Все выпуски  

Древесина – топливо для ГТУ?


Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 186.


Древесина – топливо для ГТУ?

Жизнедеятельность живых организмов приводит к непрерывному образованию биомассы различного вида, аккумулирующей энергию. При соблюдении баланса образования и потребления биомассы можно организовать ее использование с замкнутым круговоротом углекислого газа. Для энергетики России наиболее ценным видом биомассы является древесина, в частности отходы лесозаготовки и лесопереработки.

Главными недостатками древесины как топлива являются: низкая теплотворная способность, в том числе из-за повышенного влагосодержания и cложность организации большой площади контакта топлива с окислителем и высокие затраты, связанные с измельчением и сушкой сырья при отсутствии его в готовом виде как отхода производства.



Топливо, способное заменить газ

В результате многолетнего опыта работы и исследований лидер в области топливного использования древесины – американская фирма «Wellons Inc» пришла к использованию топочных устройств вихревого циклонного типа с огнеупорной керамической футеровкой, которые обеспечивают высокие термодинамические параметры сжигания древесного топлива. Однако проблема выбросов золы решена не полностью.

В то же время низкое содержание в дымовых газах сжигания древесных соединений щелочных металлов и ванадия делает привлекательным прямое сжигание древесины в камерах сгорания ГТУ. Но при этом главными являются ограничения на содержание твердых частиц в газе. В случае решения этой проблемы древесина могла бы конкурировать не с углем и мазутом, а с более дорогими высококачественными видами топлива, которые используются на ГТУ, – газотурбинным, дизельным топливом, природным газом.

Центрифуги для сжигания дерева

Поскольку структура циклонного принципа топок заимствована у механических циклонов-сепараторов, то, продолжив эту тенденцию, приходим к центрифугам-сепараторам, которые обладают значительно более высокими характеристиками, чем циклоны. Принципиальная схема предлагаемой (патент РФ 2078228) газотурбинной установки с вращающейся камерой сгорания (ГТУВКС) включает в себя ротор с рабочими лопатками компрессора, выполненный заодно с реактивной турбиной, включающей в себя центральный выступ и сопло. В объеме турбины выполнена камера сгорания, а в ее корпусе – отводящий тракт. Через горловину турбины в камеру проходит топливопровод, на котором закреплены направляющие лопатки компрессора. Имеется также шлакоулавливающая камера, охватывающая выход тракта. Турбина опирается на подшипники, которые могут быть магнитными, с паровой или газовой (воздушной) смазкой.

При сжигании (или газификации) древесины необходимо предварительно «заправить» ГТУВКС плавким химически нейтральным наполнителем, который в дальнейшем будет выполнять роль аккумулятора и переносчика тепла, а также использоваться для улавливания (сорбции) и удаления золы.

В качестве наполнителя могут быть использованы песок (температура плавления (tпл) = 1710 °С), глина (tпл от 1150 до 1787 °С), тальк (tпл = 800 °С) и другие местные минералы (например, руды металлов). Для снижения температуры плавления к наполнителю могут добавляться присадки (флюсы): древесная зола (tпл = 1200-1300 °С), черный щелок (разновидность биомассы, побочный продукт целлюлозно-бумажных комбинатов), сода, известь, известняк и др. (например, если добавить соду, то температура плавления песка снижается до 720 °С). В результате плавки таких смесей возможно получение различных строительных материалов: стекло, глазурь, керамика, цемент, сплавы металлов.



Как работает установка?

Работает установка следующим образом. Воздух сжимается компрессором и подается в камеру сгорания, а по топливопроводу вводится смесь топлива с наполнителем. Частицы топлива при взаимодействии с вращающимися потоками раскаленных продуктов сгорания и воздуха воспламеняются и сгорают, а наполнитель плавится и сорбирует частицы золы. При этом капли наполнителя и частицы золы отбрасываются на стенки турбины, на которых под воздействием центробежных сил образуется жидкий слой их смеси (шлака), защищающий поверхности камеры сгорания от ударов частиц. Отводящий тракт имеет колено, вследствие чего жидкий шлак образует гидрозатвор, препятствующий прониканию продуктов сгорания из камеры в систему удаления шлака. Шлак, прошедший гидрозатвор, оказывается на внешней поверхности вращающейся турбины, поэтому центробежными силами сбрасывается с нее и в виде капель попадает на стенки камеры. Выступ оттесняет продукты сгорания на периферию камеры сгорания – в зону максимального действия центробежных сил. Очищенные от шлака рабочие газы истекают из сопел, приводя во вращение турбину и компрессор. По мере работы установки наполнитель будет постепенно замещаться золой, если не добавлять наполнитель к топливу.

Здесь шлак на стенках турбины выполняет роль аккумулятора и переносчика тепла, необходимого для протекания реакций газификации плавающих на его поверхности частиц недогоревшего кокса. Интенсивный обдув кокса свежим воздухом, поступающим из компрессора, будет способ­ствовать его полному выгоранию (с нагревом контактирующего с ним шлака).



Преимущества камеры сгорания

По существу, предлагается выносная камера сгорания твердого топлива, отличительными свойствами которой являются:

1. Высокая температура. Конструкция ГТУВКС позволяет ей работать при повышенной температуре газов, необходимой для поддержания шлака в жидком состоянии, так как охлаждение корпуса и реактивных сопел турбины не вызывает столь больших сложностей, как охлаждение тонких профилированных лопаток, используемых в традиционных осевых турбинах.

2 Встроенная очистка газа от золы.

3. Нулевое гидродинамическое сопротивление, что означает отсутствие затрат на дутье.
Следует отметить, что турбины с реактивными соплами использовались ранее (паровые турбины Герона Александрийского, Лаваля), а расширение применения струйно-реактивных турбин является современной тенденцией – гидравлические турбины типа сегнерова колеса широко используются с давних пор и по настоящее время.

4. Повышенные интенсивность горения и полнота выгорания топлива. Камера сгорания расположена в объеме ГТУВКС, поэтому при вращении образуется основной газовый вихрь с центрально-осевой высокотемпературной зоной. Это позволяет интенсифицировать происходящие в камере процессы тепло- и массообмена за счет турбулентных вихрей, образующихся при взаимодействии имеющих различные скорости (прежде всего, вращательные) потоков продуктов сгорания, топлива и воздуха. Это обеспечит надежное воспламенение и высокую степень выгорания топлива, а также высокую объемную тепловую нагрузку топочного объема – гораздо большую, чем в наиболее теплонапряженных циклонных топках.

5. Предотвращение эрозии стенок камеры, на которых под воздействием центробежных сил образуется стабильный слой шлака, надежно защищающий их поверхности от ударов частиц. Причем нижние слои шлака неподвижны относительно стенок камеры и могут находиться в твердом состоянии вследствие охлаждения, служа теплоизолятором.

6. Компактность. Учитывая то, что циклонные топки среди современных топок на твердом топливе имеют максимальное тепловое напряжение, которое при использовании угля достигает 2-7 МВт/м3 при скорости вводимого воздуха 60-120 м/с, можно предположить, что объем камеры сгорания ГТУВКС будет минимальным.



Где применется ГТУВКС?

Благодаря очень высокой скорости обдува частицы топлива успеют выгореть за минимально короткое время. В ГТУВКС создаются оптимальные условия для выгорания топлива: время пребывания частицы в газовом потоке, интенсивность обдува и количество газа, «продутого» через частицу до попадания, ее на стенку камеры сгорания пропорциональны размерам и плотности частицы, что и требуется для достижения полного выгорания топлива. Кроме того, поскольку плотность наполнителя (шлака) выше плотности углерода и топлива, то частицы несгоревшего топлива будут «плавать» на поверхности наполнителя до полного выгорания углерода: подвод тепла осуществляется снизу посредством наполнителя, а сверху частицы интенсивно обдуваются свежим – поступающим из компрессора воздухом. Таким образом, ГТУВКС в некоторой степени сочетает свойства факельных, циклонных, футерованных топок и топок с расплавом.

При оптимизации конструкции ГТУВКС может быть применен опыт разработки и эксплуатации циклонных (вихревых) топок с жидким шлакоудалением, центрифуг и турбин с реактивными соплами как ближайших аналогов ГТУВКС.

Особенности ГТУВКС позволяют сделать вывод о ее перспективности для:
- сжигания и газификации древесины на энергоустановках с ГТУ;
- сжигания низкокалорийных топлив с высоким содержанием влаги (например, бытовых отходов) и золы, запыленного доменного газа и других нетрадиционных топлив на паровых и водогрейных котлах;
- автоматизации работы котлов и снижения выбросов окислов азота (при предварительной газификации Д) и золы, механического и химического недожога топлива. С целью повышения автономности работы котельных может быть также предусмотрено получение некоторой электрической мощности от ГТУВКС;
- использования как микро-ГТУ на малых ТЭЦ.

К. т. н. Сергей Жарков


В 187 выпуске читайте: Комплексная технология переработки сухих зол уноса ТЭЦ


С вопросами и предложениями обращайтесь по адресу ep@eprussia.ru


Подписаться на печатную (бумажную) версию газеты "Энергетика и промышленность России" (периодичность - раз в месяц, объем - 44-76 полос формата A3) можно ЗДЕСЬ. Ознакомительный экземпляр высылается бесплатно.


С расценками на размещение рекламы в газете "Энергетика и промышленность России" и на сайте www.eprussia.ru можно ознакомиться ЗДЕСЬ.

 


Открыт книжный магазин

Информационный портал "Энергетика и промышленность России" сообщает об открытии книжного магазина для энергетиков.

Перейти в магазин»


Доска объявлений

На нашем сайте открыта доска объявлений для предприятий, работающих в промышленно-энергетических отраслях.

Перейти в раздел "Доска объявлений"»


Ваши новости на нашем сайте

Уважаемые господа! Информационный портал Энергетика и промышленность России предоставляет вам новую возможность для своевременного распространения информации о деятельности ваших предприятий!
В разделе сайта "Новости компаний" вы можете САМОСТОЯТЕЛЬНО размещать пресс-релизы ваших компаний.

Подробнее»


Каталог интернет-ресурсов

На нашем сайте действует каталог интернет-сайтов компаний топливно-энергетического комплекса и тяжелой промышленности - EPR-Каталог.

Перейти в каталог»


В избранное