На экспериментальном стенде проведено исследование сжигания тюков соломы с помощью топочных устройств разных типов.Исследовано влияние организации взаимодействия топлива и струй напорного воздуха на интенсивность горения, эмиссию оксида углерода и оксидов азота, полноту выгорания углерода из коксо-зольного остатка.

Исследование технологий сжигания тюкованной соломы в топке водогрейного котла

Авторы:
М. Н. Жовмир,
кандидат технических наук,
Т. А. Железная,
кандидат технических наук, Институт технической теплофизики НАН Украины
С. М. Чаплыгин,
инженер, НТЦ «Биомасса»
В. Я. Ковалев,
кандидат технических наук, Национальный аграрный университет

Солома – легкодоступное недорогое местное топливо, которое может быть использовано в сельской местности для теплоснабжения. В условиях Украины для теплоснабжения социальных и административных объектов в сельской местности наиболее целесообразно сжигание малых тюков соломы. Поскольку топливо к объекту поставляется из сельскохозяйственного предприятия, при определении типоразмера тюка надо исходить из типа пресс-подборщиков, которые представлены на рынке Украины. Руководствуясь указанным принципом, для сжигания в котлах малой мощности могут использоваться малые тюки соломы размером 0,36×0,5×1,0 м.

В ИТТФ НАН Украины ведутся работы по созданию водогрейного котла мощностью до 100 кВт для сжигания малых тюков соломы. Разработана конструкция водогрейного котла для сжигания малых тюков соломы в созданном топочном устройстве ретортно-сигарного типа. При разработке исходили из необходимости обеспечения высокоэффективного процесса сжигания соломы, надежности и относительной простоты конструкции, основываясь на анализе существующих технологий сжигания соломы и анализе технических решений, воплощенных в соответствующих типах котлов. Рассмотрены и проанализированы такие виды технологий: горение на реторте, сжигание целых тюков соломы в котлах периодического действия и котлах с автоматической загрузкой сырья, сжигание измельченной соломы (резанной (сечки) или измельченной скарификатором), метод «сигарного» сжигание целых тюков, сжигание тюков соломы, разделенных на части [1-4].

Были поставлены задачи: осуществить экспериментальную апробацию технологии сжигания соломы, предложенной в разработанном котле, определить основные режимные характеристики процесса горения, исследовать влияние организации взаимодействия топлива и струй дутьевого воздуха на интенсивность горения, эмиссию основных загрязняющих веществ – оксида углерода и оксидов азота, полноту выгорания углерода из коксо-зольного остатка.

Цель работы: экспериментальное сравнение существующих технологий сжигания соломы и предложенной технологии по их применению в водогрейном котле малой мощности.

Для экспериментальных исследований горения соломы использован существующий в Институте технической теплофизики экспериментальный стенд, детальное описание которого приведено в работе [5]. До начала экспериментов были проведены поверочные расчеты экспериментального стенда тепловой мощностью 100 кВт в работе на соломе. Расчеты выполнены по методике [6] с использованием экспертных оценок возможных диапазонов неизвестных расчетных характеристик. По результатам расчетов скорректирована конструкция переменных топочных устройств стенда в соответствии с задачами исследований.

Для эксперимента была использована тюкованная ячменная солома из сельскохозяйственного предприятия ОАО «Рославичі». Размер тюков 570x380x800 мм. Средняя масса одного тюка – 7,4 кг. Удельный вес тюков соломы – 41-45 кг/м3. Посредством высушивания образцов соломы в сушильном шкафу установлено, что ее влажность составляла от 11,3 до 12,2% мас. Весовым методом с использованием муфельной печи определен выход летучих веществ (79,4% на сухую массу соломы). Содержание золы в рабочей массе топлива Ар=4,7% мас. и в расчете на сухую массу Ас=5,3% мас.

Основываясь на полученных экспериментальных данных о влажности и зольности исследованных образцов соломы с использованием данных [2], расчетными методами осуществлена оценка теплотворной способности соломы как топлива:

низшая QHP =14809 кДж/кг (3537 ккал/кг),

высшая QBP =16229 кДж/кг (3876 ккал/кг),

а также теоретически необходимого для горения количества воздуха VBO =3,82 нм3/кг.

Исследование проводилось при различных способах организации взаимодействия топлива и воздуха, которые могут реализовываться при сжигании соломы в топочных устройствах разной конструкции.

Согласно первому способу (рис. 1), в топку загружался 1/3 тюка соломы в виде связанного небольшого тючка размером 570x380x260 мм, масса которого составляла 2,6 кг. Тючок размещали в топке котла на глухом огнеупорном поде. При открытой дверце котла осуществлялся свободный конвективный доступ воздуха к тючку соломы со всех сторон. При поджигании пламя охватывало весь тючок, что вызывало его интенсивный прогрев и стимулировало бурный выход летучих веществ. Летучие вещества смешиваются с воздухом над тюком. Характерно, что выход летучих настолько интенсивен, что свободный доступ воздуха оказывается недостаточным для их горения. В результате непрореагировавшая смесь воздуха и летучих веществ выходит из топки в конвективные поверхности нагрева котла. Такой режим горения является неприемлемым, поскольку не используется химическая энергия летучих веществ. Содержание CO в продуктах сгорания превышало 50 чнм. Можно сделать вывод, что происходит эмиссия значительного количества образовавшихся продуктов пиролиза соломы, а это создает опасность загрязнения атмосферного воздуха.

Рис. 1. Сжигание тюка соломы на глухом поде со свободным доступом воздуха

По второму способу (рис. 2) в топку также загружался аналогичный тючок соломы, который размещали в топке котла на глухом огнеупорном поде. При открытой дверце котла осуществлялся свободный конвективный доступ воздуха к тючку соломы со всех сторон. В топочное пространство над тюком подавался воздух 33 м3/ч в виде струи, имевшей начальную скорость около 50 м/с. При поджигании тючка пламя охватывало его, что вызывало интенсивный прогрев соломы и стимулировало бурный выход летучих. Струя воздуха обеспечивала интенсивное перемешивание летучих и воздуха над тюком. Выделения летучих происходило в течение 5 мин, в результате в топке оставался коксо-зольный «пирог», по форме и размерам близок к загруженному тючку соломы. Интенсивная циркуляция газов в топке обеспечивала проникновение кислорода в толщу коксо-зольного «пирога». Выгорание коксового остатка происходило на протяжении следующих 7 мин.

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Сжигание тюка соломы со свободным доступом первичного воздуха и струйным подводом вторичного

Значительная эмиссия СО происходит несмотря на излишек кислорода. Минимум эмиссии характерен для периода завершения выхода летучих – начала горения коксового остатка. Этот период характеризуется максимумом температуры дымовых газов, что благоприятно для прохождения химических реакций окисления в газовой фазе.

По завершении эксперимента была собрана зола в количестве 11,5% от массы сожженной соломы. Зола на вид ажурная и рассыпчатая, содержание углерода в ней – 9,7%.

По третьему способу (рис. 3) в топку загружался аналогичный тючок соломы, размещаемый в топке котла на глухом огнеупорном поде. В топку подавался воздух 50 м3/ч в виде струи, имевшей начальную скорость около 20 м/с. Ось воздушной струи направляли по центру тючка. При поджигании тючка пламя прогревало солому, способствуя бурному выходу летучих. Одновременно происходило сгорание коксового остатка. Характерно то, что наблюдалось как бы послойное выгорание коксового остатка с формированием выгоревшей золы, которая распадалась под действием струи воздуха. При выходе из толщи тюка летучие и продукты сгорания смешивались с набегающей струей воздуха и сгорали. Выгорание тючка длилось 14 мин.

Рис. 3. Сжигание тюка в воздушной струе

Значительная эмиссия СО происходит несмотря на наличие излишка кислорода, причем минимум эмиссии характерен для середины периода горения тючка. По нашему мнению, значительная эмиссия СО в начальный период горения обусловлена недостаточным перемешиванием газов в топке, а в период завершения горения – значительным излишком воздуха при температурах, недостаточных для завершения химических реакций в газовой фазе.

По завершении эксперимента собрана зола в количестве 7,7% от массы сожженной соломы. Зола – ажурная и рассыпчатая, содержание углерода в ней составляло 4,6%.

По четвертому способу (рис. 4) в топку загружался аналогичный тючок соломы, размещаемый на колосниковой решетке. В топке котла создавалось разрежение с помощью дымососа, а воздух свободно поступал под колосниковую решетку через открытое поддувало. При поджигании тючка пламя охватывало его, вызывая прогрев соломы, что стимулировало выход летучих со следующим их смешиванием с воздухом и сгоранием. Интенсивное выгорание тючка происходило на протяжении первых 9 мин с формированием ярко светящегося пламени с температурой на выходе из топки более 600-700 °С. В следующий период коксо-зольный остаток догорал на колосниковой решетке, образуя языки синего пламени, что характерно для горения монооксида углерода. Догорание коксового остатка происходило очень медленно и продолжалось еще 15 мин.

Рис. 4. Сжигание тюка соломы на колосниковой решетке

Значительная эмиссия СО происходит несмотря на наличие излишка кислорода, причем максимум эмиссии характерен для середины первого периода горения. В целом горение на колосниковой решетке происходит медленно.

По завершении эксперимента определено, что содержание углерода в золе составляло 8,4%.

Эти четыре способа взаимодействия соломы и воздуха характерны для котлов периодического действия с загрузкой целых тюков соломы. Для них характерны большой излишек воздуха и низкая температура в топке, что приводит к значительной эмиссии продуктов неполного сгорания. Из исследованных способов для применения в малых котлах с ручным обслуживанием можно рекомендовать сжигание на колосниковой решетке. Способ сжигания в струе воздуха наиболее интенсивный и целесообразно продолжить его исследование с целью применения в мощных котлах периодического действия.

Пятый исследованный способ (рис. 5) состоит в сжигании тюкованной соломы в созданном нами топочном устройстве ретортно-сигарного типа, который дает возможность для организации беспрерывного горения соломы.

 

 

Рис. 5. Сжигание развязанного тюка в ретортно-сигарном топочном устройстве

Устройство предназначено для подачи частей тюка с помощью шнекового питателя. Канал для подачи соломы имеет сечение 200×200 мм. В хвостовой части канала установлен шнековый питатель диаметром шнека 80 мм с шагом навивки 80-85 мм. Привод шнека осуществлялся электродвигателем с планетарным многоступенчатым редуктором. Солома загружалась в приемную горловину шнека вручную. Передняя часть питателя, которая установлена в топке, вместе с обмуровкой котла формировала реторту для сжигания соломы. Подача воздуха осуществлялась с помощью дутьевого вентилятора через отверстия в нижней пластине передней части питателя. При скорости вращения шнека 5 об./мин расход соломы составлял 8,8 кг/ч (при случайных изменениях в пределах от 7 до 11 кг/ч в связи с неравномерностью загрузки соломы и неравномерностью захвата соломы питателем). Расход воздуха, который подавался вентилятором через сопла реторты, составил 35 м3/ч. Кроме того воздух поступал через открытый зольник под действием разрежения в топке. Фактический коэффициент излишка воздуха составлял от 1,4 до 2,1.

Над слоем соломы формировалось светящееся пламя, а горение было стабильным и не было потребности вмешиваться в ход процесса. По мере продвижения по реторте коксо-зольный остаток выгорал, а образованная зола сталкивалась в зольный отсек. В рабочих условиях слой золы не рассыпался, а был словно аморфное тело. Температура топки в точке над ретортой колебалась в пределах 700-750 °С, а температура дымовых газов на выходе из топки составляла от 500 до 600 °С. Тепловое напряжение зеркала горения, которое является характеристикой интенсивности горения, составляло 900 кВт/м2 из расчета на активную площадь ретортно-сигарного топочного устройства.

При беспрерывном сжигании соломы с помощью ретортно-сигарного топочного устройства эмиссия загрязняющих веществ относительно низкая и стабильная при средних значениях около 400 чнм СО и 200 чнм NOx.

По завершении эксперимента были отобраны пробы золы. При их рассмотрении наблюдалось наличие сплавленных агломератов из остатков углерода и легкоплавких солей. Содержание углерода в золе составляло 2,4%. Это свидетельствует о лучшем выгорании углерода из соломы при сжигании в ретортно-сигарном топочном устройстве.

Выводы

1. Экспериментально доказана трудоемкость ретортно-сигарного топочного устройства, предложенного для сжигания целых тюков соломы или тюков, разделенных на части. Устройство простое в обслуживании и не нуждается в сложной системе автоматизации.

2. Установлено, что тепловое напряжение зеркала горения в ретортно-сигарном топочном устройстве составляет 900 кВт/м2. Это значение можно принять для уточнения размеров топочного устройства созданного водогрейного котла и при организации его эксплуатации.

3. Установлено, что эмиссия СО и NO; при сжигании в топочном устройстве ретортно-сигарного типа отвечает значениям, характерным для лучших соломосжигающих котлов, распространенных в странах ЕС.

4. Проведено сравнение ряда технологий сжигания соломы в водогрейных котлах малой мощности и установлено, что предложенная технология сжигания тюков соломы в ретортно-сигарном топочном устройстве имеет преимущества относительно полноты сгорания топлива и эмиссии вредных веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Опубликовано в №5, 2008 г.)