Использование котельного композитного биотоплива в теплогенераторах типа тг-1,5

УДК 621.4

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОТЕЛЬНОГО КОМПОЗИТНОГО БИОТОПЛИВА В ТЕПЛОГЕНЕРАТОРАХ ТИПА ТГ-1,5

© 2015 г. Ю.А. Кожевников, А.Г. Чижиков

Предметом и темой статьи явились вопросы приготовления котельного композитного биотоплива (КБТ) из навоза и мазута или отходов нефтепродуктов и интенсификации процесса его сжигания в плазме СВЧ-разряда применительно к теплогенератору ТГ-1,5, горелка которого была модернизирована. Работа выполнена с целью установления возможности и эффективности сжигания КБТ в плазме СВЧ-разряда с дальнейшим развитием этого метода. Поставленная цель решалась экспериментальными методами: разработана и изготовлена установка, содержащая в горелке теплогенератора три СВЧ-свечи для создания плазмы СВЧ-разряда и воспламенения исходного КБТ. Предварительно в определенных пропорциях готовили смесь из свиного навоза, мазута и воды. Твердые частицы механическим способом доводили до размера 5-25 мкм, а вязкость смеси была менее 45 мм2/с. Приготовленную смесь подавали в горелку шестеренчатым насосом и воспламеняли в плазме СВЧ-разряда. Проведена серия экспериментов по сжиганию КБТ предложенным методом. Выявлена картина воспламенения КБТ в плазме СВЧ-разряда и описан механизм воспламенения и сгорания смеси. Установлена эффективность сжигания КБТ в плазме СВЧ-разряда: улучшается качество сжигания биотоплива за счет ускорения реакции окисления и газификации его составляющих, уменьшаются механический недожог и уровень выброса вредных веществ с дымовыми газами. После доработки технологической схемы и рабочих элементов предложенный метод сжигания КБТ может быть рекомендован для теплогенераторов животноводческих ферм и сушильных установок. Работа должна быть продолжена в направлении доведения модернизации горелок теплогенераторов до уровня опытных образцов и потребительского использования.

Ключевые слова: котельное композитное биотопливо, плазма, СВЧ-разряд, метод сжигания, теплогенератор.

The object and subject of the article were the questions of composite boiler biofuel preparation (CBB) from manure and fuel oil or waste oil and intensification of its burning process in microwave discharge plasma in relation to the TG-1,5 heat generator, which has been modernized. The work was done with the intention of establishing opportunities and combustion efficiency of CBB burning in microwave discharge plasma with the further development of this method. The purpose was solved by experimental methods, there was designed and manufactured installation containing in the boiler burner three microwave candles to create a plasma of the microwave discharge and ignition of CBB source. Previously in certain proportions there was prepared a mixture of pig manure, fuel oil and water. The solid particles were mechanically conveyed to the size of 5-25 microns, and the viscosity of the mixture was less than 45 mm2/s. Cooked mixture was being fed into the burner gear pump and ignited in the plasma of the microwave discharge. There was conducted a number of experiments on the CBB combustion by the proposed method. There is revealed picture of the CBB ignition in microwave discharge plasma and described the ignition mechanism and mixture combustion. There is detected efficiency of CBB combustion in the microwave discharge plasma: the quality of the biofuels combustion is improved by accelerating the oxidation and gasification of its components, mechanical unburnt and harmful substances emissions from flue gases are reduced. After completion of the technological scheme and work items proposed method of CBB burning can be recommended for heat-livestock farms and drying units. The work should be continued in the direction of bringing modernization burners of heat generators up to the level of prototypes and consumer use.

Key words: boiler composite biofuel, plasma, microwave discharge, method of combustion, heat generator.

Введение. К композитным биотопливам (КБТ) относят гомогенные топливные суспензии и эмульсии, приготовленные в определенных пропорциях из нефтепродуктов

(низкосортный мазут, нефтяные шламы, отработанные масла и т.п.) и сырья

растительного и животного

происхождения (торф, навоз, помет, отходы растениеводства, иловые осадки, биомасса микроводорослей и др.). В КБТ может быть также добавлен уголь в пылевидной форме [1].

Приготовление и использование КБТ позволяет решить ряд важных задач:

- частично утилизировать экологоопасные, но энергосодержащие нефтяные и органические (навозные лагуны, влажный птичий помет) отходы, образующиеся на многих сельскохозяйственных предприятиях;

- уменьшить потребление углеводородных топлив пропорционально содержанию в КБТ органической фракции непосредственно в местах производства сельскохозяйственной продукции;

- снизить загрязнение окружающей среды за счет улучшения состава выхлопных газов устройств для сжигания КБТ.

Организованного использования нефтесодержащих и сельскохозяйственных отходов в АПК страны в энергетических целях не наблюдается в силу ряда субъективных и объективных причин, основными из которых являются удобство, доступность и традиционность применения жидких и газообразных ископаемых топлив.

В стране многие организации разрабатывают технологии и технические средства переработки твердых отходов и биомасс в жидкие и газообразные биотоплива, преимущественно

термохимической конверсией, с целью последующей выработки из них тепловой и электрической энергии, однако, эти разработки пока не выходят за рамки опытных. К примеру, имеются предложения по использованию соломы зерновых культур в рулонах в качестве топлива для котельных установок [2].

Широко применяемые в сельском хозяйстве жидкотопливные

теплогенераторы (отопление помещений, подогрев воды и воздуха, сушка сельскохозяйственной продукции и др.) с распылительными горелками не могут эффективно работать на КБТ из-за наличия в составе твердых частиц различного размера и воды, затрудняющих его полное сгорание. В связи с этим для КБТ важное значение приобретает этап их подготовки к сжиганию и обеспечение временного хранения подготовленной смеси без расслоения и седиментации.

В лаборатории биотоплива ФГБНУ ВИЭСХ проведены экспериментальные исследования по интенсификации и повышению качества сжигания КБТ в теплогенераторах типа ТГ-1,5. При этом на основе ранее проведенных работ [3, 4] в горелочном устройстве для воспламенения рабочей смеси и стабилизации горения предложено использовать плазму СВЧ-разряда. Последняя может эффективно изменять гидродинамические

характеристики течения горючей смеси в объеме камеры сгорания, улучшать форму и увеличивать поверхность пламени, скорость распространения его фронта, что наиболее существенно для дисперсных систем (суспензионные, композитные, пылеугольные топлива). В условиях образующейся

СВЧ-плазмы воспламенение смеси определяется не только тепловой энергией, рассеиваемой в разряде, но и высокоэнергетическими электронами, служащими инициаторами разветвленных цепных реакций.

Плазмохимические технологии,

применяемые для утилизации отходов добычи и переработки нефти (нефтяные и буровые шламы, нефтезагрязеннные грунты, водоорганические стоки и т.п.) с получением безвредных твердых и газообразных продуктов могут быть использованы и для сельскохозяйственных отходов.

Целью проведения исследований

являлось установление влияния СВЧ-поля на характеристики горения КБТ и эффективность его применения. При этом основными задачами являлись:

- изучение схемы наложения СВЧ-поля на пламя в различных условиях;

- определение особенностей управления горением КБТ.

Экспериментальная установка, материалы и методы исследований. Для проведения экспериментов по сжиганию КБТ на базе теплогенератора ТГ-1,5 была создана установка, схема которой показана на рисунке 1.

1 - СВЧ-свеча; 2 - форсунка; 3 - камера сгорания; 4 - котел ТГ-1,5; 5 - блок питания магнетронов; 6 - газоанализатор «TESTO-350S»; 7 - датчики температуры;

8 - блок индикации температуры Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки

Модернизирована горелка

теплогенератора: она была оснащена тремя СВЧ-свечами, располагаемыми в камере сгорания теплогенератора, для создания плазмы СВЧ-разряда. Воспламенение КБТ осуществляется за счет СВЧ-плазмы и излучения от нагретых стенок камеры сгорания.

Для экспериментов предварительно готовилась смесь из свиного навоза влажностью около 90% и содержанием до 60% топочного мазута или нефтешламов. Для придания смеси текучести в него добавляли воду (до 20%). Компоненты смеси смешивали в ротационно-пульсационном аппарате (РПА). При этом твердую фракцию доводили до размера частиц 5-25 мкм, а его вязкость составляла менее 45 мм /с. Иными словами, по своим физико-механическим характеристикам подготовленная жидкая суспензионная смесь приближалась к котельным мазутам VI и VII классов. КБТ в горелку подавали шестеренчатым насосом, а воздух

компрессором при давлении 0,2 МПа. Объем ресивера компрессора составлял 0,25 м3. Подаваемую смесь воспламеняли в плазме СВЧ-разряда, образуемую с помощью свечей 1 (рисунок 1). Удельный расход электроэнергии на воспламенение КБТ в плазме СВЧ-разряда составлял 0,090,10 кВт-ч/кг. Технологии приготовления КБТ, включая СВЧ-воздействие, описаны в [5]. Состав топочных газов определяли газоанализатором «TESTO-350S».

Результаты экспериментов и их обсуждение. СВЧ-плазма в горелках жидкотопливных котлов, использующих композитные или низкокалорийные виды топлив, применена с целью обеспечения максимальной эффективности

воспламенения топливной смеси и устойчивости горения при заданном регламенте работы котла. На рисунке 2 показана картина сжигания КБТ в плазменной горелке.

Развитие стадии горения

Горение композитного биотоплива

Завершение реакции горения композитного топлива Рисунок 2 - Этапы поджига и горения КБТ в плазменной горелке

При работе в 10- и 3-сантиметровом диапазонах длин волн (щ = 3 • 109.. .1 • 1010 с1) значение критической частоты достигается при сравнительно небольших

концентрациях электронов Ыв « 1010 см , что приводит к необходимости введения в СВЧ-тракт согласующих элементов. При этом оптимизация геометрии тракта и заполнения разрядного канала позволяет существенно (до трех порядков величины) снизить уровень необходимой для пробоя мощности СВЧ-генератора,

обеспечивающей высокоэффективное преобразование энергии СВЧ-поля в тепловую плазмообразующего газа как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

Основными характеристиками

горелки, определяющими вероятность воспламенения, являются температура смеси в зоне поджига и пространственно-временной интервал, в котором эта температура реализуется. Скорость физико-химического процесса, а следовательно, вероятность получения продукта реакции зависит от температуры среды. Для фиксированного состава смеси вероятность процесса связана с температурой среды соотношением больцмановского типа:

Р/ ~вхр (—Еа /кТ),

где Р1 - вероятность активации /-ой реакции;

Еа - энергия активации;

к - константа скорости реакции;

Т - температура в зоне активации.

Температура в зоне поджига топливной смеси определяется, с одной стороны, условиями в камере сгорания, а с другой - энергетическими балансными соотношениями, характеризующими

функционирование горелки. Энергия, передаваемая в зону поджига, расходуется на нагрев среды и сброс тепла теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием. Поскольку эти тепловые потери растут с увеличением длительности воздействия, то температура среды в зоне поджига будет тем больше, чем выше импульсная мощность горелки. Если

температуру можно считать интенсивным параметром процесса воспламенения, то значение пространственно-временного интервала, в котором эта температура реализуется, можно отнести к экстенсивному параметру, который определяется объемом V зоны поджига, длительностью т (временем жизни) плазменного образования и количеством п импульсов в пределах одного рабочего цикла горелки.

Поскольку процесс воспламенения определяется протеканием цепной химической реакции и носит статистический характер, то его вероятность зависит от длительности временного интервала, в котором в зоне воспламенения поддерживается

достаточная температура, и объема этой зоны. Предполагая, что время т0 выхода на режим по температуре существенно меньше длительности импульса (т0<<Т, результирующее значение экстенсивного параметра пропорционально значению пространственно-временного интервала Vтn, который состоит из независимых элементов объема и времени с некоторыми конечными значениями вероятности воспламенения при фиксированной температуре. Основаниями для такого предположения могут служить: для объема - одномерный характер процессов при разряде в зависимости от напряженности электрического поля Е, а для времени -выполнение условия т0<<т и значительная скважность импульсов. Для СВЧ-горелки, питающейся от промышленной сети с частотой 50 Гц, длительность импульсов, обеспечивающих СВЧ-разряд, будет равна 8 миллисекундам, с периодом следования в 20 миллисекунд. В этом случае уже с третьего импульса начинается стабильный разряд и устойчивое плазмообразование в объёме, обеспечивающем поджиг топлива.

Эффективность использования СВЧ-разряда в качестве источника воспламенения при плазменно-

стимулированном горении оценивают величиной приведенного электрического поля Е/Ы, где Е - напряженность электрического поля, N - концентрация молекул газа (воздуха). Большие значения

Е/Ы определяют генерацию химически активных частиц (радикалов),

стимулирующих процесс воспламенения. Е/Ы предлагается использовать как параметр электродинамической

характеристики неравновесной плазмы. Значение Е/Ы обуславливает направление энерговыделения в плазме и контролирует состав вырабатываемых в плазме активных частиц (радикалов). По существу, это степень ионизации среды. Примерная критическая величина Е/Ы ~ 120 Ш. Выше этого значения электрическое поле достаточно для ионизации газа, ниже - для разряда необходимо наличие внешнего источника.

Воздействие на композитное биотопливо СВЧ-плазмы в виде ионизированного газа, температура которого достигает

3,5 тыс. °С, обеспечивает его полное сгорание. В результате этого в уходящих газах присутствует только СО2 и практически отсутствует СО. При ионизации газа молекулами озона происходит разрушение кластеров, что приводит к объемному сгоранию смеси. Все молекулы вступают в реакцию в течение минимального времени. Каждая молекула вступает в химическую реакцию с кислородом или озоном в активной форме по принципу домино, т.е. достаточно незначительного количества ионизированной топливо-воздушной

смеси, которая при контакте с СВЧ-плазмой будет ионизировать

последовательно всю топливо-воздушную смесь низкокалорийных жидких композитных биотоплив.

Заключение и выводы. Проведенные эксперименты показали, что горелка, собранная с использованием плазмы СВЧ-разряда, показала ее достаточную работоспособность при сжигании композитного биотоплива.

Основные преимущества СВЧ-плазменного сжигания перед

традиционным факельным следующие:

- дисперсия углеводных остатков биомассы за счет эффекта газификации в зоне СВЧ-плазмы;

- увеличение скоростей реакции окисления и газификации композитных составов;

- снижение механического недожога;

- снижение уровней выбросов с дымовыми газами оксидов серы и азота, тяжелых металлов и канцерогенных углеводородов при безмазутной растопке и подсветке факела в котлах теплогенераторов.

Применение СВЧ-плазмы для горения композитных биотоплив позволяет добиться важных для теплоэнергетики эффектов: экономического (снижение затрат на подсветку и растопку котла); топливного (использование

низкореакционных и высоковлажных композитных биотоплив и снижение механического недожога); экологического (снижение выбросов оксида азота и серы, тяжелых металлов и канцерогенных углеводородов).

Дальнейшие исследования будут направлены на обеспечение

механизированного выполнения

технологических операций подготовки и дозирования компонентов биотоплива, а также доведение рабочих органов СВЧ-плазменного сжигания до

потребительского уровня.

Литература

1. Кожевников, Ю.А. Исследование распределения капель воды по размерам в водомазутной смеси / Ю.А. Кожевников и др. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2013. - № 3. - С. 2526.

2. Кожевников, Ю.А. Сравнительная оценка энергоэффективности технологий получения биотоплив третьего поколения термохимическим методом / Ю.А. Кожевников и др. // Альтернативная энергетика и экология (^АЕЕ). - 2011. -№ 12. - С. 60-64.

3. Кожевников, Ю.А. Приготовление композитных котельных и моторных биотоплив из альгамассы / Ю.А. Кожевников и др. // Альтернативная энергетика и экология (^АЕЕ). - 2013. -№ 1. Ч. 2. - С. 103-107.

4. Кожевников, Ю.А. Газовое топливо из органического сырья. Т. 2 / под ред. Ю.М. Щекочихина; Ю.А. Кожевников и др. - Москва: Агрорус, 2013. - 302 с.

5. Кожевников, Ю.А. Эффективность применения кавитированных водомазутных эмульсий (ВМЭ) в котельных установках / Ю.А. Кожевников и др. // Международная научно-практическая конференция "Повышение эффективности использования ресурсов при производстве с.-х. продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства" (20-21 сентября 2011 г., Тамбов). - Тамбов: Першина, 2011. -С.403-404.

References

1. Kozhevnikov, Ju.A. Issledovanie raspredelenija kapel' vody po razmeram v vodomazutnoj smesi [Research of the water drops distribution at their size in water-oil mixture], Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva, 2013, No. 3, pp. 25-26.

2. Kozhevnikov, Ju.A. Sravnitel'naja ocenka jenergojeffektivnosti tehnologij poluchenija biotopliv tret'ego pokolenija termohimicheskim metodom [Comparative assessment of energy efficiency technologies for producing the third generation biofuels by thermochemical method], Al'ternativnaja jenergetika i jekologija, 2011, No.12, pp. 6064.

3. Kozhevnikov, Ju.A. Prigotovlenie kompozitnyh kotel'nyh i motornyh biotopliv iz al'gamassy [Preparation of composite boiler and motor biofuels from algamassy], Al'ternativnaja jenergetika i jekologija (iISJAEE), 2013, No. 1, Part 2, pp. 103-107.

4. Kozhevnikov, Ju.A. Gazovoe toplivo iz organicheskogo syr'ja [Gas fuel from organic raw materials], Vol. 2, Moscow, Agrorus, 2013, 302 p.

5. Kozhevnikov, Ju.A. Jeffektivnost' primenenija kavitirovannyh vodomazutnyh jemul'sij (VMJe) v kotel'nyh ustanovkah [The effectiveness of cavitated water-oil emulsion (WOE) in boiler plants], Mezhdunarodnaja nauchno-prakticheskaja konferencija "Povy-shenie jeffektivnosti ispol'zovanija resursov

pri proizvodstve s.-h. produkcii - novye tehnologii i tehnika novogo pokolenija dlja rastenievodstva i zhivotnovodstva" (20-21 sentjabrja 2011 g., Tambov), Tambov, Izd-vo Pershina, 2011, pp. 403-404.

Сведения об авторах

Кожевников Юрий Александрович - заведующий лабораторией биотоплива, кандидат технических наук, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия).

Чижиков Александр Григорьевич - ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия).

Information about the authors

Kozhevnikov Yury Alexandrovich - Head of the Biofuels laboratory, Candidate of Technical Sciences, FSBSI "All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture" (Moscow, Russia).

Chizhikov Alexander Grigorievich - senior researcher, Candidate of Technical Sciences, FSBSI "All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture"(Moscow, Russia).