Сжигание и газификация альтернативных топлив
Прореферированы исследования в области сжигания и газификации альтернативных топлив. Проанализирована работа газогенератора с системой очистки газа, работающего на древесных отходах. Рассмотрены технологии сжигания твердых унитарных и смесевых топлив в теплогенераторах различных типов. Представлена...
Збережено в:
| Дата: | 2006 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Назва видання: | Промышленная теплотехника |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61428 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Сжигание и газификация альтернативных топлив / А.А. Халатов, И.И. Борисов, С.Г. Кобзарь, Г.В. Коваленко, О.Е. Хлебников // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 4. — С. 53-63. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61428 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-614282025-02-09T13:10:37Z Сжигание и газификация альтернативных топлив Burning and gasification of alternative fuels Халатов, А.А. Борисов, И.И. Кобзарь, С.Г. Коваленко, Г.В. Хлебников, О.Е. Использование и сжигание топлива Прореферированы исследования в области сжигания и газификации альтернативных топлив. Проанализирована работа газогенератора с системой очистки газа, работающего на древесных отходах. Рассмотрены технологии сжигания твердых унитарных и смесевых топлив в теплогенераторах различных типов. Представлена конструкция теплогенератора, использующего отработанное машинное масло. Прореферовано дослідження в галузі спалювання та газифікації альтернативних палив. Проаналізовано роботу газогенератора з системою очищення газу, який працює на відходах деревини. Розглянуто технології спалювання твердих унітарних і сумішевих палив в теплогенераторах різних типів. Представлено конструкцію теплогенератора, який використовує відпрацьоване машинне масло. The investigations in a field of burning and gasification of alternative fuels were abstracted. The operation of a gas generator with a gas purification system working with a waste wood is analyzed. The technologies of combustion solid unitary and mixture of fuels in heat generators of different types were surveyed. The construction heat generator, operating waste engine oil is introduced. 2006 Article Сжигание и газификация альтернативных топлив / А.А. Халатов, И.И. Борисов, С.Г. Кобзарь, Г.В. Коваленко, О.Е. Хлебников // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 4. — С. 53-63. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61428 662.61/65 ru Промышленная теплотехника application/pdf Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Использование и сжигание топлива Использование и сжигание топлива |
| spellingShingle |
Использование и сжигание топлива Использование и сжигание топлива Халатов, А.А. Борисов, И.И. Кобзарь, С.Г. Коваленко, Г.В. Хлебников, О.Е. Сжигание и газификация альтернативных топлив Промышленная теплотехника |
| description |
Прореферированы исследования в области сжигания и газификации альтернативных топлив. Проанализирована работа газогенератора с системой очистки газа, работающего на древесных отходах. Рассмотрены технологии сжигания твердых унитарных и смесевых топлив в теплогенераторах различных типов. Представлена конструкция теплогенератора, использующего отработанное машинное масло. |
| format |
Article |
| author |
Халатов, А.А. Борисов, И.И. Кобзарь, С.Г. Коваленко, Г.В. Хлебников, О.Е. |
| author_facet |
Халатов, А.А. Борисов, И.И. Кобзарь, С.Г. Коваленко, Г.В. Хлебников, О.Е. |
| author_sort |
Халатов, А.А. |
| title |
Сжигание и газификация альтернативных топлив |
| title_short |
Сжигание и газификация альтернативных топлив |
| title_full |
Сжигание и газификация альтернативных топлив |
| title_fullStr |
Сжигание и газификация альтернативных топлив |
| title_full_unstemmed |
Сжигание и газификация альтернативных топлив |
| title_sort |
сжигание и газификация альтернативных топлив |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Использование и сжигание топлива |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61428 |
| citation_txt |
Сжигание и газификация альтернативных топлив / А.А. Халатов, И.И. Борисов, С.Г. Кобзарь, Г.В. Коваленко, О.Е. Хлебников // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 4. — С. 53-63. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT halatovaa sžiganieigazifikaciâalʹternativnyhtopliv AT borisovii sžiganieigazifikaciâalʹternativnyhtopliv AT kobzarʹsg sžiganieigazifikaciâalʹternativnyhtopliv AT kovalenkogv sžiganieigazifikaciâalʹternativnyhtopliv AT hlebnikovoe sžiganieigazifikaciâalʹternativnyhtopliv AT halatovaa burningandgasificationofalternativefuels AT borisovii burningandgasificationofalternativefuels AT kobzarʹsg burningandgasificationofalternativefuels AT kovalenkogv burningandgasificationofalternativefuels AT hlebnikovoe burningandgasificationofalternativefuels |
| first_indexed |
2025-11-26T01:47:49Z |
| last_indexed |
2025-11-26T01:47:49Z |
| _version_ |
1849815645956341760 |
| fulltext |
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4 53
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
Введение
Происходящий в последние годы рост стоимо;
сти углеводородных топлив обусловливает зна;
чительный интерес во всем мире к использова;
нию альтернативных источников энергии,
добыча или использование которых по ряду при;
чин носило ограниченный характер.
Украина обладает значительными запасами
торфа и бурого угля, которые в настоящее время
практически не используются для производства
электроэнергии. В энергетическом балансе стра;
ны доля торфа составляет около 0,3 %, а бурого
угля – около 1,2 % [1]. Поскольку в Украине зна;
чительна часть сел не газифицирована, исполь;
зование для бытовых нужд торфа и бурого угля
имеет значительный потенциал, оцениваемый в
3,5 млн.т условного топлива. Запасы бурого угля
оцениваются в 3,5 млрд. т (из них в освоенном
Александрийском районе Днепровского бассейна
около 560 млн. т). Средняя зольность этих углей –
20 %, рабочая влажность от 43 до 62 %, низшая
теплотворная способность – 7,1…9,6 МДж/кг.
Стоимость тонны условного топлива при откры;
том способе добычи не превышает 30 долларов
США [2].
Разведанные запасы торфа в Украине состав;
ляют 2166 млн. т. Годовой природный прирост
торфа – 1,7 млн. т. Энергетический потенциал за;
пасов торфа в Украине составляет 0,84 млрд. т ус;
ловного топлива (у. т.), а его естественное ежегод;
ное увеличение 0,5…0,6 млн. т у. т./год. Добытый
торф в основном используется как топливо в ком;
мунально;бытовом секторе, главным образом в
виде торфяных брикетов. Добыча торфа в Украи;
не достигла максимума в 1991 г. – 7471 тыс. т и с
1995 года начала снижаться [1]. Если она останет;
ся на уровне 1995 г., то запасов торфа хватит на
150…200 лет. На существующем в Украине обору;
довании возможна выработка брикетированного
торфа в количестве 700 тыс. т/год. Стоимость теп;
ловой энергии, полученной даже из наиболее до;
рогого торфяного брикета, на 10…30 % ниже сто;
имости энергии из традиционных видов топлив.
Прореферовано дослідження в галузі
спалювання та газифікації альтернатив�
них палив. Проаналізовано роботу газо�
генератора з системою очищення газу,
який працює на відходах деревини. Роз�
глянуто технології спалювання твердих
унітарних і сумішевих палив в теплогене�
раторах різних типів. Представлено кон�
струкцію теплогенератора, який викори�
стовує відпрацьоване машинне масло.
Прореферированы исследования в
области сжигания и газификации аль�
тернативных топлив. Проанализирована
работа газогенератора с системой очи�
стки газа, работающего на древесных
отходах. Рассмотрены технологии сжи�
гания твердых унитарных и смесевых
топлив в теплогенераторах различных
типов. Представлена конструкция теп�
логенератора, использующего отрабо�
танное машинное масло.
The investigations in a field of burning
and gasification of alternative fuels were
abstracted. The operation of a gas genera�
tor with a gas purification system working
with a waste wood is analyzed. The tech�
nologies of combustion solid unitary and
mixture of fuels in heat generators of differ�
ent types were surveyed. The construction
heat generator, operating waste engine oil
is introduced.
УДК 662.61/65
ХАЛАТОВ А.А., БОРИСОВ И.И., КОБЗАРЬ С.Г.,
КОВАЛЕНКО Г.В., ХЛЕБНИКОВ О.Е.
Институт технической теплофизики НАН Украины
СЖИГАНИЕ И ГАЗИФИКАЦИЯ
АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ
t1 – температура газов на входе в камеру дожигания;
tв – температура газов в газоходе на выходе из печи;
tвп – температура газов на выходе из воздухоподо;
гревателя;
Vв – скорость газов на выходе из теплогенератора;
α – коэффициент избытка воздуха;
τ – время.
Индексы
1 – первичная камера сгорания;
Σ – суммарный.
Суммарные потенциальные ресурсы отходов
древесины, включая кору в лесном хозяйстве и
деревоперерабатывающих отраслях промышлен;
ности, составляют 3743 тыс. м3 [3], что эквива;
лентно 984 тыс. т у. т. в год. Из данных [1] следу;
ет, что лесное хозяйство, деревообрабатывающая
и целлюлозно;бумажная промышленность не
могут потребить все отходы древесины и могут
либо их поставлять, либо использовать для собст;
венного энергоснабжения. Неиспользуемые ре;
сурсы отходов древесины составляют 2858 тыс. м3,
что соответствует 0,75 млн. т у. т. в год. Зарубеж;
ный опыт свидетельствует, что в существующих
котлах, работающих на угле, можно без сущест;
венной реконструкции организовать сжигание
отходов древесины в количестве, эквивалентном
4–10 % от энергии используемого топлива [4]. В
энергетическом балансе страны древесина со;
ставляет около 0,4 % [1].
Такие топлива, как торф, бурый уголь и био;
масса – низкокалорийные – и характеризуются
большим выходом летучих. Интенсивность горе;
ния таких топлив наиболее высока в начале про;
цесса, и резко снижается при догорании коксо;
вого остатка. В связи с этим, их сжигание в
традиционных теплогенераторах, особенно в аг;
регатах малой мощности, приводит к экологиче;
ской проблеме – выбросу в атмосферу продуктов
сгорания с концентрациями окиси углерода (СО)
и оксидов азота, существенно превышающими
допустимые нормы. Значительная часть бурых
углей Днепровского бассейна содержит соедине;
ния галогенов (“соленые угли”), что увеличивает
коррозию котельного оборудования и создает
ряд экологических проблем, связанных с эмис;
сией опасных хлорорганических соединений.
Рациональная организация процесса горения
находится под давлением противоречивых требо;
ваний: для уменьшения образования окиси угле;
рода (СО) необходимо повышение температуры
процесса, в то время как повышение максималь;
ной локальной температуры при сжигании угле;
водородных топлив на 50…70 С приводит к уве;
личению образования окислов азота в 2,7 раз.
Использование биомассы, торфа, бурого угля
и иных нетрадиционных топлив для получения
энергии предполагает создание современного
оборудования, сочетающего высокую эффектив;
ность с обеспечением экологических требований
по вредным выбросам. Как известно, принцип
работы современных теплогенераторов основан
на двухстадийном сжигании, при котором на
первой стадии осуществляется пиролиз/газифи;
кация (в зависимости от температуры) топлива, а
на последующих стадиях – дожигание образовав;
шегося генераторного газа (водорода, оксида уг;
лерода, углеводородов). Такой принцип сжига;
ния позволяет существенно повысить тепловую
эффективность и управляемость оборудования, а
также добиваться высокого уровня экологичес;
кой чистоты, что может иметь решающее значе;
ние при сжигании “соленых углей” или бытового
мусора.
В Институте технической теплофизики НАН
Украины в течение нескольких последних лет
проводились работы по созданию и исследова;
нию газогенераторного и теплогенераторного
оборудования, работающего на биомассе и ее
смесях с торфом и бурым углем.
Газогенератор обращенного типа
тепловой мощностью 50 кВт
Основными критериями, определявшими выбор
типа газогенератора, были простота изготовления и
эксплуатации, надежность, низкая стоимость, воз;
можность работы в составе электрогенерирующей
установки. Конструкция газогенератора разрабаты;
валась на базе аналогичных коммерческих и иссле;
довательских установок с учетом результатов ра;
бот [5,6]. Разработанный в ИТТФ газогенератор
работает по обращенной схеме, т.е. при прямо;
точном движении топлива и воздушного дутья.
При такой схеме вырабатывается наименьшее
количество смол, так как образовавшиеся в зоне
пиролиза смолы разлагаются на более простые
химические соединения в зоне горения.
Газогенератор (рис. 1) состоит из корпуса 1 с
внутренним диаметром 600 мм, конуса 2 с колос;
никовой решеткой, трубы 3 с соплами 4 для пода;
чи воздушного дутья. Корпус выполнен из сталь;
ного листа толщиной 12 мм, что позволяет ему
выдерживать высокие температурные градиенты
без существенных деформаций. Общая высота
газогенератора составляет 2,5 м. В верхней и
нижней частях корпуса расположены герметично
54 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
закрывающиеся дверцы 5 и 6, соответственно для
загрузки топлива и удаления золы. Внутренняя
поверхность рабочей зоны футерована огнеупор;
ной керамикой на основе окиси магния, толщи;
на футеровки 15 мм. В данной конструкции газо;
генератора предусмотрена подача топлива как
через загрузочный люк в верхней крышке, так и
через боковую дверцу в верхней части корпуса.
Результаты экспериментов по получению ге;
нераторного газа с использованием кусочков
древесины различного размера приведены в [7].
Технические характеристики газогенератора бы;
ли следующими: тип топлива – древесные чурки
с оптимальными размерами 15...35 мм; расход
топлива – 15 кг/час; расход воздуха – 450 л/мин;
тепловая мощность газогенератора – 50 кВт; не;
обходимая мощность вентилятора – 1 кВт. Газо;
генератор вырабатывает газ следующего состава
(объемные доли): СО – 21 %, Н2 – 17 %, СН4 –
2 %, N2 – 48 %, CO2 – 12 %. Температура в зоне
горения (в области горловины конуса) составля;
ет 950...10000С. Концентрация смол в генератор;
ном газе оказалась на уровне 1 – 2 г/м3 (в зависи;
мости от породы древесины, используемой в
качестве топлива).
Данный газогенератор был разработан для ис;
следовательских целей, однако он может послу;
жить основой для создания серийного оборудо;
вания газификации не только растительной
биомассы, но также торфа и бурого угля, в случае
их брикетирования.
Теплогенераторы, работающие на торфе,
буром угле и их смесях с древесиной
В ИТТФ НАН Украины проводились работы
по созданию современных теплогенераторов, ра;
ботающих по принципу двух; и трехстадийного
сжигания биомассы и ее смесей с торфом и бу;
рым углем. При этом, помимо стремления к до;
стижению максимальной тепловой эффективно;
сти, значительное внимание уделялось
снижению вредных выбросов. Как известно, пе;
чи на твердом топливе отличаются значительной
эмиссией дыма, несущего вредные органические
компоненты, причем эти частицы – субмикрон;
ного размера и не улавливаются циклонами [8].
Поэтому необходимо минимизировать их обра;
зование в процессе сжигания. Основное количе;
ство работ по сжиганию твердых органических
топлив посвящено вопросам снижения концент;
рации окислов азота, углерода, диоксинов, фура;
нов, аэрозолей в продуктах сгорания при обеспе;
чении высокого термического КПД установок
[8;12].
Как известно, повышение тепловой эффек;
тивности стадийного сжигания обеспечивается
выполнением трех основных условий: качествен;
ным смешением генераторного газа с вторичным
воздухом, достаточной длительностью времени
пребывания газа в зоне горения, а также дости;
жением высокой температуры, как в первичной,
так и во вторичной камерах сгорания. При этом
стараются избегать “пиков” локальной темпера;
туры, поскольку температура в первичной камере
не должна превышать точку плавления золы. В
работе [12] используется трехстадийное сжига;
ние биомассы. Для обеспечения хорошего каче;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4 55
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
Рис. 1. Газогенератор обращенного типа тепловой
мощностью 50 кВт.
1 – корпус; 2 – конус; 3 – труба;
4 – сопла подачи воздуха в зону горения;
5, 6 –дверцы.
ства смешения применяются различные спосо;
бы, например, используются узкие каналы для
выхода генераторного газа, в которых он имеет
высокую скорость и в которые через сопла равно;
мерно по сечению инжектируется вторичный
воздух. В данном случае конструкция сопел игра;
ет доминирующую роль для достижения хороше;
го смешения, поскольку не во всех частях вторич;
ной камеры сгорания достигается стехиометрия.
Другой, и по мнению ряда авторов, более эф;
фективный способ – циклонное вторичное сжи;
гание. Как показано в работе [9], комбинация ви;
хря и стадийной подачи воздуха приводит к
значительному уменьшению формирования твер;
дых аэрозолей (для частиц размером 100 мкм – в
100 раз).
Авторами настоящей работы разработан теп;
логенератор с вихревой эжекцией генераторного
газа (рис. 2), защищенный патентом Украины
[13]. Он состоит из первичной камеры сгорания 1
объемом 60 л с зольником 5, и вторичной цилин;
дрической керамической камеры сгорания 2.
Вторичный воздух подается с помощью вентиля;
тора в вихревую камеру эжектора 3. Продукты га;
зификации поступают в осевую зону эжектора
через теплоизолированный канал 4 и смешива;
ются в керамической камере сгорания с вторич;
ным воздухом, где происходит сжигание газовоз;
душной смеси. Полезное использование теплоты
продуктов сгорания осуществляется в теплооб;
меннике 6, в котором теплоносителем могут слу;
жить как вода, так и воздух.
Проведенные предварительные испытания
эжектора показали, что коэффициент объемной
эжекции ke составляет величину порядка 2. Такое
значение ke позволяет эффективно удалять про;
дукты газификации из первичной камеры, кото;
рая при этом оказывается под необходимым раз;
режением. Такая схема сжигания выгодна с
эксплуатационной точки зрения, поскольку не
происходит задымления помещения при работе
печи. Кроме того, с помощью вихревого эжекто;
ра можно управлять мощностью печи за счет из;
менения расхода эжектируемых газов из первич;
ной камеры.
Было также проведено численное моделирова;
ние трехмерного течения в вихревом эжекторе на
пакете “PHOENICS v 3.5”. В результате получено
достаточно хорошее согласование с эксперимен;
том по коэффициенту эжекции (расхождение не
превышало 20 %), а также подтверждено наличие
качественного смешения подаваемого и всасыва;
емого потоков. Этот факт можно объяснить ин;
тенсивной турбулизацией на границе подаваемо;
го и эжектируемого потоков: расчеты показали,
что в этой области наблюдается резкий пик кине;
тической энергии турбулентности.
В экспериментах по стадийному сжиганию
древесины измерялись температура в первичной
и вторичной камерах сгорания, статическое дав;
ление на входе в соединительный канал и на сре;
зе сопла эжектора, а также концентрация оксида
углерода в продуктах сгорания – газоанализато;
ром “TESTO;300M”. В экспериментах фиксиро;
вались загрузка и время выгорания древесного
топлива. Процесс сжигания имеет 3 основные
стадии: розжиг (20 мин), выгорание летучих (60
мин), и дожигание коксового остатка (60 мин).
Выделяемая тепловая мощность на стадии выго;
56 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
Рис. 2. Теплогенератор с вихревой эжекцией
генераторного газа.
1 – первичная камера сгорания; 2 – вторичная
камера сгорания;
3 – вихревой эжектор; 4 – адиабатический
соединительный канал;
5 – зольник; 6 – теплообменник.
рания летучих составляла 21 кВт. В период дожи;
гания коксового остатка имеет место значитель;
ное снижение температуры во вторичной камере
сгорания, т.е. неравномерная во времени тепло;
вая нагрузка. Это объясняется тем, что на этой
стадии выделяется значительно меньшее количе;
ство газообразных компонентов и в первичной
камере происходит их полное сгорание. Выделя;
емая тепловая мощность при дожигании кокса
составила 13 кВт, при этом вторичный воздух
лишь разбавлял продукты сгорания. Для обеспе;
чения оптимальной подачи воздуха на этой ста;
дии можно снизить относительное проходное се;
чение завихрителя с сохранением скорости
воздуха в щелях, т. е. необходимой тяги. Другой
способ обеспечения равномерной тепловой на;
грузки – использование непрерывной подачи
свежего топлива (этот способ в настоящее время
применяется в большинстве современных тепло;
генераторов).
Оценка величины коэффициента избытка воз;
духа в первичной камере сгорания дает значение
α1 = 0,75, а суммарного – αΣ = 1,55. В данной
конструкции печи расход первичного воздуха,
обеспечивается расходом вторичного. Слишком
большой расход вторичного воздуха приводит к
значительно большему αΣ и низкой эффективно;
сти сжигания, а малый расход не создает доста;
точную тягу, т.е. в данной конструкции необходи;
мо согласование процессов горения в первичной
и вторичной камерах. Тем не менее, устойчивое
объемное горение во вторичной камере сгора;
ния, полученное в экспериментах, показало пер;
спективность данного способа двухстадийного
сжигания биомассы.
Проведенные измерения концентрации окси;
да углерода в продуктах сгорания показали, что ее
значения довольно низки (не выше 4 ppm), что
свидетельствует о высокой полноте сгорания. Хо;
тя в данных исследованиях не измерялась кон;
центрация частиц в продуктах сгорания, можно
отметить, что визуально пламя было прозрачным.
Данный факт согласуется с результатами работы
[8], в которой обнаружена жесткая корреляция
между концентрациями газообразных вредных
веществ (в частности, оксида углерода) и частиц.
Как было отмечено, значительная часть аль;
тернативных топлив (торф, бурые угли Днепров;
ского бассейна, свежесрубленная древесина) об;
ладает большой влажностью. В связи с этим, пер;
спективным способом их сжигания является
противоточный, когда горючее и окислитель по;
даются навстречу друг другу. Благодаря теплооб;
мену между твердой и газовой фазами значитель;
ная часть теплоты, выделившейся в результате
реакции окисления, может возвратиться в зону
горения вместе с прогретыми реагентами.
Во многих случаях при сжигании низкосорт;
ных (влажных, высокозольных, растрескиваю;
щихся в процессе горения) топлив применение
двухкамерного сжигания не решает всех возни;
кающих проблем. Таковыми являются: 1) под;
держание высокой температуры по крайней мере
на первой стадии сгорания; 2) необходимость до;
статочно длительного пребывания горящих час;
тиц в зоне высоких температур; 3) возможность
их сепарации из потока. В значительной степени
выполнению перечисленных задач способствует
организация камеры, промежуточной между пер;
вичной и дожигательной, особенно если направ;
ление движения газов в ней противоположно на;
правлению движения во вторичной камере.
В настоящей работе представлены результаты
сравнения сжигания торфа и его смесей с древе;
синой в двухкамерной и трехкамерной печах. До;
полнительным объектом исследования являлось
влияние подогрева воздуха на входе в первичную
камеру на качество процесса горения.
На рис. 3 показаны варианты исследованных
конструкций топок. В обоих случаях топливо 1
периодически подавалось через входную дверцу 2
в первичную камеру 3 на колосниковую решетку
4. Воздух самотягой поступал в полость 5 между
корпусом 6 и тепловой изоляцией 7. Воздух раз;
делялся на первичный 8, который подавался в
первичную камеру 3, и вторичный 9, который по;
ступал в камеру дожигания 10. Соотношение рас;
ходов воздуха было подобрано так, что в первич;
ной камере горение шло с недостатком
окислителя. (Происходил пиролиз.) Вторичный
воздух 9, подаваемый в камеру 10 через тангенци;
альные щели, обеспечивал перемешивание и до;
жигание продуктов пиролиза. После дожигания в
камере 10 газы выбрасывались в газоход 16. Не;
сгоревшая часть топлива проваливалась через ко;
лосниковую решетку в зольник 17.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4 57
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
Различия между двухкамерной и трехкамер;
ной печами следующие. В трехкамерной печи с
помощью щитка 11 образована дополнительная
камера 12 с опускным ходом газов. Если в двухка;
мерной печи воздух в первичную камеру 3 посту;
пал сверху через щель 13, то в трехкамерной печи
он подавался под колосниковую решетку с помо;
щью коробов 14. В коробах 14 на поверхности
корпуса 6 были приварены продольные ребра 15
для интенсификации теплообмена с воздушной
стороны. (Конструктивные элементы, отличаю;
щие трехкамерную печь от двухкамерной, услов;
но изображены на рис. 3 штриховыми линиями.)
В процессе экспериментов измерялись и реги;
стрировались следующие параметры: давление,
температура и скорость воздуха на входе в печь;
температура на входе в камеру дожигания t1; тем;
пература tв, скорость и состав газа в выходном га;
зоходе; вес и состав загружаемого топлива, а так;
же время его горения.
Для опытов использовался брикетированный
торф (пос. Логин Житомирской обл.) и отходы дре;
весины (сосна). Размеры брикетов торфа (мм) –
155×67×26, характерные размеры кусочков древе;
сины 50×25×10. Влажность торфа составляла
14 %, древесины 8 %. Масса топлива, загружае;
мого в топку в каждом опыте, была одинакова и
составляла 6 кг.
На рис. 4 приведены изменения во времени
температуры на входе в камеру дожигания при
горении брикетов торфа в печах двухкамерной и
трехкамерной конструкции. В трехкамерной пе;
чи эксперименты проведены при двух положени;
ях заслонки (неизменных в течение одного опы;
та), уменьшавшей площадь входного сечения для
воздуха. В прямоугольниках показаны результа;
ты анализа газов, выходящих из камеры дожига;
ния в соответствующие моменты времени. Зна;
чения концентраций окиси углерода (СО) и
окислов азота (NOx) пересчитаны для коэффи;
циента избытка воздуха α = 1. В начале процесса
при выходе летучих горючих наблюдался быст;
рый рост температуры, а при горении коксового
остатка – ее снижение. В большинстве опытов в
начальной стадии процесса коэффициент избыт;
ка воздуха находился в диапазоне 1,4 … 2,7, в то
время как на стадии догорания его значения со;
ставляли от 6,4 до 9,0. Трехкамерная печь обеспе;
чивает подогрев первичного воздуха на 113 оС
больше, чем двухкамерная. (Даже при уменьшен;
58 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
Рис. 3. Схемы исследованных двух и трехкамерных печей.
1 – топливо; 2 – входная дверца; 3 – первичная камера; 4 – колосниковая решетка; 5 – полость подачи
и подогрева воздуха; 6 – корпус; 7 – тепловая изоляция; 8 – первичный воздух; 9 – вторичный воздух;
10 – камера дожигания; 11 – щиток; 12 – дополнительная камера с опускным ходом газов; 13 – щель
для верхней подачи первичного воздуха; 14 – короба для подачи первичного воздуха под колосниковую реE
шетку; 15 – ребра для интенсификации теплообмена с воздушной стороны; 16 – газоход; 17 – зольник.
(Штриховыми линиями изображены элементы, превращающие двухкамерную печь в трехкамерную).
ном вдвое входном сечении для воздуха эта раз;
ница составляет 51 оС). Сравнение кривых 1 и 2
на рис. 4 показывает, что организация дополни;
тельной камеры, подвод первичного воздуха под
слой топлива и дополнительный его подогрев,
как и следовало ожидать, существенно (пример;
но в 1,5 раза) уменьшают длительность процесса.
Неожиданным оказалось то, что максимальная
температура процесса при двухкамерном сжига;
нии оказалась на 160 градусов больше, чем при
трехкамерном. В связи с этим максимальные
концентрации окислов азота при трехкамерном
сжигании меньше, чем при двухкамерном более
чем в 20 раз. Уменьшение вдвое входного сечения
для воздуха в трехкамерной печи улучшило пара;
метры процесса горения и, по;видимому, не явля;
ется предельным, так как α уменьшилась лишь до
значения 1,4 в конце процесса горения летучих.
В основном при горении чистого торфа кон;
центрация выбросов окиси углерода выше, чем
при горении смесей с древесиной при примерно
одинаковых концентрациях окислов азота. Срав;
нение концентраций СО при соответствующих
температурах дает разницу от 36 % до 500 %. Уве;
личение концентрации СО наблюдается всегда
при пониженных температурах подогрева возду;
ха, поступающего в первичную камеру. Макси;
мальный подогрев воздуха на уровне 430 оС обес;
печивает наилучший результат [14].
Таким образом, можно заключить, что органи;
зация промежуточной камеры в зоне высоких
температур между первичной и камерой дожига;
ния приводит к улучшению процесса горения
твердых топлив и уменьшению вредных выбро;
сов. Встречное движение топлива и окислителя
позволяет эффективно сжигать в слое даже низ;
косортные топлива. Подогрев воздуха, подавае;
мого в первичную камеру, существенно улучшает
качество процесса сжигания. Даже в теплогене;
раторах малой мощности небольшая (высотой до
3 м) вытяжная труба преодолевает гидравличес;
кое сопротивление дополнительной камеры и
воздухоподогревателя.
На разработанную конструкцию теплогенера;
тора получен патент [15].
В настоящее время принято решение о строи;
тельстве крупной тепловой электростанции, ис;
пользующей бурые угли Днепровского бассейна.
К их недостаткам относятся высокая влажность,
низкая калорийность и прочность. На установках
сравнительно небольшой мощности влажные
топлива рационально сжигать в слоевых топоч;
ных устройствах. По интенсивности горения сло;
евой процесс обладает большими резервами по
сравнению с факельным. Однако интенсифика;
ция горения, которой обычно достигают с помо;
щью увеличения скорости продуваемого через
слой воздуха, приводит к выносу из слоя все бо;
лее крупных частиц, которые могут не успеть сго;
реть в пределах топочной камеры. Поэтому нали;
чие в слое топлива значительного количества
мелких фракций не дает возможности повысить
теплонапряжение зоны горения, чтобы исполь;
зовать возможности слоевого процесса. Для сжи;
гания в неподвижном слое низкая прочность бу;
рых углей Днепровского бассейна делает их не
конкурентно способными даже с торфяными
брикетами. Известна зависимость качества слое;
вого сжигания твердых топлив от порозности
слоя и температурных условий [7, 14, 16].
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4 59
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
Рис. 4. Температура на входе в камеру дожигания
при сжигании торфа.
1 – двухкамерная печь; 2 – трехкамерная печь;
3 – трехкамерная печь с половинной площадью
входа воздуха. (В прямоугольниках – результаты
газового анализа в соответствующие моменты
времени).
Была предпринята попытка обеспечить при;
емлемую порозность слоя путем брикетирования
топлива и использования искусственного карка;
са из бросовых материалов, а также улучшить ка;
чество сжигания подогревом вторичного воздуха.
По методике, представленной в [16] опреде;
лялся оптимальный с точки зрения максималь;
ной мощности теплогенератора размер кусков
топлива. Цилиндрические брикеты из бурого уг;
ля Ново;Дмитровского месторождения Дне;
провского бассейна с диаметром 39 мм и высотой
100 мм изготавливались прессованием с приме;
нением усилия 40 МН. В качестве связующего
использовалась добавка 1 % древесной смолы.
Порозность слоя из указанных брикетов состави;
ла 0,52. Для создания каркаса, удерживающего
разрушающиеся в процессе горения куски угля,
применялась стальная стружка – отходы токар;
ной обработки. Слой брикетов чередовался со
слоем стружки, толщиной около 1 см. Пороз;
ность слоя брикетов со стружкой составила 0,59.
Низшая теплотворная способность топлива и его
влажность были Qн
р=7,96 МДж/кг, Wр=38 %.
В последнее время увеличивается количество
исследований, посвященных горению смесевых
топлив [16, 17]. Оказывается, что процесс совме;
стного сжигания топлив, отличающихся темпе;
ратурой выхода летучих горючих, позволяет не
только уменьшить выбросы окиси углерода, но и
окислов азота [18]. В некоторых странах совмест;
ное сжигание ископаемых топлив и биомассы
поощряется законодательно [19].
В связи с тем, что процесс слоевого сжигания
низкокалорийного бурого угля несовершенен,
были проведены опыты по его сжиганию в смеси
с отходами древесины. На рис. 5 приведены зави;
симости температуры на входе в камеру дожига;
ния от времени при горении чистого бурого угля,
чистой древесины и их смесей. При этом ско;
рость газов в выходном газоходе в процессе сжи;
гания 6 кг навески топлива изменялась в сравни;
тельно узком диапазоне 0,90 … 1,5 м/с несмотря
на то, что брикеты торфа в процессе горения раз;
рушались. Сравнение результатов газового ана;
лиза в процессе горения летучих в диапазоне ма;
ло отличающихся температур показывает, что
при примерно одинаковой концентрации NOx
содержание CO в уходящих газах имеет минимум
при добавке 50 % древесины. Целесообразность
добавок древесины к бурому углю при слоевом
сжигании не вызывает сомнений, 50 % смесь
этих компонентов показывает по крайней мере
на 40 % меньшие выбросы СО, чем другие вари;
анты смесей. Брикетирование бурого угля, а так;
же применение дистанционирующих прослоек из
бросовых материалов делает его вполне приемле;
мым топливом для слоевого сжигания. После
снабжения теплогенератора устройством для не;
прерывной или периодической загрузки топлива
он может быть рекомендован для внедрения.
Теплогенератор
на отработанном масле
Использование свойств вихревых потоков
оказалось полезным не только при слоевом сжи;
гании низкосортных топлив, но и при разработке
технологии утилизации отработанного масла. Га;
ражи, СТО и сервисные центры, транспортные
60 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
Рис. 5. Температура газов на входе в камеру
дожигания при сжигании бурого угля и его смесей
с древесиной.
1 – бурый уголь; 2 – 50 % бурого угля и 50 %
древесины; 3 – 75 % бурого угля и 25 % древесины;
4 – 100 % древесины. (В прямоугольниках –
результаты газового анализа в соответствующие
моменты времени).
компании и строительные предприятия часто
выбрасывают отработанное масло, либо платят
большие деньги за его регенерацию или утилиза;
цию. Теплогенераторы, работающие на отрабо;
танном масле, позволяют сжигать его на месте,
без дополнительной регенерации и очистки. Та;
ким образом, экономятся транспортные расходы
при вывозе на пункт регенерации, уменьшается
риск загрязнения окружающей среды.
Максимально полного и эффективного сжига;
ния парообразного топлива в камере сгорания
можно достичь двумя основными путями: обеспе;
чением его интенсивного перемешивания с возду;
хом и увеличением времени пребывания газооб;
разных продуктов в камере сгорания. Для этой
цели наиболее перспективной является схема
сжигания, основанная на испарительном принци;
пе сгорания на торцевой поверхности в закручен;
ном воздушном потоке, подаваемом вентилято;
ром тангенциально в цилиндрическую камеру.
Общий вид экспериментальной установки по;
казан на рис. 6. Основным элементом экспери;
ментальной установки является стальная цилин;
дрическая камера сгорания, в которой в нижней
торцевой поверхности установлена тарелка, на;
полненная отработанным маслом, подаваемым
шестеренчатым насосом. Воздух в камеру сгора;
ния подается осевым вентилятором тангенциаль;
но по улитке со щелевыми каналами для того,
чтобы создать закрученный газовый поток над
поверхностью испаряющегося масла. Продукты
сгорания выбрасываются в атмосферу через ды;
моход.
Для защиты от уноса пламени в дымоход был
установлен металлический экран;отбойник так,
чтобы продукты сгорания вначале поднимались
закрученным потоком вверх, а затем опускались
по щелевому каналу между экраном;отбойником
и поверхностью камеры сгорания и далее опять
поднимались по обдуваемому холодным возду;
хом дымоходу вверх. Таким образом были увели;
чены траектория перемещения продуктов сгора;
ния и соответственно время пребывания горячих
газов, а также поверхность теплообмена между
ними и окружающей средой. Кроме этого, снару;
жи камеры сгорания были приварены вертикаль;
ные трубы диаметром 70 мм для увеличения по;
верхности теплообмена и теплосъема. Четыре
осевых вентилятора обдували камеру сгорания
холодным воздухом.
В воздушных отопителях можно использовать
отработанное масло из бензиновых и дизельных
двигателей, коробок передач, гидравлических
систем, отработанное трансмиссионное масло,
дизельное томливо, а также смеси отработанного
масла и дизельного топлива.
Геометрические параметры теплогенератора:
объем топливного бака – 35 л; сечение вытяжной
трубы – 200 см2; длина – 65 см, ширина – 60 см,
высота – 160 см. Вес теплогенератора – 120 кг,
потребляемая вентилятором электрическая мощ;
ность – 800 Вт.
Основные режимные параметры теплогенерато;
ра следуюшие: минимальная и максимальная теп;
ловая мощность – соответственно 9,2 и 13,3 кВт;
минимальный и максимальный расход топлива –
1,23 и 1,8 л/час; расход нагретого воздуха –
200 м3/час; минимальный расход воздуха для горе;
ния – 15 м3/час, максимальный – 60 м3/час.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4 61
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
Рис. 6. Теплогенератор, работающий на
отработанном масле.
1 – корпус; 2 – труба; 3 – камера сгорания;
4 – завихритель;5 – электродвигатель; 6 – бак с
маслом; 7 – насос; 8 – крышка;9 – заслонка;
10 – вентилятор; 11 – экран; 12 – газоход;
13 – люк; 14 – тарелка.
Особенности конструкции и методика испы;
таний теплогенератора представлена в [20]. Теп;
логенератор защищен патентом Украины [21].
Проведенные экспериментальные исследова;
ния основных режимных параметров теплогене;
ратора, расходов масла и воздуха, распределения
температуры внутри и на поверхности камеры
сгорания свидетельствуют о работоспособности
разработанной конструкции и перспективности
ее практического использования.
Выводы
Предложенная схема двухстадийного сжига;
ния биомассы с вихревой эжекцией генераторно;
го газа показала устойчивое объемное горение,
высокий уровень полноты сгорания, низкое со;
держание оксида углерода в продуктах сгорания.
Основными путями совершенствования предло;
женной схемы сжигания являются обеспечение
непрерывной подачи биомассы и оптимизация
характеристик вихревого эжектора с целью согла;
сования режима выгорания топлива. Это позволя;
ет надеяться на использование данной технологии
при создании эффективного теплогенерирующе;
го оборудования.
Подтверждена перспективность использова;
ния смесевых топлив – торфа и бурого угля с дре;
весиной.
Разработана конструкция теплогенератора,
осуществляющего трехстадийное сжигание
влажных низкосортных топлив с использовани;
ем подогрева воздуха. При этом достигнуто
уменьшение выбросов окиси углерода и оксидов
азота.
Создан и испытан теплогенератор, работаю;
щий на отработанном масле.
ЛИТЕРАТУРА
1. Паливно�енергетичні ресурси України.
Стат. зб. // Держкомстат України – К. 1998. –
384 с.
2. Стан і майбутнє енергетики України. По;
гляд громадськості (збірка №2). – К.: Енергетика
та електрифікація, 2005. – 328 с.
3. Жовмір М. М., Нєдовєсов В. І., Смірнов О.
П. та ін. Ресурси біомаси для енергетичного ви;
користання в Україні // Енергетика та елект;
рифікація. – 2002. – № 6. – С. 38;45.
4. Tillman D. A. Cofiring benefits for coal and
biomass // Biomass and bioenergy.;2000. – V. 19. –
P. 363 – 364.
5. Hol, Why Kong. Gasification of Rubberwood
for Electrical Power Generation in a Dovndraft
Gasifier// Conference 3rd Asian Science and
Technology. – 1992. – Pp. 100;104.
6. Zainal Z. A. Performance and Characteristics
of a BiomassGasifier System// PhD Dissertation. –
The University of Wales. – 1996.
7. Борисов И. И., Халатов А. А., Гелетуха Г. Г.,
Кобзарь С. Г., Шевцов С. В. Характеристики газоге;
нератора обращенного типа тепловой мощностью
50 кВт, работающего на древесных отходах// Пром.
теплотехника. – 1998. – Т. 20, № 1. – С. 50 – 53.
8. Gaegauf C.K., Wieser U. Biomass burner with
low emission of particulates // Biomass for energy
and industry. Proc. Of the 10th European Conf.
C.A.R.M.E.N. Publisher, 1998, pp.1509 – 1512.
9. Zuberbuhler U., Baumbach G. Low NOX fur;
nace engineering for residual and used wood combus;
tion for the improvement of particle burn;out and
efficiency in industrial // Biomass for energy and
industry. Proc. Of the 10th European Conf.
C.A.R.M.E.N. Publisher, 1998, pp.1389 – 1392.
10. Cowburn D.A., Holtman R.D., Berge N., Berg M.
The reduction of emission from the combustion of
biomass for domestic heating applications // Biomass
for energy and industry. Proc. Of the 10th European
Conf. C.A.R.M.E.N. Publisher, 1998, pp.1377 –
1379.
11. Launhardt T., Hartmann H. Organic pollu;
tants from domestic heating systems using wood and
herbaceous croups // Proc. Of 1st World Conference
on biomass for energy and industry, June 2000,
Sevilla, Spain, Vol. II, James&James Ltd. (ed),
London, UK, pp. 915 – 918.
12. Nussbaumer T. NOx reduction in biomass
combustion: primary and secondary neasures//
Biomass for energy and industry. Proc. Of the 10th
European Conf. C.A.R.M.E.N. Publisher, 1998,
pp.1318 – 1321.
13. Борисов І.І., Варганов І.С., Долінський А.А.,
Халатов А.А., Хлебніков О.Є., Кобзар С.Г. Піч для
спалювання деревних відходів// Патент України
№ 37875А, Бюл. № 4 15.05.2001.
62 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
14. Коваленко Г. В., Хлебников О. Е., Халатов А. А.
Исследования сжигания торфа и его смесей с
древесиной в 2;х и 3;х камерных топках// Пром.
теплотехника. – 2005. – Т. 27, № 3. – С. 50 – 55.
15. Коваленко Г. В., Хлєбніков О. Е., Халатов А. А.,
Варганов І. С. Піч для спалювання деревинних
відходів. Патент України 74689, Бюл. № 1
16.01.2006.
16. Хлебников О. Е., Коваленко Г. В., Халатов А. А.
Исследования 2;х стадийного сжигания торфа,
бурого угля и их смесей с древесиной// Пром.
теплотехника. – 2005. – Т.27, № 2. – С. 67 – 72.
17. Коваленко Г. В., Хлебников О. Е., Халатов А. А.
Слоевое сжигание брикетированного бурого угля
и его смесей с древесиной// Пром. теплотехника. –
2005. – Т.27, № 6. – С. 56 – 59.
18. Ryohei Miura and others. Research & devel;
opment for coal and woody biomass co;firing tech;
nology in Japan// 2nd World Conference on Biomass
for Energy, Industry and Climate Protection, 10;14
May 2004, Rome, Italy. Pp. 1223 – 1226.
19. Hotchkiss R., Matts D., Riley G. Co;combus;
tion of Biomass with Coal – The Advantages and
Disadvantages Compared to Purpose;built Biomass to
Energy Plants //VGB Power Tech 12/2003. Pp. 80 –
85.
20. Хлебников О. Е., Халатов А. А., Хриенко А. Н.
Теплогенератор, работающий на отработанном
масле// Пром. теплотехника. – 2003. – Т.25, №5. –
С. 54 – 56.
21. Хлебніков О.Є., Борисов І.І., Варганов І.С.,
Халатов А.А. Пристрій для спалювання відпраць;
ованого масла. Патент України № 38269А, Бюл.
№ 4 15.05.2001.
Получено 14.04.2006 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 4 63
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
|