Дохов А И., Контарь А.А., Валевахин Г.Н., Галеев Э.Р., Толстих А.И.

Харьковской национальный университет радиоэлектроники

Технологические факторы сжигания альтернативного – композиционного топлива

В работе рассмотрены технологические факторы процесса сжигания альтернативного – композиционного топлива. Способ получения данного композиционного топлива защищён патентами. Представленные факторы могут быть рекомендованы в качестве базовых для разработки технологических процессов сжигания альтернативных топлив других составов.

Альтернативные – композиционные топлива находят в настоящее время широкое распространение [1,2], что обусловлено стремлением получить максимальное количество тепла из дешёвых возобновляемых источников энергии.

В качестве исходных материалов для альтернативного топлива (АТ) используют отходы сельскохозяйственных производств, бытовые отходы, иловый осадок сточных вод городской канализации, торф и другие горючие органические вещества. Некоторые виды АТ, например, альтернативное биотопливо [3] сертифицированы и на них существуют ТУ. Однако процесс горения АТ ещё недостаточно изучен, что обусловлено сложностью исходных компонентов по химическому составу, агрегатному состоянию, дисперсности и совместимости. Можно констатировать, что большинство АТ представляют собой дисперсионно-эмульсионную систему с переменной вязкостью и текучестью, зависящих от температуры окружающей среды и сил междисперсионного (электростатического) взаимодействия между частицами дисперсной фазы. Исходя из этого, следует отметить несколько факторов, определяющих технологию сжигания АТ.

Для обеспечения равномерной подачи АТ через воздушную форсунку в топку необходимо поддерживать температуру АТ не ниже 200ºС.

В состав АТ входит до 50% (по массе) нефтепродуктов, в основном, топочного мазута. Так как температура воспламенения топочного мазута находится в пределах 200-250 ºС, то для воспламенения АТ в топке должно быть создано открытое пламя.

Для поддержания полного равномерного сгорания АТ в объёме топки, её стенки должны быть нагреты до минимальной температуры 600 ºС, а излучающая поверхность должна быть однородной и иметь форму расширяющегося конуса. Данная особенность конструкции топки обусловлена тем, что при распылении АТ воздухом происходит образование капель разной величины из-за присутствия в АТ твёрдой дисперсной фазы с размерами частиц от 0,5 до 250 мкм. Мелкие капли пролетают на большее расстояние и под действием излучения стенок топки переходят в парообразное состояние. Крупные капли, пролетая меньшее расстояние, падают на нагретую поверхность, где начинается процесс пиролиза и горение АТ в поверхностном слое.

Таким образом, для одного топлива реализуются два механизма горения: горение в объёме и горение в поверхностном слое.

При переходе мелких капель в парообразное состояние в перегретом воздухе происходит реакция окисления (горения) в объёме топки по радикальному механизму [4]. К объёму воздуха, содержавшего на начальной стадии кислород, добавляется объём оксида и диоксида углерода, а также пар воды. В данном случае скорость горения АТ зависит от концентрации горючих компонентов и окислителя – кислорода, необходимого для реализации этого процесса и описывается реакцией второго порядка.

Для капель, попавших на нагретые стенки топки, характерен другой механизм, заключающийся в процессе пиролиза органических соединений под действием тепла стенок топки. Продукты пиролиза проходят через слой топлива, нагревают его и легкие компоненты пиролиза окисляются кислородом воздуха. Процесс горения происходит не в объёме, а на поверхности слоя АТ. Скорость процесса горения в данном случае будет зависеть от температуры стенки топки или, точнее, от скорости пиролиза слоя АТ. В этом случае скорость пиролиза АТ описывается реакцией первого порядка.

Изменение дисперсности твёрдой органической составляющей АТ влияет на длину факела и скорость сгорания АТ в топке при одинаковой скорости подачи АТ и распыляющего воздуха.

В АТ количество золы может находиться в пределах 2,5% [3]. Особенно разнообразен зольный остаток АТ, приготовленных с добавлением 40% бытовых отходов очистных сооружений крупных городов. Наиболее распространённые компоненты – оксид кремния, оксид кальция, оксид алюминия, оксид магния, оксиды двух и трёх валентного железа. Оксиды железа и алюминия при сжигании АТ выполняют роль катализаторов. Так, в частности, при температурах 1000 – 1200 ºС оксид трёхвалентного железа переходит в оксид двухвалентного железа в присутствии газообразных углеводородов. На этой стадии реакция не останавливается, а продолжается до полного восстановления железа до металлического [5]. Для интенсификации процесса горения АТ в слое на поверхности топки может быть добавлено в АТ до 3% трёхвалентного оксида железа с размерами частиц до 5 мкм.

В процессе сжигания АТ основными газообразными продуктами являются: азот, оксид и диоксид углерода, диоксид серы и следы некоторых других оксидов. Кроме этого, в АТ может содержаться до 40% воды или водного раствора солей, таких как хлорид натрия, хлорид кальция и другие хлориды. При сжигании АТ к исходному количеству воды добавляется ещё до 10% пирогенной воды, которая выходит из топки в виде перегретого пара и отдаёт свою энергию на элементах котла, соединённого с топкой. Одновременно при охлаждении пара воды в ней могут образовываться кислоты: азотистая, азотная, сернистая. Концентрация кислотных выбросов при сжигании соответствует требованиям ГОСТа, но может быть снижена за счёт введения в топливо оксида трёхвалентного железа. Кроме этого, роль нейтрализаторов выполняют аэрозоли оксида кальция, оксида алюминия, освобождающиеся при сжигании АТ.

Рассмотренная модель технологического процесса сжигания альтернативного - композиционного топлива была апробирована на стенде пламенных испытаний на очистных сооружениях г. Харькова в 2010 году.

Была экспериментально подтверждена необходимость существования открытого пламени для начала горения АТ. Зафиксированы два механизма сжигания АТ: в объёме стенда и на его внутренней поверхности. Установлена зависимость процесса горения АТ данного состава от интенсивности распыления из воздушной форсунки (соотношение топливо – воздух). Эффективное сжигание АТ реализуется при соотношении по объёму: одна часть АТ и четыре части воздуха. В продуктах сгорания не зафиксированы концентрации вредных компонентов, превышающих допустимые нормы.

Таким образом, разработанная модель технологического процесса сжигания АТ, соответствующего ТУ [3], может быть рекомендована в качестве базовой для разработки моделей технологических процессов сжигания АТ других составов.

Литература:

1. Патент України №83980 МПК6 С10L 1/04, С10L 1/14, З10L 1/32, опубл. Бюл.№16, 2008.08.26.

2. Патент Украины №89917 МПК(2009) С10L 1/04(2006.01), С10L 1/14(2006.01), С10L 1/32, опубл. бюл.№5, 2010.03.10.

3. Біопаливо альтернативне АБТ. Технічні умови. ТУ у 24.1-02071197-001:2009

4. Дж.Теддер, А.Нехватал, А.Джубб. Промышленная органическая химия.– М: Издательство «Мир», 1977.–С.694.

5. Б.В.Некрасов. Курс общей химии.– М.: Химия, 1989, с.760 – 780.