2. прямое сжигание биомассы

2.1. ТЕХНОЛОГИИ СЖИГАНИЯ

Потому что характеристики биотоплива варьируются в очень широких
границах

[1], то используются разные методы сжигания твёрдого
горючего:

пылевидное сжигание – употребляется изредка, к примеру, при совместном сжигании древесных пылевидных отходов и водянистого
горючего;

слоевое сжигание – этому классу принадлежат разные конструктивные решения решёток, которые обычно подразделяют на две главные
группы: недвижная решётка и механизированная (подвижная);

сжигание в кипящем слое – как в пузырьковом, так и циркулирующем кипящем слое;

газификация горючего, с следующим сжиганием образовавшихся горючих газов в газомазутных котлах.

Для каждой технологии сжигания с течением времени сформировался
таковой спектр мощностей, при котором применение данной технологии на техническом уровне
либо экономически является более целесообразным (табл. 1).

В части внедрения котлов, работающих на биотопливе и торфе
сложились желательные технологические решения, надлежащие специфике
области с подходящим уровнем автоматизации (табл. 2).

1. Соответствующие мощности котлов при разных методах
сжигания

Разработка сжигания

Малая мощность, МВт

Соответствующая мощность, МВт

Топка с недвижной решёткой

0,01

0,05…1

Механическая слоевая топка

0,8

2…15

Пузырьковый кипящий слой

1

>5

Циркулирующий кипящий слой

7

> 20

Газификация горючего

0,3

2…15

2. Область внедрения котлов

Область внедрения котлов

Соответствующие мощности

Личные дома

15…40 кВт

Огромные строения

40…400 кВт

Котлы центрального отопления

0,4…20 МВт

Промышленные котлы

1…80 МВт

Котлы для сжигания бытовых отходов

10…30 МВт

Промышленные энерго котлы

50…350 МВт

2.1.1. Топки с недвижной решёткой

В главном, недвижная решётка (рис. 4, д) устанавливается
в топке под таким углом, который обеспечивает движение горючего
повдоль решётки вниз из зоны подсушки до зоны горения углерода (кокса). Угол
наклона недвижной решётки приблизительно равен углу естественного откоса
применяемого горючего. Зависимо от горючего и конструкции частей
решётки рекомендуются последующие углы наклона решёток:

колосниковая наклонная решётка для сжигания воздушно-сухого
кускового торфа, опилок и щепы – 32…36°;

решётка, при сжигании опилок – 38…40°;

ступенчатая решётка для сжигания торфа – 30°.

Колосниковая наклонная решётка состоит из нацеленных по
направлению движения горючего частей решётки либо колосников, а ступенчатая
решётка – из расположенных поперек движения горючего ступенек. Ступенчатая
решётка в особенности отлично подходит для сжигания опилок и мокроватого горючего. Не считая
наклонных решёток с однобоким наклоном используются также наклонные решётки,
имеющие конусную форму, где горючее подаётся шнековым питателем снизу, либо же
за счёт силы тяжести – сверху.

2.1.2. Топки с механической решёткой

По сопоставлению с недвижными решётками, решётки с подвижным
полотном (рис. 4, б, 4, г, 4, е) позволяют за счёт движения частей решётки
лучше держать под контролем продвижение горючего и получать более равномерное
рассредотачивание слоя горючего на решётке, что в итоге приводит к более
действенному процессу сжигания и понижению содержания вредных выбросов (в особенности
CO) в дымовых газах.

Существует комбинированное решение, при котором решётка
состоит из 2-ух частей. Верхняя половина представляет из себя недвижную
решётку, охватывающую зоны сушки и пиролиза, нижняя состоит из подвижных
частей, имеет наименьший наклон и покрывает зону горения.

Для сжигания высоковлажного горючего поверхности топки, как
правило, должны быть неохлаждаемыми и делаются из глиняних материалов. Рабочая температура этих поверхностей довольно высока, чтоб
подводимое от их излучением тепло обеспечивало сушку горючего, выделение
летучих и создание подходящих критерий для горения как на решётке, так и в
зоне горения летучих. При краткосрочном сжигании сухого горючего в таких
неохлаждаемых топках происходит резвый рост температуры и в слое горючего, и
в топочном объёме. В итоге может начаться процесс плавления золы,
шлакование зазоров и самой решётки, также повреждение обмуровки топки либо
даже её расплавление.

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 4. Технологии сжигания биомассы:

а – топка с вдуванием горючего, загрузка при помощи шнека; б –
топка

переталкивающей решёткой и гидравлической загрузкой для
мокроватого горючего;

в – ретортная топка для пеллет, загрузка при помощи шнека; г
– топка с переталкивающей решёткой для пеллет, загрузка при помощи шнека для

порошкообразного горючего; д – ретортно-колосниковая топка,
загрузка при помощи

шнека, для горючего с низким содержанием золы; е – топка с
переталкивающей решёткой, загрузка при помощи шнека

Патентованная компанией Wärtsilä топка Biorate,
имеющая конусную решётку с подачей, позволяет спаливать горючего, имеющие как
очень низкую, так и очень высшую влажность до 65% (рис. 5) [1].

Если в котле подразумевается сжигание сухого горючего, то
нужна организация остывания стенок топки
установкой поверхности нагрева. От критерий остывания стенок топки
впрямую зависит, какое горючее и с какой влажностью можно спаливать. При
сжигании сухого горючего, напри-

мер пеллет, также отходов столярного производства либо мебельной
индустрии, температура топочного объёма поддерживается в подходящих
границах сначала за счёт охлаждаемых топочных поверхностей. Не считая того,
может появиться необходимость в формировании зоны горения летучих таким
образом, чтоб стопроцентно исключить излучение факела на слой горючего.

Сжигание мокроватого горючего в охлаждаемых топках приводит к
снижению температуры на решётке, потому что условия сушки горючего не отвечают
нужным аспектам. В итоге возникают не

Рис. 5. Топка BioGrate с конусной решёткой и нижней подачей
горючего

спаленные частицы горючего в шлаке и происходит неполное
сгорание летучих, приводящее к резкому понижению эффективности горения, выброса сажи и невыгоревших газов в дымовую трубу, также к засмолению
поверхностей нагрева и дымогарных каналов.

В стенках топки могут располагаться воздушные каналы, при помощи
которых осуществляется их остывание. За счёт этого сразу происходит
подготовительный обогрев воздуха, подаваемого на горение, что улучшает
условия горения мокроватого горючего. Такие
топки являются очень распространёнными и отлично подходят для сжигания
равномерно мокроватого горючего, к примеру, лесной щепы, соответствующая влажность которой находится в границах 35…55%.

Дополнительной возможностью регулирования температуры в
топке является рециркуляция дымовых газов. Данный способ позволяет в определённой степени уменьшить тепловыделение и температуру на решётке при
одновременном увеличении тепловыделения в зоне горения летучих компонент.

2.1.3. Топки с цепной решёткой

Цепные решётки отлично подходят для сжигания нескольких видов

топлив в одной топке при более больших мощностях установок.
К примеру, производительность каждого из 2-ух паровых котлов с цепными решётками, реконструированными в 1984 г. в г. Бурос (Швеция), зависимо от
вида горючего составила 60…90 т/ч. Разрез решётки такового котла приведён на рис.
6 [1].

Главным топливом является древесная щепа, но существует
возможность использования торфа либо угля. Варьирование скорости движения
полотна цепной решётки позволяет довольно гибко регулировать перемещение
горючего с подходящей скоростью, начиная с зоны сушки и до

Рис. 6. Цепная решётка котла ТЭЦ Бурос, Швеция

полного выгорания углерода и удаления шлака, не содержащего
горючих компонент. При переходе с 1-го горючего на другое, к примеру, с
древесной щепы на уголь, нужно поменять скорость движения полотна,
объёмы и соотношение первичного и вторичного воздуха.

Рынок котлов в спектре мощностей (2…3000 кВ )
представлен множеством производителей, использующих в главном чашечные пеллетные горелки, табл. 3.

В представленных разработках употребляются последующие системы
сжигания

EBF – топка с вдуванием горючего, загрузка при помощи шнека;

RRF – ретортно-колосниковая топка, загрузка при помощи шнека,
для горючего с низким содержанием золы;

USRF – топка с переталкивающей решёткой, загрузка при помощи
шнека;

HSRF – топка переталкивающей решёткой и гидравлической
загрузкой для мокроватого горючего;

PRF – ретортная топка для пеллет, загрузка при помощи шнека;

PSRF – топка с переталкивающей решёткой для пеллет, загрузка
при помощи шнека для порошкообразного горючего,

В разработках компании мы направили внимание на обширно выставленные элементы дополнительного оборудования, а именно, системы подачи
горючего, устройства для его хранения и системы автоматизации управления
процессами.

2.1.4. Топки с кипящим слоем

Увеличивая равномерно скорость дутья, можно сделать условия,
при

которых слой горючего за счёт силы давления газового потока
расширяется, частички горючего при всем этом начинают парить и активно перемешиваться в воздушном потоке, образуя взвешенный слой. Появляется иллюзия, что
слой начинает кипеть, отсюда и заглавие процесса – кипящий слой. Описанный псевдоожиженный
слой именуется пузырьковым либо стационарным кипящим слоем, владеющим
качествами псевдожидкости: вязкостью, текучестью, свободной горизонтальной
поверхностью зеркала горения. В таком кипящем слое воздушным потоком выводятся
влага, летучие и зола и, в малозначительной степени, маленькие частицы горючего,
сгорающие потом вкупе с летучими в топочном объёме над кипящим слоем (рис. 7).

Таблица 3

Фирма

Спектр мощностей, кВт

Сайт

Примечание

GILLES

13…145

www.gilles.at

Дымогарные трубы снабжены

шнеками для чистки поверхности от отложений

SHT-Heiztechnik aus Salzburq GmbH

4,5…30

www.sht.at

Пластинчатые
поверхности

термообмена

Froling

10…25; 28…110

www.froling.com

okoFen

8…64

www.okofen.fr

Herz

6,6…22; 6,6…35

www.herz-feuerung.com

Hargassner

9…22

www. hargassner.at

Hargassner

150…230

Переталкивающая решётка

Hoval

14…49; 20…69

www.hoval.at

Разработка факельного сжигания пеллет

Duderus

35…90

www.buderus.at

Возвратно-поступательно
перемещающие спирали в дымогарных трубах

Anton Eder GmbH

4,3…29,8

www.eder-heizunq.at

Возвратно-поступательно
перемещающие спирали в дымогарных трубах

ETA Heiztechnik GmbH

4,5…93

www.eta.co.at

Возвратно-поступательно
перемещающие спирали в дымогарных трубах

ATMOS

4,5…20

Оборотное горение

SL-Technik GmbH

7,9…23,5; 30…150

www.sl-heizung.at

Подвижные спиральные вставки в дымогарных трубах

Passat Enerqi A/S

11…185

www.passat.dk

Спиральные вставки в дымогарных трубах

Продолжение табл. 3

Фирма

Спектр мощностей, кВт

Сайт

Примечание

GUNTAMATIC

Heiztechnik GmbH

7…30

9…40

12…50

www.quntamatic.com

Недвижные
спиральные

вставки в дымогарных трубах и интегрированный дымосос

Wolf-Klima-und Heiztechnik GmbH

9,2…35

www.wolf-heiztechnik.at

Подвижные спиральные вставки в дымогарных трубах

BIOKOMPAKT®

Heiztechnik GmbH

25…130

www.biokompakt.com

Интегрированный дымосос

Windhaqer

2,9…9,9

4,3…15

6,3…21

7,5…25,9

www.windhaqer.com

Вибрационная система чистки поверхности термообмена

Kob &Schäfer GmbH

80…540

www.koeb-schaefer.com

Вихревая глиняная топка

для дожигания летучих после газификации пеллет

HDG Bavaria

12…250

4,5…25

www.hdq-bavaria.com

Подвижные спиральные вставки в дымогарных трубах котлов малой мощности и система чистки плоских поверхностей
термообмена котлов большой мощности

Josef BINDER

22015…3000

www.binder-qmbh.at

Bosch

28…220

www.boesch.at

Для котлов, мощностью 150 и

220 Квт наклонно переталкивающая решёткой

Рис. 7. Принципные схемы топок с пузырьковым (а)

и циркулирующим (б)

кипящим слоем:

1 – горючее; 2 – первичный

воздух; 3 – вторичный воздух;

4 – дымовые газы; 5 – вывод золы

При ещё большей, по сопоставлению с пузырьковым кипящим слоем, интенсивности дутья пылающие частички горючего уносятся воздушным потоком. В
циклонном сепараторе твёрдая фаза отделяется от газового потока и направляются
назад в топку. Так как пылающее горючее циркулирует меж топкой и
сепаратором, то таковой технологический процесс получил заглавие циркулирующего
кипящего слоя.

Технологические решения в виде как пузырькового, так и
циркулирующего кипящего слоя отлично подходят для сжигания биотоплива, торфа
и отходов, в то время как для сжигания угля и сланца больше подходит
циркулирующий кипящий слой. Одной из обстоятельств широкого распространения
технологии кипящего слоя является возможность понижения выбросов вредных
веществ в атмосферу и сжигания разных низкокачественных топлив в одной и
той же топке.

Рис. 8. Котёл жаротрубнодымогарный с кипящим слоем,
образованным самим топливом и его очаговым остатком – пеллетами

Рис. 9. Котёл с кипящим слоем и дымогарными трубами типа PML
компании Putkimaa OY, Финляндия

Температура в кипящем слое сравнимо низкая, порядка
850 С, вследствие чего отсутствует опасность плавления золы и
шлакования топки. При таком уровне температур понижаются также выбросы NOx и
N2O, а при использовании горючего с высочайшим содержанием серы при добавлении
сорбента (известняка) может быть её связывание с золой.

Общее требование, предъявляемое к горючему при сжигании в
кипящем слое – довольно однородный гранулометрический состав. При сжигании
биотоплива и торфа пузырьковый кипящий слой формируется из инертного материала.
Как правило это кварцевый песок, который во время пуска топки до подачи основного
горючего подогревается при помощи газовых либо мазутных горелок до температуры
приблизительно 600 С. Потом загорается подающееся в слой основное
горючее, температура слоя возрастает и вспомогательные горелки
отключаются. Пореже используют образование кипящего слоя частичками самого горючего
и его очаговыми остатками при использовании в качестве биотоплива пеллет (рис.
8) [3].

В качестве 1-го из примеров практической реализации
технологии кипящего слоя можно привести котёл финской компании Putkimaa OY, в каком топка и дымогарный котёл, имеющий вертикальное размещение дымогарных
труб, составляют одно целое (рис. 9) [1]. Такая малогабаритная

конструкция позволяет строить котлы даже с нехарактерно
малой мощностью, начиная с 1 МВт.

Технологически может быть применение технологии циркулирующего
кипящего слоя для энергетических котлов
большой мощности 100…

400 МВт, работающих на биомассе.

2.2. ПРИМЕР РАСЧЁТА БИОТОПЛИВНОГО ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА

2.2.1. Устройство котла и начальные данные для
расчёта

Проведём проверочный расчёт
водогрейного котла RHK-AK-650

компании «Heizomat» (Германия), при сжигании в нём пеллет из
лузги проса при номинальной мощности Qном = 600 кВт. Выбор котла данной компании
обоснован необходимостью знакомства студентов с техническими решениями,
позволяющими решать препядствия возникающие при сжигании биомассы. Температурный
график работы котла принят таким: 115/70 С. Отопительный котёл «Heizomat»
(рис. 10) [1] сварен из специальной котловой стали, испытан под давлением в
дважды превосходящим рабочее давление котла. Котёл состоит из корпуса с водяной
рубахой, камеры сгорания со слоевой топкой особенной конструкции, 12-ти
каналов теплообменников с вэдовой системой вирбуляторов шнекового
типа, агрегатов подачи воздуха и горючего в топку, агрегатов отвода товаров
горения, системы отвода газов, шкафа управления, золосборника и дымопровода.

Камера сгорания выложена особыми блоками шамотного
высокожаропрочного бетона. Футеровка топки обеспечивает аккумулирование тепла
и поддерживает неизменной температуру в топке, что призвано обеспечить
самовоспламенение вновь поступающих порций горючего. При изготовлении блоков
предусмотрена сеть отверстий различной формы для обеспечения воздушных потоков
поддува.

Снизу камеры сгорания размещена система цепно-скребкового
агрегата золоудаления. Цепь и скребки сделаны из специально жаропрочной
стали и обеспечивают размеренное равномерное золоудаление, независимо от
присутствия сторонних предметов либо спекшихся комков золы. Цепь имеет
свою систему натяжки, что исключает провисание и ослабление цепи при
расширении от нагрева.

Расположенная система отверстий в нижней и высшей части
шамотной рубахи обеспечивает расчётные потоки верхнего и нижнего поддувов.
Подача воздуха в камеру сгорания осуществляется при помощи вентиляторов
первичного и вторичного воздуха. Двухступенчатая подача воздуха призвана
обеспечить полное сгорание горючего, также сделать лучше рассредотачивание температурного
поля снутри топки. Зола, образующаяся в итоге сгорания горючего,
переносится при помощи цепной решётки в зольную камеру, откуда при помощи системы
шнеков отводится в золосборник.

После прохождения через топку, где продукты сгорания отдают
около 40% теплоты горючего, дымовые газы поступают поначалу в 1-ый ход
конвективного пучка, а позже и во 2-ой, после этого попадают в коллектор
дымовых газов и удаляются из котла с помощью дымососа. Тепло-

20

22

7

11 12

7

21
13 14
12

2 10

19

3

1
9 8

21

4

6

5 22

15 16

12

17

7 18

Рис. 10. Водогрейный котёл компании Heizomat:

1 – закрытый канал подачи материала со интегрированным шнеком; 2
– смотровой лючок

подающей шахты; 3 – электромотор с редуктором привода шнека
и фрезы;

4 – ячеисто-шлюзовый дозатор с природным мотором и
редуктором; 5 – мотор и редуктор привода шнека канала горелки; 6 – канал
горелки с интегрированной системой автоматического поджига; 7 – водяная рубаха
котла; 8 – камера сгорания облицованная шамотно-бетонной рубахой; 9 –
вентилятор нижнего (первичного) поддува; 10 – вентилятор верхнего (вторичного)
поддува; 11 – привод вирбуляционных шнеков теплообменников; 12 – теплообменники
с встроенными вирбуляционными шнеками; 13 – смотровая дверца камеры сгорания;

14 – калиброванные дюзы верхнего (вторичного) поддува; 15 –
калиброванные дюзы нижнего (первичного) поддува; 16 – нескончаемая цепь с
лопатками для отвода золы и шлака; 17 – привод механизма отвода золы и шлака;
18 – приёмная камера золы с интегрированным поперечным шнеком; 19 – смотровая дверца
дымовой и зольной камеры; 20 – дымопровод с вентилятором принудительной тяги; 21 –
дверцы изолирующей рубахи котла; 22 – облицовочно-изолирующая панель в разрезе

обменники котла «Heizomat» сварены из специальной
жаропрочной толстостенной стали.

Теплообменник выполнен в виде 12-ти дымогарных труб
поперечником 219 6 мм. 6 нижних труб образуют 2-ой ход
котла, 6 верхних – 3-ий. Для роста сопротивления проходу жарких
газов через каналы такового огромного поперечника в их установлены вирбуляторытурбулизаторы, выполненные в виде безосевого шнека, заставляющие газы проходить
по спирали, огибая лопасти шнеков. Таким макаром, происходит полная отдача
газами теплоты водяной рубахе. При температуре снутри камеры сгорания
900…1000 С, температура уходящих дымовых газов не превосходит
130…140 С. Такового значимого понижения температуры удаётся достигнуть за
счёт развитой поверхности термообмена в конвективном пучке котла.

Шнеки вирбулятора имеют электропривод с цепными и
звёздчатыми системами передач, что позволяет им с данной скоростью и
периодичностью крутиться в направлении, обратном прохождению газов,
тем, замедляя их проход и сразу очищая стены теплообменника от
нагара и сажи, что также положительно сказывается на термообмене.

Для избранного котлоагрегата производитель предугадывает
возможность работы на разных видах органического горючего, но основной
режим – сжигание древесных отходов. Потому что в нашем случае в качестве горючего
выступают пеллеты из лузги проса, изменяется и нрав работы котла. Главной
особенностью сжигания просяных гранул следует признать высшую зольность –
около 7%. Данное значение в семь раз превосходит таковое для
древесных отходов. Плавкостные свойства золы впрямую
оказывают влияние на работу котла. Плавление золы может вызвать шлакование топки и
появление плотных отложений на конвективных поверхностях нагрева.

Плавление золы находится в зависимости от её минерального состава, и даже
маленькие различия в составе могут значительно поменять плавкостные свойства. По составу горючего и золы фактически нереально достоверно
предсказать плавкость золы, так как простый состав горючего может
изменяться зависимо от погодных критерий текущего года.

Особенности сжигания пеллет учтены при проведении термического
расчёта котла. Но действительное воздействие завышенной зольности горючего на
работу котла может быть оценить только эмпирическим способом – при
исследовательских и пуско-наладочных работах.

2.2.2. Расчёт объёмов и энтальпий товаров сгорания

Главные расчётные характеристики горючего (топливные гранулки –
пеллеты из зерновых отходов проса): простый состав по
рабочей массе, низшую теплоту сгорания по рабочей массе, плотность, влажность и
зольность принимаем по протоколу испытаний испытательного центра ФГУП

«ЦНИЛХИ» (табл. 4 и табл. 5).

Состав горючего: Ср = 42,3%, Нр = 45,64%, Ор = 36,6%, ,
Nр = 0,47%, Sр = 0,3%, Aр = 7,1%, Wр = 7,5% [1].

Определим теоретический объём воздуха, нужный для
полного сгорания горючего. Процесс горения – это совокупа хим реакций окисления его горючих компонент, сопровождающихся
выделением значимого количества теплоты. При организации этого
процесса нужно сделать условия, при которых происходит более полный
переход химически связанной энергии в теплоту образующихся товаров горения.
Скорость хим реакций увеличивается с повышением температуры, потому в
топках котлов обеспечивается непрерывный равномерный подвод окислителя в достаточном количестве и поддерживание

высочайшего уровня температур.

4. Зольность и теплота сгорания травы разных
зерновых культур

Злаковая культура

Зольность на сухую массу, %

Низшая теплота сгорания на сухую массу, МДж/кг.

Низшая теплота сгорания рабочей массы при влажности

20%, МДж/кг.

Рожь

4,5

17,0