Представленные технологические решения наглядно

Рис. 5. Технологическая схема МГеоЭС-2 с использованием пара от
скважины 5-Э для эжекторов системы удаления неконденсирующихся газов
Представленные технологические решения наглядно показывают
возможные схемы использования сбросного сепарата с геотермальной
станции.
Список литературы:
1. Расширение Мутновской ГеоЭС-1 за счет использования потенциала сбросного
сепарата // Техническое задание на выполнение эскизного проекта расширителя
геотермального пара. – М.: ЗАО «ГЕОИНКОМ», 2009.
2. Поваров О.С., Томаров Г.В. Развитие геотермальной энергетики в России и за
рубежом // Теплоэнергетика. – 2006. – № 3. – С. 2–10.
УДК 621.039.542.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЖИГАНИЯ
НИЗКОСОРТНЫХ ТОПЛИВ
Усова Г.И., Рыжков А.Ф., д.т.н., Силин В.Е., к.т.н.
Уральский федеральный университет им. первого Президента России
Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург
E-mail: [email protected]
Дефицит топлива и постоянный рост цен на все его виды вызывает
необходимость проведения исследований по поиску альтернативных
видов топлива, к каковым относятся низкосортные топлива, в том числе
местные топлива региона – торф, биомасса, и древесные отходы. Для
разработки современных топочных и газогенераторных устройств на
низкосортном топливе важно знание особенностей горения и газификации в низкотемпературных режимах (< 800 °С). Установки небольшой
317
мощности лучше всего работают в слоевом режиме, при этом оптимальный размер частицы топлива составляет 10–15 мм.
Горение индивидуальной частицы (ИЧ) и слоевое сжигание в определенных вопросах допустимо оценивать с единых позиций. Интенсивность тепломассообмена частиц, горящих в кипящем слое инерта, близка к интенсивности для ИЧ. Правомерность сопоставления с плотным
слоем определяется тем, что тепломассообменные процессы в крупнозернистых частицах проходят, как и в ИЧ. Экспериментальные данные
по горению ИЧ могут быть использованы для анализа термохимической
подготовки крупных частиц в топках с плотным и кипящим слоем.
Исследована кинетика термохимической конверсии низкосортных
топлив в процессе сжигания. В экспериментах использовался ряд топливных частиц одинакового размера примерно 10 мм. Малозольные высокореакционные биотоплива: древесина (520 кг/м3), финиковая косточка (1150 кг/м3), продукт их переработки – древесный уголь (380 кг/м3) и
композитные гранулы из древесной шлифпыли (980 кг/м3), так же влажные зольные гранулы из торфяной пыли (870 кг/м3).
В сравнении с антрацитом и каменным углем низкосортные топлива являются более реакционноспособными и не требуют высокой температуры для воспламенения и горения. Высокая реакционная способность позволяет специально для низкосортного топлива в настоящее
время разрабатывать экологически нейтральные и энергоэффективные
способы низкотемпературного сжигания при 700–800 °С в плотном и
кипящем слое.
Исходные термограммы центра топливных частиц, снятые после
помещения частицы в муфель без обдува представлены на рисунке 1.
Бурное выделение и горение летучих блокирует доступ кислорода
к коксозольному остатку (КЗО) древесной частицы, как это неоднократно описано в литературе, и его разогрев происходит менее интенсивно,
чем в случае древесного угля. После выгорания основной массы летучих КЗО разогревается с интенсивностью, близкой к интенсивности саморазогрева древесного угля, но до большей температуры и в дальнейшем сгорает в 1,5–2,0 раза быстрее. Источниками прогрева в случае
древесины служат тепловые потоки от муфельной печи, экзотермических реакций пиролиза и горения летучих.
В силу иной теплоемкости и под воздействием эндотермических
эффектов, косточка прогревается медленней «модельного» инертного
тела. Летучие интенсивно выделяются в форме кипящих жидких смоляных фракций в порах КЗО и на поверхности. Перекрытие части реакционной поверхности смоляными фракциями приводит к значительному
запаздыванию начала окислительного саморазогрева косточки относи318
тельно саморазогрева древесины и древесного угля. К моменту исчезновения на поверхности жидкой фазы, частица открывается для доступа
воздуха и начинается воспламенение и саморазогрев КЗО. Скорость
подъема температуры почти в 10 раз меньше, чем у древесного угля и
древесины, что обусловлено, по-видимому, неполнотой протекания пиролиза на предыдущем этапе.
а)
б)
Рис. 1. Термограммы при температуре в печи 400 °С (а) и 800 °С (б)
В высокотемпературном диапазоне специфика прогрева и воспламенения низкосортных топлив нивелируется. «Запаздывание» прогрева
косточки относительно частицы древесного угля уменьшается практически до нуля, а перегревы к концу саморазогрева и скорости горения
КЗО на основном участке сближаются.
При этом качественно процессы воспламенения древесной частицы
и косточки не похожи на воспламенение древесного угля и существенно
различаются между собой. Согласно визуальным наблюдениям после
319
помещения в муфель с температурой 800 °С летучие из древесной частицы выходят медленно, формируют «вялый» горящий слой около поверхности и слабо флуктуирующий факел небольшой протяженности
над ней. Выход летучих из косточки характеризуется «взрывной» интенсивностью, имеют место непрерывные выбросы горящего вещества
на расстояние до 3–4 диаметров косточки. Наиболее плавную и однородную кривую дает древесный уголь – предварительно подготовленное
сухое топливо с остаточным содержанием летучих < 15 %.
Разогрев влажных гранул из древесной шлифпыли и торфяной пыли происходит с запаздыванием из-за затянувшегося процесса сушки
(особенно у древесной гранулы). Затем происходит интенсивный разогрев гранул за счет горения летучих. Вслед за выходом летучих происходит быстрое прогорание КЗО гранулы из древесной шлифпыли. Прогорание КЗО гранулы из торфяной пыли длится дольше, чем для гранулы из шлифпыли, и температура при это не изменяется.
Были проведены расчеты скоростей горения коксового остатка гранул. Определялись скорости горения коксового остатка в виде потока
массы с единицы поверхности в единицу времени по соотношению:
j  M / (  S ) ,
где ΔM – масса коксового остатка, выгорающая за время Δτ; S – геометрическая поверхность частицы по начальному размеру.
Наиболее очевиден переход из кинетического режима во внутридиффузионный для древесного угля, поскольку его горение не осложнено выходом значительного количества летучих веществ и практически
сводится к выгоранию коксового остатка. Кривая скорости горения
имеет «излом» в области температуры tч = 600 °С: крутой участок соответствует кинетическому режиму, а пологий – диффузионному (рис. 2).
Экспериментальные точки располагаются внутри «сектора», ограниченного линиями кинетического и диффузионного режимов. Скорость горения древесины в высокотемпературном режиме при
tч = 900 °С и w = 0 м/с ниже предельной расчетной скорости в диффузионном режиме ориентировочно на 5–15 %, а древесного угля – на 10–30 %.
Наиболее сильное влияние на скорость термохимической конверсии частицы топлива оказывают, как известно, величина и качество доступной для окислителя ее реакционной поверхности. В сопоставимых
условиях топливо с наибольшей реакционной поверхностью (свободной
от золы, что важно для высокозольных углей и несущественно для биомасс с низкой зольностью) должно обладать и наибольшей скоростью
выгорания. В качественном отношении свойства внутренней поверхности, сформированной задолго до попадания в топку (реактор), и формирующейся в ней непосредственно, могут быть различными.
320
Рис. 2. Скорости горения КЗО в зависимости от температуры частицы
Наши данные по древесной частице и косточке при tм = 400–800 °С
близко группируются к расчетной кривой для диффузионного режима.
Гранулы из торфяной пыли и древесной шлифпыли благодаря меньшей
активности КЗО имеют скорость его горения почти в 2 раза ниже, чем
скорость горения коксозольного остатка древесины. Обладая к концу
саморазогрева наивысшей пористостью, КЗО косточка имеет максимальную скорость горения.
Проанализировав результаты эксперимента можно говорить о необходимости особой термоподготовки топливных гранул, так как стадия
подготовки топлива занимает около половины времени сжигания.
Во всем исследованном температурном интервале интенсивность
выгорания гранул из торфяной пыли и древесной шлифпыли существенно (в 2–3 раза) ниже, чем интенсивность выгорания древесной частицы. Это объясняется различной структурой КЗО, формирующегося
при сушке и пиролизе. В случае гранулы КЗО представляет собой высокопористое, сильногорючее образование: конгломерат механически
сцепленных частичек. Такая структура обладает существенной площадью реакционной поверхности, по укрупненным оценкам в 2–3 раза
превосходящим поверхность КЗО древесной частицы, что определяет
интенсивное взаимодействие горючих с окислителем.
С этой точки зрения гранулы могут стать одним из перспективных
форм искусственного топлива, получаемого из низкосортных природных органик, обладающего высокой реакционной способностью при
решении вопроса полезного использования в топочном процессе их избыточной влаги.
Работы выполнены при финансовой поддержке РФФИ (проект
№ 10-08-96054).
321