ГЛАВА 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОТХОДОВ БИОМАССЫ КАК
ТОПЛИВА
2.1. Разработка технологических схем работы нагревательной печи с частичной заменой природного газа продуктами пиролиза отходов биомассы
В работе предложены и исследованы схемы, в которых пиролиз отходов биомассы является звеном технологического процесса нагрева материалов в нагревательных печах. Температурный потенциал продуктов сгорания нагревательных печей высок (800 - 1000 ?С) и достаточен для энергообеспечения процесса пиролиза. Полученные летучие продукты пиролиза практически без охлаждения могут быть использованы для отопления печи с частичной заменой основного топлива - природного газа на пиролизный [39,68,79,80].
На рис. 2.1 приведены варианты схем расположения установки для пиролиза отходов биомассы совместно с нагревательной печью. В первом варианте (рис. 2.1, а) высокотемпературные дымовые газы из нагревательной печи поступают в рекуператор для подогрева воздуха, где отдают часть своего тепла и с более низкой температурой поступают в пиролизер. В пиролизере происходит передача тепла от дымовых газов через стенку к отходам биомассы, что обеспечивает их пиролиз. В результате летучие продукты пиролиза подаются в печь на горение. Коксовый остаток из пиролизера отводящим шнеком выгружается в бункер.
При реализации второго варианта (рис. 2.1, б) пиролизер устанавливается непосредственно за нагревательной печью. В этом случае дымовые газы из печи поступают в пиролизер, а затем в рекуператор. При этом за счет более высокой температуры дымовых газов увеличивается скорость и температура процесса пиролиза, но возможно снижение температуры подогрева воздуха в рекуператоре.
а)
б)
в)
Рис. 2.1. Варианты расположения установки для пиролиза отходов биомассы:
1 - печь;
2 - рекуператор;
3 - пиролизер;
4 - циклон;
5 - питатель.
Первые два варианта (рис. 2.1, а, б) предусматривают процесс термической переработки отходов биомассы без доступа окислителя при свободном падении слоя биомассы, аналогично [56]. В третьей схеме (рис. 2.1, в) нагрев отходов производится в окислительной среде - потоке горячего воздуха ?81?. В этом случае дымовые газы из печи поступают в рекуператор и нагревают воздух. В поток нагретого воздуха дозатором подаются отходы биомассы. В процессе движения полученной газовзвеси происходит охлаждение воздуха, нагрев отходов и их частичный пиролиз. Затем газовзвесь поступает в циклон, в котором происходит отделение газовоздушной смеси от коксового остатка. Смесь воздуха с пиролизным газом подается в печь на горение.
Анализ приведенных схем проводился по нескольким направлениям:
* оценка энергетической эффективности использования пиролизера совместно с нагревательной печью;
* оценка технической возможности реализации предложенных схем и определение основных режимных параметров работы системы и требований к конструкции оборудования;
* оценка экономической эффективности использования предложенных схем с целью частичной замены природного газа при отоплении нагревательных печей.
При анализе схем предполагалось использование мелкодисперсных отходов биомассы - лузги подсолнечника и опилок древесины. Исследования различных авторов [82-86] позволяют сделать вывод, что при технологическом использовании такого сырья целесообразно применять способы, в которых частицы образуют взвешенный слой, позволяющий интенсифицировать процесс нагрева за счет увеличения коэффициентов теплоотдачи и площади теплообмена по сравнению с плотным слоем.
Как следует из многочисленных литературных источников, посвященных вопросам тепловой обработки материалов во взвешенном состоянии [56,87-91], значения конструктивных параметров агрегатов и режимы обработки определяются гранулометрическим составом обрабатываемого материала, значением скорости витания, которая определяется формой и размерами частиц, величиной уноса частиц из слоя. В связи с этим, предваряя анализ схем работы пиролизеров, были проведены экспериментальные исследования с целью определения и уточнения следующих характеристик отходов биомассы:
* гранулометрический состав материала;
* скорость витания частиц отходов биомассы;
* величины уноса материала из кипящего слоя.
Техническим ограничением варианта окислительного пиролиза (рис. 2.1, в) является возможность возгорания отходов биомассы в потоке горячего воздуха. Имеющиеся в литературе ссылки (например, [73]) о величине температуры воспламенения биомассы (в основном древесины) носят отрывочный характер, без указания условий проведения опытов и исходных свойств биомассы. В то же время, известные работы по горению [92,93] показывают, что температура воспламенения определяется видом и структурой топлива, условиями подвода окислителя, размерами частиц топлива, интенсивностью нагрева и выхода летучих и т.д. В связи с этим, в работе были также проведены экспериментальные исследования температуры воспламенения различных видов отходов биомассы, на основании которых в дальнейшем были разработаны технологические режимы пиролиза в потоке горячего воздуха.
2.2. Исследование гранулометрического состава частиц отходов биомассы
2.2.1. Методика определения геометрических размеров частиц.
Для моделирования процессов тепловой обработки отходов биомассы во взвешенном состоянии необходимы данные о фракционном составе материала и количественная зависимость статистического распределения частиц по размерам.
Отходы биомассы можно рассматривать как материал, обладающий полидисперсным гранулометрическим составом. В данной работе исследования фракционного состава проводились применительно к лузге подсолнечника. Исследования проводилось двумя способами:
* прямое измерение линейных размеров частиц лузги подсолнечника;
* разделение на