Повышение эффективности использования сельскохозяйственной биомассы в качестве тепловой энергии

Биомасса – это органическое вещество, которое обычно получают из потоков отходов лесной и сельскохозяйственной промышленности. Она значительно дешевле, с точки зрения выработки из нее энергии, чем ископаемое топливо [1]. Кроме того, ее использование в процессе сгорания считается углеродно-нейтральным. По крайней мере, по этим причинам биомассу все чаще используют в тепловых целях в жилом, сельскохозяйственном и промышленном секторах, обеспечивая широкий спектр теплопроизводительности [2].

Характеристики этого биотоплива различаются по химическому составу, влажности, зольности, размеру частиц и т.д. Например, у биомассы, полученной из остаточной древесной стружки на лесопилке, очень низкая влажность и зольность, небольшой размер частиц [3]. Напротив, полученная из сырого навоза имеет очень высокое содержание влаги и золы при горении, а также более крупный размер частиц. Может быть получена биомасса из стеблей кукурузы, рисовой шелухи, кукурузных початков, соломы, лузги масленичных и зерновых культур, отходов в результате дробления и сечки зерновых культур и т.д. [4].

В сыром виде она обычно имеет плохие характеристики горения из-за высокой влажности, зольности и размера частиц [5]. Для промышленного применения биомассу обычно измельчают и сушат, в результате улучшаются характеристики горения. Однако такая «высококачественная» биомасса стоит дороже и ее запасов гораздо меньше низкокачественной.

В настоящее время существует ряд методов сжигания разных форм биомассы, т.е. имеющих различные характеристики горения [6]. У методов с использованием сырой биомассы плохие результаты, с точки зрения термического КПД и золы в камере сгорания.

При методе сжигания пыли используется «высококачественная» биомасса, т.е. обычно с содержанием влаги менее 10% и размером частиц менее 1 мм. Такая биомасса подвергается сложному и дорогостоящему процессу переработки, включающему, например, измельчение и сушку, чтобы радикально снизить содержание влаги и размер [7].

Учитывая очень низкую объемную плотность высококачественной биомассы, ее использование также предполагает высокие затраты на транспортировку и хранение. Следовательно, технология сжигания пыли часто страдает от неэкономичности или недостатка источников высококачественной биомассы [8].

Кроме того, при сжигании биомассы в обычных горелках образуется остаточная зола, которая попадает непосредственно внутрь котла, установленного после горелки. В этом случае необходимо добавить систему контроля выбросов и удаления золы для ее исключения или уменьшения в теплогенерирующем оборудовании [9].

Для производителей все еще существует потребность в совершенствовании технологического оборудовании для подачи тепла посредством газификации биомассы среднего качества, поэтому исследования в этом направлении актуальны.

Материалы и методы исследования

Повысить эффективность использования сельскохозяйственной биомассы в качестве тепловой энергии можно за счет технологического оборудования, включающего частичное сжигание биомассы в камере газификации и сжигание синтез-газа, полученного в результате частичного сгорания биомассы [10].

Vestnik of Omsk SAU, 2024, no.1 53)

AGROENGINEERING

Обычно эксплуатируемое в настоящее время оборудование для сжигания биомассы среднего качества применяется для частиц порошкообразной биомассы, имеющих размер не более 3 мм и содержащих от 15 до 20% влаги, а также для гранулированной биомассы с размером частиц около 8 мм и содержащей не более 15% влаги. Гранулы биомассы можно измельчить перед использованием для получения частиц желаемого размера.

Цель исследования – разработка технологической схемы сжигания сельскохозяйственной биомассы среднего качества для повышения эффективности ее использования в качестве тепловой энергии.

Результаты исследования

До запуска системы (работы технологического оборудования) сначала нагревают камеру газификации до температуры примерно 600°C. Достигается это включением вспомогательной топливной горелки 7 , которая работает на традиционном топливе (дизельное, газовое). Топливо подается из топливного бака 6 (рисунок).

Технологическая схема сжигания сельскохозяйственной биомассы среднего качества:

1 – бункер-накопитель; 2 – отсекатель; 3 – дозирующий конвейер; 4 – вентилятор дутьевой № ;

5 – конвейер автоматизированный пневматический; 6 – топливный бак; 7 – топливная горелка;

8 – решетка; 9 – система золоудаления; 10 – камера газификации; 11 – датчик температуры; 12 – канал выхода синтез-газа; 13 – горелка синтез-газа; 14 – воспламенитель; 15 – вентилятор дутьевой № 2;

16 – зерносушилка

Камера газификации 10 имеет цилиндрическую форму, чтобы создавался эффект завихрения. Ее стенки изолированы огнеупорным материалом и могут охлаждаться в ходе процесса рекуперации тепла с использованием охлаждающей системы (применение воздуха, воды или терможидкости для теплопередачи и теплоотвода). В случае монтажа системы охлаждения, использующей воду или теплоноситель, конструкцию камеры газификации выполняют с двойными стенками, обеспечивающими циркуляцию охлаждающей жидкости внутри двойной стенки.

Датчик температуры 11 , подключенный к камере газификации 10 , служит для контроля изменения температуры и кислородного режима внутри этой камеры. Автоматизированная система управления позволяет выполнять процесс газификации с КПД до 96%. При повышении температуры в камере газификации до оптимального значения

Vestnik of Omsk SAU, 2024, no. 1 53) AGROENGINEERING датчик заставляет систему управления активировать подачу биомассы в камеру газификации и снижать тепловую нагрузку на топливную горелку 7. Если температура в пределах камеры газификации выходит за пределы этого оптимального диапазона, например, порядка 5%, датчик температуры сигнализирует об этом, и автоматика срабатывает на регулирование системы для корректировки скорости подачи биомассы и расхода подаваемого воздуха, а также тепловой нагрузки топливной горелки. Тем самым происходит оптимизация (температурный баланс) процесса сгорания биомассы в камере газификации.

Биомасса сначала подается в бункер-накопитель 1 , оборудованный в нижней части отсекателем 2 . При активации подачи измельченной биомассы отсекатель открывается, в результате биомасса падает на дозирующий конвейер 3 , приводимый в движение электродвигателем с регулируемой скоростью. Из дозирующего конвейера биомасса подается на пневматический автоматизированный конвейер 5 и далее в камеру газификации. Одновременно с этим осуществляется подача воздуха в пневмоконвейер и камеру газификации дутьевым вентилятором 4 , происходит это по касательной к внутренней поверхности камеры газификации. Таким образом, следуя по внутренней поверхности, биомасса с воздухом создают вихрь, который, в свою очередь, и обеспечивает гомогенную смесь (воздуха и биомассы) внутри камеры газификации, ускоряя процесс газификации и облегчая отделение частиц золы от горючих веществ внутри камеры. Поток подаваемого воздуха регулируется таким образом, чтобы он был субстехиометрическим и удерживал частицы биомассы в суспензии в камере газификации.

Скорость дозирующего конвейера 3 контролируется датчиком температуры 11 . Например, если температура внутри камеры газификации повышается на 10%, скорость дозирующего конвейера снижается, это приводит к снижению скорости потока биомассы, поступающей в камеру газификации. Более высокая температура внутри нее (например, 700–800°С) приводит к полной остановке дозирующего конвейера. Еще один пример – когда потребность в горячей воде для котла или в горячем воздухе для зерносушилки возрастает, потребление горелки 13 увеличивается, поэтому дозирующий конвейер должен работать быстрее для обеспечения необходимого количества биомассы в камере газификации.

Дозирующий конвейер конструктивно может быть выполнен в виде шнекового или цепного конвейера, в зависимости от требуемых условий применения, с регулируемой частотой вращения для изменения скорости подачи биотоплива. Для обеспечения требуемого размера частиц биомассы менее 3 мм, поступающих в камеру газификации, на входе в пневмоконвейер можно установить агрегат-измельчитель (на рисунке не показано).

Высокая температура, субстехиометрический поток воздуха и смесь частиц биомассы внутри камеры газификации позволяют осуществлять процесс газификации, т.е. частичное сгорание биомассы, следовательно, образование синтез-газа с параллельной выработкой тепла в самой камере.

В процессе газификации зола попадает на дно камеры газификации 10 , оборудованное решеткой 8 , под которой установлена система золоудаления 9 для сбора и, соответственно, удаления золы. Зола может периодически или непрерывно удаляться, в зависимости от теплопроизводительности технологического оборудования, с использованием механической автоматизированной системы, такой, как, например, простой винтовой конвейер, цепной конвейер или контейнер возвратно-поступательного действия, т.е. автоматический выдвижной ящик, который открывается по команде. Удаление золы

Vestnik of Omsk SAU, 2024, no. 1 53)

AGROENGINEERING

из камеры газификации позволяет системе поддерживать высокую эффективность сго- рания.

Синтез-газ, образующийся при сгорании биомассы, поднимается к верху камеры газификации и выходит через канал синтез-газа 12 к горелке 13 . Большая часть подаваемого воздуха внутрь камеры потребляется в процессе газификации. Вентилятор дутьевой 15 , соединенный с каналом 12 , подает дополнительный воздух в горелку 13 . Поток воздуха, создаваемый вентилятором 15 , позволяет контролировать температуру в горелке 13 . Будучи равным или превышающим стехиометрический уровень, этот воздушный поток обеспечивает полное сгорание синтез-газа. Тепловая энергия производится путем сжигания синтез-газа в горелке 13 . Далее тепловая энергия поступает в теплопотребляющее оборудование (зерносушилка, котел для отопления помещения и т.д.).

В конце канала синтез-газа смесь синтез-газа и воздуха, необходимого для эффективного горения, пересекает воспламенитель 14 , который создает искру для активации процесса горения. После воспламенения смеси внутри горелки 13 возникает пламя, в котором синтез-газ полностью сгорает.

Входными и выходными данными для математической модели нагрева биомассы являются сама сельскохозяйственная биомасса и образующаяся в результате сгорания в теплогенераторе газовая смесь, используемая для нагрева биомассы [11]. Тепловая модель основана на процессах накопления тепла и теплопередачи конвекцией. Описать эти процессы можно уравнением:

Q = k-F-(T_B-T ), Вт,                        (1)

где Q – тепловой поток, Вт; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); T Б – температура сельскохозяйственной биомассы, К; T Г – температура газовой смеси, К.

В процессе накопления тепла его количество будет пропорционально изменению температуры:

— = m - с • —, Вт, dt           dt ’ где Q – количество тепловой энергии, Дж; m – масса, кг; c – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К), T – температура, К; t – время, с.

Выводы

Данная технологическая схема позволяет достичь достаточно высоких характеристик сгорания, с точки зрения максимизации термического КПД и минимизации выброса золы в камеру сгорания при использовании в качестве топлива сельскохозяйственной биомассы, которая не требует сложного и дорогостоящего процесса переработки.

Оптимизируется процесс сжигания биомассы за счет постоянного мониторинга изменения температуры внутри камеры газификации и подачи смеси (биомасса и субстехиометрический поток воздуха) в эту камеру в соответствии с параметрами теплопотребляющего оборудования и со значениями температуры внутри камеры.