Предварительная сушка - как средство повышения эффективности энергетической переработки

древесных отходов

Грачев А.Н.( andri@hitv.ru ), Башкиров В.Н., Сафин Р.Г. Казанский государственный технологический университет

Главными приоритетами программы развития отечественной энергетики являются повышение эффективности использования энергетических ресурсов и снижение негативного воздействия на окружающую среду, что достигается разработкой новых технологий и использованием возобновляемых ресурсов [1]. Одним из видов возобновляемых энергетических ресурсов является древесина, в частности отходы деревообрабатывающих предприятий. Однако в настоящее время уровень использования древесной биомассы для получения энергии на отечественных деревообрабатывающих предприятиях не превышает 9% от общего энергетического потенциала древесных отходов. Наиболее существенным недостатком древесных отходов как топлива является их нестабильное влагосодержание, которое в зависимости от вида древесных отходов колеблется в пределах от 8 до 80%.

С целью повышения эффективности процесса сжигания, рассмотрена возможность предварительной сушки древесных отходов отходящими топочными газами котельной установки. Технологическая схема процесса получения тепловой энергии с предварительной сушкой древесных отходов представлена на рисунке 1. Согласно данной схеме древесные отходы с повышенным влагосодержанием загружаются в бункер, где происходит процесс сушки древесных отходов отходящими топочными газами, поступающими из котла. Высушенные древесные частицы дозатором подаются в топку. Образовавшиеся при сжигании древесных отходов газы из топки подаются в котел для утилизации тепла. Охлажденные в котле

Сушильный бункер

Дымовые газы - Окислитель - Топливо Зола

- ►

Рис. 1. Технологическая схема процесса получения тепловой энергии с предварительной сушкой древесных отходов

противоточном слое можно представить как совокупность процессов

удаления влаги, термолиза (выхода летучих) и выгорания коксового остатка

частицы. Продолжительность сгорания древесной частицы в топке т+ можно

представить в виде суммы продолжительности процессов прогрева тй, сушки тп, термического разложения с горением летучих т6б и выгорания

коксового остатка т :

т. = т ..б + т - + т, б + т.

- ю п о.б о

Температурное поле древесной частицы на стадиях прогрева, сушки и термического разложения можно описать дифференциальным уравнением

топочные газы подаются в сушильный бункер, откуда через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.

С учетом того, что в большинстве случаев в конструкции предлагаемых для деревообрабатывающих предприятий котлов заложены слоевые методы сжигания топлива, отличающиеся своей простотой и надежностью при низких капитальных вложениях, механизм сжигания древесной частицы в

+ q.

Изменение влагосодержания частицы в период постоянной скорости сушки определяется с помощью уравнения

d = j,! = P(pt -p)F (3)

На стадии термического разложения изменение доли прореагировавшей древесины для локального объема в пространственно-временной постановке, принимая механизм реакций термического разложения в виде необратимой реакции первого порядка, можно определить с помощью уравнения химической кинетики

dv E - = k0 exp(--dx 0 RT(x, x)

В этом случае граничные условия для уравнений (2-4) имеют вид: на поверхности частицы

fdT

.dx J

= (аё +аёД1; - i:) - рп + цТД

x=xiia

в центре частицы из условия симметрии

fdT

= 0.

Решение задачи (2-4) осуществляется при начальных условиях T(0,x) = T+, ю(0) = ю.,v(0,x) = 0. Процесс прогрева и сушки древесного

топлива, учитывая высокую интенсивность тепло- и массообмена в топке, протекает до достижения на поверхности частицы температуры разложения древесины. При выполнении этого условия начинается стадия термического разложения с образованием летучих. Причем на стадии прогрева и сушки

нестационарной теплопроводности, которое для симметричной одномерной задачи запишется в виде

d5 2M.

Р о

Скорость выгорания коксовой частицы G0 для кислородной зоны в зависимости от значений критерия Семенова

/k4D-5 (9)

NuD - D

можно определить по выражениям [2]: при Se<0,4

[д (N(1 + 2N3)+2N2(1 + N3)) +

RT (1 + N3 Xl + N + N2)

+ p2N3(1 + N + N2) + p5N, (1 + 0,5N + N3)],

при 0,4<Se<2

Г n n

(10)

0 RT

1 + + 1 + N.. 2

(11)

и при Se>2

2p1 + p2

1 1

V k3 aD J

(12)

Для восстановительной зоны выражение скорости выгорания углерода запишется в виде:

значение q в выражении (2) равно нулю, а на стадии термического разложения определяется соотношением

dv Щд-ve) + ve) - naTgve) (7)

q=--

дт П-(1 -vve)

На стадии термического разложения значение j; в выражении (5) равно нулю.

Изменение размеров частицы в процессе выгорания коксового остатка может быть записано в виде соотношения

G6 =-а D

RT[1 - N3 ] (13)

Величина N в выражениях (10,11,13) представляет собой отношение константы скорости химической реакции к диффузионному коэффициенту массоотдачи

k. (14)

и имеет смысл диффузионно-химического критерия подобия.

Зависимость константы скорости химической реакции от температуры определяется на основании закона Аррениуса. Температура в слое в зависимости от размера частицы может быть определена из уравнения теплового баланса процесса выгорания коксового остатка, которое запишется в виде выражения:

п-п.о..=\утт^ч- u чо 1с

VpiM (15)

6 p6Q 6

6 oei

6 У02 P

i=1 P

Левая часть уравнения (15) характеризует количество тепловой энергии, выделившейся при горении или газификации топлива, а правая часть -теплосодержание топочного газа за вычетом теплосодержания газа, подаваемого в слой.

Парциальные давления участвующих в реакции компонентов, в зависимости от текущего размера частицы, можно определить по выражениям: для кислородной зоны

pxs)=1 0 - P, (16)

а.. 53 (16)

yo2

p2(5)

а

и для восстановительной зоны

VS0 J

(17)

P2N3

p2(5)

Г К,- 253 X

p3(5)

Уо53 - Уо 53 + 253

O2 6.?. -O e.9.

0,553yc

P, (18)

(19)

53a... +53 yO

Причем значение размера частицы на границе кислородной зоны 5кз

можно получить с помощью решения уравнения (16), которое при p1=0 запишется в виде

5е = 50 3. (20)

Совместное решение уравнений (8)-(20) позволяет рассчитать продолжительность выгорания коксовой частицы то .

Состав и количество образовавшихся при сжигании древесины газов определяется на основе элементарных реакций окисления элементов, входящих в состав топлива. Объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг древесных отходов, определяется по формуле [3]:

V0= 4,742-0,04742(\У+А), (21)

а объемы образовавшихся газов определяются из соотношений:

объем азота

VN=3,751-0,03751(W+А), (22)

объем углекислого газа

VC0O2=0,9517-0,009517 (W+А), (23)

объем водяных паров без учета значения коэффициента избытка воздуха

V0 =0,7534+0,00486W-0,007533 А (24)

и с его учетом

V;=V0+0,0161( a-1)V0. (25)

О. - Q. + QIoe + n t --- > r --- +

а а 4 1 а 100 - а 100

(n,t (1---)) + n.t --

(28)

где значение температуры мокрого термометра можно определить по выражению [4]

ti = 43,5 lgl - 56,6. (29)

Значение равновесного влагосодержания древесной частицы в зависимости от параметров сушильного агента может быть определено по выражению [5]

©p = 13,094 (ta)-0,4513 exp(1,8478 cp (ta)0,0645). (30)

При этом относительная влажность газов на выходе из сушильного бункера определяется из соотношения:

M. P X

ф- a

p,n(Mi + M. X ) (31)

а влагосодержание газа на выходе из сушильного бункера соответствует уравнению

X = 100 . (32)

V .60p П60

Совместное решение уравнений (28-32) позволяет определить значение температуры и относительную влажность топочных газов на выходе из

Объемы влажных и сухих дымовых газов определяются как сумма объемов вышеперечисленных компонентов и с учетом коэффициента избытка воздуха могут быть определены соответственно по уравнениям

V г =V0+VN2+V °о2+( а-1)V0, (26)

Vсух =VN2+V 0о2+( а-1)Л^ (27)

Влагосодержание древесных отходов на выходе из сушильного бункера юк может быть определено из уравнения теплового баланса процесса сушки

сушильного бункера. Продолжительность высокотемпературной сушки древесной частицы тс. = тI + тп можно определить по выражениям [6]:

для первого периода сушки

т i =

О^ЬргДоу -юйа)

72(tB -100) для второго периода сушки

1 b

(33)

т ii =

0,9bpra(Qil5 -соб)

72(ta -100)

2,3lg

е

б

(34)

Таким образом, представленная математическая модель позволяет описать процесс сжигания с предварительной сушкой древесных отходов отходящими топочными газами. Решение математической модели

Рис. 2. Зависимости расхода древесных отходов от их начального влагосодержания. 1- без использования сушильного бункера; 2-5-с использованием сушильного бункера при различных значениях температуры газов на выходе из котла: 2-ta=140,°N; 3-ta=160,°N; 4-ta=180,0N; 5-ta=200,0N

осуществлялось численным методом и программно реализовано средствами

пакета MathCAD. На рисунках 2,3 приведены некоторые результаты

численного эксперимента (мощность котолоагрегата-1 МВт; коэффициент

Рис. 3. Зависимости коэффициента экономии расхода топлива от начального влагосодержания при различных значениях температуры топочных газов на выходе из котла: 1-ta=140,0N; 2-ta=160,0N; 3-ta=180,0N; 4-

ta=200,0N

Величину коэффициента экономии расхода топлива можно определить с помощью соотношения

* = Bp - B

избытка воздуха- 1,1; начальная температура древесных отходов -20 0C). Представленные на рисунке 2 зависимости расхода топлива с использованием сушильного бункера и без него от начального влагосодержания топлива подтверждают возможность сокращения расхода топлива при номинальной мощности котла. Сокращение расхода топлива за счет его предварительной сушки можно оценить коэффициентом экономии расхода топлива 5, который учитывает долю снижения расхода топлива при использовании сушильного бункера.

Представленные на рисунке 3 зависимости коэффициента экономии расхода топлива от начального влагосодержания при различных значениях температуры топочных газов на выходе из котла показывают увеличение коэффициента экономии расхода топлива с повышением температуры топочных газов.

Снижение влагосодержания древесного топлива также позволяет повысить скорость его сгорания, а, следовательно, и увеличить мощность существующего котельного оборудования.

В заключение следует отметить, что использование предложенной технологической схемы при сжигании древесных отходов позволяет: снизить расход топлива при сохранении номинальной мощности котла; повысить КПД котлоагрегата; обеспечить стабильность процесса сжигания и при необходимости увеличить мощность существующего котельного оборудования.

Основные обозначения: Г- параметр зависящий от формы частицы; ш -влагосодержание, %;W- влажность, %;т- время, сек; А, А0-расход топлива с использованием сушильного бункера и без него, кг/ч; 8 - приведенный размер

частицы, м; р -плотность, кг/м ; F-площадь, м ;p,P -парциальное, общее давление, Па; y-мольная доля, кМоль/кМоль; у,У-объем, удельный объем, м , м3/кг; ф -отн. влажность газовой среды; R- унив. газовая постоянная, Дж/(Кмоль К); с- массовая теплоемкость, Дж/(кг К); М-молярная масса,

кг/кМоль; D-коэффициент диффузии м /с; Т, t- температура, К ( С);Х-влагосодержание газа, кг/кг; х- координата, м; в -коэффициент массоотдачи м/с; E-энергия активации, кДж/моль; k-константа скорости химической реакции, 1/сек; G у -скорость выгорания углерода, кМоль/(м с); Q-удельная

теплота, кДж/кг; I- энтальпия, кДж/м ; v-доля прореагировавшей древесины; а -коэффициент избытка воздуха; r-теплота парообразования, кДж/кг; b-толщина частицы, мм; Q3a -уд. теплота сгорания, кДж/кг; X -