CC BY
39
УДК 631.22.018:62-66
ПРИМЕНЕНИЕ НАВОЗА В КАЧЕСТВЕ КОМПОНЕНТА КОТЕЛЬНОГО БИОТОПЛИВА В ТЕПЛОГЕНЕРАТОРАХ
Ю.А. Кожевников, кандидат технических наук, зав. лабораторией А.Г. Чижиков, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства E-mail: viesh@dol.ru
Аннотация. Рассмотрены особенности приготовления композитных биотоплив (КБТ) в виде суспензий из низкосортных нефтепродуктов (мазут, шламы, отработанные масла и др.) и растительного сырья (навоз, торф, помет, лузга и др.), а также сжигания этого биотоплива в горелочных устройствах с использованием плазмы СВЧ-разряда. Для экспериментов с применением гидрокавитационных устройств готовили суспензионную смесь из 40% свиного навоза и 60% топочного мазута. Размер твердых частиц смеси составлял 5-25 мкм, а ее вязкость 45 мм2/с. Использование ионизированной СВЧ-плазмы в экспериментальной горелке обеспечило полное сгорание КБТ, о чем свидетельствовало практическое отсутствие СО в уходящих газах, а также синеватый цвет факела. Расход электроэнергии на воспламенение КБТ в плазме СВЧ-разряда составлял около 0,1 кВт-ч/кг. Применение плазмы СВЧ-разряда в горелках котлов и теплогенераторов позволяет эффективно использовать низкосортные нефтепродукты в смеси с сельскохозяйственными отходами, обеспечивая экономию углеводородных топлив до 10-15% с существенным улучшением экологических показателей выхлопных газов.
Ключевые слова: мазут, навоз, смесь, приготовление, суспензия, горелки, сжигание, СВЧ-разряд, пламя, эффективность, экологичность.
Введение. К композитному биотопливу (КБТ) относят гомогенные топливные суспензии и эмульсии, приготовленные в определенных пропорциях из нефтепродуктов (низкосортный мазут, нефтяные шламы, отработанное масло и т.п.) и сырья растительного и животного происхождения (торф, навоз, помет, отходы растениеводства, иловые осадки, биомасса микроводорослей и др.). В КБТ может быть также добавлен уголь в пылевидной форме [1].
Приготовление и использование КБТ позволяет решить ряд важных задач:
- частично утилизировать экологоопас-ные, но энергосодержащие нефтяные и органические (навозные лагуны, влажный птичий помет) отходы, образующиеся во многих сельскохозяйственных предприятиях;
- уменьшить потребление углеводородных топлив пропорционально содержанию в КБТ органической фракции непосредственно в местах производства с.-х. продукции;
- снизить загрязнение окружающей среды за счет улучшения состава выхлопных газов устройств для сжигания КБТ.
Организованного использования нефте-содержащих и сельскохозяйственных отходов в АПК страны в энергетических целях не наблюдается в силу ряда субъективных и объективных причин, основной из которых является удобство, доступность и традиционность применения жидких и газообразных ископаемых топлив. В стране многие организации разрабатывают технологии и технические средства переработки твердых биомассы и отходов в жидкие и газообразные биотоплива, преимущественно термохимической конверсией, с целью последующей выработки из них тепловой и электрической энергии, однако эти разработки пока не выходят за рамки опытных. К примеру, имеются предложения по использованию соломы зерновых культур в рулонах в качестве топлива для котельных установок [2].
Широко применяемые в сельском хозяйстве жидкотопливные теплогенераторы (отопление помещений, подогрев воды и воздуха, сушка сельскохозяйственной продукции и др.) с распылительными горелками не могут эффективно работать на КБТ из-за
Journal of VNIIMZH №4(20)-2015
225
воздух
биотопливо
наличия в составе твердых частиц различного размера и воды, затрудняющих его полное сгорание. В связи с этим для КБТ важное значение приобретает этап их подготовки к сжиганию и обеспечение временного хранения подготовленной смеси без расслоения и седиментации.
В лаборатории биотоплива ФГБНУ ВИЭСХ проведены экспериментальные исследования по интенсификации и повышению качества сжигания КБТ в теплогенераторах типа ТГ-1,5. При этом на основе ранее проведенных работ [3, 4, 5] в горелочном устройстве для воспламенения рабочей смеси и стабилизации горения предложено использовать плазму СВЧ разряда. Последняя может эффективно изменять гидродинамические характеристики течения горючей смеси в объеме камеры сгорания, улучшать форму и увеличивать поверхность пламени, скорость распространения его фронта, что наиболее существенно для дисперсных систем (суспензионные, композитные, пылеугольные топлива). В условиях образующейся СВЧ-плазмы воспламенение смеси определяется не только тепловой энергией, рассеиваемой в разряде, но и высокоэнергетическими электронами, служащими инициаторами разветвленных цепных реакций.
Плазмохимические технологии, применяемые для утилизации отходов добычи и переработки нефти (нефтяные и буровые шла-мы, нефтезагрязненные грунты, водооргани-ческие стоки и т.п.) с получением безвредных твердых и газообразных продуктов, могут быть использованы и для сельскохозяйственных отходов. Целью проведения исследований являлось установление влияния СВЧ-поля на характеристики горения КБТ и эффективность его применения. При этом основными задачами являлись:
- изучение схемы наложения СВЧ-поля на пламя в различных условиях;
- определение особенностей управления горением КБТ.
Экспериментальная установка, материалы и методы исследований. Для проведения экспериментов по сжиганию КБТ на базе теплогенератора ТГ-1,5 была создана установка, схема которой показана на рис. 1.
горячая вода
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 - СВЧ-свеча; 2 - форсунка; 3 - камера сгорания;
4 - котел ТГ-1,5; 5 - блок питания магнетронов;
6 -газоанализатор «ТБ8ТО-3508»; 7 - датчики
температуры; 8 - блок индикации температуры
Модернизирована горелка теплогенератора: она была оснащена тремя СВЧ-свеча-ми, располагаемыми в камере сгорания теплогенератора, для создания плазмы СВЧ-разряда. Воспламенение КБТ осуществляется за счет СВЧ-плазмы и излучения от нагретых стенок камеры сгорания.
Для экспериментов предварительно готовилась смесь из свиного навоза влажностью около 90% и содержанием до 60% топочного мазута или нефтешламов. Для придания смеси текучести в него добавляли воду (до 20%). Компоненты смеси смешивали в ротацион-но-пульсационном аппарате (РПА). При этом твердую фракцию доводили до размера частиц 5-25 мкм, а его вязкость составляла менее 45 мм /с. Иными словами, по своим физико-механическим характеристикам подготовленная жидкая суспензионная смесь приближалась к котельным мазутам VI и VII классов. КБТ в горелку подавали шестеренчатым насосом, а воздух - компрессором при давлении 0,2 МПа. Объем ресивера компрес-
сора составлял 0,25 м . Подаваемую смесь воспламеняли в плазме СВЧ-разряда, образуемой с помощью свечей 1 (рис. 1). Удельный расход электроэнергии на воспламенение КБТ в плазме СВЧ-разряда составлял 0,09-0,10 кВт-ч/кг. Технологии приготовления КБТ, включая СВЧ-воздействие, описаны в [6, 7]. Состав топочных газов определяли газоанализатором «ТЕ8Т0-3508».
Результаты экспериментов и их обсуждение. СВЧ-плазма в горелках жидкотоп-ливных котлов, использующих композитные или низкокалорийные виды топлива, применена с целью обеспечения максимальной эффективности воспламенения топливной смеси и устойчивости горения при заданном регламенте работы котла. На рис. 2 показана картина сжигания КБТ в плазменной горелке.
При работе в 10- и 3-см диапазонах длин волн (ш0=3-109.. .1-1010 с-1) значение критической частоты достигается при сравнительно небольших концентрациях электронов #е~10 см , что приводит к необходимости введения в СВЧ-тракт согласующих элементов. При этом оптимизация геометрии тракта и заполнения разрядного канала позволяет существенно (до трех порядков величины) снизить уровень необходимой для пробоя мощности СВЧ-генератора, обеспечивающей высокоэффективное преобразование энергии СВЧ-поля в тепловую энергию плазмообра-зующего газа как в импульсном, так и в непрерывном режимах.
Развитие стадии горения (воспламенение композитного биотоплива)
яг*
V1
Горение композитного биотоплива
Начальная стадия горения (поджиг композитного биотоплива)
Завершение реакции горения композитного топлива
Рис. 2. Картина этапов поджига и горения КБТ в плазменной горелке
Основными характеристиками горелки, определяющими вероятность воспламенения, являются температура смеси в зоне поджига и пространственно-временной интервал, в котором эта температура реализуется. Скорость физико-химического процесса, а следовательно, вероятность получения продукта реакции зависит от температуры среды. Для фиксированного состава смеси вероятность процесса связана с температурой среды соотношением Больцмановского типа:
Р - ехр (-Еа /кТ),
где Рг - вероятность активации 1-й реакции; Еа - энергия активации; к - константа скорости реакции; Т - температура в зоне активации.
Температура в зоне поджига топливной смеси определяется, с одной стороны, условиями в камере сгорания, а с другой - энергетическими балансными соотношениями, характеризующими функционирование горелки. Энергия, передаваемая в зону поджи-га, расходуется на нагрев среды и сброс теп-
Лоигпа! оГ VNIIMZH №4(20)-2015
227
лоты теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием. Поскольку эти тепловые потери растут с увеличением длительности воздействия, то температура среды в зоне под-жига будет тем больше, чем выше импульсная мощность горелки. Если температуру можно считать интенсивным параметром процесса воспламенения, то значение пространственно-временного интервала, в котором эта температура реализуется, можно отнести к экстенсивному параметру, который определяется объемом V зоны поджига, длительностью т (временем жизни) плазменного образования и количеством п импульсов в пределах одного рабочего цикла горелки.
Поскольку процесс воспламенения определяется протеканием цепной химической реакции и носит статистический характер, то его вероятность зависит от длительности временного интервала, в котором в зоне воспламенения поддерживается достаточная температура, и объема этой зоны. Предполагая, что время т0 выхода на режим по температуре существенно меньше длительности импульса (т0<<т), результирующее значение экстенсивного параметра пропорционально значению пространственно-временного интервала ^п, который состоит из независимых элементов объема и времени с некоторыми конечными значениями вероятности воспламенения при фиксированной температуре. Основаниями для такого предположения могут служить: для объема - одномерный характер процессов при разряде в зависимости от напряженности электрического поля Е, а для времени - выполнение условия т0<<т и значительная скважность импульсов. Для СВЧ-горелки, питающейся от промышленной сети с частотой 50 Гц, длительность импульсов, обеспечивающих СВЧ-разряд, будет равна 8 миллисекундам с периодом следования в 20 миллисекунд. В этом случае уже с третьего импульса начинается стабильный разряд и устойчивое плазмообразование в объеме, обеспечивающем поджиг топлива.
Эффективность использования СВЧ-раз-ряда в качестве источника воспламенения при плазменно-стимулированном горении оценивают величиной приведенного элек-
трического поля Е/Ш, где Е - напряженность электрического поля, N - концентрация молекул газа (воздуха).
Большие значения E/N определяют генерацию химически активных частиц (радикалов), стимулирующих процесс воспламенения. ЕШ предлагается использовать как параметр электродинамической характеристики неравновесной плазмы [8]. Значение Е/Ш обуславливает направление энерговыделения в плазме и контролирует состав вырабатываемых в плазме активных частиц (радикалов). По существу это степень ионизации среды. Примерная критическая величинаЕ/Ш~120Тё. Выше этого значения электрическое поле достаточно для ионизации газа, ниже - для разряда необходимо наличие внешнего источника.
Воздействие на композитное биотопливо СВЧ-плазмы в виде ионизированного газа, температура которого достигает 3,5 тыс. °С, обеспечивает его полное сгорание. В результате этого в уходящих газах присутствует только СО2 и практически отсутствует СО. При ионизации газа молекулами озона происходит разрушение кластеров, что приводит к объемному сгоранию смеси. Все молекулы вступают в реакцию в течение минимального времени. Каждая молекула вступает в химическую реакцию с кислородом или озоном в активной форме по принципу домино, т.е. достаточно незначительного количества ионизированной топливо-воздушной смеси, которая при контакте с СВЧ-плазмой будет ионизировать последовательно всю топливо-воздушную смесь низкокалорийного жидкого композитного биотоплива.
Заключение. Проведенные эксперименты показали, что горелка, собранная с использованием плазмы СВЧ-разряда, показала ее достаточную работоспособность при сжигании композитного биотоплива.
Основные преимущества СВЧ-плазмен-ного сжигания перед традиционным факельным следующие:
- дисперсия углеводных остатков биомассы за счет эффекта газификации в зоне СВЧ-плазмы;
- снижение механического недожога;
- увеличение скоростей реакции окисления и газификации композитных составов;
- снижение уровней выбросов с дымовыми газами оксидов серы и азота, тяжелых металлов и канцерогенных углеводородов при безмазутной растопке и подсветке факела в котлах теплогенераторов.
Применение СВЧ-плазмы для горения композитного биотоплива позволяет добиться важных для теплоэнергетики эффектов: экономический (снижение затрат на подсветку и растопку котла); топливный (использование низкореакционного и высоковлажного композитного биотоплива и снижение механического недожога); экологический (снижение выбросов оксида азота и серы, тяжелых металлов и канцерогенных углеводородов). Дальнейшие исследования будут направлены на обеспечение механизированного выполнения технологических операций подготовки и дозирования компонентов биотоплива, а также доведение рабочих органов СВЧ-плазменного сжигания до потребительского уровня.
Литература:
1. Приготовление композитных котельных и моторных биотоплив из альгамассы / Систер В.Г. и др. // Альтернативная энергетика и экология. 2013. №1-2.
2. Таранов М.А., Касьянов А.С. Использование соломы зерновых культур в качестве топлива для генерации энергии // Вестник аграрной науки Дона. 2013. №1.
3. Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. СВЧ-плазмотрон со свободно парящим плазмоидом // Горение твердого топлива. Новосибирск, 2006. С.103-109.
4. Пат. РФ №114753. Ультразвуковая форсунка для распыливания жидких котельных биотоплив / Сербии В.В. и др. 2012. Бюл. №10
5. Пат. РФ №117579. Гибридная ультразвуковая горелка СВЧ для поджига низкокалорийных, жидких эмульсионных и суспензионных топлив / Кожевников Ю.А. и др. 2012. Бюл. №18
6. Приготовление экологичных котельных топлив / Чижиков А.Г. и др. // Альтернативная энергетика и экология. 2013. №3(121). С. 96-101.
7. Егоров Ю.М., Кожевников Ю.А., Чижиков А.Г. Энергосберегающая СВЧ-технология приготовления присадок и масел на их основе // Тракторы и с.-х. машины. 2013. №10. С. 32-35.
8. Тропина А.А. Анализ процесса воспламенения низкотемпературной неравновесной плазмы // Авиационно-космическая техника и технология. 2008. №7.
Literatura:
1. Prigotovlenie kompozitnyh kotel'nyh i motornyh bio-topliv iz al'gamassy / Sister V.G. i dr. // Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiya. 2013. №1-2.
2. Taranov M.A., Kas'yanov A.S. Ispol'zovanie solomy zernovyh kul'tur v kachestve topliva dlya generacii ehnergii // Vestnik agrarnoj nauki Dona. 2013. №1.
3. Burov V.F., Strizhko YU.V. SVCH-plazmotron so svo-bodno paryashchim plazmoidom // Gorenie tverdogo topliva. Novosibirsk, 2006. S.103-109.
4. Pat. RF №114753. Ul'trazvukovaya forsunka dlya raspylivaniya zhidkih kotel'nyh biotopliv / Serbin V.V. i dr. 2012. Byul. №10
5. Pat. RF №117579. Gibridnaya ul'trazvukovaya go-relka SVCH dlya podzhiga nizkokalorijnyh, zhidkih ehmul'-sionnyh i suspenzionnyh topliv / Kozhevnikov YU.A. i dr. 2012. Byul. №18
6. Prigotovlenie ehkologichnyh kotel'nyh topliv / CHizhi-kov A.G. i dr. // Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiya. 2013. №3(121). S. 96-101.
7. Egorov YU.M., Kozhevnikov YU.A., CHizhikov A.G. EHnergosberegayushchaya SVCH-tekhnologiya prigo-tovleniya prisadok i masel na ih osnove // Traktory i s.-h. mashiny. 2013. №10. S. 32-35.
8. Tropina A.A. Analiz processa vosplameneniya niz-kotemperaturnoj neravnovesnoj plazmy // Aviacion-no-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya. 2008. №7.
THE USE OF MANURE AS A BOILER BIOFUEL COMPONENT IN THE HEAT GENERATORS Y.A. Kozhevnikov, candidate of technical sciences, laboratory chief A.G. Chizhikov, candidate of technical sciences, leading research worker All-Russian Research Institute OF Agriculture Electrification
Abstract. The particularities of composite biofuels (KBT) preparation in the suspension's form from low-grade oil products (fuel oil, sludge, waste oil, etc.) and plant raw materials (manure, peat, dung, husk, etc.), as well as the biofuels' burning in combustion devices with microwave plasma of SVCH-discharge using are discussed. For experiments with hydrocavitation devices application it was prepared the suspension mixture consisting of 40% pig manure and 60% furnace residual fuel oil. The mixture's solid particles size was 5-25 ym, and its viscosity was 45 mm2/s. The ionized SVCH-plasma using in the experimental furnace ensured the full SVCH combustion, had evidenced so the actual CO absence in the flued gases, as a bluish flame color. The electric power's consumption at KBT inflammation in SVCH-discharge plasma was about 0,1 kWt h/kg. The SVCH-discharge plasma application in the boilers and generators' furnace enables efficiently obtaining low-grade oil products mixed with agricultural waste saving till 10-15% of hydrocarbon fuels with significant of exhaust gases ecological indicators' improvements.
Keywords: heating oil, manure, mixture, preparation, suspension, furnace, combustion, SVCH-discharge, flame, efficiency, ecological compatibility.
Journal of VNIIMZH №4(20)-2015
229
