Методические рекомендации по применению передовой практики Часть A: Сжигание биомассы

жүктеу/скачать 2.61 Mb.

бет	2/11
Дата	14.06.2016
өлшемі	2.61 Mb.
	#134894
түрі	Методические рекомендации

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 Введение

В рамках проекта ПРООН/ГЭФ "Использование энергии биомассы для отопления и горячего водоснабжения в Республике Беларусь" будет подготовлен ряд информационных материалов по биоэнергии, включая:
(а) подборку данных, предназначенных для различных аудиторий, представляющих различные аспекты поставок топливной биомассы и перехода на биотопливо;
(б) брошюру "Энергия древесины", представляющую технологические, экологические и финансовые аспекты производства биоэнергии, предназначенную для лиц, не имеющих специального технического образования;
(в) справочник по наилучшей практике, содержащий более детальное рассмотрение отдельных вопросов, описанных в брошюре "Энергия древесины", предназначенный для лиц, имеющих специальное техническое образование (студенты и преподаватели высших учебных заведений).
Настоящая работа является первой редакцией раздела "Сжигание биомассы" пособия "Справочник по наилучшей практике". Раздел "Поставки биотоплива" находится в стадии написания.
Основной темой настоящей работы является сжигание древесины. Также рассматриваются некоторые аспекты сжигания других видов биомассы. Подробно описываются установки, работающие на биомассе, с автоматическим управлением технологическим процессом мощностью от 0,1 до 10 МВтт.
В настоящей работе рассматриваются следующие темы:

Раздел 2: "Общие свойства и характеристики горения древесины"
Раздел 3: "Методы промышленного сжигания биомассы"
Раздел 4: " Производство и комбинированное производство тепловой и электрической энергии"
Раздел 5: " Выбросы, образующиеся при сгорании биомассы"
Раздел 6: "Рассмотрение примеров применений"

2 Общие свойства и характеристики горения древесины

2.1 Введение

Характеристики и качество древесины, используемой в качестве топлива, варьируются в широких пределах в зависимости от вида древесины и типа предварительной обработки. Например, влажность топлива, подаваемого в топку, может составлять от 25 до 55 весовых % (влажная основа) (кора, отходы лесопильного производства) или менее 10 весовых % (гранулированное топливо, брикеты, отходы обработки сухой древесины).
Топливные свойства древесины определяются рядом характеристик, таких как теплота сгорания, химический состав (например, содержание таких элементов, как хлор Cl, углерод С, водород Н, азот N, водород Н и сера S), влажность, твердость, количество летучих веществ, количество твердого углерода, содержание и состав золы, характеристики плавления золы, характеристики ошлакования золы, количество загрязняющих веществ, пыли, спор грибов.
Топливную древесную щепу часто производят из различных пород деревьев с различным соотношением стволовой древесины, коры, листвы, ветвей, почек и даже шишек, содержание которых изменяет свойства топлива.

2.2 Состав древесины

Основными компонентами клеток древесины являются целлюлоза[1], гемицеллюлоза[2] и лигнин [3], которые составляют 99% массы древесного материала. Целлюлозу и гемицеллюлозу образуют длинные цепи углеводородов (таких как глюкоза), лигнин же является осложненным компонентом полимерных фенольных смол. Лигнин тесно связан с гемицеллюлозой, так как он действует как склеивающий агент, склеивая пучки цепей целлюлозы и растительные ткани. Таким образом, лигнин придает растению механическую прочность. Он богат углеродом и водородом, которые являются основными элементами производства теплоты. Поэтому лигнин обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с углеводородами. Древесина и кора также содержат так называемые экстрактивные вещества, такие как терпены, жиры и фенолы. Многие из них растворимы в органических растворителях (гексане, ацетоне, этаноле) и горячей воде. Древесина содержит относительно малое количество экстрактивных веществ по сравнению с количеством экстрактивных
веществ, содержащихся в коре и листве.
Приблизительно половина массы свежесрубленного дерева состоит из воды. Вторая половина представляет собой сухое древесное вещество, содержащее 85% летучих веществ, 14,5% твердого углерода и 0,5% золы (см рис. 2.1). В безводной древесине общее содержание углеродного компонента составляет приблизительно 50%. При сжигании древесины составляющие ее компоненты превращаются в водяной пар (H2O), двуокись углерода (CO2), окислы азота (NOx), окись серы (SO2) и золу. Древесина практически не содержит серы; максимальное содержание серы в древесине составляет 0,05%.

Рис. 2.1 Среднее содержание химических веществ в древесных видах топлива.

ТВЕРДЫЙ УГЛЕРОД (C)

ЛЕТУЧИЕ МАТЕРИАЛЫ 84-88%*

-КОРА

-ОПИЛКИ

-ЛЕСНАЯ ЩЕПА

-КОЛОТАЯ ТОПЛИВНАЯ ДРЕВЕСИНА

-БРИКЕТЫ

-прибл. 60 %

-прибл. 55 %

-прибл. 40 %

-прибл. 25 %

-прибл. 5 %

11,4-15,6%* -> CO2

Углерод (C)

Водород (H)

Кислород (O)

Азот (N)

Сера (S)

прибл. 35,5 % -> CO, CO_2,

6,0 – 6,5% -> H₂O

38 - 42% ->
0,1 – 0,5% -> NOx
макс. 0,05% -> SO₂

* Доля в % от веса сухого вещества

Различные породы деревьев имеют различное содержание азота, которое составляет в среднем 0,75%. Например щепа, полученная из так называемой азотфиксирующей древесины таких деревьев, как ольха (Ainus sp.), содержит более чем в два раза больше азота, чем щепа, полученная из древесины хвойных пород, таких как сосна (Pinus sp.) и ель (Picea sp.). Древесная кора также содержит больше азота, чем древесный материал. Теплотворные характеристики различных типов топлива зависят от соотношения содержащихся в них элементов. Углерод и водород увеличивают теплоту сгорания, в то время как высокое содержание кислорода в древесине ее уменьшают. По сравнению с другими видами топлива древесина имеет довольно низкое содержание углерода (около 50% сухого веса) и высокое содержание кислорода (около 40%), и, следовательно, довольно низкую теплоту сгорания на единицу сухого веса. Сухие древесина и кора также характеризуются очень низким уровнем зольности при сгорании, так, один плотный кубический метр древесного топлива дает только 3-5 кг чистой золы. Однако на практике зола часто содержит некоторое количество песка и продуктов неполного сгорания углерода.

Горючие вещества, содержащиеся в твердом топливе можно разделить на две группы: летучие вещества и такие горючие компоненты, как твердый углерод. Обычно древесина имеет высокое содержание летучих веществ и низкое содержание твердого углерода. Восемьдесят процентов энергии древесина генерирует за счет сгорания летучих веществ или газов и двадцать процентов - в результате сгорания твердого углерода (раскаленные угли). Так как из-за большого количества летучих веществ, содержащихся в древесине, при ее горении образуются высокие языки пламени, для сгорания топлива требуется значительное пространство. Древесная кора и торф имеют аналогичные характеристики горения.

2.3 Технический и элементарный анализ

Для определения топливных свойств древесины используются два вида анализа.
Технический анализ представляет собой определение с применением предписанных методов содержания влаги (ISO 331), содержания летучих веществ (ISO 562), зольности (ISO 1171) и содержания связанного углерода (ISO 609) в топливе. Элементарный анализ представляет собой определение с применением предписанных методов элементарного состава топлива.

2.3.1 Технический анализ

Технический анализ проводится с целью определения таких характеристик, как содержание связанного углерода, содержание летучих веществ, влажность и зольность, определяемых следующим образом.
Зола
Зольность выражается в весовых % (вес.%) от сухой основы (со) и от веса материала при получении (мп). Различные типы зольности соотносятся через содержание влаги:
Зольность (вес.% со) = зольность (вес.% мп)* 100 / (100 - влажность (вес.%))
Влажность
Влажность в вес.% от влажной основы (при получении материала). Следует учитывать, что возможно значительное различие во влажности материала во время получения и во время анализа материала. Также содержание влаги может понизиться в процессе естественного высыхания во время хранения.
Летучие вещества и связанный углерод
Количество летучих веществ определяется с применением стандартных методов.
Количество летучих веществ выражается в весовых % от веса сухого материала, материала при получении (мп) или сухого и беззольного материала (сбзм). Определение содержания связанного (твердого) углерода как оставшейся части производится по следующим формулам:
сухой материал связанный C = 100 – зола (сухой материал) - летучие вещества (сухой материал)
сбзм связанный C = 100 – летучие вещества (сбзм)
мп связанный C = 100 - зола (мп) – содержание воды - летучие вещества (мп)

2.3.2 Элементарный анализ

При проведении элементарного анализа доля различных элементов сухого материала определяется следующим образом: содержание углерода (C), водорода (H), кислорода (O), азота (N), серы (S), хлора (CI), фтора (F) и брома (Br) в весовых % от сухого материала (вес.% от сухого материала), сухого и беззольного материала (вес.t% от сбзм) и материала при получении (вес.% от мп).
сухой материал C + H + 0 + N + S + Cl + F + Br + зола = 100
сбзм C + H + 0 + N + S + Cl + F + Br = 100
мп C + H + 0 + N + S + Cl + F + Br + зола + содержание воды = 100
Во многих случаях содержание водорода не измеряется, а определяется расчетом как разность между 100 и значениями измеренных компонентов. При измерении содержания кислорода общая сумма может превысить 100% из-за экспериментальных ошибок, которые могут иметь место в процессе анализа.
Для каждого компонента указывается, было ли его содержание определено измерением или расчетом.
По сравнению с другими видами твердого топлива биомасса содержит относительно большое количество водорода и кислорода (рис.2.2).

Рис. 2.2 Химический состав различных видов твердого топлива.

2.4 Влажность и теплотворная способность (МДж/кг)

Содержание влаги в древесном топливе, составляющее обычно от 20 до 65%, зависит от различных факторов, включая климатические условия, время года, породу дерева, а также от свойств части ствола, используемой в качестве топлива и этапа хранения топлива. Теплотворная способность определяется высшей теплотой сгорания (высшая теплотворная способность (ВТС[4])) или низшей теплотой сгорания (низшая теплотворная способность (НТС[5])).
Величина низшей или высшей теплоты сгорания может определяться на единицу сухого топлива (как правило, кг или м³) или на единицу топлива с учетом его влажности. Кроме влаги, содержащейся в топливе, влага также образуется при сгорании водорода. Уровень влажности определяет различие между высокой и низкой теплотой сгорания. При определении значения ВТС допускают, что влага конденсируется в воду, а при вычислении значения НТС предполагается, что влага находится в виде насыщенного пара.
Теплотворная способность обычно выражается в МДж/кг.
Значение ВТС топливной биомассы обычно составляет от 18 до 21 МДж/кг (со), что соответствует ВТС торфа, но значительно ниже, чем ВТС нефти (см. табл. 2.1).
Таблица 2.1. Значения теплоты сгорания отдельных видов топлива.

Топливо	Hi[6] (МДж/кг)
Древесина (сухая)	18,5-21,0
Торф (сухой)	20,0-21,0
Углерод	23,3-24,9
Нефть	40,0-42,3

ВТС биомассы можно достаточно точно определить с помощью следующей эмпирической формулы:

GCV = 0.3491.X_C+ 1.1783.X_H+0.1005.X_S- 0.0151.X_N- 0.1034.X_O- 0.0211.X_ash [MJ/kg d.b.]

где X_I– содержание углерода (C), водорода (H), серы (S), азота (N), кислорода (0) и золы в вес.% (со). Как можно видеть из указанной формулы, увеличение содержания C, H и S повышает ВТС, а увеличение содержания N, O и золы понижает ВТС. Определение ВТС (НТС, МДж/кг, во) может производиться по НТС с использованием значений доли влажности и доли водорода в топливе

следующим образом:
GCVar = GCVdry * (1-w/100)
GCVdry = GCVdaf * (1-a/100)
NCVdry = GCVdry – 2.442 * 8.396 * H/100
NCVar = NCVdry * (1-w/100) – 2.442 * w/100
NCVar = GCVdry – 2.442 * {8.396 * H/100 * (1-w/100) + w/100}
Где w = доля влаги (при получении материала); a = доля золы (сухой материал); Н = массовая доля водорода в пробе (сухой материал).
Рис. 2.3 иллюстрирует зависимость теплотворной способности от различных параметров.

Рис 2.3. Отношение между различными видами теплотворной cпособности.

Mass = Масса

Energy = Энергия
Dry mass = Сухая масса
Water mass = Масса воды
Dry+ash free mass = Сухая+беззольная масса
Combustible fibre = Горючее волокно
Ash = Зола
Water = Вода
LHV = ВТС
Water = Вода
Other losses = Другие потери
NHV = НТС

Как можно видеть на рис. 2.3, теплотворная способность в значительной степени определяется уровнем влажности, так как испарение воды требует затрат энергии. Степень воздействия влажности на теплоту сгорания также иллюстрирует график, представленный на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Воздействие влажности на величину теплоты сгорания древесины.

Сalorific value (MJ/kg) = Теплотворная способность (МДж/кг)

Moisture content (wet basis) = Влажность (влажная основа)

Примечание. Зависимость величины высшей и низшей теплотворной способности (НТС и ВТС) окоренной древесины от уровня влажности в процентах от общего веса. Красная линия: НТС. Синяя линия: ВТС.

2.5 Средние значения характеристик древесной щепы

В этом разделе описываются наиболее важные характеристики топлива, включая:

Влажность
Плотность
Теплоту сгорания
Гранулометрический состав частиц
Содержание и характеристики золы
Химический состав
Количество летучих веществ
Результаты технического и элементарного анализов.

Влажность зеленой древесной щепы зависит от метода ее производства. Влажность щепы (влажн.), выработанной из свежесрубленных деревьев, составляет от 50 до 60% общего веса щепы, однако после подсыхания деревьев в летний период в течение 3 – 6 месяцев влажность снижается до уровня 35%-45% общего веса.
Содержание плотного объема щепы обозначает отношение масс единиц так называемого общего объема материала и объема твердого материала, т.е. определяет, сколько плотных м³содержится в одном м³ общего объема.
Содержание плотного объема щепы определяется главным образом техническими характеристиками рубительной машины, такими, как гранулометрический состав частиц, мощности выдувного потока и метода погрузки. Однако время сушки и степень уплотнения, которое происходит при транспортировании на большие расстояния не оказывают значительного воздействия на содержание твердого объема. Определение содержания плотного объема (части плотного объема) требуется для преобразования единиц общего объема в единицы объема твердого вещества. Объемная плотность древесины австрийской березы (40% влажн.сух.осн..) составляет около 327 кг/м³ насыпного материала и австрийской ели - 221 кг/м³ насыпного материала.
Необработанные древесные топливные материалы и лесные топливные материалы часто имеют чрезвычайно разнородный гранулометрический состав частиц и различную влажность. Эти материалы содержат фракции различных размеров - от опилок, иголок, коры, до деревянных палок и веток. Размеры древесных фракций зависят как от исходного сырья, из которого получают щепу, так и от типа рубительной машины. Чем большее количество стволовой древесины используется для производства щепы, тем более однородным являются гранулометрический состав щепы. Размер фракций также зависит от состояния ножей рубительной машины и размера отверстия сортировочного сита. Щепа, полученная с помощью дробильных машин обычно имеет большие размеры по сравнению со щепой, полученной на рубительных машинах.
Значения теплотворной способности древесной щепы не отличаются в значительной степени в зависимости от используемых для ее производства пород деревьев, хотя хвойные породы имеют несколько более высокую теплотворную способность, чем широколиственные или листопадные породы деревьев.
Структурными элементами (по данным элементарного анализа) органической части древесины являются углерод (45-50%), кислород (40-45%), водород (4,5-6%) и азот (0,3-3.5%). Содержание золы обычно составляет несколько процентов или доли процента (0,3% в ели или березе без коры, 1,6% в березовой коре и 3,4% в еловой коре).
Очевидным преимуществом древесной биомассы перед ископаемым топливом является низкое содержание в ней серы. Элементарный анализ древесины некоторых пород деревьев показывает, что содержание углерода и кислорода в древесине различных пород является довольно однородным. Кора имеет более высокое содержание углерода и кислорода чем древесина. В этом отношении наиболее наглядными примерами являются береза и ольха. По данным технического анализа количество летучих веществ составляет 65-95%, фиксированного углерода - 17-25% и зольность - 0,08 – 2,3%.
Во многих источниках приводятся данные о свойствах древесного топлива. Наиболее полной базой данных о характеристиках древесного топлива является база данных Phyllis ЕСN, центра исследований в области энергетики Нидерландов, к которой можно получить доступ на вебсайте по следующему URL: www.ecn.nl/phyllis/
Значения влажности, теплоты сгорания, объемной плотности и энергетической плотности различных видов древесного топлива приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Физические характеристики отдельных древесных видов топлива.

Древесный материал	Влажность [вес.% влаж.осн]	ВТС [(кВт-ч /кг (сух.осн)]	НТС [(кВт-ч /кг (сух.осн)]	Объемная плотность [кг (влаж.осн)/м³]	Плотность энергии [кВт-ч/м³]
Гранулированная древесина	10,0	5,5	4,6	600	2756
Древесная щепа (твердая древесина, подвергнутая предварительной сушке)	30,0	5,5	3,4	320	1094
Древесная щепа (твердая древесина)	50,0	5,5	2,2	450	1009
Древесная щепа (мягкая древесина, подвергнутая предварительной сушке)	30,0	5,5	3,4	250	855
Древесная щепа (мягкая древесина)	50,0	5,5	2,2	350	785
Кора	50,0	5,6	2,3	320	727
Опилки	50,0	5,5	2,2	240	538

Сокращения: ВТС = высшая теплота сгорания; НТС = низшая теплота сгорания; сух.осн. = сухая основа; влаж.осн. = влажная основа.

2.6 Теория процесса горения древесины

Эффективное и полное сгорание является необходимым условием использования древесины в качестве экологически приемлемого вида топлива. Процесс сгорания должен обеспечивать высокую степень использования энергии и, следовательно, полное уничтожение древесины, и не должен вызывать образование нежелательных в экологическом отношении соединений.
Выбросы, образующиеся при неполном сгорании, могут быть вызваны:
неправильным смешением воздуха и топлива в топливной камере, в результате чего образуются локальные зоны с недостатком воздуха;
недостаточным количеством кислорода;
низкой температурой горения;
недостаточным временем пребывания;
чрезмерно низкой концентрацией радикалов, наблюдающейся в отдельных случаях, например, на последнем этапе процесса сгорания (фаза сгорания углей) при дозированном сжигании топлива.
Эти переменные величины связаны друг с другом, хотя в случаях, когда имеется достаточное количество кислорода, наиболее важной переменной является температура, оказывающая экспоненциальное воздействие на скорость реакции. Оптимизация этих переменных позволяет снизить уровни всех выбросов, вызываемых неполным сгоранием.

2.6.1 Этапы сгорания древесины

Высушивание и пиролиз/газификация являются первыми этапами процесса сгорания твердого топлива. Однако относительное значение этих этапов зависит от применяемой технологии сжигания, характеристик топлива и условий процесса горения. Возможно разделение этапов высушивания/пиролиз/газификации, применяемое, например, при сжигании топлива со ступенчатым впуском воздуха. На установках сжигания биомассы большой мощности с непрерывной подачей топлива эти процессы происходят на различных участках колосниковой решетки. Однако на установках периодического действия имеется четкое разделение (также во времени) между этапами выделения летучих веществ и сгорания углей. На рис. 2.5 показана качественная схема процесса сжигания древесных частиц малых размеров.

Рис. 2.4. Схема сжигания древесины.

Biomass = Биомасса

Phase 1 = Фаза 1
Phase 2 = Фаза 2
Phase 3 = Фаза 3
Phase 4 = Фаза 4
ash char = зольный уголь
volatiles = летучие вещества
water = вода
Water evaporation = Испарение воды
Volatile evaporation = Испарение летучих веществ
Partial combustion of char into CO = Частичное сгорание углей с преобразованием в СО
Combustion of CO and volatiles = Сгорание СО и летучих веществ

При сжигании частиц больших размеров наблюдается некоторое перекрытие этапов горения; при дозируемой загрузке топлива, например, при сжигании дров в дровяных печах и каминах, степень перекрытия этапов горения значительно больше.

Подсушивание: Испарение влаги происходит уже при достаточно низкой температуре(50-100oC). Часть энергии, выделяемой в процессе горения, уходит на испарение воды, что уменьшает температуру в топке, замедляя процесс сжигания топлива. В котлах на древесном топливе поддержание процесса горения становится невозможным, если влажность древесины превышает 60% при определении по влажной основе (во). Испарение содержащейся во влажной древесине влаги и последующий нагрев водяного пара требуют значительных затрат энергии, что приводит к падению температуры ниже минимального уровня, требуемого для обеспечения процесса горения. Следовательно, влажность является одной из наиболее важных переменных характеристик топлива.
Пиролиз можно определить как термическую деструкцию (выход летучих) в отсутствие подаваемого снаружи окисляющего вещества. Продуктами пиролиза являются, в основном, смола, уголь и газы с низким молекулярным весом. Также могут выделяться значительные количества СО и СО₂. Переменные факторы, от которых зависят количество и свойства продуктов, образующихся в процессе пиролиза, включают вид топлива, температуру, давление, скорость нагрева и время реакции.
Выход летучих веществ из древесины начинается при температуре 200^○С, и скорость выхода увеличивается с повышением температуры. Сначала происходит разложение гемицеллюлозы и затем, при более высокой температуре, разложение целлюлозы. При температуре 400^○;С, когда произошло полное выделение большинства летучих веществ, скорость выхода летучих компонентов резко возрастает. Однако при температуре 400-500^○С может наблюдаться низкая скорость выхода летучих, определяемая процессом разложением лигнина, происходящим в пределах всего температурного диапазона, но вызывающего наибольшие потери основного веса при более высоких температурах.
Газификацию можно определить как термическую деструкцию (выход летучих) в присутствии подаваемого снаружи окисляющего вещества. Термин "газификация" также применяется в отношении реакций окисления угля, например, СО или СО₂. Если процесс пиролиза обычно оптимизируют по максимальному выходу угля или смолы, то процесс газификации оптимизируют по максимальному выходу газа. Температура газификации составляет от 800^○С до 1100^○С. Выделяемый газ содержит, в основном, СО, СО₂, Н₂О, Н_2, СН₄и другие углеводороды. Газификация может осуществляться такими окислителями, как воздух, кислород, пар, СО₂.
Сгорание в идеальном случае можно определить как полное окисление топлива. Горячие газы, выделяемые при сгорании топлива, могут применяться для прямого нагрева в различных целях в установках сжигания топлива малой мощности, для нагрева воды в котлах систем центрального отопления малой мощности, для нагрева воды с целью выработки электроэнергии в установках большей мощности, в качестве источника технологического тепла или для нагрева воды в системах центрального теплоснабжения. Высушивание и пиролиз/газификация всегда являются первыми этапами процесса сгорания твердого топлива.

2.6.2 Наиболее важные переменные характеристики процесса сгорания биомассы

Горение биомассы представляет собой сложный процесс со многими переменными, которые прямо или косвенно воздействуют на уровни выбросов и эффективность использования энергии. Ниже дается краткое описание наиболее важных переменных характеристик этого процесса (в основном, в применениях с использованием установок для сжигания биомассы большой мощности).
Механизмы теплопередачи. Теплообмен может осуществляться посредствомпередачи, конвекции и излучения теплоты. Для обеспечения низкого уровня выбросов при неполном сгорании топлива необходимо минимизировать потери тепла в топочной камере посредством оптимизации переменных характеристик, оказывающих прямое воздействие на механизмы теплопередачи. Также для получения высокого теплового КПД необходимо обеспечить эффективный теплообмен между топочной камерой и впуском дымовой трубы.
Аккумулирование теплоты. Значительное количество теплоты аккумулируется в стенках топочной камеры, забирающих теплоту из объема топочной камеры на первоначальном этапе процесса горения. Это явление играет особенно важную роль при сжигании биомассы в установках малой мощности. Аккумулированное тепло, передаваемое в окружающую среду со значительной задержкой во времени, используется в печах с аккумуляцией тепла (теплоаккумулирующие печи). Однако на начальном этапе процесса горения может наблюдаться высокий уровень выбросов от неполного сгорания.
Изоляция: Передача тепла происходит через стенки топочной камеры. Следовательно, температуру в топочной камере можно повысить, улучшив изоляцию камеры. Улучшить изоляцию топочной камеры можно посредством увеличения толщины изоляционного слоя или использования материала с лучшими изоляционными характеристиками. При этом следует определить целесообразность применения изоляции, которая занимает часть свободного пространства рабочего помещения и требует дополнительных затрат.
Предварительный подогрев воздуха. Температура топочной камеры может быт значительно повышена путем предварительного подогрева воздуха. Подаваемый воздух может быть предварительно подогрет посредством теплообмена с топочным газом после выпуска топочного газа из топочной камеры. Отбор тепла непосредственно из топочной камеры не даст требуемого эффекта, если только не ставится цель снижения температуры в соответствующей части топочной камеры путем переноса теплоты в другую часть камеры. Примером может служить предварительный подогрев вторичного воздуха за счет использования теплоты топливного слоя.
Коэффициент избытка воздуха. Любое топливо требует использования соответствующего количества воздуха (кислорода) с тем, чтобы обеспечить его стехиометрическое преобразование, т.е. коэффициент избытка воздуха λ (лямбда) должен быть равен 1. Стехиометрическое преобразование топлива происходит, когда используется точное количество кислорода, необходимое для преобразования всего топлива при идеальных условиях. В применениях со сжиганием биомассы коэффициент избытка воздуха должен значительно превышать 1 с тем, чтобы обеспечить эффективное смешение подаваемого воздуха и топливного газа. В установках малой мощности коэффициент избытка воздуха должен превышать 1,5. Это означает, что в топке будет иметься общее избыточное количество воздуха. По сравнению с температурой при стехиометрическом горении в этом случае температура будет значительно ниже, главным образом, в результате нагревания инертного азота в воздухе. Поэтому в таких применениях первостепенное значение имеет оптимальное смешение воздуха с топливом, позволяющее использовать более низкие коэффициенты избытка воздуха и повышать температуру горения. Эффективное смешение воздуха с топливом при очень низком избытке воздуха
обеспечивается в установках, имеющих оптимальную конструкцию устройств впуска воздуха и современные оптимизированные системы управления технологическими процессами.
Вид топлива. Процесс горения зависит от характеристик различных видов топлива, в основном, от состава топлива, содержания летучих компонентов/угля, тепловых характеристик, плотности, пористости, размеров и площади активной поверхности. Состав топлива оказывает значительное воздействие на величину ВТС и уровень выбросов (в основном, при полном сгорании) (см. раздел 5.2) и играет важную роль в процессах озоления, вызывающих различные технологические проблемы. В установках периодического действия состав топлива постоянно изменяется в зависимости от степени сгорания топлива. Как правило, по сравнению с ископаемым углем биомасса характеризуется высоким содержанием летучих компонентов и малым количеством угля, образующихся при сжигании топлива, что делает биомассу топливом с высокой реактивной способностью. Однако различные виды топливной биомассы имеют различное содержание летучих компонентов, что оказывает соответствующее воздействие на тепловые характеристики топлива. Тепловые характеристики топлива также зависят от типов химических структур и связей в различных видах топливной биомассы, что определяет значительные различия в выходе летучих в зависимости от температуры. Однако тепловые характеристики различных видов древесного топлива являются аналогичными. Различные виды топливной биомассы в значительной степени отличаются по плотности топливного материала; также имеются значительные различия между твердыми и мягкими породами деревьев. Древесина твердых пород, например, березы, имеет более высокую плотность, что оказывает воздействие на значение отношения объема камеры к потребляемой энергии и характеристики горения топлива. Степень пористости топлива оказывает воздействие на характеристики реактивности (потеря массы в единицу времени) топлива и, следовательно, на выход летучих. Размеры топлива являются важной переменной характеристикой при сжигании биомассы на установках большой мощности, в особенности, в случаях, когда происходит увлечение частиц топлива топочным газом, как, например, при сжигании распыленного топлива. Более мелкие частицы топлива требуют более короткого времени пребывания в топочной камере. Важное значение имеет также степень однородности топлива: увеличение однородности топлива, степень которой повышается с уменьшением размеров частиц топлива, повышает эффективность управления технологическим процессом. Наконец, реактивная способность топлива также зависит от площади активной поверхности.
Влажность. Значение уровня влажности уже отмечалось в разделе 2.4. Однако в установках периодического действия имеется дополнительный осложняющий технологический процесс фактор: содержание влаги непрерывно изменяется в зависимости от степени выгорания топлива. Влага высвобождается на этапе выхода летучих веществ, и содержание влаги уменьшается в зависимости от степени выгорания топлива. Поэтому негативное воздействие уровня влажности на процесс горения может быть значительным на первых этапах фазы выхода летучих веществ, что может приводить к повышению уровня выбросов от неполного сгорания топлива.
Температура горения. Ранее уже отмечалось значение достаточно высокой температуры горения. Однако в применениях с дозированным сжиганием топлива имеется дополнительный осложняющий технологический процесс фактор: влажность и состав топлива непрерывно изменяются в зависимости от степени выгорания топлива. При этом изменяется адиабатическая температура горения. Адиабатическая температура горения повышается по мере сгорания топлива при постоянном коэффициенте избытка воздуха.
Однако, так как уголь обладает значительно меньшей реактивной способностью, чем фракция летучих веществ, скорость сгорания топлива и потребность в кислороде будут значительно ниже. Поскольку обычно сложно эффективно регулировать количество подаваемого воздуха на этапе сгорания углей, в особенности, если используется естественная тяга, коэффициент избытка воздуха будет довольно высоким. Это обстоятельство в сочетании с со значительно более низкой скоростью сгорания топлива может привести к падению температуры в топочной камере ниже уровня, необходимого для полного сгорания топлива. Вместе с тем, более высокая теплота сгорания углей в некоторой степени компенсирует значительно более низкую скорость сгорания топлива на этапе сгорания углей. Время пребывания, необходимое для полного сгорания топлива непосредственно зависит от температуры горения и в определенной степени от времени смешения.
Конструкция. Из вышеприведенного описания различных переменных характеристик очевидно, что конструкция установки для сжигания топлива оказывает значительное воздействие на процесс горения, определяемое конструкцией и принципом работы топочной камеры, выбором материалов и возможностями управления технологическим процессом. Характеристики используемых материалов, такие как теплотворная способность, плотность, толщина, изоляционная способность, поверхностные характеристики, оказывают воздействие на значение температуры в топочной камере.
Теплообмен. Эффективный теплообмен необходим для получения высокого теплового КПД. Требуемые параметры теплообмена можно получить с применением различных методов посредством установки различных типов теплообменников до точки впуска топочного газа в дымовую трубу. Управление активным процессом теплообмена осуществляется с помощью систем управления, использующих переменные контроля технологического процесса, такие, например, как количество воды, протекающее через котел.
Ступенчатая подача воздуха. Применение системы ступенчатой подачи воздуха обеспечивает одновременное снижение уровня выбросов от неполного сгорания и выбросов NOx в результате разделения этапов выхода летучих компонентов и сгорания газовой фазы. Это повышает эффективность смешения топливного газа с вторичным воздухом горения, что уменьшает количество требуемого воздуха, снижая локальный и общий коэффициенты избытка воздуха и повышая температуру горения. Таким образом, уровень выбросов от неполного сгорания снижается в результате повышения температуры, которое увеличивает скорость элементарной реакции, и более эффективного процесса смешения, который уменьшает время пребывания, необходимое для смешения топлива и воздуха. Дополнительная информация содержится в разделе 5.5.5.
Распределение воздуха. Эффективное распределение воздуха имеет чрезвычайно важное значение в эффективном снижении выбросов от неполного сжигания, выбросов NOx и выбросов в системах со ступенчатой подачей воздуха. Характер распределения первичного и вторичного воздуха в топочной камере и зоне факела оказывает воздействие на качество смешения воздуха с топливом и, следовательно, на время пребывания и значение температуры горения, необходимой для полного сгорания.
Подача топлива. Работа любых установок для сжигания топлива периодического действия будет более эффективной при повышении степени непрерывности процесса горения, при котором снижаются отрицательные эффекты начального этапа горения и этапа сгорания углей. Этот процесс частично реализуется вручную в топках котлов полунепрерывного действия, работающих на дровяной древесине.
Распределение топлива. Распределение топлива в топочной камере, вызывающее уменьшение или увеличение площади активной поверхности, оказывает воздействие на процесс горения, соответственно понижая или повышая степень реактивности.
Распределение тепла. Распределение тепла тесно связано с теплообменом и распределением топлива и наряду с другими переменными оказывает воздействие на температуру горения в топочной камере и теплопередачу на этапе процесса после топочной камеры.
Управление. Применение эффективных методов управления технологическими процессами позволяет минимизировать уровень выбросов и оптимизировать тепловой КПД. Разработаны различные методы управления процессом сжигания топлива (см. раздел 5.5.4). Эти методы могут основываться на измерениях параметров определенных соединений топочного газа или значений температуры, данные о которых передаются на контроллер процесса горения в объеме, необходимом для регулировки процесса горения, например посредством изменения количества и распределения воздуха, подаваемого в топочную камеру.
Одним из наиболее важных аспектов эксплуатации установок на биомассе большой мощности являются также проблемы, связанные с использованием низкокачественной дешевой топливной биомассы, которое часто приводит к образованию отложений и коррозии теплообменников и пароперегревателей и дополнительным выбросам, вызываемым более высоким по сравнению с древесиной содержанием в топливной биомассе азота, серы, хлора, фтора, калия и натрия.
Из вышеприведенного описания можно заключить, что процесс горения и, соответственно, уровень выбросов и энергетический КПД зависят от большого числа переменных. Это следует учитывать при проектировании и эксплуатации любых установок, работающих на биомассе.

жүктеу/скачать 2.61 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11