Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)

• Название: Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
• Дата: 20.06.2022
• Размер: 6.34 Mb.
• Имя файла: Возобн. источн. энерг. Тексты лекций.doc
• Тип: Курс лекций; #606643
• страница: 11 из 24

3.2.2. Этапы сжигания биотоплива

Процесс сжигания твердого топлива включает несколько этапов с различной температурой горения:

1. Высушивание топлива. Испарение влаги происходит уже при достаточно низкой температуре (50–100C). Часть энергии, выделяемой в процессе горения, уходит на испарение воды, что уменьшает температуру в топке, замедляя процесс сжигания топлива. В котлах на древесном топливе поддержание процесса горения становится невозможным, если влажность древесины превышает 60%. Испарение, содержащейся во влажной древесине влаги, и последующий нагрев водяного пара требуют значительных затрат энергии, что приводит к падению температуры ниже минимального уровня, требуемого для обеспечения процесса горения. Следовательно, влажность является одной из наиболее важной переменных характеристики топлива.

2. Пиролиз (газификация). Процесс пиролиза начинается при нагревании твердого органического вещества до температуры 100–105°С. Летучие вещества (прежде всего углеводородные соединения) начинают испаряться. Структура материала топлива изменяется, и его поверхность становится пористой. Газифицированная древесина становится раскаленным древесным углем.

3. Воспламенение твердого топлива происходит при температуре 200–300С в зависимости от вида топлива. Воспламенение сухого торфа происходит при температуре 225–280С, хвойной древесины при температуре 220С и лиственной древесины при температуре 300С.

4. Сгорание летучих компонентов. При температуре 500–600°С начинается процесс горения летучих компонентов, которые находятся на этом этапе в газообразной форме. Содержание летучих компонентов в горючем веществе составляет 75%, поэтому сжигание твердого топлива это в основном сжигание газов.

5. Дожег. При температуре 800–900°С происходит сгорание твердого углерода и смолы.

6. Образование шлака. При температуре выше 1000С негорючие компоненты начинают плавиться и превращаются в жидкую вязкую массу – шлак.

Все эти стадии при сжигании топлива происходят одновременно. На поверхности древесного топлива после испарения влаги происходит газификация, а в то же время глубже, внутри древесины, растет температура, что приводит к испарению влаги из ее внутренних частей. По мере окончания процесса испарения влаги зона пиролиза распространяется внутрь древесины. Газ, образованный таким образом, воспламеняется над топливом и передает тепло для протекания процессов испарения и пиролиза другим кускам древесного топлива. Процесс сжигания происходит непрерывно.

Эффективное и полное сгорание является необходимым условием использования древесины в качестве экологически приемлемого вида топлива. Процесс сгорания должен обеспечивать высокую степень использования энергии и, следовательно, полную утилизацию древесины, и не должен вызывать образование нежелательных в экологическом отношении соединений. Сгорание является полным, если все горючие компоненты топлива полностью прореагировали с кислородом. Недостаток воздуха препятствует выделению энергии топлива, которая связывается веществами, содержащимися в топливе, например окисью углерода. В этом случае сгорание является неполным.

Теоретически необходимым является такое количество воздуха, при котором обеспечивается полное сгорание всех горючих компонентов топлива. Для обеспечения полного сгорания топлива обычно подводят больше, чем теоретически необходимо воздуха. Отношение действительно поданного воздуха к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха

.

Для древесного топлива требуемый коэффициент избытка воздуха составляет от 1,25 до 1,40.

При нехватке воздуха ( < 1) топливо не сгорает полностью. Это называется химическим недожогом. Механический недожог – это процесс неполного сгорания топлива из-за его размеров, т.е. невозможность кислорода вступить в реакцию с углеродом. Соответственно, механический недожог возможен только при сжигании твердых топлив. На практике на установках, работающих на твердом топливе, невозможно обеспечить полное сгорание топлива из-за трудностей, связанных с получением эффективной топливной смеси и подачей необходимого количества воздуха в течение ограниченного периода времени.

При избытке воздуха ( >> 1) увеличиваются потери тепла с уходящими дымовыми газами (снижается КПД котла) и увеличивается образование термических оксидов азота NO_x.

Показателем эффективности процесса является содержание СО и О₂ в отходящих газах. При сжигании топлива необходимо обеспечить содержание максимального количества СО₂ и отсутствие СО в отходящих газах (признак СО в дымовых газах – черный дым).

Выбросы, образующиеся при неполном сгорании, могут быть вызваны:

• 
  неправильным смешением воздуха и топлива в топливной камере, в результате чего образуются локальные зоны с недостатком воздуха;
  
• 
  недостаточным количеством кислорода;
  
• 
  низкой температурой горения;
  
• 
  недостаточным временем пребывания в топке.
  

Эти переменные величины связаны друг с другом, хотя в случаях, когда имеется достаточное количество кислорода, наиболее важной переменной является температура, оказывающая экспоненциальное воздействие на скорость реакции. Оптимизация этих переменных позволяет снизить уровни всех выбросов, вызываемых неполным сгоранием.

Температура горения зависит прежде всего от двух факторов: количества подаваемого воздуха  и влажности топлива W^р. Если пренебречь теплоемкостью золы, то температура горения (температура продуктов сгорания) рассчитывается по формуле:

,

где , , – удельная массовая изобарная теплоемкость, масса дымовых газов и температура подаваемого на горение воздуха. Значение удельной изобарной теплоемкости дымовых газов среднее в диапазоне 1000–2000С соответствует:  кДж/(кг С).

Масса дымовых газов, образующихся при полном сгорании топлива, при избытке воздуха  рассчитывается по формуле:

,

где – масса воздуха необходимого для полного сгорания 1 кг древесного топлива.

Тогда приблизительно температуру горения можно определить по формуле:

.

При и максимальная температура горения (жаропроизводительность) древесного топлива составляет =1986°С.

Эффективность топки определяется на основе уравнения теплового баланса



где – низшая теплота сгорания топлива; Q_пол – полезно используемое тепло; Q_п.с. – тепло, расходуемое на нагрев продуктов сгорания; Q_хим – потери тепла от химического недожога; Q_мех – потери тепла от механического недожога; Q_золы – потери тепла со шлаком и золой.

Коэффициент полезного действия топки определяется по формуле

.
3.2.3. Технологии сжигания биотоплива

Процессы горения ископаемых видов топлива и биотоплива существенно отличаются, т. к. ископаемые виды топлива в отличие от большинства видов древесного топлива отличаются значительно более высоким качеством. При этом существует большое различие в технологии сжигания различных типов биотоплива, главным образом, в зависимости от плотности, влажности и фракции биотоплива.

Для поддержания непрерывного процесса сжигания необходимо выполнение нескольких основных условий:

• 
  должна быть обеспечена адекватная смесь топлива и окислителя (воздуха) в контролируемом соотношении.
  
• 
  пламя в топке котла должно передавать часть своего тепла поступающему топливу с целью обеспечения непрерывного процесса сжигания.
  

Важно понимать, что газы сгорают в виде пламени, которое нагревает твердые частицы, и что при сжигании биотоплива приблизительно 80% энергии выделяется в виде газов, а оставшаяся часть – в виде древесного угля.

При смешивании топлива с воздухом важно достичь хорошего контакта между кислородом воздуха и горючими компонентами древесины. Чем лучше контакт, тем быстрее и более полно происходит сгорание. Если топливо находится в газообразной форме, как природный газ, смешивание является оптимальным. При этом мы имеем два газообразных вещества, которые могут быть смешаны точно в необходимом соотношении. Сжигание тогда происходит быстро, и управление процессом горения также является быстрым, так как мы можем вводить больше или меньше топлива. С целью достижения таких же условий для древесины, необходимо распыление в виде очень мелких частиц (пыли). Эти частицы будут следовать за передвижением воздуха. Таким образом, можно достичь хорошего смешивания и сжигания, подобного сжиганию газа или мазута. Однако производство древесной пыли является очень дорогостоящим процессом и поэтому котлы сжигающие древесную пыль используется в ограниченной степени. На практике размер используемого древесного топлива варьируется в диапазоне от щепы до бревен. По этой причине, технология сжигания древесины и других твердых видов топлива является более сложной, по сравнению с технологиями сжигания газа или мазута.

Фундаментальная разница между сжиганием биотоплива и ископаемого топлива заключается в температуре горения. Максимальная температура горения (жаропроизводительносить) древесного топлива зависит от его влажности и зольности. Жаропроизводительность абсолютно сухой древесины составляет 2022^С, что всего на 5% ниже, чем жаропроивзодительность мазута. При влажности древесины 70% жаропроизводительность древесины понижается более, чем в 2 раза. Горение влажного древесного топлива (древесной щепы, опилок с 50% влажностью), происходит при температуре ниже 1100С.

Температура горения имеет огромное значение для конструкции котла в целом. Если температура газов при горении высокая, тогда большая часть тепла, полученного в результате продуктов горения и перемещаемого в котел, будет доставляться посредством теплового излучения. Напротив, при низкой температуре газов, передача тепла основана на газовой конвекции. Котел, построенный для жидкого топлива, имеет конструкцию, предназначенную в основном для восприятия теплового радиационного излучения. В котле для сжигания древесного топлива большая часть передачи тепла основана на газовой конвекции. Из-за этого топки для сжигания древесного топлива имеют большие габариты, чем топки для сжигания жидкого или газообразного топлива.

Если котел на жидком топливе или угле попытаться использовать для сжигания влажного древесного топлива, тепло дымовых газов не сможет передаваться в котел должным образом; газ сможет уйти из котла только при слишком высокой температуре. Это в огромной степени снижает эффективность работы котла, и самое главное то, что газ может быть настолько жарким, что возникнет пожар в дымовой трубе. Однако температура горения гранул или брикетов (сухого прессованного биотоплива) часто так высока, что они могут использоваться в котлах, предназначенных для сжигания жидкого или газообразного топлив.

Необходимо отметить, что низкая температура горения (менее 1000С) может являться положительным фактором, т. к. позволяет избежать проблемы ошлакования поверхностей теплообмена.

При сжигании сухого зольного топлива важной задачей является охлаждение золотниковой решетки для исключения ее зашлакования. Этого можно достичь, например, рециркуляцией газа (подачей части дымовых газов под колосниковую решетку). При этом наличие углекислого газа и водяного пара, содержащихся в дымовых газах, приведет к возникновению эндотермических реакций

C + CO₂ = 2CO – 14,6 МДж/кг,

H₂O + C = CO + H₂ – 11 МДж/кг

и к охлаждению слоя топлива и решетки.

Образовавшийся в результате реакций угарный газ и газообразный водород сгорят в топочном пространстве путем окисления кислородом, находящимся во вторичном воздухе

2CO + O₂ = 2CO₂ + 47,8 МДж/кг;

2H₂ + O₂ = 2H₂O + 40,6 МДж/кг.

Таким образом, затраченное в слое тепло на образование угарного газа и водорода, высвобождается в топочном объеме.
3.2.4. Особенности сжигания древесного топлива

Ценность древесного топлива с экологической и технологической точки зрения состоит в малой зольности, отсутствии фосфора и незначительном содержание серы (за исключением хвойной коры) и большом содержании летучих веществ (до 85%).

Как известно, основной потерей тепла в любом котлоагрегате является потеря тепловой энергии с уходящими газами, которая определяется температурой дымовых газов на выходе из котла. При сжигании топлив, содержащих серу, во избежании сернокислотной коррозии (сернистой кислотой H₂SO₃) хвостовых поверхностей нагрева температура дымовых газов поддерживается не ниже 200С. При сжигании древесного топлива, не содержащего серу, температура уходящих дымовых газов может быть понижена до 110С, что позволит существенно повысить КПД котлоагрегата.

Высокий выход летучих при сжигании древесного топлива позволяет иметь большую протяженность факела, в котором осуществляется сгорание выходящих из слоя горючих компонентов. Это создает условие для более равномерного распределения температур по высоте топочного пространства и, следовательно, для более эффективной работы радиационных поверхностей котлоагрегата.

Продукт коксования древесной биомассы – древесный уголь отличается высокой реакционной способностью по сравнению с ископаемыми углями. Высокая реакционная способность древесного угля обеспечивает возможность работы топочных устройств при низких значениях коэффициента избытка воздуха, что положительно влияет на эффективность работы котельных установок.

Недостаток древесного топлива – невысокая теплота сгорания, которая значительно снижается при увеличении влажности и зольности топлива. Влажность древесных отходов может изменяться довольно в широких пределах. В мебельном производстве и на деревообрабатывающих предприятиях этот показатель составляет 10–12%, на лесозаготовительных предприятиях 45–55%, влажность коры доходит до 80%.

Энергетическое использование древесных отходов путем сжигания является одним из эффективных способов ее утилизации на территории деревообрабатывающих предприятий. Однако отличительной особенностью древесной массы является способность интенсивно поглощать влагу из внешней среды. При длительном хранении за счет атмосферных осадков и других факторов древесные отходы быстро увлажняются (причем влажность древесных отходов может превысить влажность свежесрубленной древесины, более 50%), что снижает эффективность их сжигания.

Увеличение влажности топлива снижает теплоту его сгорания повышая расход теплоты на испарение влаги, пары которой уносятся с продуктами сгорания через дымовые трубы. Потери тепла при увлажнении топлива можно определить по формуле

, кДж/кг.

где t_ух – температура уходящих дымовых газов, t_в – температура подаваемого на горение воздуха, W – изменение влажности топлива.

Повышение влажности топлива на 10–15% приводит к снижению КПД котла на 0,5–0,6%.

Вследствие повышения влажности топлива снижается температура горения, что приводит к сокращению тепловосприятия радиационными и конвективными поверхностями нагрева и, как следствию, к повышению потерь тепла с уходящими газами и перерасходу топлива.

Содержание внутренней золы в древесине не превышает 2%. Однако внешние минеральные включения у древесных отходов иногда достигают 20%. Наличие золы приводит к увеличению расхода топлива за счет затраты дополнительного тепла на ее нагрев и плавление, а также к росту потерь от механического недожога топлива. Зола чистой древесины тугоплавка, и ее удаление из зоны горения не представляет трудностей. При сжигании древесных отходов с большими внешними минеральными включениями образуется спекшийся шлак, удаление которого затруднено. Образование шлака приводит к загрязнению поверхностей нагрева, ухудшению теплообмена и снижению КПД котла.

Следовательно, очень важным процессом при сжигании древесного топлива является качественная подготовка и переработка исходного сырья, обеспечивающего низкую влажность и малое содержание внешних минеральных примесей в древесных отходах.

Проведем анализ положительных сторон и недостатков при использовании наиболее распространенных видов древесного топлива: коры, пней, дров.