14.4. Технології прямого спалювання твердих біопалив

Тверді біопалива спалюються в топках. У сучасній топковій техніці застосовуються такі основні методи спалювання твердих палив: шаровий, факельний, вихровий, спалювання в киплячому шарі (рис. 14.2), у барабанній печі тощо.

Шаровий метод спалювання палива характеризується тим, що паливо завантажується шаром певної товщини на нерухомі або рухомі колосникові решітки, на яких згорає кокс палива, а летючі речовини, що виділяються з палива, згорають над шаром палива в топковій камері. Через прозори, що є в колосникових решітках, подається повітря, необхідне для горіння, і через ці ж прозори в зольник провалюються попіл, шлак і частина незгорілого палива. Таким методом спалюються крупні фракції, наприклад, деревні поліна, паливні брикети, тюки та рулони соломи (можливе спалювання соломи насипом). Пилоподібне та гранульоване паливо таким методом не спалюється

Суть вихрового методу спалювання полягає в тому, що за допомогою системи повітряних сопел в топці створюють вихор, в якому згорають частинки біомаси у зваженому стані з великою парусністю розміром до 10-12 мм (соняшникове лушпиння, деревна тріска тощо). Позитивними якостями вихрового методу є простота його здійснення, досить високі технічні і екологічні показники топкового процесу. До недоліків слід віднести те, що при спалюванні біомаси вся зола, що міститься в ній, транспортується топковими газами трактом котла. Це призводить до підвищеного зносу труб, необхідності частого чищення поверхонь нагріву і газового тракту котла від шлакових і зольних відкладень.

Факельний метод спалювання палива характеризується тим, що частинки твердого пилоподібного палива (деревний пил, тирса) знаходяться в безперервному русі в топковій камері разом із потоком повітря і продуктами згорання. У цьому газоповітряному потоці частинки палива знаходяться в зваженому стані. Технологія спалювання розпиленої сировини має такі переваги: ефективніше використовується потужність котла, забезпечується високий ККД, можливе спалювання газу або мазуту в тому ж пальнику, що і біомаси. Основний недолік цієї технології полягає у високих витратах, пов'язаних з подрібненням і сушінням сировини [194].

Подальшим розвитком шарового спалювання є застосування киплячого шару. Горіння зернистого матеріалу (з розміром до 25 мм) відбувається у топковому просторі у завислому стані між інертними частинками кварцового піску в потоці повітря, що рухається знизу вгору. Вміст палива у шарі становить 5-7 %. Паливо циркулює в киплячому шарі, поки повністю не вигорить, передаючи теплоту свого згорання кварцовому піску. Даний спосіб спалювання дозволяє інтенсифікувати теплопередачу (частинки твердого матеріалу, охолоджуючись біля поверхні труби, віддають на декілька порядків більше теплоти, ніж такі ж за об'ємом частинки газу, що охолоджується до тієї ж температури). Перевагою топок з киплячим шаром є їх нечутливість відносно розмірів частинок і вологості біомаси. Крім того, можна використовувати суміші з біомасою різного типу або проводити сумісне спалювання цих сумішей з іншими видами палив. Одним з серйозних недоліків топок з киплячим шаром є складність експлуатації при частковому завантаженні [87].

Для спалювання соломи в тюках та рулонах застосовуються циклічні

котли (рис. 14.8), які являють со­бою двостінний корпус 1, на передній частині якого є люк 2 таких розмірів, щоб тюк через нього вільно проходив до камери згорання. Солому 3 в пресованому вигляді за допомогою тракторного завантажувача розміщують усере-

спалювання великогабаритних тюків ^{дині камери згорання, куди за}

соломи [18]: 1 - корпус; 2 - ^{допомогою вентилятора 4}

завантажувальний люк; 3 - тюк ^{нагнітають} п°^вітря. П^р°^дукти

соломи; 4 - вентилятор; 5 - димохід. ^{згорання видаляють через димохід}

5. Після згорання тюка його замінюють новим.

До топок з рухомим шаром палива відноситься ретортна топка, яка застосовується в котлі "Дністер" Р6-КОВА, паливом для якого слугують дрібне вугілля, деревна тріска, паливні гранули. У котлі є два основних вузли — корпус котла 1 і пальник 2 (рис. 14.10).

Корпус котла 1 є сталевою зварною конструкцією, виконаною з листової сталі завтовшки 5 мм. Пальник 2 сполучений з нижньою частиною корпусу котла, над якою розташований керамічний каталізатор 3. Форма каталізатора 3 з одного боку спрямовує згорілі гази знову над пальником 2 (тим самим створюючи можливість кращого згорання палива і догорання газів), з іншого боку — на задню стінку корпусу котла 1. Звідти гази виходять до трубчастого теплообмінника 4, а потім через димозбірник 5 у димар 6. Очищення димозбірника від сажі здійснюють через вікно 17.

Пальник 2 сконструйований за принципом нижньої подачі палива (реторти), а саме горіння в ній нагадує роботу ковальського горну. З бункера 7 паливо за

допомогою шнекового живильника 8, що приводиться в дію мотор-редуктором

16, подається в коліно-реторту 9. Звідти воно йде вгору на кругові грати. Реторта і грати виготовляються з високоякісного чавуну.

Реторта розміщена в змішувачі, в який вентилятором 10 нагнітається повітря. Потім через пази між гратами і ретортою повітря вдувається у верхні шари палива. Для нормальної роботи пальника 2 необхідно загерметизувати (помістити мастику з робочою температурою до 1200°С) пази між гратами і круговим фланцем змішувача, в який вкладені грати. Згоріле паливо у вигляді попелу і шлаку висипається через краї грат у збірник попелу 11, звідти

тюків

14.5.4. Спалювання біопалива з його попередньою газифікацією

Однією із проблем, пов'язаних із спалюванням відкритим полум'ям, є його низька ефективність. Процес горіння палива в шарових топках складається із трьох стадій: висушування палива; виділення горючих газів (чадного газу, водню, сірководню, метану) і згорання їх в топковому просторі; горіння коксу палива на колосниковій решітці.

Однак в шарових топках важко досягти стехіометричного числа для повного згорання горючих газів, адже їх виділення відбувається дуже інтенсивно, а повітря не завжди потрапляє в топку в необхідній кількості. Повністю згорає лише кокс палива, а горючі гази згорають, в кращому випадку, лише частково і викидаються в атмосферу разом з продуктами згорання. В результаті ККД таких котлів не перевищує 50 %. Для більш ефективного використання палива розроблений

газифікований метод його спалювання, при якому енергія горючих газів палива використовується в повній мірі.

Конструкція котлів для газифікованого спалювання палива дещо відрізняється від шарових топок, в яких згорання палива відбувається відкритим полум'ям. Якщо в останніх повітря поступає знизу і проходить вгору, долаючи весь масив, то в котлах для газифікованого спалювання воно проходить не через весь масив палива, а тільки через його частину (рис. 14.15, а).

а) б)

Рис. 14.15. Схеми котлів для газифікованого спалювання палива [166]: а - з нижньою подачею повітря; б - з верхньою подачею повітря

Причому повітря подається в обмеженій кількості, щоб згорання проходило повільно, а в топці підтримувалась температура, необхідна для інтенсивної газифікації палива (800-850°С). При цьому горить лише нижній шар.

Решта шарів висушується і поволі газифікується. Горючі гази разом із вторинним повітрям надходять в камеру згорання, де і відбувається їх спалювання. ККД таких котлів знаходиться на рівні 65-75 %.

У котлах із верхньою подачею повітря (рис. 14.15, б), утворені при повільному згоранні палива, горючі гази через сопло направляються в камеру згорання, яка знаходиться нижче рівня палива. По мірі вигорання і газифікації нижніх шарів біомаси їх місце займають підсушені верхні шари. Така схема дозволяє отримувати горючі гази, не забруднені продуктами піролізу, який проходить в верхніх шарах палива. Ефективність таких котлів знаходиться на рівні 75-85 %. Деякі з них забезпечені вентиляторами для подачі повітря замість використання природної тяги. Спалювання в таких котлах відбувається краще і з меншим утворенням сажі.

Для газифікації біомаси застосовуються також котли з передтопником (рис. 14.16). Від попередніх котлів вони відрізняються тим, що газифікація відбувається не в корпусі котла, а в спеціальному передтопнику 3, куди паливо з бункера 1 подається шнеком 2, а первинне повітря нагнітається за

допомогою вентилятора 4. Газифіковане паливо разом із вторинним повітрям поступає в топку газового котла 5, де відбувається його спалювання.

Котли з передтопником дозволяють спалювати достатньо вологу сировину і

камерою попереднього спалювання

біопалива [18]: 1 - бункер; 2 - шнек; З - передтопник; 4 - вентилятор; 5 -газовий котел.

використовуються в основному для спалювання деревної тріски підвищеної вологості. При спалюванні в передтопниках сухого палива (вологістю менше 20 %) виникає нестійкість процесу горіння, а високі температури викликають пошкодження футерування передтопника.