CC BY
15тивные топлива
tiiibi
Использование альтернативных топлив для генерации тепловой и электрической энергии на действующем оборудовании
В.Г. Демченко,
зав. отделом «Процессов и технологий теплообеспечения» Института технической теплофизики НАН Украины, к.т.н.
В статье рассмотрены факторы, влияющие на использование биотоплива для получения тепловой и электрической энергии. Предложен способ перевода существующих котлов и печей на сжигание крупнофракционного биотоплива. Приведены результаты компьютерного моделирования и даны практические рекомендации.
Ключевые слова: биотопливо, горелочное устройство, котел, печь, моделирование, эффективность.
Use of alternative kinds of fuel for production of thermal and electric energy on-site
V.G. Demchenko
The factors influencing use of biofuel for reception of thermal and electric energy are considered in the article. The way of transfer of existing boilers and furnaces on biofuel burning is offered. Results of computer modeling are presented and practical advices are given.
Keywords: biofuel, burning, boiler, industrialized furnace, simulation, efficiency.
В последние годы в мире все более активно развивается альтернативная энергетика. Мировые запасы нефти и газа ограниченны и ежегодно растут в цене, в связи с чем становятся востребованными альтернативные виды топлива и более эффективные технологии получения теплоты и электроэнергии. За счет внедрения альтернативных и вторичных источников энергии в энергобалансе страны кабинет министров Украины намерен с 2016 г. заменить ими не менее 15 млрд м3 природного газа. Турбины и котлы, работающие на угле, древесине, отходах производства, соломе и подсолнечной шелухе - самых распространенных источниках
биомассы, приобретают общегосударственное значение и становятся все более востребованными.
Однако перевод существующих котлов и печей, рассчитанных на сжигание природного газа, мазута и угля, на использование биотоплива растительного происхождения либо отходов производства вызывает значительные затруднения [1].
Данная работа посвящена разработке способа перевода промышленных печей, паровых и водогрейных котлов, которые широко распространены в инфраструктуре транспортных предприятий, ремонтных заводов автомобильного транспорта и подвижного состава железных
дорог, на сжигание альтернативных топлив.
Постоянно возрастающий интерес предприятий к технологиям, которые используют в виде топлива возобновляемые энергоресурсы, а также доступность получения сравнительно дешевых кредитов под энергосберегающие и экологические проекты неизбежно распространяются и на соответствующее теплоэнергетическое оборудование. Следует отметить, однако, что эта положительная тенденция на практике часто превращается в напрасную трату времени и денег, если не учитываются особенности применения такого оборудования [2].
На выбор складского, транспортировочного и топочного оборудования влияют фракционный состав, зольность (примеси) и влажность биотоплива. Требуется учитывать калорийность и содержание летучих веществ при газификации. Чем больше влажность и зольность топлива, чем меньше его удельный вес, и чем ниже калорийность, тем больший объем топлива требуется для производства единицы теплоты. Если топливо привозное, то есть не образуется в виде отходов собственного производства, то его транспортировка является дополнительным аргументом для экономического расчета эффективности инвестиций.
Известно, что чем дешевле топливо, тем дороже оборудование для его сжигания. При этом если у современных газовых котлов нормативный КПД составляет 92.. .94 %, то для твердотопливных котлов он не превышает 75.84 %. Эффективность использования топлива существенно зависит от его подготовки. Снижение уровня влажности и зольности, предварительное брикетирование, использование топливных смесей (например, торф/опилки, уголь/солома и др.) позволяют повысить КПД котлов с 70.75 до 85 %.
Перевод существующего теплоэнергетического оборудования с природного газа на альтернативные топлива связан с установкой системы золоудаления. Так как котлы, работающие на природном газе, расположены, как правило, на нулевой отметке, создание системы золоудаления без
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.
t jBkДШИ .....ттигятп,.,
*с0в к*»**
Альтернативные
их демонтажа невозможно. Поэтому наиболее рациональным является применение предтопков и горелок зажатого слоя (ГЗС) для сжигания крупнофракционного твердого топлива.
Как показали проведенные в Институте технической теплофизики НАН Украины исследования [3], для создания эффективных высокофорсированных топок, позволяющих сжигать отходы производства, биомассу и некачественный уголь, предпочтителен процесс сжигания в зажатом слое. Принцип сжигания крупнофракционного твердого топлива был предложен В.В. Померанцевым [4]: вертикальный или слегка наклоненный слой твердого топлива находится между двумя колосниковыми решетками, что препятствует выносу крупных фракций топлива и обеспечивает высокое теп-лонапряжение горения. На этом принципе работают топки скоростного горения конструкции НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова, разработанные для котлов средней и большой мощности. Они используются для сжигания древесной щепы и опилок при зольности не более 1...2 % на сухую массу.
При сжигании в зажатом слое горение топлива происходит при высоких теплонапряжении зеркала горения и градиенте скоростей окислителя. При сжигании угля это способствует разрушению шлаковой пленки на поверхности высокозольных частиц и их выгоранию. Мелкодисперсный вынос частиц топлива из зажатого слоя и горючие газы обладают свойством самовоспламенения, поэтому для сжигания почти всех видов твердого топлива
наилучшим является двухстадийный процесс, состоящий из основного горения в зажатом слое и дожигания газовой фазы с выбросом мелких частиц топлива в режиме самовоспламенения в потоке. Дожигание может происходить в топочной камере действующего оборудования.
Двухстадийный процесс позволил создать простые ГЗС для сжигания с высокими скоростями крупнофракционного твердого топлива (древесная щепа, опилки, пеллеты, бытовой мусор, низкосортный уголь и пр.) независимо от его реакционной способности. Размер частиц топлива должен быть в пределах 10.50 мм, влажность до 60 %, зольность - до 10 %.
Исследования показали, что горение в зажатом слое протекает при температуре более 1000 К, что приводит к выгоранию летучих фракций и коксового остатка. За зажатым слоем происходит интенсивное горение газовой фазы, обеспечивающее полноту сгорания до 99 %. Управление горением осуществляется тиристорным регулированием двигателя дутьевого вентилятора.
Горелки зажатого слоя (рис. 1) для сжигания крупнофракционного твердого топлива могут иметь плоскопараллельную либо осесимметричную схему движения компонентов. При определении рабочего процесса, режимных и аэродинамических характеристик необходимо учитывать физико-химические особенности и кинетические характеристики горения топлива [5-7].
К преимуществам горелок зажатого слоя можно отнести:
• возможность использования без переоборудования штатной амбразуры котла;
• сжигание любого крупнофракционного твердого топлива;
• простоту конструкции, удобство монтажа и эксплуатации;
• сухое шлакоудаление;
• малые габариты (например, горелка мощностью 360 кВт имеет длину 1205 мм без вентилятора, наружный диаметр 570 мм, высоту до патрубка подачи топлива 683 мм);
• низкую металлоемкость и стоимость.
Сложность аналитической
модели горения в зажатом слое обусловила использование численного моделирования с применением программного продукта COSMOSFloWorks, основанного на соотношениях вычислительной гидродинамики для многокомпонентных сред и двухфазного течения с учетом сложного теплообмена между средой и поверхностью. Турбулентные течения моделировались на основе уравнений Навье-Стокса, которые предварительно усреднялись по Рейнольдсу. Для замыкания полученной системы рейнольдсовых уравнений использовалась к-£-мо-дель турбулентности, где к - кинетическая энергия турбулентности, а £ - скорость ее диссипации.
Расчетная область покрывалась сеткой, грани и пересечения которой параллельны осям декартовой системы координат модели в SolidWorks. Поскольку в COSMOSFloWorks используется метод конечных объемов, значения независимых переменных
тивные топлива
рассчитывались в центрах пересечений, а не в узлах расчетной сетки.
На рис. 2 приведены результаты расчета аэродинамики и полей температуры, полученные при моделировании. Эксперимент показал совпадение с результатами моделирования, расхождение не превысило 10 %.
Таким образом, подтверждена правомерность использования результатов численного моделирования тепловых и аэродинамических процессов при конструировании ГЗС различной мощности.
В заключение следует отметить, что горелки зажатого слоя разработки ИТТФ НАН Украины позволяют сжигать любые виды топлива практически независимо от его влажности и теплотворной способности. Проведенное моделирование показало, что полученные результаты тепловых и аэродинамических расчетов можно успешно использовать при конструировании ГЗС различной мощности.
Сроки окупаемости затрат на перевод теплоэнергетического оборудования на альтернативные топлива не превышают 3.18 мес. Например, срок окупаемости переоборудования вращающейся сушильной печи
барабанного типа теплопроизводи-тельностью 350 кВт для сжигание пеллет, изготовленных из отходов переработки семян подсолнечника, составил 9 мес., экономия природного газа - 450 м3/ч.
В настоящее время разработана техническая документация и внедряется ГЗС для работы на отходах столярного производства для парового котла ДКВР-10/13, что позволит
заменить природный газ древесными отходами в объеме 624,82 м3/ч, что составляет 449 870 м3/мес.
Проведено технико-экономическое обоснование перевода трех котлов ТС-35 производительностью пара 50 т/ч каждый с природного газа на древесную щепу путем замены штатных горлочных устройств горелками ГЗС. Срок окупаемости не превышает 18 мес.
Литература
1. Демченко В.Г. Практический опыт перевода паровых и водогрейных котлов на альтернативные виды топлива. Технические и экономические проблемы. - Сб. тр. 11-й международной конференции «Инвестиции в энергетику, энергосбережение и экологию», Ялта-Мисхор, 2010. - С. 23-29.
2. Демченко В.Г. Технiко-економiчнi аспекти спалювання крупно-фракцшного твердого палива в енергетичних парових котлах. Доклад на 6-й международной конференции «Энергия из биомассы», Киев, 2010.
3. Чмель В.М., Новшова 1.П.Дослщження процесу спалювання вiдходiв дереви-ни в затисненому шарi та створення дослщного зразка теплогенератора. - Кш'в: Изд. 1ТТФ НАН Укра'ни, 2000. - С. 55.
4. Померанцев В.В., Арефьев К.М., Ахмедов Д.Е и др. Основы практической теории горения. - Л.: Энергоиздат, 1986. - С. 312.
5. Чмель В.М., Новшова 1.П. Дослщження паливних характеристик вiдходiв бю-маси // Вщновлювана енергетика. - 2006. - № 4 (7). - С. 107-113.
6. Лавров Н.В., Шурыгин Д.П. Введение в теорию горения и газификации топлива. - М.: Энергия, 1972. - 348 с.
7. Матвеева И.И., Новицкий Н.В., Вдовченко В.С. и др. Энергетическое топливо СССР: (ископаемые угли, горючие сланцы, торф, мазут и горючий газ), Справочник. - М.: Энергия, 1973. - С. 128.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (28) август 2012 г.
¡Й) jn^^a, Р4 те ИШ МИШ
