CC BY
70
УДК 628.475.7:631.862
ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ ПОДСТИЛОЧНОГО ПОМЕТА В ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ КОТЛАХ
Ю.Г. Иванов, доктор технических наук, зав. кафедрой
A.Ф. Шафеев, соискатель РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
B.В. Целиков, технический директор ЗАО «АлькаТэк»
E-mail: shafeev.af@yandex.ru
Аннотация. В работе представлены результаты лабораторных и экспериментальных исследований по термической утилизации подстилочного помета птицефабрик для производства тепловой энергии в твердотопливных котлах. Приведены результаты теплотехнических характеристик подстилочного помета. Установлено, что подстилочный помет близок по составу к древесному топливу и может быть использован в качестве топлива для отопления птичников. Отмечены основные проблемы, возникающие при сжигании подстилочного помета. Установлено, что основными проблемами, затрудняющими утилизацию подстилочного помета путем прямого сжигания, являются широкий разброс минимальной и максимальной теплотворной способности данного топлива, а также высокая степень минерализации подстилочного помета, что подтверждается образованием крупных агломератов (спёков) топочной золы, препятствующих нормальной работе колосниковой решетки и системы золоудаления. Определены критические температуры плавления подстилочного помета. Проведен анализ макро- и микроэлементного состава шлака, получаемого в результате горения подстилочного помета. По результатам проведенных исследований предложена установка мультизонового сжигания с регулируемыми параметрами. Установка оснащена топкой с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой, состоящей из неподвижных и подвижных колосников. Топочное устройство разделено на несколько зон горения, обеспечи -вающих максимально эффективный процесс сжигания подстилочного помета. Установка обеспечивает эффективную работу по термической утилизации подстилочного помета птицефабрик с межсервисным интервалом не менее 45 дней за счет формирования устойчивого теплового потока, устранения образования агломерации на колосниковой решетке и отсутсвия роста отложений на теплообменных поверхностях из-за расплавленных частиц золы. Практическая реализация экспериментальной установки по утилизации подстилочного помета и производству тепловой энергии позволит бройлерным птицефабрикам существенно сократить производственные затраты и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Ключевые слова: птицефабрика, экологическая безопасность, подстилочный помет, термическая утилизация помета, твердотопливный котел, тепловая энергия, энергоснабжение птицефабрики.
Известно, что птицефабрики в РФ ежегодно образуют около 15 млн т куриного помета, из которого более 8 т составляет подстилочный помет. Существующие способы его переработки не обеспечивают полной утилизации, в связи с чем скапливается огромное количество разлагающегося материала, являющегося отходом 3-го класса опасности. Анализ способов переработки подстилочного помета (ПП) показывает, что одним из наиболее перспективных путей решения утилизации является его сжигание и получение тепловой энергии для собственных нужд птицефабрики.
Несмотря на широко распространенное производство твердотопливных котлов для различных видов топлива, в настоящее время не производятся котлы, предназначенные для сжигания помета [1-3].
В целях создания установки по энергетической утилизации подстилочного помета птицефабрик, авторами с 2010 г. проведен цикл лабораторных и производственных исследований по термической утилизации ПП на разрабатываемых образцах топочных устройств различного типа (с горизонтальной неподвижной колосниковой решеткой с шурующей планкой и неподвижным слоем
топлива, в топке с кипящим слоем, с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой). В работе принимали участие НП «НИЦ ИнЭн», РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, ОАО «ВТИ», ООО «НПП Белкотломаш». Лабораторные исследования проводились на кафедре автоматизации и механизации животноводства, химический состав золы определялся в Испытательном центре почвенно-экологических исследований в РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. Производственные исследования проводятся на базе птицефабрики ЗАО «Загорский бройлер» Московской области, г. Сергиев Посад [4,5]. Исследования показывают, что подстилочный помет даже в условиях длительной естественной сушки сохраняет высокую влажность и по теплотехническим характеристикам близок по этому показателю к древесному топливу по значению теплоты сгорания, но значительно превосходит древесину по значению зольности. Обращает на себя внимание высокое для биомассы содержание серы, что создает потенциальную опасность низкотемпературной коррозии металла рабочего колеса дымососа, циклонов и последующих по ходу газов поверхностей нагрева (табл. 1).
В ходе исследований также установлено, что минеральная часть подстилочного помета обогащена оксидами щелочных металлов и кремния и имеет низкие плавкостные характеристики, в связи с чем в процессе сжигания могут образовываться эвтектики, способствующие интенсивной агломерации и спеканию золы. Результаты исследований по определению критических температур плавления подстилочного помета представлены в таблице 2. Исследования показывают, что температура в рабочей зоне топки не должна превышать 970°С.
Таблица 2. Результаты исследований по определению критических температур плавления подстилочного помета, °С
Плавкость Проба подстилочного помета Зола подстилочного помета
Температура деформации 970 970
Температура полусферы 1210 1330
Температура растекания 1300 >1350
Проведенные исследования выявили ряд проблем, связанных со спецификой термической утилизации подстилочного помета.
1. Существует широкий разброс минимальной и максимальной теплотворной способности данного топлива из-за его неоднородного состава, затрудняющего обеспечение стабильного горения и устойчивого теплового потока. При исследовании опытных образцов установок были отмечены значительные колебания тепловой мощности, достигающие 40%. Причиной неравномерности является периодический характер горения топлива с чередованием периодов сушки, воспламенения и горения топлива.
2. При проведении исследований установлена высокая степень минерализации подстилочного помета, что было подтверждено образованием крупных агломератов (спёков) топочной золы, препятствующих нормальной работе колосниковой решетки и системы золоудаления (рисунок). Основная причина спекания золы - повышенные по сравнению с плавкостными характеристиками значения температур в топке.
Таблица 1. Сопоставление теплотехнических
характеристик подстилочного материала, _древесного топлива и торфа _
Наименование Подстилочный Древесное Торф
показателя материал топливо
Содержание ^^ =36-37,4 ^^ =40 ^^ =50
влаги, %
Зольность, % Aг =9,09- 9,4 ^ = 0,6 ^ = 6,3
Содержание Sгt = 0,6 -0,7 Sгt = 0 Sгt = 0,1
серы, %
Содержание С = 27,0 С = 30,3 С = 24,7
углерода, %
Содержание № = 3,4 № = 3,6 № = 2,6
водорода, %
Содержание N = 2,7 N = 0,4 N = 1,1
азота, %
Содержание Oг = 19,5 Oг = 25,1 Oг = 15,2
кислорода, %
Теплота сгора- 2270-2320 2440 1940
ния низшая,
ккал/кг
Выход летучих
составляющих на горючую 83,31 85 70
массу, %
Лоигпа! оГ УШТ^Н №4(20)-2015
221
Рис. Срез агломерата топочной золы подстилочного помета
Как видно, получаемые агломераты по своему составу неоднородны. В связи с этим, для проведения исследований шлак разделили по толщине на три части: на слой, непосредственно прилегающий к колосниковой решетке (проба серая «а»); средний слой рыжий рыхлый «б»; верхний слой черный пористый «в». Во всех пробах определен макро- и микроэлементный состав, выполненный методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) на вакуумном спектрометре последовательного действия (с дисперсией по длине волны), модель Axios Advanced производства компании PANalytical (Нидерланды, 2010 г.). Анализ выполнен по методикам НСАМ ВИМС, обеспечивающим получение результатов III категории точности количественного анализа по ОСТ РФ 41-08205-99. Анализы были проведены в лаборатории ОАО «ВТИ». Результаты анализа представлены в таблицах 3 и 4.
Таблица 4. Микроэлементный состав проб шлака
Наименование Шлак выгрузки, мг/кг
Слой «а» Слой «б» Слой «в»
Ванадий V 34 18 41
Кобальт Со 5 5 10
Марганец Мп 774 1471 2788
Медь Си 170 380 941
Мышьяк As < 5 < 5 < 5
Никель № 11 21 51
Свинец РЬ < 5 < 5 < 5
Стронций Sr 179 234 372
Хром Сг 52 53 67
Цинк 2п 204 743 216
Сумма мг/кг 2252 2935 4496
% 0,22 0,29 0,45
Химический состав шлака значительно различается по слоям. Придонный слой обогащен кремнием (66,63%), содержит пониженное содержание оксидов кальция, калия и фосфора по сравнению с золой топлива. Это связано, предположительно, с тем, что в придонный расплав диффундирует песок, находящийся изначально в корме, а затем в подстилочном помете, и реагирующий с расплавом с образованием клинкерных минералов. В промежуточном и верхнем слое шлака уменьшается содержание оксида кальция и увеличивается содержания кальция, калия и фосфора, т.е. их состав приближается к составу золы топлива. Обращает на себя внимание высокое содержание как оксидов щелочных металлов, так и оксида кремния, которые при сжигании топлива образовывают эвтектики с низкими температурами плавления, способствующие агломерации и спеканию золы. Следует отметить, что указанные специфичные особенности горения подстилочного помета являются характерными при применении его в качестве топлива методом прямого сжигания.
С учетом установленных особенностей подстилочного помета для повышения эффективности его сжигания на производственной базе ООО «НПП Белкотломаш» была разработана установка с мультизоновой системой горения с регулируемыми параметрами. Установка оснащена топкой с наклонно-переталкивающей колосниковой решеткой, состоящей из неподвижных и подвижных колосников.
Таблица 3. Макроэлементный состав проб шлака
Наименование показателя Шлак выгрузки, %
Слой «а» Слой «б» Слой «в»
Углерод (п.п.п.), масса 0,0 0,9 0,0
Диоксид кремния, SiO2 66,63 47,16 27,33
Диоксид титана, TiO2 0,22 0,16 0,35
Оксид алюминия, Al2O3 5,77 3,72 3,55
Оксид железа, Fe2O3 3,10 2,76 5,40
Оксид кальция,СаО 12,14 21,45 26,26
Оксид магния,MgO 1,72 3,62 5,96
Оксид калия, K2O 3,70 4,33 6,48
Оксид натрия, 1,37 1,80 2,64
Оксид фосфора, P2O5 4,06 11,29 19,05
Оксид серы, SO2 1,20 3,26 2,94
Хлор, С1 0,09 0,45 0,04
Сумма 100,00 100,00 100,00
Топочное устройство разделено на несколько зон горения, обеспечивающих максимально эффективный процесс сжигания подстилочного помета. Подстилочный помет предварительно проходит через сепаратор, отделяющий крупные комки и посторонние материалы, пропуская частицы помета размером не более 2,0 см. Далее механический ворошитель разрушает крупные частицы, и помет передвигается с помощью цепочно-планчатого транспортера в дозатор котла. Эти процессы способствуют получению более однородного состава топлива, подаваемого в топку.
Процесс горения подстилочного помета в топочном устройстве разделен на 5 зон:
1 - зона испарения влаги и возгонки летучих составляющих ПП;
2 - зона горения нелетучих составляющих ПП;
3 - зона дожига углерода;
4 - зона горения летучих составляющих ПП;
5 - зона дожига сложных углеводородов.
Основным фактором, влияющим на сушку и воспламенение в слое топлива, является температура в топке. Оптимальный диапазон температур в зонах топки 3, 4 и 5 - 820-950°С.
При снижении температуры ниже 820°С замедляется процесс воспламенения в верхней зоне решетки, при превышении температуры 950°С существует опасность интенсивного шлакования стен и потолка топки, а также горизонтального газохода. Кроме того, снижение температуры на выходе из топки ниже 820°С способствуют росту содержания оксида углерода в дымовых газах.
Анализ состава дымовых газов перед дымососом при таких режимах, выполненный с помощью переносного газоанализатора, показал, что содержание СО может возрастать до 500 ррт (мг/кг). В целом уровень атмосферных выбросов при сжигании подстилочного материала оказался невысоким. При соблюдении указанного температурного режима содержание окислов углерода и азота находилось в пределах 10-50 ррт при содержании кислорода 15-16,5%.
Разделение топочного пространства по зонам является приблизительным, так как процессы испарения влаги, возгонки и горения на колосниковой решетке точно разделить невозможно. Например, для испарения влаги и возгонки летучих составляющих в зоне 1 обеспечение необходимой температуры требует сжигания определенного количества топлива. Однако влажные и уплотненные комки топлива могут испарять влагу и возгоняться даже и зоне 3. Аналогичная ситуация с процессами горения и дожига летучих составляющих наблюдается в зонах 4 и 5. Однако управление подачи воздуха в каждую из зон раздельно позволяет организовать процесс сжигания ПП таким образом, что в каждой из зон преобладает тот или иной процесс.
В процессе режимно-наладочных работ удалось достичь следующих результатов:
- существенно снизить амплитуду (до 10%) колебаний мощности за счет применения рециркуляции дымовых газов в топку;
- предотвратить образование коксования подстилочного помета и золы подстилочного помета на колосниковой решетке;
- увеличить межсервисный интервал работы установки по термической утилизации помета до 45 дней - этого достаточно для обеспечения цикла выращивания бройлеров.
Практическая реализация экспериментальной установки по утилизации подстилочного помета и производства тепловой энергии позволяет бройлерным птицефабрикам получить ряд важных преимуществ:
- более эффективно использовать подстилочный помет, применяя его не только в качестве органического удобрения, но и в качестве топлива для автономного энергоснабжения птицефабрики;
- снизить капитальные затраты на строительство пометохранилищ;
- снизить экологическую нагрузку на окружающую среду путем утилизации токсичного продукта 3 -го класса - куриного помета - без необходимости длительного его хранения;
- минимизировать транспортные расходы на утилизацию, поскольку сжигание подсти-
^и^ of VNIIMZH №4(20)-2015
223
лочного помета производится непосредственно в котельной птицефабрики;
- получить дополнительный продукт в результате сгорания подстилочного помета -золу с большим содержанием фосфора, кальция, калия, без микроорганизмов, которая может быть использована в качестве минерального удобрения, для производства кормовых добавок, в строительных материалах в качестве одного из компонентов и др.
Литература:
1. Экологические и экономические перспективы развития промышленного птицеводства / Н.Н. Корнева и др. М.: ООО «НИПКЦ Восход-А», 2009. 208 с.
2. Лысенко В.П. Куриный помет - побочная продукция птицефабрик // Птица и птицепродукты. 2013. №5.
3. Технологии и технические средства для переработки помета на птицефабриках / В.И. Фисинин и др. М.: ООО «НИПКЦ Восход-А», 2011. 296 с.
4. Экспериментальная установка для утилизации подстилочного помета и производства тепловой энергии / Иванов Ю.Г. и др. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. М., 2014. Ч. 3. С.104.
5. Экспериментальная установка для экологической утилизации подстилочного помета с выработкой тепловой энергии / Иванов Ю.Г. и др. // Актуальные вопросы науки и практики как основа производства экологически чистой продукции сельского хозяйства. Махачкала, 2014. С. 186-193.
Literatura:
1. EHkologicheskie i ehkonomicheskie perspektivy raz-vitiya promyshlennogo pticevodstva / N.N. Korneva i dr. M.: OOO «NIPKC Voskhod-A», 2009. 208 s.
2. Lysenko V.P. Kurinyj pomet - pobochnaya produkciya pticefabrik // Ptica i pticeprodukty. 2013. №5.
3. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva dlya pererabotki pometa na pticefabrikah / V.I. Fisinin i dr. M.: OOO «NIPKC Voskhod-A», 2011. 296 s.
4. EHksperimental'naya ustanovka dlya utilizacii pod-stilochnogo pometa i proizvodstva teplovoj ehnergii / Ivanov YU.G. i dr. // EHnergoobespechenie i ehnergosbe-rezhenie v sel'skom hozyajstve. M., 2014. CH. 3. S.104.
5. EHksperimental'naya ustanovka dlya ehkologicheskoj utilizacii podstilochnogo pometa s vyrabotkoj tep-lovoj ehnergii / Ivanov YU.G. i dr. // Aktual'nye voprosy nauki i praktiki kak osnova proizvodstva ehkologicheski chistoj produkcii sel'skogo hozyajstva. Mahachkala, 2014. S. 186-193.
THE PARTICULARITIES OF LITTER DUNG'S BURNING IN SOLID FUEL FIRED BOILERS J.G. Ivanov, doctor of technical sciences, chair chief RGAU-MSHA named after K. A. Timiryazev A.F. Shafeev, general director V.V. Tselikov, technical director ZAO "Alca Tek"
Abstract. The paper presents the laboratory and experimental studies results on thermal utilization poultry plants' litter dung for the thermal energy in solid-fuel boilers' making. The results of the solid dung's thermal and technical characteristics are shown. It has found that the litter dung is similar in composition to fuel wood and can be used as fuel for poultry houses' heating. The major problems from the litter dung's combustion are noted. It is clarified that the major problems of the solid manure by direct combustion utilization's complicating, are a wide spread between this fuel calorific value's minimum and maximum, as well as a litter dung's mineralization high degree, that is evidenced by the burner ash large agglomerates' formation (sintering), preventing the furnace grate and ash-handling systems' normal operation. The critical temperature of the litter dung's melting are defined. The macro- and microelement's analysis of the slag's composition giving in the resulting of the litter dung combustion is hold. By the results of the conducted research the multi-zone combustion's installation with regulated parameters is suggested. The installation is equipped with a furnace with inclined- peretalkivaujshing furnace grate consisting of the fixed and mobile grid bars. The combustion device is divided into several combustion zones, providing the most effective process of the litter dung's burning. The installation provides of poultry plants litter dung's efficient thermal utilization with the interservicing intervals not less than 45 days due to the steady heat flow's formation, the agglomerations on the furnace grate formation's elimination and the deposits growth's location on the heat transfer's surfaces due to molten ash particles. The practical realization of the experimental installation for the litter dung's utilization and thermal energy generation will allow the broiler poultry plants to reduce significantly the production costs and the ecological pressure on the environment.
Keywords: poultry plant, environmental safety, litter dung, thermal utilization of dung, the solid-fuel boiler, thermal energy, poultry plant's energy supplying.
