А.Э. Карапетов, ООО «ИЦ КотлоПроект», г. Санкт-Петербург
Основные принципы процесса сжигания биотоплива
1 Стадии горения биотоплива
Сжигание биотоплива – это сложный процесс, который состоит из последовательно протекающих гомогенных и гетерогенных реакций. В основном сжигание происходит в три стадии – сушка, выход и горение летучих, сгорание твердого углерода (коксового остатка). Графически этот процесс представлен на рис.1.
 |
|
Рис. 1 Стадии горения биотоплива |
 |
| Рис.2 Потеря массы при горении образца топлива как функция от времени. По оси абсцисс – время в мин, по оси ординат m/m0 в %, где m – текущая масса образца, m0=100 мг – исходная масса образца. Скорость нагрева - 100°С/мин. Выделенные зоны слева направо – нагрев и сушка; выход летучих; горение углерода. Источник - Nussbaumer, Thomas. Combustion and Co-combustion of Biomass |
Время, необходимое для каждой из этих реакций, зависит от характеристики топлива, его фракционного состава, от температуры, от условий сжигания. Опытное сжигание частицы малого размера показывает отчетливое разделение по времени между фазами горения летучих и коксового остатка (см. рис.2). Для более крупных частиц эти фазы накладываются одна на другую, однако даже в топках для сжигания дров можно наблюдать достаточно отчетливое разделение фаз горения (2).
При некоторых способах сжигания, например на движущейся решетке, эти последовательные реакции протекают одновременно в разных зонах топочной камеры котла, что позволяет существенно оптимизировать процесс горения, естественно – при условии правильной конструктивной схемы котла. Кроме того, разделение стадий позволяет достичь существенного улучшения экологических показателей установки в целом. Для сжигания в кипящем слое, наоборот, характерно одновременное протекание всех трех стадий процесса в одном объеме, причем в условиях интенсивного перемешивания, благодаря чему тепло, выделяющееся при сгорании летучих и коксового остатка, быстро и эффективно передается частицам свежего материала и расходуется на испарение влаги и выделение летучих.
При проектировании установок для сжигания биотоплив абсолютно необходимо учитывать высокое значение выхода летучих - до 85%.
2 Условия эффективного сжигания
англоязычной литературе по сжиганию биотоплива можно часто встретить термин «Three T’s» – Temperature, Time, Turbulence («Три Т» – температура, время, турбулентность или перемешивание). Эти «Three T’s», три условия, должны быть обеспечены для достижения полного и высокоэффективного сжигания. Основные инструменты для выполнения условий следующие:
- правильно выбранные для используемого способа сжигания величины теплонапряжений топочного объема и зеркала горения;
- конфигурация топочной камеры, обеспечивающая, при необходимости, отжим горячих продуктов сгорания к участку, на который подается свежее топливо, исключающая наличие застойных зон и т.д.;
- размещение теплоотводящих поверхностей в камерах сжигания и дожигания с учетом характеристик, в первую очередь влажности, сжигаемого топлива;
- как можно более равномерная подача топлива, исключающая разовые загрузки больших порций топлива;
- равномерное распределение слоя топлива на решетке (для слоевого сжигания), поддержание необходимой высоты слоя, обеспечение перемешивания и, при необходимости, шурования слоя;
- организация воздушного дутья, обеспечивающая равномерное поле температур по объему и сечению топочной камеры;
- обеспечение оперативного контроля за ключевыми параметрами (температурой газов в зонах сжигания, дожигания, на выходе из топочной камеры; содержанием О2 и СО в уходящих из котла газах);
- с целью возможности экстренного воздействия на температурный уровень в топке котла – организация рециркуляции дымовых газов (как вариант – впрыска пара) в различные зоны сжигания.
В [2] отмечается, что смешение топочных газов с воздухом следует считать основным фактором, ограничивающим качество сжигания биотоплива, в то время как обеспечение необходимой температуры и времени пребывания в камере сжигания может быть достигнуто без особых проблем.
Для ознакомления с полным текстом журнальной версии статьи направьте пожалуйста запрос, воспользовавшись формой обратной связи или нашим электронным адресом: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Статья опубликована в журнале "Новости теплоснабжения" № 11 (ноябрь), 2014 г.