58 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 био- массы, широко используется псевдоожиженный слой, в котором все про- цессы 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, сопро- вождается 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 части- цы оседают на решетке, что ведет к ее шлакованию и образованию агло- мератов. Для устранения перечисленных недостатков разрабатываются различ- ные 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 мероприя- тию значительно расширяется область регулирования нагрузки. При сжигании топлив с низкой температурой плавления золы и с целью предотвращения уноса, а также уменьшения разделения смеси топлива це- лесообразно 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 газодинамиче- ских процессов в слое, так и на характер физико-химического взаимодей- ствия окислителя с твердым топливом. Процесс горения твердого топлива в пульсирующем слое состоит из следующих этапов: подвода кислорода к поверхности топлива турбулентной молекулярной диффузией, химиче- ской реакции между топливом и кислородом. При сжигании топлива в пульсирующем слое концентрация кислорода по всей поверхности частицы 59 одинаковая; скорость реагирования кислорода с углеродом пропорцио- нальна концентрации кислорода у поверхности частицы топлива; реакция протекает на поверхности частицы с образованием конечных продуктов сгорания. Поэтому можно допустить, что скорость горения зависит от ско- рости подвода кислорода к межфазовой поверхности и от скорости самой химической реакции. В результате взаимодействия этих процессов насту- пает равновесное состояние, при котором количество доставляемого и рас- ходуемого на химическое реагирование кислорода становится одинаковым, т. е. когда в стехиометрическом равенстве реагирующие вещества участ- вуют 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] 1 1A B А2 + В2. Скорости прямой и обратной реакций будут равны: 1 11 1 ;A BW k C C 2 22 2 ,A BW k C C где CA1 (CA2), CB1 (CВ2) – концентрация (число молекул в единице объема) реагирующих веществ в стехиометрической смеси; k1 и k2 – константы ско- ростей прямой и обратной реакций, определяемые по закону Аррениуса. Рассмотрим процесс массообмена частицы топлива, окруженной окис- лителем, концентрация которого изменяется по закону 0(0, ) cos ,mC C C (1) где С0 – начальная концентрация окислителя; Ст – амплитуда пульсации концентрации окислителя; – круговая частота пульсации; – 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] 2 2 ( , ) ( , ) 2 ( , ) , dC r d C r dC r D d r drdr (2) где D – коэффициент диффузии; r – текущий радиус. Решение задачи при граничных условиях: 0( ,0) ;C R C (3) (0, ) 0; dC d (4) 0 ( , ) cos ( , )m m dC r C C C r d D (5) 60 приведено в [2] и имеет вид 0 2 1 ( , ) 1 exp( ) exp( ) 2 sin exp( ), i dm om i m om m y n n n n omy i nn m C r C N iP F N iPd F C r R M M RA M F RMM Pd (6) где 2 m om a F R – массообменный критерий Фурье; sh ; ( 1)sh ch m dm i m dm dm dm r RBi iP RN r Bi iP iP iP (7) sh ; ( 1)sh ch m dm i m dm dm dm r RBi iP RN r Bi iP iP iP (8) 2 dm R P D – массообменный критерий Предводителева; mim a R B D – мас- сообменный критерий Био; ma – коэффициент массообмена между части- цей и газом; R – начальный радиус частицы; – круговая частота; nM – корни характеристических уравнений; 2 1 2 2 ( 1) ( 1) . m n mn n n m m Bi M Bi A M Bi Bi 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, дре- весных отходов, торфа целесообразно применить метод низкочастотного пульсирующего слоя, образующегося в результате воздействия кратковре- менных прерывистых газодинамических импульсов с силой, достаточной для придания слою движения. Такое состояние наступает при условии [3] 2 2 0 0 0 0 03 2 3 0 э0 0 (1 ) (1 ) 150 1,75 ( )(1 ),r m r w wр h dd (9) где р – сопротивление слоя; 0h – высота неподвижного слоя; эd – эквива- лентный диаметр частиц топлива; w – скорость фильтрации; ,m r – плот- ность топлива и газа; – коэффициент вязкости; 0 – порозность непо- движного слоя. 61 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, обра- зованные частицами топлива, фильтруется газ, может быть описан систе- мой уравнений [4]: 2 ;r dр dw р w dx d (10) 2 ,r dp dw р c d dx при условиях: 0; ( );w w 0; 0;w (11) 0; ;p p 0; 0,p где 0x h h – расширение слоя; h – высота расширенного слоя; – услов- ный коэффициент линейного трения; 0 1 1 2 2 1( ) p c – скорость звука в слое зернистого материала [5]; 0p – давление газа в невозмущенном слое; 1 – плотность газа; 2 – плотность частиц; 1, 2 – объемная доля газа и частиц соответственно. Анализ уравнений (10) и (11) позволяет допустить, что характер изме- нения давления на фронте импульса в системе «пульсатор – промежуточ- ная зона – слой» будет равен [6] ф ср 0 1 exp , t p p t (12) где фt – продолжительность фронта импульса; эt c – постоянная време- ни заполнения объема «пульсатор – слой»; э – коэффициент гидравличе- ского сопротивления [7]. Особенностью котельных установок с псевдоожиженными и пульсиру- ющими слоями является ведение процесса сжигания топлива при темпера- турах, 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 интен- сивного теплообмена между горящим слоем и поверхностью нагрева. 62 В процессе сжигания топлива в пульсирующем слое происходит интен- сивное выделение летучих веществ, которые, не успев сгореть в слое, по- ступают 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. 3 7 8 Рис. 1 Процесс сжигания топлива в пульсирующем слое осуществляется сле- дующим 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 воз- дух), 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 боко- выми встречно направленными струями из коробов. Пульсация топлива осуществляется следующим образом. При размеще- нии поворотной лопасти пульсатора, например в верхнем положении, пер- вичный воздух по воздуховоду 6 попадает под слой 3 горящего твердого топлива вместе с золой или инертным материалом и приводит его во взве- шенное состояние. Затем поворотную лопасть переводят в нижнее положе- ние 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. 10 1 4 9 2 5 6 10 4 63 Затем при очередном повороте лопасти пульсатора вверх осуществля- ется горение топлива при его вертикальном перемешивании. Отвод тепло- ты из слоя 3 и из камеры происходит с помощью теплообменных поверх- ностей, выполненных в виде труб, по которым прокачивается вода. При этом в указанных теплообменных поверхностях осуществляется генериро- вание водяного пара. Предусмотрена также работа пульсатора в таком ре- жиме, 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 горя- чего топлива (например, в количестве 10–20 % от общего расхода воздуха). При этом повышается эффективность сжигания топлива, так как предот- вращается 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 газифика- ции эффективно сгорают в надслоевой зоне действия встречно направлен- ных импульсных струй встречного воздуха. В Ы В О Д Ы 1. Предложена модель горения низкосортных топлив и твердой расти- тельной биомассы в пульсирующем слое. 2. Показаны преимущества сжигания топлива в пульсирующем слое. 3. Предложена конструкция топочного устройства для сжигания низко- сортных 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 r 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 коле- бательном 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 пульси- рующем 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