CC BY
73
УДК 662.928:664.768
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО СЖИГАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ
А.М. Шувалов, А.В. Самодуров
Лаборатория «Альтернативные источники энергии; ВИИТиН Представлена членом редколлегии профессором Ю.Л. Муромцевым
Ключевые слова и фразы: кипящий слой; лузга; пневмозабрасыватель; процесс горения; растительные отходы; расход воздуха; топочное устройство; энергетическое использование.
Аннотация: Обоснована актуальность проведения исследований по использованию растительных отходов в качестве топлива. Приведены особенности сжигания лузги гречихи, обладающей низкой насыпной плотностью и высокой парусностью, кинетика подачи лузги с использованием пневмозабрасывателя. Отражены результаты исследования режимов горения лузги в топочном устройстве с кипящим слоем, а также зависимость производительности пневмозабрасывателя от расхода воздуха, подаваемого для обеспечения нормального процесса горения. Приведено уравнение регрессии, устанавливающее зависимость коэффициента неравномерности лузги от высоты расположения, угла наклона забрасывателя и скорости движения воздуха на его выходе.
Энергетическое использование органических веществ растительного происхождения в качестве альтернативного топлива сегодня привлекает внимание энергетиков всего мира. Связано это, прежде всего, с возобновляемостью данного топливного ресурса и с его экологической чистотой - растительные отходы поглощают оксидов углерода больше, чем выделяется при их сжигании [1].
В большинстве развитых стран имеются долгосрочные программы по биоэнергетике. Так в Финляндии, занимающей ведущее место в области изучения и использования биотоплива, соответствующие исследования ведутся по программе Б10ЕКЕК01Л, включающей около 60 проектов и финансирующейся в объеме 50 млн. дол. Подобные работы ведутся также в ряде стран мира - США, Канаде, Японии, Дании, Польше, Чехии и др. Тем не менее, биотопливо пока занимает скромное место в топливных балансах сельхозпредприятий [1].
Значительное количество растительных отходов (соломы, лузги) скапливается в сельском хозяйстве при переработке зерновых культур, и эти отходы по отношению к массе собранного урожая составляют, %: пшеница - 175, кукуруза -120, рис - 180, соевые бобы - 260 хлопок - 300 [2].
В России создание технологий по энергетическому использованию растительной биомассы осуществляется в рамках Государственной научно-технической программы «Экологически чистая энергетика». Однако энергетическое использование биомассы ограничивалось в основном промышленной энергетикой. Связано это с тем, что в нашей стране разработка техники, использующей в качестве топлива растительные отходы, велась в основном в области использования отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности, так как на подобных пред-
приятиях скапливались большие объемы отходов. К тому же отсутствовал экономический стимул, так как в структуре затрат сельскохозяйственной продукции энергозатраты составляли 2.. .5 %, а стоимость энергоносителей была крайне низкой (в течение нескольких десятилетий электроэнергия сельхозпредприятиям отпускалась по цене 1 коп./кВт-ч).
В последние годы ситуация с энергообеспечением сельхозпредприятий резко изменилась. Невероятный рост цен на энергоносители значительно увеличил (до 20...40 %) долю энергозатрат в себестоимости сельхозпродукции. Это принуждает к изысканию новых более экономичных вариантов энергообеспечения, одним из которых является использование биомассы растительных отходов сельскохозяйственного производства.
В связи с введением в стране рыночных отношений в сельском хозяйстве получают широкое распространение малогабаритные цеха по переработке гречихи, подсолнечника и других культур. До 20...25 % от переработанной массы в этих цехах скапливается лузга, которая вывозится на свалку или сжигается примитивными способами. Это связано с материальными затратами на перевозку лузги на свалку и ухудшением экологической среды.
Особый интерес с точки зрения получения и использования тепловой энергии представляет лузга гречихи. Для нее не требуется предварительная подготовка перед сжиганием (распилка, дробление, измельчение), и потребителем тепловой энергии, полученной от сжигания лузги, является тот же процесс, от которого получена лузга - термомеханическая переработка гречихи для производства гречневой крупы. Расчеты и поисковые опыты показывают, что от эффективного сжигания лузги можно получить тепловой энергии в 2 раза больше, чем требуется на гидротермическую обработку гречихи. Излишки энергии могут быть использованы на отопление производственных помещений и нагрев воды для коммунальнобытовых целей (душ и др.). Перспективы энергетического использования лузги подтверждаются и следующими данными: 4,5 кг гречневой лузги эквивалентно 1 кг жидкого топлива, а выход лузги при переработке гречихи составляет 19.27 %.
Однако предварительные опыты показали, что лузга гречихи в обычных условиях горит плохо (тлеет) с выделением большого количества дыма, и для ее эффективного сжигания необходимо специальное топочное устройство, обеспечивающее оптимальные режимы горения. К тому же лузга обладает высокой парусностью и низкой насыпной плотностью. Это накладывает дополнительные условия на подачу ее в топочное устройство.
ВИИТиНом разработано топочное устройство для сжигания лузги гречихи в кипящем слое. Конструктивное исполнение и принципы его работы приведены в работе [3].
В кипящем слое мелкозернистые частицы лузги под действием аэродинамических сил потока воздуха, подаваемого через специально выполненную колосниковую решетку, переходят в подвижное состояние и совершают беспорядочное движение в некотором объеме над колосниковой решеткой. При повышении скорости воздуха, продуваемого через слой, наступает момент, когда при определенной скорости перепад давления в слое численно станет равным весу частиц, приходящихся на единицу площади решетки, частицы лузги опираются теперь не на поддерживающую решетку, а на поток воздуха. Сцепление между ними нарушается, они становятся подвижными, высота и порозность слоя увеличиваются, и он как бы кипит. Исследования показали, что при таком режиме работы топочного устройства наблюдается наиболее интенсивное горение лузги гречихи.
Эффективность сжигания лузги гречихи оценивали по температуре топочных газов, которая прямо пропорционально зависит от выделенной теплоты сгоревшей лузги, то есть чем выше температура топочных газов для данного количе-
ства топлива, тем больше полнота сгорания и тем меньше химический и механический недожег. Полнота сгорания лузги зависит от величины загрузки ее в единицу времени, толщины слоя, способа и количества подаваемого воздуха через колосниковую решетку.
Результаты исследований показали (рис. 1), что наиболее эффективный режим горения достигается при подаче воздуха через колосниковую решетку 700.800 м3/ч, этому соответствует температура топочных газов 670 °С, расход лузги 110.120 кг/ч (рис. 2). При этом удельный расход воздуха для топочного устройства составлял 7 м3 на 1 кг лузги.
Рис. 1 Изменение средней установившейся температуры топочных газов:
QВ - подача воздуха в топочное устройство, м3/ч;
Г - температура топочных газов, °С
Важную роль в снижении неполноты горения играет механизация топочных устройств. Так, например, в ручных топках из-за периодической загрузки топлива процесс горения характеризуется неравномерным распределением воздуха. В период после загрузки свежей порции лузги, то есть в период интенсивного выделения летучих, топка работает с недостатком воздуха из-за увеличения толщины слоя, что приводит к образованию продуктов неполного горения. Далее по мере выгорания топлива его слой уменьшается и в топку поступает больше воздуха, что приводит к увеличению потерь с уходящими газами и отрицательно сказывается на выбросах в атмосферу. Это несоответствие между количеством необходимого и фактически подаваемого воздуха особенно характерно для топлив с большим выходом летучих, к которым относится и лузга гречихи.
Для исключения указанных недостатков в топочном устройстве применен для подачи высокопарусной лузги пневмозабрасыватель, который подает лузгу в топку путем вдувания ее потоком воздуха под давлением. Вдуваемый воздух не только загружает топку лузгой, но и обеспечивает завихрение частиц в топочном пространстве, что обеспечивает горение их во взвешенном состоянии. Кроме того, воздух пневмозабрасывателя перемешивается с частицами лузги, что активизирует процесс горения. Расход воздуха пневмозабрасывателя устанавливался с таким расчетом, чтобы его скорость на выходе выгрузного патрубка была больше скорости витания частиц гречневой лузги.
В результате опытов было установлено, что производительность пневмозабрасывателя при одном и том же расходе воздуха на выходе выгрузного патрубка
(100 м3/ч) зависит от количества воздуха, подаваемого через колосниковую решетку (рис. 2), что связано с избыточным давлением воздуха в топочном устройстве.
Для обеспечения наилучших условий горения лузги необходимо, чтобы неравномерность ее распределения по поверхности зеркала горения была наименьшей.
Рис. 2. Зависимость производительности пневмозабрасывателя от расхода воздуха подаваемого на процесс горения:
Qт - расход топлива, кг/ч; Qв - подача воздуха, м3/ч
В результате опытов было установлено, что на неравномерность распределения лузги гречихи оказывают влияние следующие параметры: высота расположения забрасывателя над плоскостью разброса к3, угол наклона забрасывателя к плоскости разброса аЗ, а также скорость движения воздуха на выходе забрасывателя УВ.
Для определения функциональной зависимости влияния вышеуказанных величин на неравномерность распределения лузги по поверхности разброса был проведен многофакторный эксперимент. При этом был принят некомпозиционный план второго порядка на кубе типа Бокса-Бенкина [4].
Для обеспечения равномерности внесения элемента случайности влияния неуправляемых и неконтролируемых факторов на отклик была использована рандомизация проведения опытов [5].
В результате обработки опытных данных была найдена полиноминальная зависимость коэффициента неравномерности от вышеуказанных факторов
^пер = 0,77176-0,13242х1 х2 + 0,12342х1 х3 -0,1898х2х3 + 0,06099х|. (1)
Переход от кодированных значений (хь х2, х3) факторов к натуральным (ИЗ, аЗ, Qв) осуществляется по формулам:
Из =81 -х1 +Ъз0; аз =82 •х2 +аз0; ^ = 83 • х3 + Увo,
где 8!, 82, 83 - интервалы варьирования факторов; ИЗ0, аЗ0, ¥В0 - основные уровни факторов в натуральных выражениях.
Адекватность полученной модели проверялась по критерию Фишера.
Таким образом, описанные выше конструктивная схема и результаты исследований являются основанием для разработки и производства топочных устройств с пневмоподачей топлива и горением его в кипящем слое с использованием в качестве топлива лузги гречихи и других мелкозернистых растительных отходов с низкой насыпной плотностью и высокой парусностью.
Список литературы
1. Зысин Л.В., Кошкин Н.Л. Некоторые итоги применения растительной биомассы в энергетике развитых стран // Теплоэнергетика. - 1997. № 4. -
С. 28-32.
2. Пермяков Б.А., Журавский Г.И., Аристархов Д.В., Сергеев С.М. Разработка и исследование энерго- и ресурсосберегающих технологий получения топлива из растительной массы //Энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 2-й международной научно-технической конференции. Часть 2. - Москва: ВИЭСХ, 2000. - С. 527-531.
3. Самодуров А.В. К вопросу разработки устройства, использующего в качестве топлива мелкозернистые растительные отходы // Труды ТГТУ: Сб. научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 10. - Тамбов: Издательство Тамб. гос. техн. ун-та, 2002.
4. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. - М.: Финансы и статистика, 1981. -263 с.
5. Мельников С.В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. - Л.: Колос, 1980. - 168 с.
Investigation of Furnace Working Modes for Efficient Burning of Vegetation Waste
A.M. Shuvalov, A.V. Samodurov
All-Russian Scientific Research and Technology Designing Institute of Equipment and Oil Products Application in Agriculture, Tambov
Key words and phrases: boiling layer; husks; pneumatic spreader; burning process; air consumption; vegetation waste; furnace; energetic usage.
Abstract: Necessity of conducting research of vegetation waste usage as fuel is motivated. Peculiarities of buckwheat husks burning possessing low spreading density and high flying, kinetics of husks feeding using pneumatic spreader are given. The results of investigating husks burning modes in the furnace with boiling water and dependence of pneumatic spreader output on air consumption required for normal burning process are revealed. Regression equation setting the dependence of husks irregularity coefficient on the location height, feeder bend angle and air motion velocity on its output is given.
Forschung der Arbeitsregimes der Feuerneinrichtung ftir das wirksame Verbrennen der Pflanzenabfalle
Zusammenfassung: In der Arbeit ist die Aktualitat der Durchfuhrung der For-schungen nach der Nutzung der Pflanzenabfalle als der Brennstoff begrundet. Es sind die Besonderheiten des Verbrennens der Buchweizensschale, die uber die niedrige auf-
geschuttete Dichte und hochen Segelumfang verfugt, die Kinetik der Schaleabgabe mit der Nutzung der Luftdruckeinwurfvorrichtung angefuhrt. Es sind die Ergebnisse der Forschung der Regimes des Schalebrennens in der Feuerneinrichtung mit der siedenden Schicht und auch die Abhangigkeit der Produktivitat der Luftdruckeinwurfvorrichtung vom Luftaufwand, der fur die Versorgung des normalen Prozesses des Brennens ge-reicht wird, abgespiegelt. Es ist die die Abhangigkeit des Koeffizienten der Ungleich-maftigkeit der Schale von der Hohe der Anordnung aufstellte Gleichung des Ruck-schritts, des Neigungswinkels der Einwurfvorrichtung und der Geschwindigkeit der Luftbewegung auf ihrem Ausgang angefuhrt.
Etude des regimes de travail du dispositif de la chauffe pour le brulage
des dechets vegetaux
Resume: Dans Particle on explique l’actualite des etudes de l’utilisation des dechets vegetaux en qualite du combustible. On a nomme les particularires du brulage des dechets du sarrasin qui possedent une basse densite du remblai et de la haute volante ainsi que la cinetique du debit des dechets avec l’emploie du dispositif pneumatique du remblai. On a refelete les resultats des etudes du brulage des dechets dans le dispositif de la chauffe avec une couche bouillante ainsi que la dependence de la capacite du travail du dispositif pneumatique du remblai de l’air debite pour l’assurance du processus normal du brulage. On a cite l’equation de la regression qui etablit la dependence du coefficient de la disproportion des dechets de la hauteur de la disposition, de l’angle du declin du dispositif du remblai et de la vitesse du mouvement de l’air a sa sortie.
