ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК - Студенческий научный форум

IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
 Актуальность темы. В последние годы тенденция роста использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) становится достаточно явной. Проблемы развития ВИЭ обсуждаются на самом высоком уровне (ни один саммит восьми ведущих держав не обходится без обсуждения энергетических вопросов, в том числе о роли и месте возобновляемых источников энергии). Приняты решения и образованы рабочие группы для выработки рекомендаций по значительному развертыванию рынков возобновляемой энергетики. Практически во всех развитых странах формируются и реализуются программы развития ВИЭ.

Говоря об этой тенденции, следует выделить один принципиально новый момент. До последнего времени в развитии энергетики прослеживалась четкая закономерность: развитие получали те направления энергетики, которые обеспечивали достаточно быстрый прямой экономический эффект. Связанные с этими направлениями социальные и экологические последствия рассматривались лишь как сопутствующие, и их роль в принятии решений была незначительной. При таком подходе ВИЭ рассматривались лишь, как энергоресурсы будущего, когда будут исчерпаны традиционные источники энергии, или когда их добыча станет чрезвычайно дорогой и трудоемкой. Так как это будущее представлялось отдаленным.

Ни для кого не секрет, что в нашей стране более половины сел и малых городов еще не газифицированы, и  выбор между соляркой и твердым топливом (электричество как массовый источник тепла вообще не рассматривается) население делает в пользу последнего - дешевого, либо вообще бесплатного. К тому же древесина является воспроизводимым видом топлива и имеет так называемый нейтральный баланс СО2 - при сжигании выделяется такое же количество СО2, какое поглощает растущее дерево в процессе фотосинтеза.

Научные прогнозы показывают, что мировая добыча нефти и природного газа достигнет своего максимума через 20-30 лет, а затем начнется неизбежное, в глобальном масштабе, снижение их добычи. Однако, за последнее столетие добыча нефти в мире выросла  почти в 20 раз и продолжает расти достаточно быстро. В этих условиях энергетический потенциал таких топлив как дрова, торф, мусор будет играть важную роль. Заметим кстати, что в США эта закономерность уже действует. Так, добыча природного газа в США в 1975 г. Составляла 558 млрд. м3, а в 2006 г. снизилась до 473 млрд. м3. Расчёты, проведённые учёными разных стран, показывают, что реальных запасов нефти на Земле хватит на 40 - 50 лет, природного газа - на 30 - 40 лет, запасов же угля хватит на 200 - 250 лет, запас древесины - неисчерпаем. Имеющиеся значительные запасы низкотоварной древесины и отходов деревопереработки (НДОД) являются основой для развития биоэнергетической промышленности, способной решать задачу энергетической и экологической безопасности  регионов.

Вот почему задачи роста добычи и переработки твёрдого топлива в нашей стране приобретают исключительное народнохозяйственное значение.

Анализ существующих газогенераторных установок

В промышленных печах или в топках тепловых электростанций сжигают нефть, природный газ или твёрдое топливо, получают горячий дымовой газ. Высокий тепловой потенциал этого газа необходимо использовать сразу, например, для нагрева воды с целью получения пара, для других тепловых процессов. Полученный горячий газ невозможно хранить или передавать на большие расстояния - он остынет. Этот газ, после использования его теплового потенциала, выбрасывают через дымовые трубы в окружающую среду.

Когда газифицируют древесину или уголь получают горючий газ, который можно хранить, транспортировать на большие расстояния. Этот газ легко очистить от таких вредных примесей, как соединения серы, он может быть использован не только как горючее, но и как химическое сырьё для разнообразных синтезов. Существуют  два основных метода переработки твердого топлива - сжигание и газификация, дающие столь разные конечные продукты. Процесс сжигания топлива проводится с избытком кислорода, а процесс газификации проводится с недостатком кислорода и, следовательно, с избытком углерода.

В первом случае получается дымовой газ, в котором весь углерод топлива переходит в диоксид углерода. Он содержит также диоксид серы, избыточный кислород и много азота из воздушного дутья. Во втором случае состав газа, получаемого при газификации углей, чрезвычайно разнообразен и зависит от условий проведения процесса газификации (давления, температуры, концентрации в используемом дутье кислорода). В случае газификации твердого топлива при недостатке кислорода сера топлива переходит в сероводород. Если состав дымового газа довольно постоянен, то составом газов газификации твердого топлива можно резко варьировать.

Дымовой газ трудно очистить от содержащихся в нем оксидов азота и серы, так как это связано с большими расходами вещества и энергии. Процессы очистки генераторных газов от сероводорода, пылевидного уноса хорошо освоены и проводятся с большой полнотой и относительно экономичны, а оксиды азота в них практически отсутствуют. Процесс очистки генераторных газов необходим при дальнейшем использовании этих газов в качестве топлива для ДВС (двигателей внутреннего сгорания) Из-за дымовых выбросов появляются разрушительные кислотные дожди, а в результате очистки генераторных газов от сероводорода появляется нужная народному хозяйству сера. Так, различная технология  переработки древесины и угля приводит в одном случае к экологически неприемлемым конечным результатам, в другом - к экологически чистым.

Газификация твердого топлива и НДОД является универсальным методом его переработки. Универсальность методов газификации твердого топлива может рассматриваться в трех направлениях:

Во-первых, методам газификации подвластны любые твердые топлива, начиная от торфа, самых молодых бурых углей и кончая древесной щепой и антрацитом, независимо от их химического состава, состава зольной части, примесей серы, крупности, влажности и других свойств.

Во-вторых, методами газификации твердого топлива можно получать горючие газы любого состава, начиная от чистых водорода, оксида углерода, метана, их смесей в различных пропорциях и кончая генераторным газом. Его можно использовать для энергетических установок любых типов и любого назначения.

Наконец, в-третьих, немаловажной особенностью методов газификации твердого топлива являются их масштабные изменения. Газогенераторные установки могут обслуживать крупнейшие химические комбинаты, выпускающие миллионы тонн аммиака или метанола в год, снабжать горючим газом крупнейшие ТЭЦ и в то же время могут обеспечивать газом небольшие автономные энергетические и химические установки (например, газогенераторные установки для автомобилей), поселки и деревни, небольшие химические, машиностроительные или другие заводы.

Газификацией называют высокотемпературные процессы взаимодействия органической массы твердых или жидких горючих ископаемых, а также продуктов их термической переработки с окислителями  (воздухом, кислородом, водяным паром, диоксидом углерода или их смесями), в результате которых органическая часть топлива обращается в горючие газы.

Единственным твердым остатком при газификации должна явиться негорючая часть угля - зола. В действительности на самых современных газогенераторных установках удается практически полностью перевести органическую массу угля в газ, и в шлаке остается минимальная часть горючей массы топлива.

Впервые промышленная реализация газификации твердых топлив была осуществлена в 1835 г в Великобритании. К середине XX в. этот процесс получил широкое развитие в большинстве промышленных стран мира, в первую очередь в области машиностроения

В настоящее время выявились следующие наиболее экономически эффективные области применения рассматриваемого метода:

-газификация сернистых и многозольных топлив с последующим сжиганием полученных газов на мощных тепловых электростанциях. В сернистых углях содержится много серы. При газификации сернистых углей образуется сероводород, который извлекают и затем перерабатывают в товарную серу;

-газификация твердых топлив для крупномасштабного производства заменителей природного газа. Это направление имеет наибольшее значение для местного газоснабжения районов, удаленных от месторождений природного газа и нефти или от магистральных трубопроводов;

-газификация твердых топлив с целью получения высококалорийного газа, газов-восстановителей и водорода для нужд химической, нефтехимической и металлургической промышленности.

1.1.Обзор газогенераторных установок

Газогенераторные двигатели, работающие на продуктах газификации древесины, применялись в годы Великой Отечественной войны, в середине прошлого столетия  большое количество газогенераторных станций работало на биотопливе и торфе. Но затем их производство быстро свернулось, и опыт их производства стал мало пригоден. Научно обоснованные методы расчета любых типов газогенераторных установок с дизельным приводом  должны быть основаны на решении вопросов качественной подготовки древесного топлива, газификации древесины, работы на производимом газе и системы регулирования.

1.1.1 Газогенераторные автомобили

Газогенераторные автомобили - грузовые, легковые и автобусы - отличаются от обычных бензиновых автомобилей наличием специальной газогенераторной установки, смонтированной непосредственно на шасси автомобиля или на специальном прицепе, а также конструкцией двигателя и некоторыми изменениями в шасси, если эти автомобили были изготовлены специально как газогенераторные.

Газогенераторные установки, монтируемые на автомобилях, должны иметь небольшие габариты и минимальный вес. В зависимости от вида топлива, на котором работают газогенераторные установки, их удельный вес в среднем составляет от 4 до 7 кг/м3 газа.

Газогенераторные автомобили можно разделить на следующие две группы:

-автомобили, переоборудованные из бензиновых, дизельных автомобилей для временной работы на генераторном газе;

-автомобили, специально изготовленные для постоянной работы на генераторном газе.


Обычно с целью унификации и удешевления производства газогенераторных автомобилей их конструируют с расчетом на использовании шасси и агрегатов существующих моделей бензиновых или дизельных автомобилей. Газогенераторную ЗИС-5 установку на автомобилях обычно монтируют сзади кабины водителя. При этом грузовую платформу или укорачивают на соответствующую длину (0,4-0,5 м), или отодвигают назад. И в том, и в другом случае уваливается нагрузка на заднюю ось груженого автомобиля, что не является желательным

Подобное размещение газогенераторной установки было принято на автомобиле, работающем на древесных чурках (рис.1.4). Газогенераторные установки монтируются так, чтобы по возможности не занимать полезной площади кузова и не портить внешнего вида автомобиля.

Газогенераторная установка располагается сзади кабины. Представляет собой цилиндрический корпус, выполненный из 2мм листовой стали. Внизу имеется люк для загрузки топлива. К нижней части приварена камера газификации. В верхней части корпуса газогенератора расположен газоотборный патрубок, через который газ попадает сначала на фильтр тонкой чистки газа, расположенный с другой кабины, а затем в двигатель.

1.1.2 Газогенераторы на подсолнечной лузге

Газогенераторы были спроектированы по заказу Пологовского масло-экстракционного завода (Украина). Они предназначены для газификации лузги семян подсолнечника, отходов маслоэкстракционных заводов.

Основным топливом является подсолнечная лузга, что позволило получить экспериментальные данные по газификации мелкодисперсного сырья. Газогенератор Г-3 работает по прямому процессу.

Газогенератор Г-3 был введен в опытную эксплуатацию в 1995 году. При этом были

Рис. Газогенератор Г-3

проведены приемочные испытания. При испытании газогенератора были достигнуты режимные параметры, представленные в табл. 1.1

Самостоятельную задачу при разработке газогенераторов представляло обеспечение герметичности загрузки лузги в газогенератор. Эта проблема особенно существенна при работе на мелкодисперсном сырье.

В этой связи для газогенератора Г-3 был спроектирован узел загрузки производительностью 15 м3/ч, который включал в себя приемный бункер и винтовой питатель с приводом.

 

Таблица 1.1. Основные технические показатели газогенератора Г-3.

п/п

Наименование

Ед. изм.

Номера замеров

Средние значения

1

2

3

1.

Зольность

%

2,01

2,01

1,9

2,0

2.

Выход летучих

%

75,5

76,0

76,5

76,0

3.

Расход топлива

кг/ч

1250

1250

1250

1250

4.

Производительность установки по газу

кг/ч

2340

2340

2340

2340

5.

Производительность установки по теплоте

кВт

2300

2300

2300

2300

6.

Температура генераторного газа в зоне газификации

С

1000

1100

1300

1100

Состав генераторного газа, получаемого в газогенераторе Г-3, обеспечивает теплоту сгорания не ниже 4 мДж/м3

1.1.3 Газогенераторы на резине

Автошины разделывают на куски с помощью механического инструмента, перекладывают в корзины для пиролиза. В реактор пиролиза корзины загружают через верхнюю крышку с помощью крана мостового электрического при температуре в аппарате не менее 75-100оС. После закрытия уплотнения крышки реактора производится контроль герметичности установки. Температура в аппарате поддерживается на уровне, который обеспечивает работу конденсатора жидких продуктов пиролиза без перегрузки. Для охлаждения холодильника - конденсатора предусмотрена замкнутая оборотная система водоснабжения с охлаждением на градирне. Для охлаждения аппарата пиролиза до температуры 100оС производится продувка системы углекислотой с баллона, после чего с помощью крана выгружаются корзины с твердым остатком продуктов пиролиза. Жидкие продукты пиролиза передаются в емкость хранения.

К достоинствам такой установки можно отнести простоту и надежность конструкции, а также экологическую чистоту технологии. Газовая фаза и твердый остаток используются в топках печей для создания температуры, а жидкая фракция, представляющая собой смесь углеводородов, по своим свойствам может быть доведена до различных товарных продуктов. Твердые отходы, которые представляют собой механические загрязнения после чистки шин и угольную золу из топок печей, по мере накопления, вывозят на полигоны.

 

Процесс пиролиза позволяет контролировать выход газовой, жидкой и твердой фазы изменением температуры.

Процесс обычного сжигания резины и покрышек автомобилей является энергетически малоэффективным, так как при изготовлении одной покрышки затрачивается энергия, содержащаяся в 35л нефти, а при сжигании выделяется энергия, эквивалентная 8л нефти.

1.1.4 Газогенераторы для переработки ТБО

(твердых биологических отходов)

Способ утилизации ТБО методом пиролиза по другому можно назвать газификацией мусора. Технологическая схема этого способа предполагает получение из биологической составляющей (биомассы) отходов вторичного синтез-газа с целью использования его для получения пара, горячей воды, электроэнергии. Составной частью процесса высокотемпературного пиролиза являются твердые продукты в виде шлака, т. е. непиролизуемые остатки.

Технологическая цепь этого способа утилизации состоит из четырех последовательных этапов: отбор из мусора крупногабаритных предметов, цветных и черных металлов с помощью электромагнита и путем индукционного сепарирования; переработка подготовленных отходов в газофикаторе для получения синтез-газа и побочных химических соединений - хлора, азота, фтора, а также шкала при расплавлении металлов, стекла, керамики; очистка синтез-газа с целью повышения его экологических свойств и энергоемкости, охлаждение и поступление его в скруббер для очистки щелочным раствором от загрязняющих веществ соединений хлора, фтора, серы, цианидов; сжигание очищенного синтез-газа в котлах-утилизаторах для получения пара, горячей воды или электроэнергии.

Высокотемпературный пиролиз является одним из самых перспективных направлений переработки твердых бытовых отходов с точки зрения как экологической безопасности, так и получения вторичных полезных продуктов синтез-газа, шлака, металлов и других материалов, которые могут найти широкое применение в народном хозяйстве. Высокотемпературная газификация дает возможность экономически выгодно, экологически чисто и технически относительно просто перерабатывать твердые бытовые отходы без их предварительной подготовки.

1.1.5 Газогенераторы на соломе

Солома - легкодоступное недорогое местное топливо, которое может быть использовано в сельской местности для теплоснабжения. В условиях России для теплоснабжения социальных и административных объектов в сельской местности наиболее целесообразно сжигание малых тюков соломы. Поскольку топливо к объекту поставляется из сельскохозяйственного предприятия, при определении типоразмера тюка надо исходить из типа пресс-подборщиков, которые представлены на рынке России. Руководствуясь указанным принципом, для сжигания в котлах малой мощности могут использоваться малые тюки соломы размером 0,36×0,5×1,0 

Также газификация соломы представляет интерес с точки зрения замены ископаемых видов топлива биомассой на небольших электростанциях мощностью 0,2‑3 МВт и электростанциях мощностью 50‑100 МВт. Газ из небольшого газификатора может использоваться в газовом двигателе, приводящем во вращение электрогенератор.

Охлаждающая вода нагревает сетевую воду системы централизованного теплоснабжения. 

На электростанции газ может сжигаться в котле высокого давления, а пар подаваться в турбину, соединенную с электрогенератором. 
С 1988 г. проводились различные эксперименты по газификации соломы.

Рис. Сжигание тюка соломы

Исследования по газификации соломы выполняются на двух видах газогенераторных установок: 

1. Небольшие газификаторы электрической мощностью 0,2‑3 МВт и тепловой мощностью 0,5‑8 МВт, которые могут заменить существующие котлы на централизованных котельных, где в настоящее время не вырабатывается электроэнергия. 

2. Крупные газификаторы электрической мощностью 50‑100 МВт для электростанций, на которых газ с низким содержанием щелочных металлов и хлора можно сжигать в котле высокого давления. Эта концепция называется «спаренный газификатор-котел»

1.1.6 Газогенераторы на древесной щепе и пеллетах

Пеллетные котлы (англ. «pellet» - гранула, зерно) - твердотопливные котлы отопления домов, где в качестве топлива используются пеллеты (древесные гранулы), спрессованные на грануляторе из остатков от деревообрабатывающей промышленности. Некоторые модели котлов могут быть оснащены дополнительным контуром ГВС (горячего водоснабжения). Котлы на пеллетах не требуют специального обслуживания. Чистка золы осуществляется, как правило, 1 раз в месяц. Подобные отопительные котлы на биотопливе имеют высокий коэффициент полезного действия - около 90%. По удобству обслуживания и создаваемому комфорту в помещениях, пеллетные котлы не уступают газовым и жидко-топливным котлам отопления домов. Учитывая низкую стоимость древесного биотоплива, отсутствие затрат на обслуживание оборудования, пеллетные котлы для дома на данный момент являются одними из наиболее эффективным видом отопления домов. Основная разница заключается в использовании шнековой системы подачи топлива, обеспечивающей автоматическую подачу топлива в зону сжигания топлива.

 

Рис. Газогенератор на пеллетах. 1-лямбда зонд; 2-колосники 3-вентилятор дымоудаления; 4-автоматическая система очистки; 5-направление движения генераторного газа; 6-система автоподжига; 7-дверца загрузочной камеры; 8-температурный ограничитель; 9-стальная камера сгорания; 10-зольный ящик; 11-задняя панель; 12-панель управления; 13-система подачи первичного воздуха; 14. система подачи вторичного воздуха; 15-батарея; 16-электропровод; 17-люк системы подачи пеллет; 18-система подачи пеллет (шнек)

 

Мощность гранульных котлов, устанавливаемых, как правило, в коттеджах, составляет от 15 до 500 кВт. Нижняя граница предлагаемых мощностей определяется в основном экономической целесообразностью (менее 15 кВт выгоднее применять гранульные камины), а верхняя граница предлагаемых мощностей связана с отсутствием опытно-расчетных оснований для получения преимуществ пеллетных котлов перед другими технологиями (снижение КПД ниже 80 %, снижение срока «жизни» котла до 3-5 лет из-за прожигания конструкций котла). Предлагаемые некоторыми немногочисленными европейскими производителями пеллетные котлы большой мощности (более 2 МВт) имеют специальные дорогостоящие агрегаты для специальной кратной предподготовки в процессе сжигания пеллет.

Пеллетные котлы имеют высокий КПД - 85-95 %. В совокупности с достаточно низкой стоимостью топлива, отсутствием затрат на обслуживающий персонал и т. д. это делает данный вид отопления максимально экономичным в течение всего срока службы дома, уровень затрат на отопление пеллетным способом намного ниже стоимости отопления многими другими видами топлива.

1.1.7 Газогенераторы на крупнокусковой древесине

Газогенераторные котлы выпускаются в нескольких вариантах исполнения корпуса, наиболее распространенные чугунные и стальные. Предназначенны для теплоснабжения коттеджей и небольших промышленных сооружений площадью до 260 кв.м.

Возможна эксплуатация как автономного теплогенератора, так и в комбинации с газовым или дизельным котлом. Эффективность горения топлива в котле обеспечивает система колосников, а также специальная конструкция камеры сгорания с совместным использованием первичного и вторичного воздуха, подачу которого можно регулировать.

Процесс сгорания (пламя и количество топлива) контролируется через смотровое окно. Для снижения тяги предназначена специальная заслонка в дымовой трубе, ее положение меняют поворотом соответствующего рычага.

Температуру и давление воды в отопительном котле показывает термоманометр. Золу выгружают через отдельную дверцу - за ней  находится зольный ящик и нижняя часть топочной камеры.

Отопительные котлы стандартного исполнения оборудованы контроллером сгорания, он следит за температурой воды в котле и ограничивает ее максимальное значение. Основные достоинства пиролизных котлов: высокий КПД, экологичность (не образуется сажа, количество золы минимально) и возможность управлять процессом сжигания, а значит, мощностью котла.

Наиболее распространены твердотопливные котлы с возможностью установки навесных горелок для газа или солярки и со встроенным ТЭНом. Однако стоят многотопливные теплогенераторы существенно дороже, их цена порой превосходит суммарную стоимость отдельных устройств.

Сегодня ассортимент котлов пиролизного типа, доступных российскому покупателю, достаточно широк (табл.1.2.). В первую очередь, это продукция таких фирм, как ATMOS, DAKON, OLYMP, OPOP, VIESSMANN.

 В целом, можно сказать, что главное отличие котлов пиролизного типа от традиционных котлов, использующих твердое топливо, заключается в их высокой эффективности и, соответственно, высоком КПД. Резюмируя все особенности котлов этого типа, можно выделить следующие достоинства и недостатки.

Преимущества:
- в процессе сжигания дров (особенно в том случае, если эти дрова содержат большое количество влаги) нельзя достичь настолько высоких температур, какие достигаются при сжигании пиролизного газа.

- для сжигания древесного газа необходимо значительно меньшее количество вторичного воздуха, чем для горения обычной древесины или угля. Соответственно, при одинаковом количестве воздуха эффективность сгорания газа выше, температура выше и время горения также больше.

- процесс горения пиролизного газа легко поддается управлению и регулировке, что позволяет автоматизировать работу такого котла приблизительно в той же степени, что и работу газовых или жидкотопливных котлов. Традиционные твердотопливные котлы такой возможности не дают.

- при сгорании древесного газа образуется крайне небольшое количество золы и сажи. Поэтому пиролизный котел редко нуждается в чистке - обычно не чаще, чем раз в неделю.

- сгорание пиролизного газа происходит с малым выбросом в атмосферу вредных веществ, что придется по душе любителям экологически чистых источников тепла.

- пиролизный котел дольше работает на одной закладке дров, чем обычный твердотопливный.

Недостатки:
- относительно высокая стоимость пиролизных котлов - в среднем, котлы этого типа дороже твердотопливных в 1,5-2 раза.

- довольно высокая чувствительность к содержанию влаги в дровах. При повышении процентного содержания влаги в древесине мощность котла резко снижается.

- большинство пиролизных котлов энергозависимы и требуют подключения к электросети. Правда, энергии котел потребляет очень мало (так как требуется она в основном для вентилятора), так что полностью снабдить пиролизный котел электроэнергией может любой источник альтернативной энергии, генератор или обычная электросеть.

Таблица 1.2. Сравнение технических параметров пиролизных котлов

             Модель

 

 

Параметры

Buderus

G211-26 (Германия)

Dakon

DOR 24

(Чехия)

Jaspi Ecopuu25

(Финляндия)

Roca

P30-6

(Испания)

(Италия)

Slima

Solida 5

(Италия)

Viessmann

Vitolig 150 (Германия)

Тип котла

Пиролизный

Пиролизный

Пиролизный

Пиролизный

Пиролизный

Пиролизный

Вид топлива

Кокс,

дрова, уголь

Кокс,

дрова, уголь

Дрова

Уголь, дрова,газ, диз.топ

Уголь, дрова

Дрова

Тепловая мощность, кВт

26

24

25

23,3

25,6

25

КПД, %

82

78

82

80

85

89

Продолжительность горения при номин. тепл. мощности, ч.

4

4

4

4

2

7

Объём камеры сгорания, л.

25,5

46

65

38

34

120

Объём котловой воды, л.

31

57

65

32

30

75

Габариты (Высота), мм

Ширина

Глубина

1033х

490х

940

1040x

700x

730

1340x

465x

775

917х

624х

485

1070х

470х

740

1300х

720х

1010

Розничная цена( май 2011), р

39300

31700

94300

47100

40500

50600

Примечание: Все данные по котлам приведены при работе на дровах

Исходя из технических параметров, надежности работы и цены пиролизных котлов наиболее оптимальным является ViessmannVitolig 150 (Германия).

 

2. Древесные топлива для газогенераторных котлов

Виды древесного топлива:

-крупнокусковая древесина

-пеллеты

-брикеты

-щепа и древесная пыль

Древесина применяется как топливо для теплоснабжения зданий и сооружений, получения горячей воды и воздуха. Однако это применение в России, как правило, носит частный бытовой характер и в промышленном масштабе используются главным образом другие источники энергии: электричество, каменный уголь, нефтепродукты и природный газ. Стоимость тепловой и электрической энергии, полученной при использовании последних, превышает этот показатель для случая использования древесины от 2 до 18 раз. При этом древесина имеет неоспоримое преимущество, являясь возобновляемым и экологически чистым ресурсом.

Сухая древесина независимо от породы имеет близкий элементный состав:

  -углерод 48-52%  от массы

-водород 6-7%

-кислород 43-45%  

-азот 0,1-0,6%.

Главными составными частями древесины явля­ются целлюлоза, лигнин и гемицеллюлозы. 

В любом лесном регионе России ежегодно образуется значительное количество НДОД (рис.2.1), при разумном использовании которых может быть значительно снята острота постоянного роста стоимости энергии.

Теплоемкость древесины складывается из теплоемкостей собственной древесины и содержащейся в ней влаги, а также смолистых веществ. При этом теплоемкость смолистых веществ в 1,5 раза, а воды в 2,5 раза больше, чем удельная теплоемкость абсолютно сухой древесины, которая равна 1,55 кДж/ (кг* К).

Сырьем для пи­ролиза древесины служит технологическая древесина, преиму­щественно лиственных пород (береза, бук, дуб и др.). Древесное сырье хвойных и лиственных пород для пиролиза и углежжения должно соответствовать ГОСТ 24260-80.

Анализируя древесные виды топлива нужно отметить, что существует гранулированная древесины в виде пеллет.

Пеллеты - появились как разновидность альтернативного промышленного топлива сравнительно недавно, но, благодаря особенностям процесса сгорания, получили широкое распространение во всем мире.

Теплотворность древесных пеллет сравнима с традиционными видами топлива. При этом количество выделяемых вредных веществ незначительно.

Древесные гранулы производятся без химических закрепителей под высоким давлением их длина 20- 50 мм, диаметр 4- 10 мм., (рис.2.2.) 1 кг древесных гранул эквивалентен 0,97 кг. угля и при сгорании образует 4,8 кВт в час. А энергосодержание 100 килограммов пеллет соответствует 5 литрам жидкого топлива.

Пеллеты перерабатываются из высушенных остатков отходов лесоперерабатывающего производства: древесная мука, стружка, кора, сучки, ветки и т.д. 

Различают два вида пеллет (хотя в природе существуют больше видов, но у них, как правило, слишком большая зольность, и КПД слишком низкий, поэтому такие пеллеты не выходят на общий рынок).


Первый вид, высококачественные пеллеты, -  это древесные гранулы для отопления жилых частных домов, которые имеют особый белый цвет, из-за чего их еще называют "белыми". Такого рода гранулы изготавливаются из дерева твердых пород (береза, дуб), кора деревьев полностью отсутствует при переработке.

Второй вид - это промышленные пеллеты, которые имеют более темный коричневатый оттенок и, как правило, большего диаметра, чем "белые". Промышленные пеллеты изготавливаются из дерева различных пород, в том числе и хвойных. При переработке промышленных пеллет присутствует примесь коры деревьев, из-за этого их КПД значительно ниже.

Древесные пеллеты обладают на рынке высокой конкурентоспособностью.

Цены на древесные пеллеты значительно ниже цен на другие традиционные виды топлива, при сопоставимых потребительских свойствах.

Автоматизированные котельные на древесных пеллетах сегодня получили широкое распространение в Европе. Стимулирование использования оборудования на экологически безопасных возобновляемых видах топлива осуществляется во многих странах ЕС на государственном уровне.

Закупочная цена, например, в Санкт-Петербурге составляет 3000 рублей за 1 тонну пеллет, а в Европейских странах - от 150 евро/тонна. В Германии (по статистике на октябрь 2003 года) стоимость древесных гранул с бесплатной доставкой на дом примерно составляет 180 евро за тонну.

Странами-лидерами в потреблении пеллет являются США, Швеция, Дания, Германия, Англия, Австрия и др. Европа потребляет порядка 4 млн. тонн в год. В среднем их потребление растет в ЕС на 15% ежегодно, в Швеции - на 30%. По различным оценкам, в 2006 году в России было произведено 300 - 400 тысяч тонн гранулированного биотоплива.

Еще одним видом гранулированного топлива являются брикеты. Брикеты имеют цилиндрическую или прямоугольную форму и вес от 500 граммов до 2 кг. Благодаря своей сыпучести пеллеты могут автоматически подаваться в топку котла с помощью шнека или пневмотранспортера, брикеты же, как и дрова, подаются в печь в основном вручную. В последнее время стала применяться новая технология производства коротких брикетов цилиндрической формы длиной до нескольких сантиметров (так называемые шайбы), что дало возможность полной автоматизации подачи топлива посредством того же шнека.

Наиболее популярным являются 4- и 6-гранный Pini&Kay (рис.2.3.) брикет с радиальным отверстием. Брикет изготавливается на механических (шнековых) прессах посредством  сочетания очень высокого давления (в 1000-1100 бар) и термической обработки (обжиг). За счет термической обработки имеет характерный черный или темно-коричневый цвет наружной поверхности.

Достоинства такого типа топливных брикетов: стойкость к механическим повреждениям, высокая влагостойкость. Брикет отличается высокой калорийностью и длительным временем горения.

Недостатки: трудоемкость производственного процесса, необходимость в высококвалифицированных специалистах, значительная энергоемкость и т.д.

Теплотворная способность древесного брикета находится в пределах 4,5-5,0 кВт*ч/кг. Такая высокая теплотворная способность брикета достигается, с одной стороны, благодаря большой удельной плотности после прессования, с другой - за счет небольшой остаточной влажности (как правило, менее 10%). Для сравнения: влажность сырых дров после 2 лет хранения составляет около 20%. У всех древесных пород теплотворная способность почти идентична, если пересчитывать ее  на массу - например, на 1 кг -чистой древесины.

Брикеты, изготовленные из опилок хвойных пород, за счет содержания смолистых веществ в процессе горения быстро достигают максимальной температуры - но и быстро сгорают, в отличие от брикетов из лиственных пород.

Очень интересный продукт - топливные брикеты, на 100 % изготовленные из коры. Они тлеют, не сгорая, и дают жар продолжительностью до 10-12 ч, поэтому их используют для поддержания в доме комфортной температуры в течение длительного времени. Например, чтобы не подкидывать ночью в печку очередную порцию брикетов. На ночь можно оставить несколько таких брикетов тлеющими в топке, а утром добавить брикетов из опилок и таким образом быстро довести температуру котла до необходимой.

Прочность брикета приобретается за счет содержащегося в древесине вещества - лигнина, который расплавляется под воздействием температуры и нагрева.

2.1. Свойства древесины влияющие на процесс горения

Анализ топливных свойств древесины и древесных отходов показывает их отличие и мало зависит от места произрастания. Более разнообразны теплотехнические характеристики мелких древесных отходов, изменяющиеся, в основном, за счет значительных колебаний зольности и содержания минеральной части.

Однако следует отметить, что на топливные характеристики растительной биомассы значительное влияние оказывают такие факторы, как условия транспортировки и хранения.

2.1.1. Плотность и порода древесины.

 Плотность материала характеризуется отношением его массы к объему. При изучении этого свойства применительно к древесной биомассе различают следующие показатели: плотность древесинного вещества, плотность абсо­лютно сухой древесины, плотность влажной древесины.

Плотность древесинного вещества - это отно­шение массы материала, образующего стенки клеток, к занимаемому им объему.

Плотность древесинного вещества одинакова для всех пород древесины равна 1,53 г/см3.

Плотность абсолютно сухой древесины есть отношение массы этой древесины к занимаемому ею объему:

                                                                                (2.1)

где  - плотность абсолютно сухой древесины;  - масса об­разца древесины при Wр=0; - объем образца древесины при Wр=0

Плотность влажной древесины представляет собой отношение массы образца при данной влажности к его объему при той же влажности:

где  - плотность древесины при влажности Wр;  - масса образца древесины при влажности Wр;  - объем, за­нимаемый образцом древесины при влажности Wр.

Все показатели физико-механических свойств древесины определяются при стандартной влажности 12 % и пересчитываются на эту влажность.

Величина плотности при стандартной влажности определяется для различных пород древесины по табл. 2.1.

 

Таблица 2.1 Плотность различных пород древесины

 

 

   Порода

Плотность

при стандартной влажности

(кг/м3)

Плотность

в абсолютно

сухом состоянии

(кг/м3)

 

  

    Порода

Плотность

при стандартной влажности

(кг/м3)

Плотность

в абсолютно

сухом состоянии

(кг/м3)

Лиственница

660

630

Ясень

680

645

Сосна

500

470

Бук

670

640

Кедр

435

410

Вяз

650

615

Пихта

375

350

Берёза

630

600

Граб

800

760

Орех грецкий

590

560

Акация белая

800

760

Ольха

520

490

Груша

710

670

Осина

495

470

Дуб

690

650

Липа

495

470

Клён

690

650

Ива

455

430

Плотность стволовой древесины. Величина плотности стволовой древесины зависит от ее породы, влажности и коэффициента разбухания КР. Все породы древесины по отношению к коэффициенту разбухания КР разделяются на две группы. К первой группе относятся породы, у которых коэффициент разбухания КР = 0,6 (белая акация, береза, бук, граб, лиственница). Ко второй группе относятся все остальные породы, у которых КР =0,5.

2.1.2. Зольность

Зольностью называют содержание в топливе минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей массы. Зола является нежелательной частью топлива, так как снижает содержание горючих элементов и затрудняет эксплуатацию топочных устройств.

При проведении анализов содержание золы подсчитывается на сухую массу топлива. Пересчет зольности на рабочую массу проводится по формуле:

где Ар - содержание золы в расчете на рабочую массу, %;

Ас - содержание золы на сухую массу топлива, %; Wр -рабочая влажность топлива, %.

Зола подразделяется на внутреннюю, содержащуюся в древесном веществе, и внешнюю, попавшую в топливо при заготовке, хранении и транспортировании биомассы. В зависимости от вида зола имеет различную плавкость при нагревании до высокой температуры. Легкоплавкой называется зола, имеющая температуру начала жидкоплавкого состояния ниже 1350°. Сред неплавкая зола имеет температуру начала жидкоплавкого состояния в пределах 1350-1450 °С. У тугоплавкой золы эта температура выше 1450 °С.

Внутренняя зола древесной биомассы является тугоплавкой, а внешняя - легкоплавкой. Содержание золы в различных частях деревьев различных пород показано в табл. 2.2.

Зольность стволовой древесины. Содержание внутренней золы стволовой древесины изменяется в пределах от 0,2 до 1,17% На основании этого в соответствии с рекомендациями по нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов в расчетах топочных устройств зольность стволовой древе­сины всех пород должна приниматься равной 1 % сухой массы древесины.

Таблица 2.2.Содержание золы для различных пород дерева

Порода

Количество золы в абсолютно сухой массе, %

ствол

кора

Ветки, корни

Сосна

0,2-0,7

1,4-2,2

0,3-0,7

Ель

0,2-0,3

2,3

0,3-0,4

Береза

0,2-0,4

2,4

0,3-0,6

Осина

0,2-0,3

2,7

0,3

 

2.1.3. Влажность

Влажность древесной биомассы - это количественная характеристика, показывающая содержание в биомассе влаги. Различают абсолютную и относительную влажность биомассы.

Абсолютной влажностью называют отношение массы влаги к массе сухой древесины:  

где Wa - абсолютная влажность, %; m - масса образца во влажном состоянии, г; m0 - масса того же образца, высушенного до постоянного значения, г.

При расчетах процессов сушки древесины используется аб­солютная влажность. В теплотехнических расчетах применя­ются только относительная, или рабочая, влажность.

Различают две формы влаги, содержащейся в древесной биомассе: связанную (гигроскопическую) и свободную. Связан­ная влага находится внутри стенок клеток и удерживается физико-химическими связями; удаление этой влаги сопряжено с дополнительными затратами энергии и существенно отража­ется на большинстве свойств древесинного вещества.

Свободная влага находится в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Свободная влага удерживается только механическими связями, удаляется значительно легче и оказывает меньшее влияние на механические свойства древесины.

Состояние древесинного вещества, при котором свободная влага отсутствует, а клеточные стенки содержат максимальное количество связанной влаги, соответствует пределу насыщения или пределу гигроскопичности.

Пределом насыщения  называют максимальную влажность древесинного вещества клеточных стенок свежесрубленной древесины или древесины, увлажненной путем длительного выдерживания в воде.

Пределом гигроскопичности называют максимальную влажность клеточных стенок древесинного вещества при увлажнении его в насыщенном влагой воздухе.

Влажность различных частей растущего и свежесрубленного дерева неодинакова. Средняя влажность ядровой древесины хвойных пород составляет 25-30%, спелой древесины  35-40%. У древесных пород влажность древесины от периферии к центру уменьшается постепенно.

 Общая влажность свежесрубленной древесины:

хвойных пород - 45-50%

мягколиственных - 40-50%

твёрдолиственных- 30-45%


Влажность древесины также оказывает влияние на теплотворную способность топлива (рис.2.4.)

При выдерживании древесины на воздухе происходит обмен влагой между воздухом и древесинным веществом. Если влажность древесинного вещества очень высока, то при этом обмене происходит высыхание древесины. Если влажность его низка, то древесинное вещество увлажняется.

При длительном пребывании древесины на воздухе, при стабильной температуре и относительной влажности воздуха - влажность древесины ста­новится также стабильной; это достигается тогда, когда упругость паров воды окружающего воздуха сравняется с упругостью паров воды у поверхности древесины. Величина устойчивой влажности древесины, выдержанной длительное время при определенной температуре и влажности воздуха, одинакова для всех древесных пород, но зависит от направления процесса. В процессе сушки древесины устойчивая влажность выше той, которая получается в процессе увлажнения древесины. Разницу между устойчивыми значениями влажности при сушке и увлажнении принято называть гистерезисом сорбции.

Мелкая древесина (опилки, стружка, щепа) с большой удельной поверхностью имеют ничтожно малый гистерезис сорбции и ее устойчивую влажность называют равновесной

Равновесная влажность одинакова у древесины различных пород и полностью определяется параметрами воздуха, в среде которого она находится. В зависимости от влажности исходной древесины по-разному протекает процесс горения и  газификации (рис.2.5.)

2.1.4.Величина куска

Теоретически, чем мельче и равномернее измельчена древесина, тем мягче протекает процесс ее термического распада и тем меньше образуется золы.

Это положение относится в той или иной мере ко всем видам нагрева, однако особое значение имеет для пиролиза в газовой среде. При больших кусках и особенно при наличии кусков разных размеров неизбежно развитие вторичных реакций в периферийной части куска и в реакционном пространстве. Первые могут доходить до крекинга органических веществ, идущих из глубины куска, на нагретой обуглившейся части его поверхности, вторые определяются разницей между температурой образования продуктов пиролиза и температурой реакционного пространства.

Большие куски древесины используются в производстве для первичных аппаратов всех типов. Для котлов и печей применяют не метровку и швырок, а тюльку (30-25 см), т. е. увеличивают торцовую поверхность. Дальше древесину не измельчают, так как это приводит к дополнительным затратам электроэнергии и рабочей силы, к потерям древесины в виде опилок, а также дает уголь, не отвечающий по размерам требованиям ГОСТ. Но измельчение древесины ведет к увеличению производительности пиролизных аппаратов.

Для генераторов и топок-генераторов применяется  и древесная щепа, однако и здесь степень измельчения имеет некоторый предел. Этим пределом является измельчение, которое приводит к уносу древесины из шахт и затрудняет движение газовых потоков в результате слеживания мелкой древесины. Так, до сих пор считается, что присадка опилок к щепе для аппаратов упомянутого типа не должна превышать 40-50%.

В данном работе исследуются образцы колотой древесины длиной до 1м, а также древесная щепа. 

2.2. Cушка древесины

Высокая влажность древесины, подвергающейся пирогенетическому разложению, значительно понижает эффективность процесса. Полностью отделить гигроскопическую влагу в процессе сухой пере­гонки дров в газовой среде очень трудно из-за неравномерности нагрева. Даже в малых кусках (щепа) при обугливании наружных слоев внутри их продолжается процесс сушки и влага неизбежно попадает в топку котла.

В связи с этим сырые дрова целесообразно предварительно подсушивать до относительной влажности (14-20%). Различают два способа сушки - естественный и искусственный (сушка уходящими дымовыми газами, токами высокой частоты и т. п.).

2.2.1 Естественная сушка древесины

 Естественный способ сушки древесины (рис.2.6.) - это сушка древесины на открытой местности или под навесом. Процесс сушки происходит за счёт энергии солнца и ветра. Продолжительность сушки и конечная влажность древесины зависят от погодных условий и могут сильно колебаться. Теоретически за лето в условиях средней полосы России  можно высушить доску до 12-13%  влажности, а бревно до 20-30%. Естественная сушка древесины требует значительных свободных площадей и весьма больших производственных запасов древесины. Такой способ наиболее простой и дешевый. Он не требует больших капиталовложений и специального оборудования. При небольших потребностях в сухом пиломатериале этот способ сушки нужно считать наиболее экономичным и целесообразным.[6]

Рекомендации по естественной сушке древесины:

- свежий древесный материал сушат на открытом воздухе под навесом или с использованием непромокаемых покрытий.

- наилучшими качествами обладает древесина заготовленная зимой, так как в холодной время она не поражается плесенью и лучше подсыхает.

- время  естественной сушки древесины в уличных условиях зависит от  температуры и от влажности наружного воздуха.

- после сушки  на открытом воздухе, в древесине содержится остаточная влажность, которая устраняется в течении двухнедельного хранения в комнате.

- степень усушки древесины определяется по изменения веса древесины, либо с помощью специальных влагомеров

Кроме климатических особенностей и способа хранения древесины на открытом воздухе на сушку также влияет порода древесины.[2]

Малоусыхающие: ель, пихта, кедр, белый тополь, сосна и др.

Среднеусыхающие: дуб, вяз, бук, осина, ясень, черный тополь, мелколистная липа

Сильноусыхающие: клен остролистный, граб, лиственница, береза.

 Процесс сушки капиллярно-пористых материалов определяется испарением влаги с поверхности в окружающий воздух и продвижением влаги из внутренних слоев к зоне испарения.

Скорость испарения влаги с поверхности гигроскопического материала пропорциональна разности упругостей на его поверхности и в воздухе

dm/dt = l (Um - Up) ,                                     (2.5)

где  dm/dt - интенсивность влагоотдачи,       l- коэффициент влагоотдачи, t - время , Um , Up - соответственно поверхностная и равновесная концентрация влаги.

Процесс продвижения влаги изнутри материала к поверхности  описан уравнением

dm/dt = - D1 dU/dn ,                                       (2.6)

где  dU/dn - градиент концентрации в направлении потока, D1 - коэффициент влагопроводности.

Усушка древесины с уменьшением её линейных размеров и объёма происходит только при испарении гигроскопической влаги, но не капиллярной. Однако при испарении гигроскопической влаги происходит линейное сокращение и, наоборот, при поглощении гигроскопической влаги - разбухание.

Усушка древесины вследствие неоднородности её строения в различных направлениях неодинакова. Вдоль волокон линейная усушка для большинства древесных пород не превышает 0,1%, в радиальном направлении - 3-6%, а в тангенциальном - 7-12%. Это сопровождается возникновением внутренних напряжений в древесине, что может вызвать ее коробление и растрескивание. Коробление может быть продольным и поперечным.

При разбухании древесины в результате поглощения воды, пропитывающей оболочки клеток, она увеличивается в объеме.

Разбухание древесины неодинаково в различных направлениях: вдоль волокон 0,1-0,8%, в радиальном направлении 3-5% и тангенциальном - 6-12%. При увлажнении, в результате насыщения оболочек клеток водой, древесина увеличивается в весе и объеме. После дальнейшего насыщения древесины водой влага насыщает полости клеток и пространства между ними. При этом вес древесины изменяется. А объем не увеличивается.

Если после естественной сушки влажность древесины составляет более 25%, то ее подсушивают в специальных сушилках передвижного или стационарного типа. Естественная сушка может быть полностью исключена, с помощью замены её на искусственную.

2.2.2. Искусственная сушка древесины

Искусст­венной сушке должна предшествовать естественная, которую желательно доводить до равновесной влажности.

Искусственная сушка технологической древесины до более низкой, влажности или до абсолютно сухого состояния связана с большими трудностями, так как для удаления в газовой среде последних остатков влаги из древесины требуется большая длительность процесса. Удельная производительность сушила в это время резко падает и во многих случаях оказывается более эко­номичным оставить эту влагу в древесине.

Общая продолжительность процесса пиролиза в основном определяется периодом сушки древесины и ее нагрева до начала экзотермической реакции разложения, когда скорость пиролиза становится очень большой. Поэтому искусственная сушка  древесины является обязательной стадией для современ­ных газогенераторных аппаратов.

На сушку и нагрев древесины уходит большая доля времени всего оборота. Таким образом, повышение производительности аппаратов пиролиза древесины во многом зависит от сушильного процесса.

На заводах сухой перегонки применяется искусственная суш­ка дров обычно теплом отходящих дымовых газов от котельной или от ретортных топок. Иногда для сушильной камеры сжигают топливо в специальных топочных устройствах.

Конструкция сушила определяется размером кусков техноло­гической древесины и принятым способом транспортирования сырья в процессе его обработки. Так, в вагонных ретортах дрова перемещаются в решетчатых вагонетках, которые и определяют туннельный (коридорный) тип сушила. Измельченную древесину (как сыпучий материал) целесообразнее сушить в барабанных, шнековых, вертикальных столбиковых и других сушилках с пере­мешиванием материала. Крупные куски древесины однородных размеров тоже можно рассматривать, как сыпучий материал. Например, круглые дрова, распиленные на отрезки длиной около 200-300 мм, можно с успехом сушить в вертикальных сушилах с перемещением материала под влиянием собственного веса. Таким образом, для сушки крупных кусковых материалов (дров и тюлек) и равномерно измельченных сыпучих материалов (щепа, опилки, стружка) можно применять общеизвестные сушила.

В последнее время широкое распространение в Европе и Америке получила высокотемпературная сушка, основной особенностью которой является наличие избыточного давления внутри древесины, вызванного кипением влаги внутри древесного материла.

При конвекционной (камерной) сушке тепловой поток направлен навстречу потоку влаги под действием градиента влажности и, следовательно, он препятствует перемещению влаги из внутренних слоев к наружным. Чтобы ликвидировать этот отрицательный температурный перепад, материал перед сушкой прогревают.

При высокотемпературной сушке древесины наряду с потоком влаги, идущим под влиянием градиента влажности, образуется интенсивный поток влаги под действием избыточного давления паровоздушной смеси в древесине. Перемещение влаги под действием градиента влажности и перепада давления происходит в одном направлении (из внутренних слоев к поверхности древесины), вследствие чего резко сокращаются сроки сушки.

При сушке дров с температурой выше 100°С физическая сущность процесса продвижения влаги изменяется. Наряду с потоком влаги, идущим под влиянием градиента влажности, в этом случае большое значение имеет поток влаги, образующийся из-за повышенного давления паровоздушной: смеси в древесине, вследствие которого влага из внутренних слоев сортимента интенсивно перемещается на его поверхность. Градиент влажности и перепад давления являются движущей силой для перемещения влаги, но при значительной величине они могут быть причиной появления напряжений и растрескивания материала в процессе сушки. При высокой температуре вязкость влаги уменьшается, что облегчает ее продвижение по мельчайшим отверстиям соединительных пор и микрокапилляров.

Дрова сушат при высокотемпературных режимах в среде перегретого пара. При этом температура среды по мокрому термометру при атмосферном давлении равна 100, а по сухому - выше 100°С. В начальный период сушки в камеру поступает тепло, которое прогревает древесину, вытесняет из камеры воздух, испаряя свободную влагу и одновременно продувается вентиляторами через теплообменник, где он перегревается. После этого пар испаряет влагу из древесины и смешивается с этими испарениями. Смесь циркулируется вентиляторами через теплообменник, где повышается - степень ее перегрева, затем проходит через штабель и т. д.

Основной причиной невозможности полноценной конвективной сушки дров помимо сложности организации конвективного теплообмена между сухим воздухом и произвольно уложенным материалом, является низкая температура, при которой удаление влаги происходит только за счет испарения с поверхности. Кардинальным решением проблемы является сушка высокотемпературным режимом в камере специальной конструкции.

3. Общие выводы и рекомендации по эксплуатации и проектированию газогенераторных котлов

1) Приведение топлива к одному фракционному составу

 Газогенераторы плотного слоя чувствительны к фракционному составу газифицируемого топлива. Газифицируемое топливо не имеет большую разницу в величине кусков. Оптимальный фракционный состав топлива определяется типом газогенератора и конструкцией колосниковой решетки. Например, для атмосферных газогенераторов является класс по размеру кусков 25-50 мм, при содержании мелочи не более 12 %. Возможна газификация и следующего класса по размеру кусков 50-100 мм, при содержании мелочи, не более 15 %. Древесину приводят к одному фракционному составу с помощью специальных рубительных установок для превращения древесины в древесную щепу.

2) Использование теплоты уходящих газов

Решению об установке утилизаторов теплоты должно предшествовать определение возможных потребителей потенциальной теплоты утилизаторов. Для этого предварительно необходимо определить конкретные потоки воды и воздуха, их расходы, температуры, до которых могут быть подогреты теплоносители в утилизаторах. В качестве потребителей могут рассматриваться как нужды котельной, так и система теплоснабжения и сторонние потребители.

Правильный выбор вида и требуемой производительности утилизатора определяется не установленной мощностью котлов, а наличием реальных потребителей утилизируемой теплоты. Потребителями могут быть: подогрев исходной и химически очищенной воды, подогрев дутьевого воздуха, система горячего водоснабжения, подогрев обратной сетевой воды, технологические нужды предприятий, подогрев воды для систем теплоснабжения тепличных и парниковых хозяйств, подогрев воздуха для отопления помещений складов, для тепловых завес и размораживания твердого топлива.  Схемы утилизации теплоты дымовых газов котельных и виды применяемых утилизаторов зависят от конкретных источников теплоты, возможности использования потенциала дымовых газов, потребителей теплоты, вида топлива, состава дымовых газов, определявшего агрессивность его по отношению к оборудованию котельных.

Применение утилизаторов тепла равносильно повышению КПД котельных, следствием которого является снижение расхода топлива, а пропорционально этому снижается выброс вредных веществ, т.е. практически любые мероприятия, направленные на энергосбережение, способствуют снижению поступления в атмосферу загрязняющих веществ.

3) Автоматизация топливоподачи в ГГУ

Чтобы избавить потребителя от необходимости подкладывать топливо в топку котла, возможно использовать автоматизированные топочные аппараты (АТА). По мере сгорания топлива его новая порция подается из загрузочного бункера автоматически. Но вот топливо в этом случае годится уже не любое, а мелкоразмерное. Лучше всего подходят древесная щепа (размером 5-50 мм) или гранулированные опилки (пеллеты).

АТА состоит из двух агрегатов: котла с топкой и стоккерной горелки. Стоккерная (бункерная) горелка включает в себя металлический бункер объемом 0,5-1 м3 (в принципе он может быть увеличен до любого размера), к которому присоединен шнековый транспортер топливной щепы, переходящий в горелочное устройство с дутьевым вентилятором. Объема бункера вполне достаточно для автоматической работы котельной в течение одних суток. Есть устройства, действующие непрерывно 2-5 суток и даже две недели.

Установленную на выходе из котла температуру воды отслеживает терморегулятор. Если эта температура снизилась на 5°С относительно установленной, по его сигналу на несколько секунд включается электродвигатель шнека, и порция топлива подается в горелочное устройство, в котором постоянно поддерживается тлеющий заряд. Дутьевой вентилятор нагнетает воздух в горелочное устройство, и температура воды в котле повышается. Однако, как только она достигает верхнего предела, автоматика отключает вентилятор. 

Чтобы огонь по шнеку не проник в бункер, в конструкции АТА предусмотрены две системы. Первая следит за температурой кожуха подающего шнека. При повышении температуры до 40-45°С специальный термостат отключает дутьевой вентилятор и подачу топлива. Вторая система - это автоматическое пожаротушение. При температуре топливоподающего кожуха 70-80°С подающий шнек и горелочное устройство заливаются водой. 

4) Использование в качестве топлива древесины с влажностью менее 15%

Как показали экспериментальные исследования, из всех свойств древесины наиболее сильно на процесс сжигания топлива влияет влажность.

Если топливо практически сухое (влажность менее 15%), то не придется тратить дополнительную энергию на удаление влаги из древесины. Это позволит увеличить теплоту сгорания, за счет повышения процентного содержания горючих компонентов получаемого древесного газа. Состав горячей части древесного газа незначительно изменяет при влажности менее 15% и обладает теплотворной способностью 6000 ккал/м3.

5) Организация равномерного подвода первичного и вторичного воздуха в камеры сгорания

 Организация равномерного подвода воздуха в верхнюю камеру сгорания обеспечивает полное сгорание древесины с минимальным образованием угля и золы. Равномерный подвод воздуха обеспечивает расположение форсунок по периметру топочной камеры газогенератора. Количество форсунок для подачи первичного воздуха определяется размерами топочной камеры.

Организация подачи вторичного воздуха более сложная. Наиболее оптимальным считается подвод воздуха в щелевидные отверстия колосниковой решётки. Количество форсунок для подачи вторичного воздуха, как правило, определяется конструкцией колосниковой решётки.

6) Использование бака-аккумулятора для газогенераторного котла

Даже самый примитивный твердотопливный котел можно топить не чаще чем несколько часов в 2-3 дня. Тогда удастся получить максимальную эффективность использования топлива, небольшое количество сажи и чистые дымовые газы. Для этого к котлу нужно подсоединить теплоизолированный бак-аккумулятор горячей воды достаточно большого объема (литров на 500 и более). Бак забирает воду из котла, когда топливо горит интенсивно, выделяя много тепла. Когда топливо прогорело и котел остывает, аккумулятор подпитывает водяную "рубашку" котла и систему отопления горячей водой. В итоге ровная температура в системе поддерживается более длительное время, а в котле сохраняются условия для лучшего сжигания топлива. Кроме того, котел можно подтапливать реже, что дает экономию топлива. Соединяют аккумулятор с котлом двумя способами: напрямую, без запорной арматуры, или с помощью управляемой байпасной схемы с принудительной циркуляцией

Список использованных источников

  • 1. Токарев Г. Г. Газогенераторные автомобили / Соловьев Н.С., Гос. Изд-во машиностроительной лит-ры, 1955, 204 с.: ил..
  • 2. Ковернинский И. Н. Основы технологии химической переработки древесины / Рытенко В.С., Кондратьева Н.Н., Кознова О.А., Изд-во "Лесная промышленность", 1984, 183 с.: ил..
  • 3. Гусев Ю. Л. Основы проектирования котельных установок [Текст] / - Гусев Ю. Л.М., Стройиздат, 1973. 248 с.
  • 4. Эстеркин Р. И. Котельные установки. (Курсовое и дипломное проектирование) [Текст] / Эстеркин Р. И. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 227 с.: ил..
  • 5. Головков С. И. Энергитическое использование древесных отходов / Коперин И.Ф., Найденов В.И., Изд-во "Лесная промышленность", 1987, 216 с.: ил..
  • 6. Славянский А. К. Химическая технология древесины / Шарков В.И., Ливеровский А.А., Буевской А.В., ГОСЛЕБУМИЗДАТ, Москва 1962, 577 с.: ил..
  • 7. Выродов В. А. Технология лесохимических производств / Кислицын А.Н., Глухарева М.И., Киприанов А.И., Изд-во "Лесная промышленность", 1987, 352 с.: ил..
  • 8. Гамбург Д.Ю. Производство генераторного газа на базе твердого топлива / Семёнов, В.П. ,Химическая промышленность.-1983,152с
  • 9. Зорина Г.И. Современные тенденции развития технологии газификации твердого топлива. // Химия твердого топлива. - 1986.- №3.-с.82-93.
  • 10. Альтшулер В.С. Современное состояние и развитие технологии газификации твердого топлива // Химическая технология. - 1985.- №1.- с.309-314.
Просмотров работы: 991