CC BY
10
УДК 628.475.7:631.863
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДАЧИ ПОМЕТА, ВОЗДУХА И ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ УТИЛИЗАЦИИ
ПОДСТИЛОЧНОГО ПОМЕТА
Ю.Г. Иванов, доктор технических наук А.Ф. Шафеев, кандидат технических наук
A.Л. Дмитриевский, кандидат технических наук ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева E-mail: dmitrievskiy@rgau-msha.ru
B.В. Кирсанов, доктор технических наук
ФГБНУ Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ E-mail: kirvv2014@mail.ru
Аннотация. Существующие конструкции твердотопливных котлов не позволяют сжигать подстилочный помет из-за его высокой зольности и легкоплавкости золы. Амплитуда производимой тепловой энергии может достигать 60%. С целью устранения проблем область горения разделяется на пять отдельных зон с управляемыми температурными режимами: сушки и испарения влаги, возгонки летучих веществ, горения углерода, горения горючих газов, догорания продуктов газификации. Для обеспечения управляемых температурных режимов по зонам предложено синхронизировать подачу помета дозатором питателя и колосниками с расходом воздуха, а также дымовых газов при их рециркуляции. Разработаны математические модели дозированной подачи в камеру горения котла подстилочного помета, а также воздуха и дымовых газов. В соответствии с полученными параметрами были проведены экспериментальные исследования установки. Разработанные математические модели подачи помета, воздуха и дымовых газов в камеру сжигания твердотопливного котла для термической утилизации подстилочного помета позволили оптимизировать режимы процесса сжигания и утилизировать подстилочный помет без образования шлака, забивания золой теплообменников, при снижении амплитуды колебаний тепловой мощности с 60 до 20% и увеличении межсервисного периода работы установки с 1 до 45 дней. Ключевые слова: термическая утилизация, горение помета, подстилочный помет, рециркуляция дымовых газов, шлак,утилизация помета.
Введение. Попытки сжигания помета в традиционных твердотопливных котлах показали, что уже в первые дни эксплуатации возникают систематические отказы из-за образования шлаков на колосниковой решетке и забивания золой теплообменных поверхностей. Значительная амплитуда колебаний производимой тепловой энергии (до 60% и более), затрудняет возможность использования установки для теплоснабжения птицефабрики. При этом выбросы в окружающую среду превышают нормативные значения и не поддаются управлению [1-4].
Исследования закономерностей термического разложения подстилочного помета показали, что при температуре выше 400-450°С наблюдается всплеск интенсивности горения летучих составляющих с резким возрастани-
ем температуры, которое приводит к расплавлению компонентов помета и образованию шлаков. Для решения проблемы предложено область горения разделить на отдельные зоны с управляемыми режимами: сушки и испарения влаги (до 150°С), возгонки летучих веществ (от 150 до 400°С), горения углерода (до 450°С), горения горючих газов (600-900°С), догорания продуктов газификации (до 950°С) [5-8].
Для обеспечения управляемых температурных режимов в зонах сушки и горения предлагается синхронизировать работу дозатора питателя помета и колосников с расходом воздуха, а также рециркуляцией дымовых газов. В настоящей работе рассматриваются математические модели подачи помета, воздуха и дымовых газов в камеру сжигания
твердотопливного котла для термическом утилизации подстилочного помета.
Математическая модель дозированной подачи подстилочного помета в камеру горения котла. Установление соответствия между подачей помета дозатором питателя и колосниками необходимо для обеспечения равномерности движущегося потока подстилочного помета во избежание неуправляемых значений температуры в зонах сушки и горения. При этом важно учитывать изменение его массы по мере нагрева [5,7].
Часовая производительность дозатора питателя определяется из выражения:
Со=5-/-А,- ^упл • <Рзап ■ Пц , (1)
где S - площадь сечения поршня, м2; I -ход поршня питателя, м; рн- насыпная плотность подстилочного помета в бункере, кг/м ; ^упл - коэффициент уплотнения, зависящий от диаметра, хода поршня питателя, влажности подстилочного помета (1,1-1,2); фзап - коэффициент заполнения поршневого пространства (0,8-0,9); пц - число циклов работы питателя в час.
Продолжительность паузы (цикличность подачи) работы дозатора будет равна циклу сушки подстилочного помета в первой зоне
^ ~ , (2)
где тз - продолжительность заполнения питателя (Тхх - время холостого хода, что соответствует паузам между рабочими ходами), с; тцС1 - продолжительность цикла сушки подстилочного помета в первой зоне, с:
'^цс1 + , (3)
где Трх - время совершения рабочего хода, с; тс -«чистое» время нахождения подстилочного помета в первой зоне, с: тг
К = /(™пп,Ат,шВл) , (5)
где Дт - время сушки, с; тпп - масса подстилочного помета, кг.
Производительность колосников по зонам рассчитывается по выражению:
Gv
^К^'Рн'^ФуПЛ'ФзаП^-К^ = Äii
(6)
где йк - производительность колосника в 1-й зоне, кг/ч; 5к. - площадь колосника в 1-й зоне (колосников), м ; ДКк - потеря высоты слоя в 1-й зоне, м; Дт^ - время пребывания в 1-й зоне, с; I -зоны I, II и III.
Закономерность изменения массы подстилочного помета при сгорании в зонах I, II и III определяется путем анализа экспериментальной кривой возгонки летучих веществ в зависимости от температуры нагрева и после аппроксимации имеет вид:
N = -10-4- ^ + 0,211- г- 1,2626 , (7) где N - процент выхода летучих веществ из п одстилочного помета от общей массы, %; I - температура нагрева, °С.
Экспериментальная зависимость изменения массы подстилочного помета от температуры нагрева от 20 до 950°С представлена на рисунке 1.
\ jr
A /
* ^
\ ✓
* ^r
( jT
V /
h \ /
h '-----X ! \ !
/ i \
h f 1 = 4
; """
i; j rj!
10
0
-10
-20 £
■ -30
Ei
■io 1
-50
-70
о
Ен
-S0
-1С0
itTirtkAkSiSkftSKtiitOoJiJiifiOaOHHrj
^ВЛ (4)
-с1 = ^ , (4)
где швл - масса влаги, удаляемой из под стилочного помета в первой зоне, кг; скорость сушки, кг/с:
^с -
Время, с
~ 1, оС---Потеря мессы. %
Рис. 1. Зависимость изменения массы подстилочного помета от температуры нагрева по зонам
При сгорании подстилочного помета, перемещающегося колосниками последовательно по зонам I, II и III, происходит уменьшение его массы по следующим закономерностям для каждой зоны: ДЦ = -10-5-г2 -0,0069-г + 0,0316, 20<I< 150
ДМ2 =-10-4-г2 + 0,0045-г-1,5586, 150 < I < 400 /оч
(8)
ДМ3 =-0,3-10-3-г2 -0,0598-г-7,353, 400<I<450 I = 0,3328-г -57,412
где АМ1 - изменение массы подстилочного помета в первой зоне, кг; ДМ2 - изменение массы подстилочного помета во второй зоне, кг; ДМ3 - изменение массы подстилочного помета в третьей зоне, кг; г - время нагрева, с; / - температура нагрева, °С.
Обязательным условием непрерывности потока цикла сжигания подстилочного помета является:
^пит — ^зонах — ^зона2 — ^зона3 ■ (9)
Выражения 1 -9 представляют собой математическую модель дозированной подачи подстилочного помета, позволяющую организовать необходимую скорость движения помета с подстилкой и соответствующую цикличность подачи дозатором питателя и колосниками по зонам сушки и горения с учетом изменения массы по мере прохождения по зонам установки.
Математическая модель подачи воздуха и дымовых газов основывается на расчете объема воздуха для горения смеси экспериментально установленного химического состава: углерода, водорода, серы, кислорода и азота [6]. Горючими элементами их них, как известно, являются С, Н и Б.
Аналитическая зависимость для определения расхода воздуха ЬГ, необходимого для сгорания 1 кг смеси подстилочного помета с учетом избытка воздуха 180-200% к теоретически необходимому, имеет вид:
¿Г = 0,267 • а • (^(С)/3 + ^(Я) + ^(5)/8-^(0)/8), м3/кг (10)
где а - коэффициент избытка воздуха; ю - массовые доли элементов, %.
Аналитическая зависимость массового расхода воздуха, требуемого для обеспече-
ния сжигания 1 кг подстилочного помета при влажности от 35 до 60%, имеет вид:
¿возд = -0,0167Ж2 - 0Д1045Ж + 3,7514, м3/кг. (11)
При этом зависимость низшей теплоты сгорания подстилочного помета от его влажности определяется из выражения:
= -56,086Ж2 - 389,61Ж + 10445, кДж. (12)
Для недопущения в третьей зоне температуры выше 450°С с целью снижения концентрации кислорода предлагается уменьшить подачу первичного воздуха и одновременно подавать в эту зону дымовые газы, при этом объем подаваемой газовой смеси остается неизменным.
Для расчетов и контроля концентрации кислорода в третьей зоне горения получено выражение:
ф (О2) = 0,21 - [0,21 - (О2) д], (13)
где Ксм - объем газовой смеси, которая подается в зону III, - объем подаваемых дымовых газов, ^,($2) - объемная доля кислорода в дымовых газах.
Выражение для определения доли дымовых газов (ф), которые надо добавить в подаваемый воздух в зону 3 при превышении температуры выше плавления шлака:
-tsZ£cn-, (14)
где - температура в зоне спекания шлаков; ?сп - температура спекания шлаков, для каждого вида подстилки может быть определена экспериментально; А:д=10000 - коэффициент, полученный по экспериментальным данным, °С/доля; 0,21 - доля кислорода в воздухе.
Выражения 10-14 представляют собой математическую модель расхода воздуха и дымовых газов по зонам горения.
Разработанные математические модели (1-14) позволяют синхронизировать входные параметры установки по подаваемому подстилочному помету, расходу воздуха и дымовых газов для оптимизации режимов термической утилизации подстилочного помета в твердотопливных котлах.
Результаты исследования. Приведенные расчеты были проверены при проведении производственных испытаний усовершенствованной установки. Ввиду конструктивных особенностей питателя установки необходимо при подаче помета дозатором сформировать горку в начале первой зоны, образующую противопожарный затвор (рис. 2). Подобранные режимы работы, основанные на приведенных выше математических моделях (рис. 2), по сравнению с базовым режимом обеспечили снижение колебаний тепловой мощности установки с 60% до 20% (рис. 3).
400
350
2 300
ОС о 250
5
CD 200
X
s 150
о 1- 100
50
0
/
'ч V
\ \ i
N
>4 N. X
-ч 4
Зона I Зона 11 Зона III
Высота подстилочного помета
Зоны горения слоя
• в топке базовой установки
---в топке усовершенствованной установки
Рис. 2. Высота подстилочного помета в топках базовой и усовершенствованной установок
^н ^н ^н —
Время,ч
Рис. 3. Колебания тепловой мощности в базовой и усовершенствованной установках
Результаты исследований по регулировке температурных режимов в устройстве показали, что оптимальным является диапазон температур в зоне III - 400-450°С и зоне IV -820-920°С (рис. 4). Данные режимы горения подстилочного помета обеспечивают его полное сгорание, предотвращают образование шлака, а также химический и механический недожег. Уровень содержания СО и N0 в атмосферных выбросах находится в пределах 10-50 ррт при содержании кислорода 15-16,5%.
1000 800
и ° ° 600 (б о.
£
о. 400
01
200
900 10 950 00 1200 1000 800 T fO 600 ® 1 400 о CO 200
j /Is /1 4
390 400 / / \ \
/ i i i \ 370
120 i
85
140
— j
110
0
II
III
IV V Зоны горения ПП
■Температура в зонах топки
---Подача воздуха
Рис. 4. Температура и подача воздуха по зонам установки
Поддержание необходимой температуры в установке обеспечивается регулировкой подачи первичного воздуха и дымовых газов в зоны горения. При этом их расход составляет: в зону I - 85 м3/ч, в зону II - 140 м3/ч (смесь воздуха и дымовых газов 1/1), в зону III - 110 м3/ч, в зону IV - 1000 м3/ч, в зону V - 370 м /ч (рис. 4). Расход подстилочного помета составил 0,5 т/ч при его влажности 45-50%.
Выводы. Разработанные математические модели подачи помета, воздуха и дымовых газов в камеру сжигания твердотопливного котла для термической утилизации подстилочного помета позволили оптимизировать режимы процесса сжигания и утилизировать подстилочный помет без образования шлака,
0
забивания золой теплообменников, при снижении амплитуды колебаний тепловой мощности с 60 до 20% и увеличении межсервисного периода работы установки с 1 до 45 дней.
Литература:
1. Особенности сжигания подстилочного помета при термической утилизации / Иванов Ю.Г. и др. // Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина. 2015. № 1. С. 25-30.
2. Иванов Ю.Г. Термическая утилизация птичьего помета // Сельский механизатор. 2015. № 9. С. 32-33.
3. Иванов Ю.Г., Целиков В.В., Шафеев А.Ф. Экспериментальная установка для экологической утилизации подстилочного помета с выработкой тепловой энергии // Актуальные вопросы науки и практики как основа производства экологически чистой продукции сельского хозяйства. Махачкала, 2014. С. 186-193.
4. Особенности сжигания подстилочного помета в твердотопливных котлах / Иванов Ю.Г. и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2015. № 4. С. 220-224.
5. Use of the bedding manure of the poultry farms for the development of heat and complex fertilizers / Ivanov Y.G. and etc. // British journal of innovation in science and technology. 2017. Vol. 2. P. 31-39.
6. Иванов Ю.Г. Особенности расчета воздуха для обеспечения процесса горения подстилочного помета в твердотопливных котлах // Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина. 2017. № 3(79). С. 12-15.
7. Обоснование параметров дозированной подачи помета с подстилкой при сжигании в твердотопливных установках / Иванов Ю.Г. и др. // Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина. 2017. № 4. С. 13-17.
8. Иванов Ю.Г., Шафеев А.Ф.,Белопухов С.Л. Перспективы применения установок для термической
утилизации помета птицефабрик // Мобильная энергетика в сельском хозяйстве: состояние и перспективы развития. Чебоксары, 2018. С. 309-314.
Literatura:
1. Osobennosti szhiganiya podstilochnogo pometa pri ter-micheskoj utilizacii / Ivanov YU.G. i dr. // Vestnik MGAU im. V.P. Goryachkina. 2015. № 1. S. 25-30.
2. Ivanov YU.G. Termicheskaya utilizaciya ptich'ego pometa // Sel'skij mekhanizator. 2015. № 9. S. 32-33.
3. Ivanov YU.G., Celikov V.V., SHafeev A.F. Eksperi-mental'naya ustanovka dlya ekologicheskoj utilizacii podstilochnogo pometa s vyrabotkoj teplovoj energii // Aktu-al'nye voprosy nauki i praktiki kak osnova proizvodstva ekologicheski chistoj produkcii sel'skogo hozyajstva. Ma-hachkala, 2014. S. 186-193.
4. Osobennosti szhiganiya podstilochnogo pometa v tver-dotoplivnyh kotlah / Ivanov YU.G. i dr. // Vestnik VNI-IMZH. 2015. № 4. S. 220-224.
5. Use of the bedding manure of the poultry farms for the development of heat and complex fertilizers / Ivanov Y.G. and etc. // British journal of innovation in science and technology. 2017. Vol. 2. P. 31-39.
6. Ivanov YU.G. Osobennosti rascheta vozduha dlya obe-specheniya pro-cessa goreniya podstilochnogo pometa v tverdotopliv-nyh kotlah // Vestnik MGAU im. V.P. Goryachkina. 2017. № 3(79). S. 12-15.
7. Obosnovanie parametrov dozirovannoj podachi pometa s podstilkoj pri szhiganii v tverdotoplivnyh ustanovkah / Ivanov YU.G. i dr. // Vestnik MGAU im. V.P. Goryachkina. 2017. № 4. S. 13-17.
8. Ivanov YU.G., SHafeev A.F.,Belopuhov S.L. Perspek-tivy primeneniya ustanovok dlya termicheskoj utilizacii pometa pticefabrik // Mobil'naya energetika v sel'skom hozyajstve: sostoyanie i percpektivy razvitiya. CHeboksary, 2018. S. 309-314.
MODELING OF MANURE, AIR AND FLUE GASES SUPPLY FOR BEDDING DING'S THERMAL DISPOSAL Y.G. Ivanov, doctor of technical sciences A.F. Shafeev, candidate of technical sciences A.L. Dmitrievsky, candidate of technical sciences FGBNU VO RGAU-MSHA named after K.A. Timiryazev V.V. Kirsanov, doctor of technical sciences
RUSSIAN Federal research center of agricultural engineering VIM
Abstract. Existing designs of solid fuel boilers do not allow to burn bedding ding due to its high ash content and ash's low-melting. The produced heat energy's amplitude can reach up to 60%. For the burn problems solving aim the burning area is divided into five separate zones with controlling temperature conditions: moisture's drying and evaporation, volatile substances' sublimation, carbon's burning, combustible gases' burning, and gasification products out-burning. To ensure controlling temperature conditions for zones, it is proposed to synchronize the ding's supply by the power dispenser and grates with the air flow rate's consumption, as well as flue gases during their r e-circulation. The mathematical models of dosed supply to a combustion chamber of the boiler for bedding ding, as well as air and flue gases are developed. In accordance with the obtained parameters, this installation's experimental studies were carried out. Developed mathematical models of the bedding ding, air and flue gas in a combustion chamber for the solid fuel boiler supplying for bedding ding's thermal utilization had allowed regimes of the bedding ding's combustion and dispose processes without slag formation, heat exchangers by ash clogging at heat power capacity's oscillations amplitude from 60 till 20% reducing and extended service period operation from 1 to 45 days increasing to optimize.
Keywords: thermal utilization, dung combustion, bedding dung, flue gases recirculation, slag, ding's disposal.
