Энергетическое использование пиролизной жидкости

УДК 662.754

С. А. Забелкин, А. Н. Грачёв, В. Н. Башкиров,

Ф. И. Мулламухаметов

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПИРОЛИЗНОЙ ЖИДКОСТИ

Ключевые слова: пиролизная жидкость, сжигание, продукты сгорания.

Разработана экспериментальная установка для исследования энергетического использования жидких продуктов быстрого пиролиза древесины. Проведены экспериментальные исследования процесса сжигания пиролизной жидкости. Исследованы продукты сгорания пиролизной жидкости.

Key words: pyrolysis liquid, combustion, combustion products.

Experimental unit for research into energy application of liquid products of fast pyrolysis has been developed. Experimental researches into combustion of pyrolysis liquid have been conducted. Products of pyrolysis liquid combustion have been researched.

В настоящее время перед лесной и деревообрабатывающей промышленностью стоит острая проблема комплексного использования низкокачественной древесины. В существующих технологиях переработки древесины отходы составляют от 20% (при лесозаготовке) до 60% (в фанерном производстве) от объёмов готовой продукции [1]. Одним из перспективных направлений использования древесных отходов является их переработка с помощью технологии быстрого пиролиза.

Быстрый пиролиз представляет собой процесс термического разложения органических соединений без доступа кислорода при температуре 400-500°С. Основной особенностью быстрого пиролиза по сравнению с традиционным, или медленным, является очень высокая скорость нагрева частиц сырья (несколько тысяч градусов в секунду) и быстрое охлаждение промежуточных продуктов. Продуктами быстрого пиролиза древесины являются пиролизная жидкость, древесный уголь и горючий газ. Выход пиролизной жидкости составляет до 75% мас., а древесного угля и горючего газа 12 и 13% соответственно [2].

С химической точки зрения пиролизная жидкость близка по элементарному составу к исходной биомассе и представляет собой сложную смесь окисленных углеводородов со значительным содержанием воды. В пиролизной жидкости может присутствовать твёрдый древесный уголь [2]. Основные физические и топливные свойства пиролизной жидкости представлены в таблице 1.

Одним из основных путей использования пиролизной жидкости является получение из неё тепловой энергии, то есть энергетическое использование [3]. В данном плане пиролизная жидкость имеет ряд преимуществ по сравнению с исходной биомассой. Жидкое агрегатное состояние, а также более высокая энергетическая плотность по сравнению с исходной биомассой позволяют облегчить её транспортировку и хранение.

С целью оценки возможности энергетического использования пиролизной жидкости была разработана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1. Установка состоит из универсальной распылительной горелки KG/UB 55 мощностью 55 кВт,

Таблица 1 - Свойства пиролизной жидкости

Показатель Величина

Плотность, кг/м3 1200

Низшая теплота сгорания, МДж/кг 20,2

Вязкость, сСт 13-250

Зольность, % 0,14

Температура вспышки в открытом тигле, °С 113

Температура начала кипения, °С 110

Кислотное число, мг КОН/г 1,2

РН 2-3,7

камеры сгорания 16 и блока анализа продуктов сгорания. Универсальная горелка включает в себя топливный насос 1, бак запаса топлива 2, поплавок 3, нагревательный элемент 4, термостат 5, предохранитель перегрева топлива 6, бак нагрева 7, компрессор 8, манометр 9, вентилятор 10, сопловую трубу 11, рассекатель 12. Камера сгорания 16 имеет муфель 13 и термопары 14. Установка работает следующим образом. Забор топлива осуществляется из бака запаса топлива 2, снабжённого заборной трубкой с поплавком 3, с помощью топливного насоса 1. Затем топливо подаётся в бак нагрева 7, имеющий нагревательный элемент 4, термостат 5 и предохранитель перелива топлива 6. Температура нагрева задаётся регулятором. После нагрева до температуры 70-80°С топливо из бака нагрева поступает в форсунку 11, где смешивается с первичным воздухом, подаваемым компрессором 8. Вторичный воздух для поддержания горения подаётся вентилятором 10 через рассекатель 12, причём его расход регулируется специальной заслонкой. Воздушная струя закручивается, проходя через рассекатель 12, что способствует лучшему перемешиванию и распределению горючей смеси по объёму камеры сгорания. Горение смеси распыленного топлива происходит в камере сгорания 16, которая снабжена теплоизоляцией 13 для поддержания высокой температуры и обеспечения стабильности горения. Температура в камере сгорания фиксируется с помощью платиновых термопар 14, подключенных к АЦП компьютера. Продукты сгорания пиролизной жидкости поступают в блок анализа продуктов сгорания за счёт всасывания компрессором 20. Продукты сгорания проходят через барботажное устройство 17, где происходит отделение твёрдых частиц. Частицы жидкости, увлечённые продуктами сгорания из барботажного устройства, удаляются в сепараторе 18, содержащем слой силикагеля. С помощью датчика кислорода 19 происходит фиксирование содержания кислорода в продуктах сгорания. Расход потока устанавливается на ротаметре 21 с помощью игольчатого клапана 22. Затем продукты сгорания подаются с целью анализа на газоанализатор (на схеме не указан) через штуцер 23.

Предварительные тесты показали, что нагрев пиролизной жидкости выше 80°С ведёт к интенсивному испарению летучих веществ, увеличению вязкости, ухудшению условий воспламенения, распыливания и горения вплоть до прекращения горения. Также необходимо отметить, что инициирование процесса горения в данных горелках штатным электрическим розжигом проблематично, в связи с чем установка была дополнительно снабжена запальной газовой горелкой. Для обеспечения надёжного инициирования горения не-

обходимо либо увеличение мощности электрического розжига, либо использование розжига на традиционном топливе, либо использование другого инициатора горения, например, запальной газовой горелки.

Рис. 1 - Схема установки для исследования возможности энергетического использования пиролизной жидкости

Таким образом, в результате проведённых исследований были получены данные о температуре, содержании кислорода (в % об.) и составе газообразных продуктов сгорания.

Температурное поле в камере сгорания показывает, что температура по длине камеры сгорания уменьшается практически линейно. Кроме того, можно отметить, что увеличение расхода топлива ведёт к увеличению температуры при фиксированном расходе вторичного дутьевого воздуха.

Проведённые исследования содержания кислорода в продуктах сгорания показали, что содержание кислорода по оси камеры сгорания практически не изменяется, лишь наблюдается незначительное увеличение при фиксированных показателях расхода топлива и окислителя.

Зависимость температуры пламени и содержания кислорода на выходе из камеры сгорания от расхода топлива показывает, что с увеличением расхода топлива температура повышается, а содержание кислорода понижается. Это объясняется тем, что увеличение расхода топлива ведёт к более интенсивному горению топливной смеси, что повышает температурный уровень процесса, но для горения смеси требуется большее количество кислорода, что снижает содержание кислорода в продуктах сгорания.

850

^ 800 ей с.

>1

я 750

о. «

=

£ 700

650

14

11

-- 8

о4

га е=С о О,

о ч

о к к и

га

К

О.

и Ч О

и

15

20 25 30

Расход вторичного дутья, м я/ч

Рис. 2 - Зависимость температуры и содержания кислорода в продуктах сгорания пи-ролизной жидкости от расхода вторичного дутья

Представленная на рис. 2 зависимость показывает, что при повышении расхода вторичного дутьевого воздуха при фиксированном расходе топлива температура падает, что объясняется разбавлением распыляемой топливной смеси холодным воздухом. Содержание кислорода при этом увеличивается.

Рис. 3 - Сравнительные анализ процессов сжигания пиролизной жидкости

Для проведения сравнительного анализа процесса сжигания пиролизной жидкости был произведён также контрольный эксперимент на дизельном топливе. Представленная на рис. 3 зависимость температуры и содержания кислорода вдоль оси камеры сгорания показывает, что температурный уровень процесса в начальной зоне горения фактически эквивалентен с дизельным топливом, однако затем по длине камеры температура падает, а содержание кислорода значительно увеличивается, что говорит о том, что для горения пиролизной жидкости требуется значительно меньшее количество вторичного дутьевого воздуха, либо больший расход топлива, и это необходимо учитывать при проектировании и настройке топливной аппаратуры для сжигания пиролизной жидкости. Поэтому горелоч-ные устройства, рассчитанные на сжигание ископаемого топлива, требуют пересмотра конструкции форсунки либо рассекателя, которые позволят обеспечить заданное соотношение топливо: окислитель без ухудшения условий их перемешивания.

Отобранные пробы газообразных продуктов сгорания были исследованы с использованием газоанализатора ДАГ-500 для измерения концентрации кислорода (О2), оксида углерода (СО) и оксида азота (N0). Результаты исследования состава топочных газов при различном коэффициенте избытка воздуха представлены в виде графической зависимости на рис. 4. Как видно из данной зависимости, с увеличением коэффициента избытка воздуха концентрация СО значительно возрастает. Согласно нормативным требованиям по выбросам СО [4], содержание угарного газа в продуктах сгорания пиролизной жидкости соответствует установленным нормам для жидких печных топлив в случае сжигания пиролиз-ной жидкости с коэффициентом избытка воздуха менее 1,3. Повышенное содержание оксида углерода в продуктах сгорания пиролизной жидкости также наблюдалось в других известных исследованиях энергетического использования продуктов пиролиза [5].

Рис. 4 - Состав продуктов сгорания пиролизной жидкости: 1 - содержание N0, мг/м3; 2 - содержание СО, мг/м3

Производя оценку концентрации окислов азота в продуктах сгорания пиролизной жидкости, следует отметить очень низкий уровень их концентрации. Максимальное содержание оксидов азота меньше предельно допустимых значений для природного газа более чем в 50 раз, что объясняется относительно низким температурным уровнем процесса и присутствием в составе топлива воды.

Результаты исследования возможности энергетического использования пиролизно-го жидкости показали, что пиролизная жидкость имеет приемлемые топливные характеристики и может быть использована в качестве печного топлива для получения тепловой энергии. Однако необходимо учитывать некоторые особенности пиролизной жидкости по сравнению с традиционными нефтяными топливами, а именно высокие плотность и вязкость, кислотность, меньшую теплотворную способность и сильную зависимость состава продуктов сгорания от режимных параметров.

Литература

1. Указ Президента РТ №УП-16 от 16 марта 2009 года. Об утверждении Лесного плана Республики Татарстан // Республика Татарстан. - 2009. - 19 марта.

2. Bridgwater, A.V. Biomass fast pyrolysis / Antony V. Bridgwater // Thermal Science. - 2004. - №8 (2). - P. 17-45.

3. Грачёв, А.Н. Утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза / А.Н. Грачёв, Т.Д. Исхаков, В.Н. Башкиров, Р.М. Иманаев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - № 5. - С. 166-171.

4. Strenziok, R. Combustion of Bio-oil in a Gas Turbine / R. Strenziok, U. Hansen, H. Künster // Progress in Thermochemical Biomass Conversion / Blackwell Science. - Oxford, 2001. - P. 1452-1458.

5. ГОСТ 10617-83. Котлы отопительные производительностью от 0,10 до 3,15 МВт. - Взамен ГОСТ 10617-75; введ. 1983-09-28. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 10 с.

© С. А. Забелкин - асп. каф. химической технологии древесины КГТУ, szabelkin@gmail.com; А. Н. Грачёв - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ; В. Н. Башкиров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической технологии древесины КГТУ; Ф. И. Мулламу-хаметов - магистр КГТУ.