Сжигание низкосортных топлив и биомассы в пульсирующем слое Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 682.765

СЖИГАНИЕ НИЗКОСОРТНЫХ ТОПЛИВ И БИОМАССЫ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ СЛОЕ

Докт. техн. наук, проф. БОКУН И. А.

Белорусский национальный технический университет

В настоящее время для сжигания различных топлив, в том числе и биомассы, широко используется псевдоожиженный слой, в котором все процессы протекают значительно интенсивнее, чем в неподвижном слое или камерных топках с факельным сжиганием. При этом нужно отметить, что применение псевдоожиженного слоя в топочной технике при сжигании некоторых видов низкосортного топлива, в том числе и биомассы, сопровождается значительными трудностями. В слое возникает разделение смеси, что значительно усложняет эксплуатацию топочных устройств. При увеличении нагрузки скорость фильтрации также повышается, что способствует увеличению уноса, а при снижении нагрузки крупные частицы оседают на решетке, что ведет к ее шлакованию и образованию агломератов.

Для устранения перечисленных недостатков разрабатываются различные методы сжигания. Вместо равномерного стационарного нижнего дутья под решетку подается пульсирующий (прерывистый) поток. При этом необходимо предусмотреть возможность осуществления работы топки как с равномерным, так и пульсирующим дутьем. Благодаря такому мероприятию значительно расширяется область регулирования нагрузки.

При сжигании топлив с низкой температурой плавления золы и с целью предотвращения уноса, а также уменьшения разделения смеси топлива целесообразно работать с трапециевидным, расширенным кверху слоем.

Отличительной особенностью котлов со сжиганием биомассы и других видов твердых топлив в пульсирующем слое следует считать:

• более интенсивное перемешивание горящего слоя;

• сглаженные поля температур по сечению слоя;

• интенсификацию процесса тепло- и массообмена.

Основой горения топлива в пульсирующем слое является химическое реагирование горючих веществ, содержащихся в топливе, с кислородом воздуха. В пульсирующем слое вследствие продувания его прерывистым восходящим потоком воздуха со скоростью, достаточной для придания слою движения, твердое топливо периодически находится во взвешенном, падающем и неподвижном состояниях. Такой характер взаимодействия топлива с воздухом оказывает влияние как на особенность газодинамических процессов в слое, так и на характер физико-химического взаимодействия окислителя с твердым топливом. Процесс горения твердого топлива в пульсирующем слое состоит из следующих этапов: подвода кислорода к поверхности топлива турбулентной молекулярной диффузией, химической реакции между топливом и кислородом. При сжигании топлива в пульсирующем слое концентрация кислорода по всей поверхности частицы

одинаковая; скорость реагирования кислорода с углеродом пропорциональна концентрации кислорода у поверхности частицы топлива; реакция протекает на поверхности частицы с образованием конечных продуктов сгорания. Поэтому можно допустить, что скорость горения зависит от скорости подвода кислорода к межфазовой поверхности и от скорости самой химической реакции. В результате взаимодействия этих процессов наступает равновесное состояние, при котором количество доставляемого и расходуемого на химическое реагирование кислорода становится одинаковым, т. е. когда в стехиометрическом равенстве реагирующие вещества участвуют одинаковым числом молекул, а в результате реакции возникает такое же одинаковое число молекул в виде продуктов реакции и, следовательно (в случае сохранения одного и того же фазового состояния), реакция идет без изменения объема [1]

А1+В1+±А2 + В2.

Скорости прямой и обратной реакций будут равны:

Ж2 —к2САСВг,

где Са (СА2), Сщ (СВ2) - концентрация (число молекул в единице объема) реагирующих веществ в стехиометрической смеси; к1 и к2 - константы скоростей прямой и обратной реакций, определяемые по закону Аррениуса.

Рассмотрим процесс массообмена частицы топлива, окруженной окислителем, концентрация которого изменяется по закону

С(0, х) = С0 + Ст сое сох, (1)

где С0 - начальная концентрация окислителя; Ст - амплитуда пульсации концентрации окислителя; со - круговая частота пульсации; т - время.

Считая, что процесс изменения концентрации окислителя в частице топлива, находящейся в пульсирующем слое, происходит в соответствии с распространением температуры в шаре при периодическом ее изменении на поверхности, характер взаимодействия кислорода с шаровой частицей опишется уравнением [2]

с1С(г,х)_в йх

с12С(г,х) 2 с1С(г,х) с1г2 г й.г

(2)

где Б - коэффициент диффузии; г - текущий радиус. Решение задачи при граничных условиях:

С(Д,0) = С0; (3)

с1С( 0,т)

йх

■ = 0; (4)

= ^ С0 + Ст сое ют - С (г, т) (5)

ах и

приведено в [2] и имеет вид

г (г т»-Г 1

ш ^

Му Д81П М/" -Л ... схр(-Л/;/-;м)).

" шп

ат т

где 1\ — — массообменный критерий Фурье; Я

Г

с1т 0

Л' =-^

Г

1 с1т 0

N,. = *

(7)

(8)

(В1т -ШЪ^^ + ^й^сЪ^й^

1\1т - ^ - массообменный критерий Предводителева; В1т = —- массообменный критерий Био; ат - коэффициент массообмена между частицей и газом; Я - начальный радиус частицы; со - круговая частота; Мп -корни характеристических уравнений;

^ ыАм1 + тт -1)

А _ /_ 1\Я+1 тЧ П 4 т '

М2+Вг1-Вг_

Таким образом, из уравнения (6) видно, что концентрация кислорода в частице топлива является периодической функцией времени, зависящей от частоты пульсаций потока окислителя.

Как было отмечено ранее, для сжигания растительной биомассы, древесных отходов, торфа целесообразно применить метод низкочастотного пульсирующего слоя, образующегося в результате воздействия кратковременных прерывистых газодинамических импульсов с силой, достаточной для придания слою движения. Такое состояние наступает при условии [3]

"о Е0 а £0 аэ

где Ар - сопротивление слоя; И[] - высота неподвижного слоя; ¿/. - эквивалентный диаметр частиц топлива; - скорость фильтрации; рт, рг - плотность топлива и газа; |1- коэффициент вязкости; е0 - порозность неподвижного слоя.

г

Первое слагаемое в левой части (9) отражает потери давления за счет трения, а второе - за счет динамического воздействия.

Прерывистая подача в слой дисперсного материала газодинамических импульсов - принципиальная основа пульсирующего слоя. Характерными особенностями таких импульсов являются амплитуда давления, форма и продолжительность пульсаций.

Газодинамический процесс в активной фазе, когда сквозь каналы, образованные частицами топлива, фильтруется газ, может быть описан системой уравнений [4]:

гсЫ>

с!х ^г

--1-200^

(10)

с1р ? сЬу --— = РгС -,

¿¿Г

при условиях:

X > 0; 4* = м>(т);

Т< 0; м> = 0;

т > 0; р = Ар-,

т < 0; р = 0,

(11)

где х = И — И0- расширение слоя; к - высота расширенного слоя; а - услов-

I-Р-

ный коэффициент линейного трения; с = -0- - скорость звука

^(РА+Рг^М

в слое зернистого материала [5]; р0 - давление газа в невозмущенном слое; р, - плотность газа; р2 - плотность частиц; еь е2 - объемная доля газа и частиц соответственно.

Анализ уравнений (10) и (11) позволяет допустить, что характер изменения давления на фронте импульса в системе «пульсатор - промежуточная зона - слой» будет равен [6]

1-ехр

' г л 'ф

(12)

где - продолжительность фронта импульса; / = Х.с - постоянная времени заполнения объема «пульсатор - слой»; Хэ - коэффициент гидравлического сопротивления [7].

Особенностью котельных установок с псевдоожиженными и пульсирующими слоями является ведение процесса сжигания топлива при температурах, не превышающих 750-900 °С, что способствует снижению оксидов азота в отходящих дымовых газах. Такой предел температурного уровня обеспечивается за счет размещения в слое поверхностей нагрева и интенсивного теплообмена между горящим слоем и поверхностью нагрева.

t

В процессе сжигания топлива в пульсирующем слое происходит интенсивное выделение летучих веществ, которые, не успев сгореть в слое, поступают в надслоевое пространство, где происходит их дожигание за счет вторичного дутья [8].

На рис. 1 представлена камера сгорания с пульсирующим слоем [8]. В камере сгорания 1 на газораспределительной решетке 2 размещен слой топлива 3. Над этим слоем смонтированы встречно направленные короба 4 встречного воздуха. Подрешеточное пространство 5 связано воздухом с пульсатором 7, имеющим поворотную лопасть 8. Короба 4 вторичного воздуха также связаны своим воздуховодом 9 с пульсатором. На стенках камеры, а также в слое 3 размещены топливопринимающие поверхности нагрева 10.

Процесс сжигания топлива в пульсирующем слое осуществляется следующим образом. Воздух перед подачей в слой 3 разделяют на два потока, идущих по воздуховодам 6 и 9, и поочередными прерывистыми порциями вводят в слой 3. Затем поток, идущий по воздуховоду 6 (первичный воздух), вводят в слой снизу со скоростью, достаточной для придания слою движения, а другой поток воздуха (вторичный), идущий по воздуховоду 9, дополнительно делят на части и вводят в надслоевое пространство боковыми встречно направленными струями из коробов.

Пульсация топлива осуществляется следующим образом. При размещении поворотной лопасти пульсатора, например в верхнем положении, первичный воздух по воздуховоду 6 попадает под слой 3 горящего твердого топлива вместе с золой или инертным материалом и приводит его во взвешенное состояние. Затем поворотную лопасть переводят в нижнее положение и осуществляют подачу вторичного воздуха встречно направленными струями в псевдоожиженный слой горящего топлива, что предотвращает недожог летучих веществ при небольших коэффициентах избытка воздуха, подаваемого в топочное устройство. Возможность снижения коэффициента избытка воздуха также повышает эффективность работы топочного устройства.

3

7 8

Рис. 1

Затем при очередном повороте лопасти пульсатора вверх осуществляется горение топлива при его вертикальном перемешивании. Отвод теплоты из слоя 3 и из камеры происходит с помощью теплообменных поверхностей, выполненных в виде труб, по которым прокачивается вода. При этом в указанных теплообменных поверхностях осуществляется генерирование водяного пара. Предусмотрена также работа пульсатора в таком режиме, когда поворотная лопасть не доходит до его крайнего положения (нижнего или верхнего). Таким образом, при повороте лопасти вниз и пульсирующей подаче вторичного воздуха через встречно направленные короба осуществляется также подача первичного воздуха под слой 3 горячего топлива (например, в количестве 10-20 % от общего расхода воздуха). При этом повышается эффективность сжигания топлива, так как предотвращается затухание топлива в прирешеточной зоне, а в слое под коробами в это время образуются зоны с повышенной температурой, в которой и происходит газификация частиц твердого топлива. Продукты газификации эффективно сгорают в надслоевой зоне действия встречно направленных импульсных струй встречного воздуха.

В Ы В О Д Ы

1. Предложена модель горения низкосортных топлив и твердой растительной биомассы в пульсирующем слое.

2. Показаны преимущества сжигания топлива в пульсирующем слое.

3. Предложена конструкция топочного устройства для сжигания низкосортных топлив и твердой растительной биомассы в пульсирующем слое.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. К н о р р е, Г. Ф. Топочные процессы / Г. Ф. Кнорре. - М.: ГЭИ, 1959. - 396 с.

2. Л ы к о в, А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. - М.: Высш. шк., 1967. - 600 с.

3. E г g u n, S. Ind. Eng. Chem / S. Ergun. - 1949. - Vol. 41. - Р. 1179-1184.

4. Ч а р н ы й, И. А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах / И. А. Чар-ный. - М.: Недра, 1975.

5. О с т р о в с к и й, Г. М. Псевдоожижение порошкообразных материалов при колебательном изменении давления газа / Г. М. Островский // ТОХТ. - 1997. - Т. 31, № 1. -С. 5-10.

6. Б о к у н, И. А. Особенности протекания газодинамических процессов в пульсирующем слое / И. А. Бокун, В. И. Чернышевич // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2009. - № 1. - С. 68-73.

7. З а б р о д с к и й, С. С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном (кипящем) слое / С. С. Забродский. - М.; Л.: ГЭИ, 1963. - С. 488.

8. С п о с о б ы сжигания топлива в кипящем слое: а. с. № 1511527 БИ 1989, № 36 / И. А. Бокун, В. М. Богданов.

Представлена кафедрой экономики

и организации энергетики Поступила 30.05.2013