены Приоритетность участия пользователей. Разработка и адаптация высокоэффективных технологий могут быть успешными при условии активного участия пользователей для целей понимания местных условий, в частности, их нужд, предпочтений, условий жизни, режимов эксплуатации и доступности различных видов топлива и оборудования. Помимо услуг теплоснабжения, необходимо изучить и дать характеристику эффективности функции приготовления пищи, продолжительности и частоте использования печи 19. Стимулирование промышленного сектора. В промышленном секторе развивающихся стран с холодным климатом можно стимулировать «круг благоприятных возможностей» разработки продукта, пробную реализацию, расширение формального рынка, сокращение расходов и улучшение качества. В Кыргызстане прототипы были разработаны в партнерстве с неформальным сектором. Более крупные производители были привлечены к пилотному проекту, после того как они осознали масштабы потенциального рынка, а также насколько хорошо зарекомендовал себя этот продукт, что безусловно потребовало доказательств для преодоления недоверия. В настоящее время четыре крупных производителя из г. Бишкек или его пригорода продемонстрировали свою способность производить печи HELE, приняв участие в обучающих мероприятиях и используя общедоступные конструкции. Техническое содействие в конструировании и разработке продукта. Определение высоких показателей выбросов, горения и теплового КПД может стимулировать разработку продукта. В развивающихся странах, в которых научно-исследовательский, конструкторский и 18 Важно отметить, что в силу культурных особенностей региона подогрев воды не считается само по себе приготовлением пищи. 19 На это потребовался один год, в течение которого были также рассмотрены вопросы сроков производства и стоимости. 29 проектный потенциал относительно низкий, техническая помощь в конструировании и разработке продукта открытого источника очень важна. Организация партнерства международных и местных экспертов и производителей оказала и может оказывать глубокое и устойчивое воздействие на улучшение местных возможностей. С практической точки зрения, реализованные проекты (Кыргызстан, Таджикистан, Монголия и Китай) являются «лидерами», показывая пример тесной работы с местными партнерами, участия в обмене знаниями и техническими достижениями с другими проектными командами и заинтересованными сторонами в указанных странах. 20 Дальнейшие шаги По оценкам, как минимум 500 млн. человек или 100 млн. домашних хозяйств используют традиционные отопительные печи на твердом топливе (преимущественно, уголь); большая часть таких домашних хозяйств расположена в сельской местности, где отсутствует централизованное теплоснабжение или газоснабжение и маловероятно, что они там появятся в кратко- и среднесрочной перспективе. Высокоэффективные отопительные технологии с низким уровнем выбросов (HELE) вполне реализуемы и могут предоставить домашним хозяйствам, проживающим в сельской и пригородной местности, экономичное промежуточное решение проблемы доступа к современным системам отопления задолго до перехода на другой вид топлива 21. Экономические, социальные, климатические преимущества и преимущества, связанные с качеством воздуха 22, существенны, как показывает независимая оценка воздействия пилотных проектов в Центральной Азии. Вполне реально создать местный рынок отопительных технологий HELE посредством применения проектов конструирования и производства с учетом местной культуры и условий, а также посредством предоставления пользователям доступа к таким технологиям. Для этого необходима внешняя поддержка (со стороны правительства или международного донора), направленная на (i) повышение осведомленности в целях ускорения принятия технологий HELE, (ii) оказание помощи малообеспеченным слоям населения, если не могут позволить себе внедрение таких технологий, как часть программы социальной поддержки, и (iii) оказание содействия в повышении навыков и умений местных производителей (к примеру, помощь в конструировании, передача знаний «в обоих направлениях», первоначальные инвестиции в разработку прототипов, 20 В апреле 2017 года было организовано мероприятие по обмену знаниями «Юг-Юг» с участием четырех стран, на котором они получили информацию и обменялись чистыми и энергоэффективными отопительными решениями (http://www.worldbank.org/en/events/2017/04/17/clean-and-efficient-heating-south-south- knowledge-exchange-event#1). 21 Несмотря на то, что экономичность энергоэффективных мер не является фокусом настоящего технического отчета, данный фактор должен рассматриваться как часть решений направленных на улучшение услуг теплоснабжения. 22 При условии, что среднее домашнее хозяйство в настоящее время использует для отопления 2,5 тонны угля в год, их переход на технологии HELE позволит сэкономить 40% топлива, снизить ТЧ2,5 на 90% и технический углерод на 85%; также такой переход сократит выбросы CO2 на 2,7 тонны, ТЧ2.5 на 20.5 кг и ТУ на 4.7 кг в год. Если 100 млн. домашних хозяйств перейдут на технологии HELE, это может привести к годовому сокращению в размере 272 млн. тонн CO2, 2 млн. тонн ТЧ2.5 и 0.46 млн. тонн ТУ. Необходимо отметить, что вышеуказанные предположения задействовали консервативный подход: так, было сделано предположение, что исходная технология более эффективная, чем та, которая наблюдалась в центрально-азиатском регионе (см. вставку ES.1). 30 проведение испытаний, моделей отливки металла и установку на местах) с тем, чтобы они могли постоянно повышать качество услуг. 31 Ссылки и дополнительные ресурсы BBC (British Broadcasting Corporation). 2017. BBC Report on the Kyrgyzstan Stove Pilot. London: British Broadcasting Corporation (https://www.bbc.com/kyrgyz/media-39377945). [Британская вещательная корпорация, 2017 г. «Репортаж ВВС о пилотном проекте по отопительным печам в Кыргызстане, Лондон: Британская вещательная корпорация] Gasparrini, Antonio, et al. 2015. “Mortality Risk Attributable to High and Low Ambient Temperature: A Multicountry Observational Study.” Lancet 386 (9991): 369–75 (http://dx.doi.org/10.1016/ S0140-6736(14)62114-0). [Антонио Гаспаррини и др., 2015г. «Риск смертности по причине высокой и низкой температуры окружающей среды: Наблюдательное исследование по нескольким странам] van Gemert, Frederik, et al. Submitted. “Health Impact and Acceptability Introducing Clean Cookstoves and Heaters to Reduce Exposure to Household Air Pollution in Uganda, Vietnam and Kyrgyzstan: a FRESH AIR study.” npj Primary Care Respiratory Medicine. [Фредерик ван Гемерт и др. «Воздействие на здоровье и допустимость внедрения чистых экологически варочных и отопительных печей в целях снижения риска загрязнения воздуха домашних хозяйств в Уганде, Вьетнаме и Кыргызстане: исследование программы «Fresh Air». Статья подана на публикацию в журнале «npj Primary Care Respiratory Medicine» ] World Bank. 2017a. “Project Appraisal Document of Kyrgyz Republic Heat Supply Improvement Project.” World Bank, Washington, DC (http://documents.worldbank.org/curated/en/292401509328823311/ df/Kyrgyz-Heat-Supply-PAD-10102017.pdf). [Всемирный банк, 2017а. «Документ оценки Проекта улучшения теплоснабжения в Кыргызской Республике»] ———. 2017b. Clean Individual Heating Solutions in the Kyrgyz Republic and Tajikistan. Washington, DC: World Bank (http://www.worldbank.org/en/news/video/2017/06/20/clean-individual-heating- solutions-in-the-kyrgyz-republic-and-tajikistan). ———. 2017c. Magic Stoves—For Cleaner Air, Better Health and More Effective Heating in the Kyrgyz Republic. Washington, DC: World Bank (http://www.worldbank.org/en/news/video/2017/ 05/04/magic-stoves-for-cleaner-air-better-health-and-more-effective-heating-in-the-kyrgyz- republic). The Efficient, Clean Cooking and Heating Community of Practice https://collaboration.worldbank.org/groups/clean-cooking-and-heating-solutions [Сообщество практики: Программа эффективного экологически чистого приготовления пищи и отопления] 32 Приложение А. История разработки отопительной печи модели KG4 В настоящем Приложении описывается история разработки последней модели печи KG4 - KG4.x, оснащенной газогенератором с горизонтальным процессом газификации (ГГПГ). В Приложении описывается, как совершенствовалась отопительная печь на протяжении последних десяти лет, а также, какую роль в этом процессе играли различные организации, а также демонстрируется, насколько долго поддерживались благоприятные условия для того, чтобы получить те впечатляющие результаты, которые были достигнуты в ходе недавней пилотной программы Кыргызстана по энергоэффективному отоплению. 23 Первые шаги Рисунок A.1 Восход солнца в г. В конце 2007 года для помощи монгольской команде Улан-Батор, декабрь 2007 г. Всемирного Банка, участвующей в проекте «Чистый воздух Улан- Батора», был привлечен консультант, чтобы проанализировать, как создать эффективные печи с более низкими выбросами дыма, учитывая ограниченные возможности рынка, и разработать национальные стандарты, которые способствовали бы существенным преобразованиям в промышленном секторе. В то время уровень выбросов от местных печей был удушающим для Улан-Батора – одного из самых холодных и загрязненных городов– Концентрация ТЧ2.5 на этой столиц в мире. Спустя два года Всемирный Банк стал играть фотографии превышает 300 мкг на м3, что в Пекине соответствует ведущую роль в координации усилий по снижению уровня «красному коду». загрязнения воздуха в г. Улан-Батор (см. рисунок A.1). 24 23 Чертежи всех моделей таких печей являются общественным достоянием и открыты для скачивания с нижеуказанного сайта, где они сгруппированы по странам: https://collaboration.worldbank.org/content/sites/collaboration-for-development/en/groups/clean-cooking-and- heating-solutions/files.asset.html/content/usergenerated/asi/cloud/content/sites/collaboration-for- development/en/groups/clean-cooking-and-heating- solutions/files/jcr:content/content/primary/library/space_heating_stoves-ywyV/kyrgyzstan-btpI.html 24 Сигнал 4 (Синий): высокий уровень загрязнения воздуха на следующий день (201–300 мкг на м3), Сигнал 3 (Желтый): серьезный уровень загрязнения воздуха на следующий день (301–500 мкг на м3) или высокий уровень загрязнения воздуха в течение последующих трех дней, Сигнал 2 (Оранжевый): высокий или серьезный уровень загрязнения воздуха, альтернативно, в последующие три дня, Сигнал 1 (Красный): серьезный уровень загрязнения воздуха в последующие три дня. 33 Попытки по снижению выбросов за счет повышения теплового КПД (а не за счет лучшего горения) уже предпринимались различными организациями на протяжении десятилетия. В то время была поставлена цель - сократить расход топлива на 30 процентов при допущении, что выброс на килограмм сгоревшего топлива останется на прежнем уровне: «чем меньше топлива сжигается, тем меньше дыма». Предположение о том, что топливо не может гореть лучше, было ошибочным. И, что еще хуже, бедная семья, сжигающая ежегодно, в среднем, 4,5 тонны топлива зимой по-прежнему мерзла. Определенно, требовалась такая печь, которая выделяла бы больше тепла на килограмм угля, однако это не означает, что в ней обязательно сгорало бы меньше топлива. Существенные улучшения должны были быть получены за счет усовершенствования как системы сжигания топлива, так и теплового КПД в качестве бонуса. Рисунок A.2 Одной из усовершенствованных печей в 2007 году была модель GTZ G2-2000 Модель G2-2000 (см. рисунок A.2). Это была 110-ти килограммовая железная коробка с кирпичной облицовкой, с трубой, теплообменником, небольшим водонагревательным котлом и ребрами радиатора. Несмотря на то, что при сжигании не образовывалось меньше твердых частиц (ТЧ), по сравнению с традиционной печью, на основе которой она была создана, она выделяла в юрте на 20 процентов больше тепла на килограмм сжигаемого топлива. 25 В конце 2007 года, 30-ти долларовый образец горелки с нижней Рисунок A.3 воздушной тягой был использован для тестирования качества сгорания Угольная горелка с местных видов топлива (см. рис А.3.). 26 По своему типу это была “Печь J”, так нижней тягой как газовый тракт имел форму, похожую на латинскую букву J. Испытания подтвердили, что местный уголь можно сжигать бесконечно с КПД - 99.5 процентов при минимальном уровне выбросов дыма или запаха даже после дозакладки топлива. Легкость, с которой была получена такая высокая производительность, доказала, что коренной причиной загрязнения окружающего воздуха было не столько топливо или печь, сколько несоответствие между печью и свойствами топлива (см. вставку A.1). 25 Традиционная монгольская юрта (портативный круглый тент); в Улан-Баторе около 600 000 человек проживают в юртах. 26 Угольная печь с чистой нижней тягой была запатентована в Англии в конце 1600-х, однако не была широко известна в Азии. Согласно одной шутке, единственная модель печи имелась в Улан-Баторе в 1906 году и была изготовлена российским иммигрантом. 34 Вставка A.1 Развеиваем миф о дыме, якобы характерном для угольного топлива Можно задаться вопросом, почему топка с газовым трактом в форме J производит так мало дыма при том, что по всем предположениям количество дыма зависит от вида топлива. Подобно использованию дизельного топлива в бензиновом двигателе, загрузка угля Найлаха в традиционную монгольскую дровяную печь ведет к огромным потерям энергии и большому количеству дыма – дыма, который является улетучивающимся несгоревшим или не до конца сгоревшим топливом. Местное топливо и традиционная печь не подходят друг к другу. Если уголь сжигать правильно в соответствующей этому виду топлива печи, почти весь дым от сгорания угля также сгорает, результатом чего являются высокая производительность и низкий уровень выбросов (HELE). В печи типа «J», уголь подается сверху в большую трубу, Рисунок A.4 Характерные при этом внизу расположена решетка. Пламя направляется вниз черты печи типа «J» в стальной конус, затем движется вокруг конуса и вверх в трубу – отсек «J». Дымовая труба проталкивает свежий воздух, поступающий в топку, вниз к верхней части большой трубы, которая служит топливным резервом. При соблюдении правильных размеров в конусе создается сильная турбуленция, высокая температура горения и низкий уровень избытка воздуха (Рисунок А.4). Эта комбинация, как раз, ведет к чрезвычайно Топливный бункер и топливная низкому уровню выброса твердых частиц. решетка для поддержания огня (фото слева) в то время, как Исключив предположение, что уголь является главной нисходящее пламя удерживается в проблемой загрязнения воздуха, исследования были конусе под решеткой (фото справа) направлены на поиск или создание рабочего продукта, который бы не производил дым и мог бы удовлетворить потребности в отоплении и приготовлении пищи более полумиллиона обитателей юрт. 35 Неоднократная доработка Рисунок A.5 До 2008 года, опытно-конструкторские разработки Центра технологий и Вторичный поддув исследований устойчивых источников энергии при университете воздуха Йоханнесбурга показали, что поддув предварительно нагретого вторичного воздушного потока, создающего турбулентное вращение в конусовидном отсеке камеры сгорания, последовательно создавал искомые низкие уровни выбросов. Печь с нижним розжигом и нисходящим потоком воздуха (BLDD 3) состояла из бункера, вторичного воздуховода и конической камеры сгорания (см. рисунок A.5). В 2009 году в первую печь в г. Улан-Батор была встроена конфорка (см. рисунок A.6). В качестве топлива могли использоваться как Камера сгорания BLDD 3 полукоксовые брикеты, так и сырой уголь, производящие лишь 2 процента в перевернутом виде. выбросов типичных, традиционных печей. Печь была очень быстро разжигаемой. Хотя возможности печи по отоплению помещений были высокими, по культурным причинам она не подходила для приготовления пищи. Рисунок A.6 В сентябре 2010 г. параллельными усилиями со стороны проекта по созданию Отопительная эффективности в г. Улан-Батор GTZ (сейчас GIZ) 27 была создана уменьшенная печь с нижней версия немецкого бытового бойлера для нагрева воды для. В то время тягой Азиатский банк развития создавал Рисунок A.7 Первый прототип лабораторию для испытания печей SEET, модели GTZ7 которая позволила бы всем, кто участвовал в разработке оборудования, тестировать их проекты печей с низким уровнем выбросов. В какой-то мере усилия GTZ по уменьшению размеров печи были успешными, однако печь было сложно произвести и трудно поджечь даже при использовании сырого угля. 28 Печь ГГПГ GTZ7 обладала хорошим потенциалом для приготовления пищи. Эта модель была оснащена топливным бункером, плоской варочной поверхностью и теплообменником с восходящим потоком (см. рисунок А. 7). В следующем году была произведена экспериментальная партия коммерчески пригодной модификации печи, GTZ7.1 (первая из пяти разработок). Это было важным шагом вперед в достижении чистого сгорания низкокачественного угля. При идеальных условиях уровень выбросов твердых частиц и CO снижался до незаметного уровня. 27 Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH спонсировал Центр UJ SeTAR в 2009 г. с целью сохранить технический потенциал, наработанный в хоте программы ProBEC в странах САДК. 28 Полукоксовые брикеты намного труднее разжечь, и для их горения требуется больший размер минимального пламени. 36 Печь GTZ7.1, которую прозвали «Трактор», была разработана как модульная Рисунок A.8 Модель (см. рисунок A.8). Эта модель имела варианты для приготовления пищи и GTZ7.1 отопления, которые соединялись вместе с камерой сгорания с интегрированным топливным бункером. По сравнению с традиционной печью, уровень выброса твердых частиц и СО сократился на 88 и 85 процентов соответственно. Без теплообменника печь можно было использовать для нагрева тяжелой кирпичной стены вместе или без платформы для приготовления пищи. Эта модульная печь имела опцию установки чугунной плиты с кольцами для кастрюль. Термограмма полностью разожженной печи GTZ7.1 Рисунок A.9 демонстрирует весьма желательное излучение из зоны сгорания (яркое Термограмма GTZ7.1 пятно), в то время как теплообменник (темный ящик) греет воздух за счет конвекции; темный круглый объект является термопарным разъемом (см. рисунок A.9). Эта печь была очень эффективна для обогрева жилых площадей на уровне колен. Отопление юрты было бы неэффективным с помощью печи, которая, в основном, производит вертикальную конвекцию. Печи, должны излучать значительное тепло, чтобы греть находящиеся рядом объекты и людей. Рисунок A.10 Чертеж горения с На рисунке A.10 показано, как во время горения с горизонтальным потоком процесса горизонтальным процессом газификации черный уголь газификации, 2011, в разрезе падает в зону пиролиза, где он высыхает и нагревается. Как видно на рисунке, формируется слой из полукокса, которые оседает вниз и вправо, образуя коксовый слой под зоной сгорания газа. Слой кокса расщепляет летучие компоненты (дым) на чистые горючие газы, такие как CO, CH4, и H2. По мере полного сгорания кокса, зола выпадает через решетку. Воздух, поступающий в зону горения, проходит вверх через решетку и раскаленные угли, предварительно нагревающие его до более 800oC. Приготовление пищи происходит над пламенем (емкость обозначена зеленой линией). В 2013 году по инициативе частных Рисунок A.11 Модифицированная печь предпринимателей был применен свежий подход к для монгольской юрты конструкции печи для юрты, дополнив ее двумя панелями инструментов для различных целей, прикрепленными по краям, с сохранением все тех же принципов горения (см. рисунок A.11). Важно то, что конструкция могла быть изготовлена с использованием стандартных огнеупорных кирпичей, заключенных в 37 металлическую коробку (т. е. без необходимости применения специально созданных глиняных частей). Края должны были быть чугунными, а корпус изготовлен из цельного гнутого металлического листа. Испытания в Таджикистане В 2015 году, офис Всемирного Банка в Таджикистане Рисунок A.12 Прототип модели отреагировал на ухудшающуюся ситуацию с теплоснабжением в TJ4, Муминабад стране путем оказания помощи в разработке шести новых моделей печей за счет гранта в рамках технической помощи совместно с организацией «Caritas Switzerland». Была восстановлена модель 2013 года, полностью построенная из кирпича, а также была сконструирована упрощенная опытная версия с использованием металлических и керамических вставок (см. рисунок A.12). Несмотря на весьма простую конструкцию, показатели работы печи были довольно хорошими в сравнении с моделями GTZ7 пятилетней давности. В таджикской модели использовался металлический разделитель, впоследствии удаленный, между кирпичами отсека сгорания и топливным бункером. В ней также использовалась длинная труба в качестве теплообменника, так как температура выходящего газа была высокой. В более поздние версии добавили воздушный теплообменник, расположенный сзади. Модель TJ4 была испытана зимой в 2016–2017 гг. Рисунок A.13 Два изображения Важными характеристиками печи были строгий контроль модели TJ4: варочная поверхность над подачей воздуха, камера сгорания с кирпичной (фото слева) и зольник (фото справа) облицовкой, большое отверстие для варочного котла с крышкой и общий внешний вид традиционной печи. Главным отличием было то, что бункер, в котором находился резервный уголь, был выложен из кирпича. Цель была получить хороший контроль и стабильную нагревательную мощность на протяжении шести часов. Качество горения было довольно хорошим. Очень важно, чтобы воздух не проникал вовнутрь и не выходил из-под заслонки топливного бункера. В этой первой версии модели зольник использовался в качестве регулятора воздуха для горения, однако это оказалось довольно грубым способом контроля. В качестве регулятора потоков воздуха пробовали использовать также и заслонку; оказалось, что это работает, но не позволяет добиться точного контроля. Проблема была решена за счет создания отдельного раздвижного регулятора воздуха в главной заслонке. Испытания в Кыргызстане К середине 2016 года в рамках Проекта по развитию эффективных отопительных технологий в Кыргызстане Всемирного Банка в сотрудничестве с ОФ «CAMP Ала-Тоо», в Кыргызстане была воссоздана модель TJ4 с изменениями, учитывающими более холодный климат, требования к 38 приготовлению пищи и доступные материалы. Более развитый промышленный сектор позволял создать технологически более сложный продукт – модель KG4 — пилотный запуск которой состоялся во время отопительного сезона 2016 – 2017 годов. Одновременно были созданы специальные чертежи для кустарного производства печи с тем, чтобы сварщики микропредприятий могли изготовить модель KG4 с такими же эксплуатационно-техническими характеристиками. (Приложение А). В течение зимнего отопительного сезона 2017 – 2018 годах, версия KG4 прошла успешные испытания в пригородных и сельских домах. Также в домах с водяным отоплением прошел успешные испытания котел низкого давления (КНД)— KG5.0.29 Рисунок A.14 TJ4 Одновременно с программой эффективного отопления в Кыргызстане, модель Проверка TJ4 была изготовлена в Пекине для Сельскохозяйственного университета Китая эксплуатационных (CAU). 30 Начиная с середины 2016 года печь прошла тщательные испытания на параметров возможности отопления и приготовления пищи, проведенные выпускницей инженерного колледжа CAU (см. рисунок A.14). Она исследовала эксплуатационные параметры печи, используя различные виды и размеры угля и полукоксовых брикетов. Из всех видов топлива, использованных для испытаний, было определено, что низкокачественный уголь (размером 16–25 мм) из провинции Шаньси горел лучше всего, выделяя менее 0.5 мг ТЧ2.5 на МДжNET. Печь последовательно давала полную газификацию летучего углеводорода. Дальнейшие разработки в Монголии В 2018 году модель KG4—до сих пор называемая многими Рисунок A.15 пользователями «Чудо-печь»— была тиражирована в г. Улан-Батор Центром по Модель MN4.1 разработке печей при поддержке Всемирного банка и прошла испытания в лаборатории по тестированию уровня эмиссий и эффективности печей (SEET), которая уже давно была передана АБР Монгольскому университету науки и технологий. Эта монгольская копия KG4, названная MN4.1, снова была немного модифицирована с учетом доступных материалов и местных навыков сварочных работ; предпочтений большей емкости для приготовления пищи; и, что важно, имела более короткий корпус с учетом ограниченной площади в юрте. Испытания выявили, что уголь постоянно слегка перегревался в топливном бункере уже через час работы печи. Эта проблема была решена за счет вентиляции стенок бункера и отгораживания 29 В начале 2017 года, модернизированная версия таджикской модели TJ2.0 - KG2.5, использующая в качестве топлива биомассу, прошла испытания в домах, где почти исключительно жгли навоз и дрова. Таджикская модель не могла обогреть высокогорные дома при −30 oC, поэтому модель KG2.5 с большими габаритами была более успешной. Высокоэффективные модели, предназначенные для сжигания навоза, являются редкостью. 30 Моделью TJ-4 заинтересовались в Китае, Южной Африке и Монголии через существующий договор о сотрудничестве в разработке печей. Центр SeTAR Университета Йоханнесбурга тесно сотрудничал с Монголией над конструкцией продуктов, особенно печей с нижней тягой, через Проект чистого воздуха Улан- Батора. 39 теплообменника от стенок бункера. Фундаментально это был возврат к обычной конструкции модели GTZ7.1 с модернизированным корпусом и материалами. Рисунок A.16 Модель MN4. Неудобные в использовании, импортные огнеупорные Смешивание огнеупорного кирпичи заменили на похожий на цемент пластичный пластика (фото слева) и удаление огнеупорный материал, получив отличные результаты (см. формы (фото справа) рисунок A.16). Использование этого материала устраняет потребность в обжиге высокотемпературных компонентов печи, поскольку они отвердевают в естественных условиях, как эпоксидная смола. Последним продуктом стала модель MN4.2, которая короче, чем KG4, и отличается наличием отверстия для теплового излучения с обеих сторон, с помощью которых происходит охлаждение содержимого печи. Сегодня, Кыргызстанские производители могут изготовить копию модели MN4.2, но с использованием местного огнеупорного кирпича. Адаптация в Южной Африке В это же время, Северо-Западный Университет (СЗУ) в г. Потчефструм, Южная Африка, тестирует местную модель TJ4; он воспроизвел и испытал модель MN4.2 с использованием суббитуминозного угля из Витбанка и уменьшив ее размер для изготовления модели SA8.0. Этот Южно-Африканский вариант печи адаптирован для более мягких зим в высокогорной степи, а также местных предпочтений относительно приготовления пищи (например, плоскодонные кастрюли и минимум две конфорки для приготовления пищи) (см. рисунок A.17). Несколько образцов SA8.0s должны были пройти испытания в домах, где проживают семьи с низким доходом, во Рисунок A.17 Модель SA8.0 время зимнего (южного) отопительного сезона в 2018 г. В них используется новый огнеупорный материал в камере сгорания. Кроме того, система сжигания топлива, разработанная для модели KG4, опубликованная на открытом конструкторском сайте, была адаптирована для новых конструкций отопительных печей КНД и HELE специалистами в Польше (см. рисунок A.18) и России (см. рисунок A.19). 40 Рисунок A.18 Модель KG4 в Польше Рисунок A.19 Модель KG4 в России 41 Приложение B. Чертежи модели печи KG4 кустарно - ремесленного производства В настоящем Приложение представлены выборочные чертежи образца модели KG4 (образец 1.42) кустарно-ремесленного производства, включая чугунную решетку, которая появилась в 2018 году. В каждом чертеже приводится прямая ссылка на страницу для загрузки файла (рисунки В.1 – В.8). Полный комплект чертежей доступен в едином файле формата .dwg. 31 Данная модификация KG4 использовалась во время отопительного сезона 2017 – 2018 года, которому соответствуют качественные характеристики воздуха внутри помещений. Однако она не является последней версией данной технологии. Более поздние разработки, как в Монголии, так и в Южной Африке в 2018 году, внесли изменения в теплообменник для того, чтобы создать укороченный и более широкий корпус, который соответствует особенностям монгольской юрты и Южноафриканских домов в маленьких городах и поселках. Инженеры-планировщики могут рассмотреть оба варианта печей - KG4 (длиннее) и более новые модели, MN4.2 и SA8.0 (короче), которые можно найти в данной подборке. Этими чертежами пользовались в 2018 году специалисты для создания копий KG4 в Польше и России 32. Рисунок B.1 Решетка из сварочной стали Решетка может быть семи- или восьмистержневой, в зависимости от характеристики угольной золы. 31 https://collaboration.worldbank.org/content/sites/collaboration-for-development/en/groups/clean-cooking- and-heating-solutions/files.asset.html/content/usergenerated/asi/cloud/content/sites/collaboration-for- development/en/groups/clean-cooking-and-heating- solutions/files/jcr:content/content/primary/library/space_heating_stoves-ywyV/kyrgyzstan-btpI/kg-4_3-DdYt.html 32 Была скопирована Войцехом Третером из czysteogrzewanie.pl и Сергеем Серегиным из kamicenter.ru 42 Рисунок B.2 Чугунная решетка, Версия 1.4, Часть 1 Рисунок B.3 Чугунная решетка, версия 1.4, Часть 2 с ссылками на файл STL и файл STL для конструктора Чугунная решетка, окончательный файл 3D STL: Такой же чертеж, но со ссылкой на файл STL. Примечание: файл STL 3D для конструктора на три процента больше. 43 Рисунок B.4 Металлическая плоская плита + Металлическая гнутая плита Рисунок B.5 Чугунная перегородка для кирпичной стенки толщиной 40 мм 44 Рисунок B.6 Кирпичи, вид 2-д и 3-д Рисунок B.7 Кирпичная облицовка: вид сбоку Рисунок B.8 Вращение крышки бункера для выхода дыма или наблюдения за уровнем топлива 45 Рисунок B.9 Фотографии и схемы, демонстрирующие основные этапы процесса производства модели KG4 Изготовление большого чугунного кольца Нижняя сторона обработанной на станке поверхности чугунного бункера Огнеупорный кирпич, Полный комплект изображенный в разрезе огнеупорных кирпичей в собранном виде Ремесленный цех в г. Бишкек, Кирпичи топливного бункера (вид Кыргызстан сверху) Резка кирпичей электрической Приварка рукоятки к циркулярной пилой восьмистержневой чугунной решетке 46