(аспирант), (к. т.н., доцент), (научный сотрудник)
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА И ПОВЫШЕНИЮ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТОПКИ ПАРОВОГО КОТЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПОДГОТОВЛЕННЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ
г. Пенза, Пензенский филиал РГУИТП
Биотопливом второго поколения являются различные топлива, полученные различными методами пиролиза биомассы, или другие топлива, отличные от метанола, этанола, биодизеля. В данной статье рассматривается вопрос биотоплива, получаемого из отходов сельскохозяйственного производства. В рамках работ по анализу эффективности использования возобновляемых источников энергии регионов средней полосы России и разработки рекомендаций по расширению их применения были проведены экспериментальные работы по изучению теплотворной способности растительных остатков сельскохозяйственного производства.
Для проведения экспериментов с целью испытания теплотворных свойств различных растительных отходов сельскохозяйственного производства был разработан, сконструирован и испытан экспериментальный образец предварительной подготовки растительного топлива с целью получения наивысшей температуры сгорания с минимальными выбросами угарного газа.
В данной конструкционной установке происходит реакция окисления (сгорания) растительного топлива с выделением большого количества тепла, вследствие чего растительное топливо разлагается на остатки продуктов сгорания и выхлопные газы (углекислый газ).
В качестве растительного топлива может использоваться: отходы плодово-ягодного хозяйства, пищевой промышленности, отходы сельскохозяйственного производства и деревообрабатывающей промышленности и т. п.
1. Сборка испытательной установки, включающая эскизную проработку деталей конструкции, отработку технологий и сборки и установку контрольно-измерительной аппаратуры.
Структура реактора схематически представлена на рисунке 1.
Реактор имеет чугунный корпус (1, 17), в нижней части активной топки расположена колосниковая решётка (2), под ней расположено поддувало (3) с регулируемым сечением входного отверстия (4). В верхней четверти корпуса имеется патрубок дымовой трубы (5). Верхний срез корпуса усилен фланцем (6), на который установлена алюминиевая ёмкость (7), в которую наливается калиброванное количество воды (8), температура которой контролируется термометром (9). Для контроля температуры корпуса и дымовых газов установлены резистивные нихромовые датчики температуры (10) и (11). Место установки датчика (10) выбрано в точке наибольшего нагрева корпуса, с наружной стороны датчик защищен от охлаждения асбестовой теплоизоляцией (12). Датчик дымовых газов расположен у заслонки дымовой трубы (13), где он интенсивно обтекается нагретыми газами. Общая длина дымохода составляет 2 м. Дымоход (14) заканчивается искрогасителем (15). Взвешенное количество топлива 16 загружается в корпус при начальной температуре.
Рис. 1. Структура реактора
2. Проведение серии испытаний с целью получения результатов тепловых измерений выходных газов и влияния на их температуру параметров подготовки топлива
Цель работы: отработка методики испытания теплотворных свойств различных растительных отходов сельскохозяйственного производства, сборка опытного образца реактора для проведения испытаний, определение теплотворной способности трёх образцов отходов плодово-ягодного производства, а именно:
Образец №1 – вырезанный и просушенный сухостой малины со средним объёмом каждого фрагмента 50 см3;
Образец №2 – вырезанный и просушенный сухостой малины со средним объёмом каждого фрагмента до 2 см3;
Образец №3 – просушенные отходы после очередной обрезки яблонь и слив, средний объём фрагментов 50 см3.
Начальные условия эксперимента: атмосферное давление – 748 мм рт. ст. Температура: 28 град. Влажность воздуха относительная – 32%. Подготовка образцов топлива: при указанных условиях выдержаны 24 дня. Начальная температура воды – 12 °C.
При данных условиях выделенная теплота распределяется следующим образом: Нагрев воды – 850 ккал. Нагрев чугунных деталей – 500 ккал. Нагрев объёма дымовых газов – 532,2 ккал. Общее количество выделенной теплоты – 1882,2 ккал.
Таким образом, тепловой КПД опытной установки, определённый по нагреву воды, составляет 4,2%.
Принимая за максимально возможную теплотворную способность дров высокого качества – дрова из старой сосны, которая составляет 2800 ккал/кг, для получения расчетного значения теплоты потребуется 0,672 кг древесины.
Принимаем для эксперимента заправочное количество: 0,6 кг сухого вещества.
3. Проведение статистической обработки результатов эксперимента для получения усредненных значений параметров топлива и температуры и объема газов, полученных на выходе топки
В результате проведения эксперимента в собранной топке получены следующие результаты, обобщенные в таблице 1:
Таблица 1. Результаты проведенного эксперимента
Время интенсивного горения, мин | Выделенное количество теплоты, ккал | Теплотворная способность, ккал/кг | |
Образец №1 | 12 | 1260 | 2100 |
Образец №2 | 6,5 | 1350 | 2250 |
Образец №3 | 25 | 1110 | 1850 |
В результате можно отметить:
1. Оптимальное значение выделенного количества теплоты для отходов плодово-ягодного производства является 1200 ккал;
2. Оптимальное значение теплотворной способности – 2000 ккал/кг;
3. Наиболее эффективным топливом из растительных остатков сельскохозяйственного производства являются продукты с высокой плотностью - при результатах выделения количества теплоты и теплотворной способности, которые меньше оптимальных на 10%, время сгорания в 2-4 раза больше, чем остатков с малой плотностью.
4. По теплопроизводительности растительные отходы вполне пригодны для получения тепловой энергии в ограниченных количествах.
5. Подготовка топлива влияет на режим горения, при этом можно привести широко известные из теплотехники рекомендации.
6. Существенный аргумент против данного топлива: трудность сбора, отсутствие малой механизации в сельском хозяйстве, преобладание ручного труда в садоводстве, значительное сокращение площадей под плодово-ягодными культурами в последние годы.
4. Разработка предложений по применению разработанного устройства и по дальнейшему его совершенствованию с целью уточнения возможностей практического использования разработанного способа использования растительных остатков сельскохозяйственного производства для получения тепловой и электрической энергии малогабаритных теплоэлектроцентралей
В результате проведенных экспериментов и обработки полученных результатов можно отметить, что растительные остатки сельскохозяйственного производства вполне пригодны для получения тепловой и электрической энергии.
Основным топливом является образцы со средней и высокой плотностью. Растительных остатков сельскохозяйственного производства малой плотности необходимо очень много из-за быстрого времени сгорания, но следует отметить высокое выделение теплоты.
Породы малой плотности (510 кг/м3 и менее) - сосна, ель, пихта, кедр, тополь, липа, ива, ольха, каштан посевной, орех маньчжурский, бархатное дерево, кустарники малины, ежевики, смородины, растения.
Породы средней плотности (550-740 кг/м3) - лиственница, тис, берёза, бук, вяз, груша, дуб, ильм, карагач, клён, платан, рябина, яблоня, ясень.
Породы высокой плотности (750 кг/м3 и выше) - акация белая, берёза железная, граб, самшит, саксаул, фисташка, кизил.
Перед сжиганием растительные остатки необходимо распилить на образцы длиной 1 м и толщиной 5-10 см и осушить для эффективного сжигания и наибольшего выделения количества теплоты.
По конструкции устройства для сжигания растительных остатков неоходимо внести следующие изменения:
· Вместо бака с водой необходимо установить бойлер с трубками диаметром 3-4 см, для быстрого нагрева воды;
· Необходимо сделать золоуловитель под камерой сгорания, для складирования золы и уборки, не нарушая процесс сгорания;
· Камеру сгорания необходимо сделать для образцов разной длины.
Доработанный эскиз топки представлен на рисунке 2. Топка состоит из из паропровода (1), бойлера (2), дверь (3), камеры сжигания (4), золоулови
Рис. 2. Эскиз конструкции экспериментального образца предварительной подготовки растительного топлива
Процесс сжигания и получения пара будет производиться следующим путем: в камеру сгорания будет помещено растительное топливо, которые сгорая будет выделять достаточную температуру (> 100 °С) для нагрева воды и превращения его в пар, который в свою очередь под высоким давлением будет проходить по паропроводу дальше, либо для вращения турбины, либо для нагрева воды горячего водоснабжения. Остатки сожженного растительного топлива будут собираться в золоуловителе. Далее эту золу можно будет использовать для нужд сельского хозяйства.
В качестве устройства для сжигания растительных остатков вполне можно использовать существующие паровые котлы для нагрева воды, но с условием их доработки, потому что в современных котельных в качестве топлива используется газ и, соответсвенно, данное оборудование не вполне подходит для сжигания растительных остатков сельскохозяйственного производства.
Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) может принести многочисленные экономические и экологические преимущества. ВИЭ могут заменять ископаемые виды топлива и сокращать зависимость от импортируемого топлива, создавать дополнительные возможности для некоторых отраслей промышленности и сельского хозяйства, сокращать выбросы парниковых газов и других вредных веществ.
Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Исследование возможностей комплексного использования местных возобновляемых ресурсов для организации эффективного энергоснабжения региона» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России ( гг.)».
Список литературы.
1. Ильин малой энергетики в обеспечении энергетической безопасности России. // Малая энергетика – 2004. – №1. – Москва, -исследовательский институт энергетических сооружений» – С. 11–14.
2. Древесное топливо. Сборник материала. Беларусь - 2000 год, 188 с
3. , Мелентьев исследования и оптимизации энергетического хозяйства. Новосибирск: Наука, СО.- 197с.
4. Производство и использование биомассы // Энергосбережение. 2007, № 5, С. 72-73.
