CC BY
7
нлты
УКРЛ1НИ
wi/ган
Науковий BicHMK НЛТУУкраТни Scientific Bulletin of UNFU
http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40270626 Article received 23.08.2017 р. Article accepted 28.09.2017 р.
УДК 621.181
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
@ EE3 Correspondence author V. I. Yalechko volodymyr.i.yalechko@lpnu.ua
В. I. Ялечко1, Ф. Д. Матко1, Я. М. Гнатишин2
1 Нацюнальнийутверситет "Львiвська полтехтка", м. Львiв, Украша 2Нацюнальний лкотехтчний утверситет Украши, м. Львiв, Украша
КОТЕЛЬНЯ НА ОСНОВ1 УДОСКОНАЛЕНО* ПАЛИВН1 ШДВИЩЕНО1 ЕФЕКТИВНОСТ1
Для забезпечення технолопчност виготовлення обладнання котельш, скорочення обсягу монтажних робгг, пiдвищення рiвня ремонтопридатностi i зручностi обслуговування, а також ефективноста, обладнання котельнi запропоновано згрупува-ти в модулi на основi коттв невелико! потужностi. Враховуючи технiчнi особливост вiдомих технологiй спалювання палива, можна стверджувати, що для коттв невелико! потужностi оптимальним ршенням е спалювання локальних твердих ви-дiв палива - бiомаси. Виконано розрахунок економiчностi замщення деревним паливом природного газу для котав потуж-шстю 1-2 МВт (найпоширенiшi котли для енергозабезпечення комунально-побутових та промислових тдприемств). Для оцiнювання енергетично! цiнностi деревини та !! вiдходiв дослiджено теплотехшчш та кiнетичнi параметри групи порвд, якi широко використовують як паливо для спалювання у твердопаливних котлах, та удосконалено математичну модель спалю-вання подрiбнено! деревно! бюмаси. На основi результата проведених дослвджень розроблено конструкцiю паливнi для забезпечення максимального ККД п1д час спалювання подрiбнено! деревно! бiомаси. Застосування удосконалено! конструкцi! паливш, а також модульного принципу побудови, дають змогу побудувати ефективну котельню на основi спалювання под-рiбнено! деревно! бюмаси.
Ключовi слова: процес спалювання; деревна бюмаса; кшетичш параметри; математична модель; паливний пристрiй.
Вступ. Упровадження бюенергетики та бютехноло-гiй е актуальним для свггово! спiльноти через небезпеку глобально! змши клiмату внаслiдок викиду в навко-лишне середовище парникових газiв - продуктiв зго-рання та хiмiчних перетворень викопних палив (вугш-ля, нафта, газ), а також !х дефiцит.
Прогнозуючи подальший розвиток економiки й енергетики на основi сучасних найефективнiшиx техно-логш, можна зробити висновок про можливГсть частко-во! або повно!, залежно вiд регiону, замiни ядерного i викопного палива вiдновлюваними джерелами енергп.
Кiлькiсть котелень на бiопаливi для вироблення теплово! енергп' шляхом спалювання фггомаси невпинно зростае. Проблемою спалювання фггомаси е тдвищен-ня ККД паливного пристрою та установки загалом. Шд-вищення ККД паливш можна досягти за допомогою удосконалення !! конструкцп та пiдтримування вщпо-ввдного режиму спалювання бiопалива (Dumych, & Pas-karyk, 2013; Geletukha, & Zheleznaya, 1999).
Мета дослвдження - розробити основш рiшення щодо побудови котельнi на основГ здрГбненого деревно-го бiопалива з тдвищеним коефiцiентом корисно! дп.
Комплекс котельш - це логiчна система взаемозв'яз-к1в для забезпечення та доставки бюпалива до будГвлГ
само! котельш, зберпання та подачi бiопалива, його спалювання та отримання теплово! енергп. До його складу входять:
• система приймання, складування та подачГ бiопалива (паливний приймач, завантажувач, паливний склад);
• система подрГбнення бюмаси до заданого фракцшного складу;
• система спалювання бюпалива з виробництвом теплово! енергп;
• система асшраци димових газiв;
• система золовидалення;
• система контролю та управлiння (система автоматичного регулювання процесом дозування подачi палива та управлiння процесами оптимального горГння та теплооб-мшу в котл).
Для забезпечення технолопчносп виготовлення обладнання котельш, скорочення обсягу монтажних ро-би; шдвищення рГвня ремонтопридатносп i зручносп обслуговування, обладнання котельш пропонуемо згру-пувати в модулг
Ошнювання перспективносп того чи шшого проекту мае враховувати не тшьки обсяг каттальних вкла-день на впровадження технологи, але i подальшу еконо-мш ресурав у процеа генерацп енергп на котельнях.
1нформацт про aBTopiB:
Ялечко Володимир 1ванович, асистент кафедри теплоенергетики, теплових i атомних електричних станцiй.
Email: volodymyr.i.yalechko@lpnu.ua Малко Федiр Дмитрович, д-р техн. наук, доцент кафедри теплоенергетики, теплових i атомних електричних станцiй. Email: fmatiko@gmail.com
Гнатишин Ярослав Михайлович, канд. техн. наук, доцент кафедри автоматизацп та комп'ютерночнтегрованих технологй
Email: yaroslav.hnatyshyn@gmail.com Цитування за ДСТУ: Ялечко В. I., Матто Ф. Д., Гнатишин Я. М. Котельня на основi удосконалено! паливн пiдвищеноí
ефективностi. Науковий вкник НЛТУ Укра!ни. 2017. Вип. 27(6). С. 131-134. Citation APA: Yalechko, V. I., Matiko, F. D., & Hnatyshyn, Yа. M. (2017). Boiler House Based on Improved Furnace of High Efficiency. Scientific Bulletin of UNFU, 27(6), 131-134. https://doi.org/10.15421/40270626
Враховуючи техшчш особливосп ввдомих техноло-гш спалювання палива, можна стверджувати, що для котлiв невелико! потужностi оптимальним ршенням е спалювання локальних твердих видiв палива - бiомаси.
Внаслвдок цього актуальним завданням е розвиток та вдосконалення нових технологiй для спалювання рiз-ного роду деревини, а саме: вживано!, швидкоросло!, а також вiдходiв деревообробного виробництва ^е1еШк-ha, & Zheleznaya, 1999; Ya1echkom, et а1., 2013).
Вибiр твердопаливного котла визначаеться мюце-вою енергетичною ресурсною базою: наявнiстю вщхо-дiв деревообробно! промисловостi, лiсгоспiв, сшьсько-господарського виробництва, корисних копалин (торф, буре, кам'яне вуплля i т. ш.).
На сьогоднi часто сто!ть питання вибору мiж газови-ми котлами (яш е найзручнiшими за способом поста-чання палива) та твердопаливними. Виконано розраху-нок економiчностi замщення деревним паливом природного газу для комв потужнiстю 1-2 МВт (найпоши-ренiшi котли для енергозабезпечення комунально-побу-тових та промислових тдприемств). У табл. наведено результати розрахунку обсягу деревини, необхщного для забезпечення вщповвдно! потужностi для котлiв з рiзним ККД. На рис. 1 представлено варпсть замiщення деревиною енергп, яка виробляеться внаслiдок спалю-вання 1000 м3 газу.
Табл. Розрахунок обсягу вiдходiв деревини для викорис-
Потужшсть котельно! установки, МВт
Вид деревного палива 1 2
ККД, %
87 90 93 87 90 93
Необхiдний обсяг палива, м3/добу
Сумш дереви-ни сосни, бере- зи i осики №р=14400 кД ж/кг, W=20 %) 22,75 22,17 21,6 45,79 44,35 42,91
З табл. 1 видно, що основна перевага твердопаливного котла перед газовим котлом - це низька варпсть нетрадицшних видiв палива (деревини та/або !! вщхо-д1в) пор1вняно п природным газом.
1,5 %, волопсть - 10-40 %. Фiзико-механiчнi характеристики, так як щiльнiсть, розмiри частинок можуть бути змшет за допомогою подрiбнення та ущiльнення. Тому для тдвищення енергоефективностi спалювання бiомаси та зниження рiвня забруднювальних речовин потрiбно враховувати зазначеш характеристики пiд час тдготовки палива.
Видiлимо групу порiд, яш широко використовують як паливо для спалювання у твердопаливних котлах, зокрема: сосна, береза, осика, вшьха, верба швидкорос-ла (Salix Viminalis). Для ще! групи порiд дослвджено теплотехнiчнi та шнетичш параметри (Yalechko, et al., 2016a; 2016b; Mysak, et al., 2017) та удосконалено мате-матичну модель спалювання подрiбнено! деревно! 6i-омаси (Hnatyshyn, Yalechko, & Mukha, 2013; Yalechko, et al., 2013). Наявшсть тако! моделi та експерименталь-но отриманих значень к1нетичних параметрiв деяких порiд створюе базу для дослщження процесу спалювання не тшьки окремих чистих порiд, а i !х сумiшей. От-же, тдготовлено теоретичну базу для аналiзу процеав спалювання сумiшей деревно! бiомаси названих порщ та вдосконалення вiдповiдних паливних пристро!в.
На основi результатiв проведених дослвджень роз-роблено конструкцiю паливш для забезпечення максимального ККД тд час спалювання подрiбнено! деревно! бюмаси. Конструкцiю цie! паливш представлено на рис. 2.
Природнш газ Дуб Береза Сосна Осика Рис. 1. Варпсть замщення деревиною енерги, яка виробляеться внаолдок спалювання 1000 м3 газу
Деревина е матерiалом, фiзико-хiмiчнi властивостi якого змшюються пiд час нагрiвання та горшня. Для оцiнювання енергетично! цiнностi деревини та !! вщхо-дiв проведено дослщження теплофiзичних, теплотех-нiчних та шнетичних параметрiв (Ya1echko, et а1., 2016а; 2016Ь). За результатами виконаних дослiджень встанов-лено, що теплотехшчш характеристики деревно! бюма-си загалом е такими: теплотворна здатнiсть змшюеться вiд 12 до 19 МДж/кг, зольнiсть е незначною - вщ 0,8 до
Рис. 2. Камерна паливня для спалювання здрiбненоí бiомаси: 1, 2) обмурiвка паливт; 3) тдлога паливт; 4) робоча перегородка iз закрилкою; 5) дашок; 6) допомжна перегородка; 7, 8) висту-пи; 9) пальник для допалювання; 10) шнекова подача палива; 11) економайзерна колосникова решiтка; 12) трубка для подачi пiдiгрiтого повiтря; 13) основна камера; 14) камера допалювання; 15, 16, 17) люки для видалення золи; 18) оттр виходу димо-вих газiв
Паливня сконструйована так (див. рис. 2) (Ya1echko & Hnatyshyn, 2014). Подрiбнена деревна бюмаса за допомогою шнеково! подачi 10 з одночасною подачею по-вiтря для iнтенсифiкацi!' горiння подаеться в основну камеру спалювання 13, та шдпалюеться за допомогою факела знизу через економайзерну колосникову решггку 11 через люк у нижнш частинi тдлоги паливнi 3. Для тдтримання процесу спалювання деревно! бюмаси подаеться щддргге повиря через трубу 12, яка розмщена у серединi робочо! перегородки 4. Для активного пере-мiшування паливно! сумiшi та рiвномiрного !! розподiлу
в площиш колосниково1 решiтки шнекова подача 10 розмщена пiд кутом до тдлоги паливнi 3. Також для створення додаткового завихрения продуктiв спалюван-ня у верхнiй часгинi камери згорання 13 на внутрiшнiй обмурiвцi 2 та на робочiй перегородщ 4 передбачено виступи 7 i 8. Завдяки наявностi цих виступiв вихор, сформований в основнiй камерi спалювання 13, забезпе-чуе повнiше перемшування та вигоряння палива навiть за малого надлишку повiтря, а це сприяе зниженню рiв-ня утворення окислiв азоту в продуктах згорання.
Перша стадiя догорання крупнiших частинок палива передбачена у верхнш частиш камери спалювання 14. Для цього над дашком 5, що встановлений тд кутом до пiдлоги паливш, розмiщений пальник 9 для допалюван-ня. Друга стадiя допалювання найкрупшших частинок палива протiкае у нижнш частинi камери допалювання, яка роздшена допомiжною перегородкою 6. Таким чином створюеться додаткове завихрення потоку для бшьш ефективного допалювання крупнiших частинок. Для видалення золових вiдкладень передбачеш люки 15-17. Вихiд димових газiв здiйснюеться через отвiр 18 збоку в стшщ камери допалювання. Таке розмiщен-ня забезпечуе ефективне спалювання та безпечний ви-хiд димових газiв.
Використання запропоновано1 конструкцi1 паливнi мае так1 переваги:
• можливють спалювати паливо з високим вмiстом вологи (W = 20...40 %);
• низька собiвартiсть вироблення енергл порiвняно з при-родним газом (2,5... 4 рази);
• збшьшення часу перебування часток палива в паливно-му об'емi паливнi, конструкцiя яко1 передбачае два виступи для створення вихору в основнш камерi згорання, а також додатковий пальник у камерi допалювання, за до-помогою якого створюеться додатковий вихор спалюва-но1 деревно1 сумiшi;
• ефектившший розподiл теплових потокiв, який забезпе-чуеться запропонованими вдосконаленнями, а саме -стеля основно! камери спалювання та камери допалювання виконана твсферично! форми;
• для ефектившшого спалювання деревно! бiомаси передбачено одночасну подачу повiтря для тенсифжацп го-рiння в основнiй камерi згорання сумiсно зi шнековою подачею деревно! бюмаси;
• використання економайзерно! колосниково! решiтки зменшуе енергетичнi затрати на пiдiгрiв води та затрати в металi на виготовлення само! колосниково! решггки. Висновки
1. Основною перевагою твердопаливного котла на дерев-нш бiомасi перед газовим котлом е низька варпсть де-ревного палива (та/або вiдходiв деревооброблення) по-рiвняно iз природним газом.
2. Дослщжено теплотехнiчнi та кiнетичнi параметри гру-пи порiд, якi широко використовують як паливо для спалювання у твердопаливних котлах, та удосконалено математичну модель спалювання подрiбненоl деревно! бюмаси. Наявшсть тако! моделi та експериментально
отриманих значень кiнетичних параметрiв окремих по-рiд створюе базу для дослщження процесу спалювання не тшьки окремих чистих порiд, а i !х сумiшей. Отже, пiдготовлено теоретичну базу для аналiзу процесiв спалювання сумшей деревно! бiомаси названих порiд та удосконалення вщповдаих паливних пристро!в.
3. На основi результата проведених дослiджень розробле-но конструкщю паливнi для забезпечення максимального ККД тд час спалювання подрiбненоl деревно! 6í-омаси.
4. Застосування удосконалено! конструкцп паливнi, а також модульного принципу побудови, дають змогу по-будувати ефективну котельню на основi спалювання подрiбненоl деревно! бюмаси.
Перелш використаних джерел
Dumych, V., & Paskaryk, V. (2013). Proekt vykorystannya tverdoho biopalyva dlya opalennya obyektiv vyrobnychoyi i sotsialnoyi sfery v silskiy mistsevosti. Tekhniko-tekhnolohichni aspekty rozvytku ta vyprobuvannya novoyi tekhniky i tekhnolohiy dlya silskoho hospo-darstva Ukrayiny, 17(2), 310-318. Retrieved from: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Ttar 2013 17(2) 41. [in Ukrainian].
Geletukha, G. G., & Zheleznaya, T. A. (1999). Obzor sovremennykh tekhnologiy szhiganiya drevesiny s tselyu vyrabotki tepla i elektro-energii. Ekotekhnologii resursosberezheniye, 5(1), 34-39. [in Ukrainian].
Hnatyshyn, Y., Yalechko, V., & Mukha, O. (2013). Mathematical modeling influence of properties of biofuel on burning process. Zborník vedeckych prác v rámci projektu Nové technológie pre energeticky environmentálne a ekonomicky efektívne zhodnocova-nie biomasy ITMS: 26220220063. Medzinárodná Vedecká Konfe-rencia A Otvorenie Centra Vvicb - 06.-08.11.2013, VVICB - Ka-punany pri Prenove, Bardejovské Kúpele. 70 р.
Mysak, Y. S., Yalechko, V. I., Yurasova, O. G., Hnatyshyn, Y. M., & Mukha, O. V. (2017). Heat capacity of biomass. Ninth international scientific-practical conference - Renewable energy sources as alternative to primary energy sources in region: Volume of scientific papers, (pp. 140-141), 6-7 of April, Lviv.
Yalechko, V. I., & Hnatyshyn, Y. M. (2014). Kamerna palyvnya dlya spalyuvannya derevnoyi biomasy. Patent Ukrayiny na korysnu model №93790, МПК F27B 3/04 (2006.01), 10.10.2014, Bulletin №19. [in Ukrainian].
Yalechko, V. I., Kochubey, V. V., Hnatyshyn, Y. M., & Pavlovskyi, Yu. P. (2016a). Thermal analysis wood of willow Salix Viminalis. Scientific Bulletin of UNFU, 26(4), 247-251.
Yalechko, V., Kochubey, V., Hnatyshyn, Y., Dzyadevych, B., & Za-ikov, G. E. (2016b). Investigation of Thermal Power Characteristics of Wood Pulp. The Chemistry and Physics of Engineering Materials - Two Volume Set, 1: Modern Analytical Methodologies, (pp. 171-178). Apple Academic Press, USA.
Yalechko, V., Kutsyk, A., Kens, I., Hnatyshyn, Y., & Mukha, O. (2013). Research of burning process of fast-growing wood on a computer. Seventh international scientific-practical conference -Renewable energy sources as alternative to primary energy sources in region: Volume of scientific papers, (pp. 132-134), 10-11 of April. Lviv: UNFU.
Yalechkom, V. I., Hnatyshyn, Y. M., & Mukha, O. V. (2013). Do pytannya vykorystannya derevnoyi biomasy. Oil and Gas Power Engineering: International Scientific-Technical Conference, (pp. 200-202), 7-11 of October 2013 р. Ivano-Frankivsk. [in Ukrainian].
В. И. Ялечко1, Ф. Д. Матико1, Я. М. Гнатышин2
1 Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов, Украина 2 Национальный лесотехнический университет Украины, г. Львов, Украина
КОТЕЛЬНАЯ НА ОСНОВЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТОПКИ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Для обеспечения технологичности изготовления оборудования котельной, сокращения объема монтажных работ, повышение уровня ремонтопригодности и удобства обслуживания, а также эффективности, оборудования котельной предложено сгруппировать в модуле на основе котлов небольшой мощности. Учитывая технические особенности известных технологий сжигания топлива, можно утверждать, что для котлов небольшой мощности оптимальным решением является сжигание ло-
кальных твердых видов топлива - биомассы. Выполнен расчет экономичности замещения древесным топливом природного газа для котлов мощностью 1-2 МВт (наиболее распространены котлы для энергообеспечения коммунально-бытовых и промышленных предприятий). Для оценки энергетической ценности древесины и ее отходов исследованы теплотехнические и кинетические параметры группы пород, которые широко используются в качестве топлива для сжигания в твердотопливных котлах, и усовершенствована математическая модель сжигания измельченной древесной биомассы. На основе результатов проведенных исследований разработана конструкция топки для обеспечения максимального КПД при сжигании измельченной древесной биомассы. Применение усовершенствованной конструкции топки, а также модульного принципа построения, дают возможность построения эффективной котельной на основе сжигания измельченной древесной биомассы.
Ключевые слова: процесс сжигания; древесная биомасса; кинетические параметры; математическая модель; топочное устройство.
V. I. Yalechko1, F. D. Matiko1, Ya. M. Hnatyshyn2
1 Lviv Polytechnic National University, Lviv, Ukraine 2 Ukrainian National Forestry University, Lviv, Ukraine
BOILER HOUSE BASED ON IMPROVED FURNACE OF HIGH EFFICIENCY
Forecasting the further development of the economics and power engineering on the basis of modern effective technologies we can conclude that it is possible to replace nuclear and fossil fuels with renewable energy sources. The results of calculation of the amount of wood that is needed for the boilers with different efficiency are presented in the paper. We found that the main advantage of a solid fuel boiler over a gas boiler is the low cost of non-traditional types of fuel (wood and its wastes) compared to natural gas. It is necessary to take into account physical-mechanical and heat-engineering characteristics of fuel in order to increase the energy efficiency of biomass combustion and to reduce the level of pollutants. We analyzed the wood breeds which are widely used as fuel in the solid fuel boilers particularly pine, birch, aspen, alder, fast growing willow (Salix Viminalis). The mathematical modelling of combustion process of various wood breeds was carried out. The modelling results and the experimental values of the kinetic parameters of individual wood breeds are the basis for the investigation of the process of burning both pure breeds and their mixtures. The design of chamber furnace for burning of chopped wood biomass is developed by the authors in order to ensure the efficient and complete combustion. It has two protrusions to create a whirl in the main combustion chamber and the additional burner in the postcombustion chamber which creates an additional whirl of the wood mixture. The proposed furnace allows to increase the time of staying of fuel particles in the combustion volume. The applying of the improved furnace design as well as the modular construction principle make it possible to build an efficient boiler-house based on combustion of chopped wood biomass.
Keywords: combustion process; wood biomass; kinetic parameters; mathematical model; fuel device.
