Котельная с газогенератором на древесных отходах

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Вятский государственный университет.

Кафедра "Теплотехника и гидравлика"

Реферат

«Котельная с газогенератором  на древесных отходах»

Разработал студент гр. ________ ___________ / Сычев Д.Г./ _______

Подпись  Фамилия И.О.  Дата

Руководитель ________________ ___________ / Шемпелев А.Г. / __________

Подпись  Фамилия И.О.  Дата

Киров 2011

Основные сведения из физики и химии

Физические и химические явления. Все явления в природе могут быть разделены на физические и химические.

Физическими называются такие явления, при которых вещество не меняет своего состава, а изменяются лишь его формы (состояние).

Примером физических явлений может служить превращение  воды в пар при кипячении и  в лед при охлаждении. В этих случаях вещество изменяет только свое состояние (жидкое, газообразное, твердое), но остается прежним, так как охлаждением  пара и нагреванием льда мы снова  можем получить воду.

Химическими явлениями (реакциями) называются такие явления, при которых происходит превращение  одних веществ в другие, причем вещества приобретают совершенно иные свойства и становятся не похожими на первоначальные.

Примером химических явлений может служить горение  дров, при котором получаются совершенно новые газообразные вещества, по своему составу коренным образом отличающиеся от первоначальных.

Тела, атомы  и молекулы. Всякий предмет, занимающий место, называется физическим телом. Физические тела бывают в трех состояниях: 1) твердом (дерево, уголь и др.), 2) жидком (вода, бензин и др.) и 3) газообразном (воздух, генераторный газ и др.). Все тела обладают свойством занимать определенную часть пространства. Величина этой части пространства называется объемом  тела.

То, из чего состоит  тело, называется веществом или материей. Всякое вещество непроницаемо, т. е. в  том месте, где находится одна частица вещества, не может одновременно находиться другая частица.

Все вещества разделяются  на простые и сложные. Простыми веществами называются такие, которые нельзя разложить  имеющимися в химии средствами. Простые  вещества состоят из так называемых химических элементов, которых в  природе имеется около 90 (железо, медь, кислород, азот и др.).

Сложные вещества, называемые также химическими соединениями, состоят из двух или нескольких простых  веществ, которые химически соединены  друг с другом. Например, вода является сложным веществом; она состоит  из простых веществ - кислорода и  водорода.

В некоторых  случаях простые вещества могут  быть не соединены между собой  химически, а только перемешаны. Такое  вещество образует механическую смесь. Например, воздух является механической смесью кислорода с азотом, так  как эти составные части химически  друг с другом в воздухе не связаны. Получаемый в газогенераторах газ  также представляет собой механическую смесь из следующих газов: водорода, кислорода, азота, окиси углерода, углекислоты, метана и водяных паров. Газы водород, кислород и азот являются простыми веществами, а окись углерода, углекислота, метан и водяной пар - сложными веществами, или химическими соединениями.

Введение

Последняя четверть прошлого столетия и начало нынешнего ознаменовались энергетическим кризисом. Вначале он коснулся преимущественно автомобильной  промышленности, но не нужно обладать даром предвидения, чтобы предсказать, что в дальнейшем именно энергетическая проблема будет определять интенсивность  развития всех сфер деятельности человека. Вследствии особенностей климата на большей части территории нашей страны человек проводит в закрытых помещениях до 80% времени. Для создания нормальных условий его жизнедеятельности необходимо поддерживать в этих помещениях строго определенный тепловой режим. Помимо создания комфортных условий жизнедеятельности человека тепло необходимо для обеспечения ряда технологических процессов в различных производствах.

Наряду с дефицитом  топлива в лесной и деревообрабатывающей промышленности скапливается большое  количество первичных и вторичных  древесных отходов. Даже при высокой  степени их использования всегда остается много некондиционных отходов, которые могут быть употреблены  только в качестве топлива. Количество отходов, образующихся, например, на мебельных  фабриках, составляет от 45 до 63%.

В настоящее время многие промышленные предприятия оснащаются термо-технологическим оборудованием. Правильно выбранная конструкция  котла обеспечивает длительную и  бесперебойную работу этого оборудования и, следовательно, всего производства в целом.

Современные проблемы теплоэнергетического хозяйства требуют оперативности  и профессионализма при решении  проблем, накопившихся за годы и вновь  возникающих. Ни одно направление в  теплоэнергетическом хозяйстве  нельзя развивать, не учитывая проблемы энергосбережения, не применяя самое  современное энергетическое оборудование и энергосберегающие технологии. Во всем мире постепенно отказываются от котельных, работающих на видах топлива, загрязняющих окружающую среду (угле и  мазуте). Кроме экологического риска, причиной тому служат малая эффективность  и высокая стоимость производства тепловой энергии.

В результате работы деревообрабатывающих предприятий в Российской Федерации  ежегодно образуется порядка 70 млн  тонн отходов деревообработки, основная часть которых, как правило, остается невостребованной, усугубляя пожарную безопасность и экологическую обстановку в местах расположения предприятий. Между тем отхлды можно и нужно  рационально использовать.

В условиях, когда наблюдается  тенденция роста тарифов на энергоносители, особенно актуальной становится проблема энергосбережения в производственно-хозяйственной  деятельности предприятий. Доля энергетических затрат в структуре себестоимости  продукции деревообрабатывающего  предприятия, потребляющего покупную дорогостоящую тепловую энергию, достигает  значительных величин (20–30%), что говорит  о высокой энергоемкости производства. В этой связи энергетическое использование  древесных отходов на предприятиях деревообрабатывающей промышленности является одним из важных направлений  повышения эффективности производства и умелого ведения технологических  процессов в рыночных условиях хозяйствования предприятий.

Древесные отходы — это  экологически чистое топливо.

Древесное топливо не содержит серы, в отличии от других органических топлив, а также обладает малой  зольностью (всего 1%), и стоит намного  меньше, чем газ, уголь. Решая проблему утилизации отходов деревообработки, Вы получаете дешевое и экологически чистое топливо.

К настоящему времени разработано  большое количество разнообразных  методов газификации твердого топлива  и конструкций газогенераторов  в зависимости от назначения газа, качества исходного топлива.

Слоевые вихревые топки газогенераторы на древесных отходах преобразуют в газ твердое топливо любой влажности. Они эксплуатируются в комплексе с серийно выпускаемыми водогрейными и паровыми котлами и позволяют переводить котельные с угля, жидкого топлива и природного газа на генераторный газ.

Энергетические установки  на базе газогенераторов на древесных  отходах являются современным оборудованием, предназначенным для сжигания сыпучих  древесных отходов с грануляцией (фракцией) до 30 мм и кусковых отходов  длиной до 1 м. Влажность топлива 6 - 60 %.

Применение вихревых газогенераторов существенно расширило область использования утилизаторов отходов. При увеличении мощности газогенератора его габаритные размеры и вес значительно снизились относительно прямоточных газгенов. Благодаря этому стало возможным изготовление и транспортировка газогенераторов мощностью от 0,125 до 3 МВт. За счет охлаждения стенок газогенератора вторичным воздухом и формирования высокотемпературного конуса горения в центральной части, увеличился срок службы газогенератора без ремонта.

Топка позволяет сжигать  следующие виды топлива: опилки, стружку, древесную щепу, кору, лузгу подсолнечника  и тд. Загрузка топлива в вихревые газогенераторы шнековая, отсюда вытекают требования к топливу - размер фракции  не более 30х20х5мм (при стандартном  диаметре шнека). Температура сгорания 1000-1200°С достигаемая при влажности топлива 40% (влажность опилок при распиловке древесины в свежесрубленном состоянии). КПД топки = 0,9...0,95.

При этом достигается  оптимальное содержание двуокиси углерода СО₂. При уменьшении относительной влажности топлива, мощность газгена увеличивается. При увеличении влажности топлива, мощность теплогенератора падает. Теплогенераторы работают на отходах любой влажности вплоть до теоретически возможной. Объясняется это конструктивными особенностями топочных устройств. По своей классификации по методу сжигания топлива топочные устройства данных газогенераторов относятся к слоевым, вихревым. По конструктивному расположению по отношению к поверхности нагрева котла - к внешним (выносным) топкам.  При слоевом способе процесс горения стабилизируется при неоднородности топлива по влажности, сглаживаются провалы по температуре горения и, исключается вероятность прекращения процесса горения при попадании партии опилок повышенной влажности. За время своего перемещения топливо подсушивается, газифицируется и загорается. Для дожигания вынесенных из слоя турбулентным, первичным воздухом горящих частиц, предусмотрена подача вторичного воздуха по специальным каналам, расположенным тангенциально по отношению к камере сгорания. Под действием центробежных сил, возникающих при вращении воздуха, несгоревшие частицы топлива отбрасываются к стенкам камеры и продолжают многократное вращение до своего полного выгорания. В слоевых топках более надежна и долговечна работа самого шнека, т.к. в зоне зеркала горения он находится только в период растопки газогенератора. В основное рабочее время он постоянно закрыт слоем опилок вновь поступивших в топку. Слоевой метод сжигания топлива обеспечивает равномерное горение топлива любой влажности, т.к. подача топлива в топочное устройство производится снизу и, слой топлива постепенно перемещается в верхнюю часть, в зону активного горения. На подготовку топлива уходит больше времени, поэтому процесс горения не прекращается даже при большой влажности топлива (практические данные, полученные на установках, отапливающих наши собственные производственные цеха), когда влаги больше количества сухой древесной части.

Автоматика. Комплектация. Регулирование  тепловой мощности, подача и загрузка газогенераторов.

Регулирование подачи воздуха в топку производится системой шиберных заслонок. Регулирование  тепловой мощности газогенератора в  зависимости от потребляемого сушильными камерами или другими потребителями количества теплоты, осуществляется автоматически, повышением или понижением зеркала горения, изменением количества топлива подаваемого в единицу времени и изменением подачи воздуха в камеру сгорания. Управление автоматической подачей опилок для поддержания заданной температуры теплоносителя осуществляется специальным шкафом управления. В системе автоматики предусмотрена возможность установки необходимой температуры теплоносителя через пароль, чтобы исключить возможное вмешательство в работу котельной неподготовленного персонала. Для транспортировки и загрузки опилок в бункер - накопитель, теплогенератор может быть оборудован шнековым загрузочным транспортером. Длина и конфигурация транспортера будут кратными длине отдельных шнековых секций. При приобретении сушильной камеры с выносной топкой типа газогенератора  в комплект теплогенератора входят: твердотопливный котел (базовая модель), шкаф автоматики для поддержания заданной температуры теплоносителя, вихревой газогенератор, боров с патрубком под дымовую трубу и типовым эжектором, бункер - накопитель с приводом шнекового транспортера для подачи опилок в камеру сгорания, вентилятор наддува. При наличии у заказчика природного газа, сушильные камеры могут комплектоваться газовыми котлами.

Технологический комплекс

Комплекс оборудован автоматической шнековой подачей топлива, которая избавляет потребителя от необходимости постоянно подкладывать топливо вручную в топку котла. Автоматическая шнековая подача позволяет транспортировать опилки и щепу с фракцией не более 30х30 мм. Кусковые древесные отходы при работе комплекса можно загружать непосредственно в топку котла.

В состав комплекса входят:

1. Бункер для топлива
2. Газогенератор
3. Котел
4. Дутьевой вентилятор
5. Шнековый транспортер
6. Пульт управления

В топке газогенератора происходит процесс газификации  топлива с частичным сжиганием. Древесный газ на выходе из топки  смешивается со вторичным воздухом и полностью сгорает в топке  котла. В комплексе используется котел водогрейный, топка которого позволяет сжигать кусковые древесные  отходы, кору, щепу. Допускается применение в составе комплекса другого  котла соответствующей тепловой мощности и конструктивно приспособленного для установки в комплексе. Для  присоединения к котлу газогенератора на боковой стене котла выполняется  отверстие.

Бункер для топлива  имеет цилиндрическую форму с  горизонтальной осью симметрии. В нижнюю часть бункера вварен кожух для  шнекового транспортера. Параллельно  шнеку в бункере на радиальных подшипниках установлен вал с  петлями из стального каната, предназначенный  для устранения зависания топлива  в бункере. Привод шнекового транспортера и вала ворошителя осуществляется от отдельных мотор-редукторов . 

Принцип работы комплекса

Топливо из бункера подается шнековым транспортером  в топку газогенератора на наклонную  колосниковую решетку.

Генераторный  газ образуется в результате неполного  сгорания твердого топлива при ограниченном доступе воздуха.

Бункер газогенератора доверху  заполняют древесными чурками, а  нижнюю его часть, начиная от камеры горения, заполняют углем, топливо  поджигают; тяга воздуха через газогенератор  осуществляется работающим двигателем.

В работающем газогенераторе все внутреннее его пространство можно разбить на четыре зоны: зона подсушки топлива, зона сухой перегонки, зона горения и зона восстановления.

Зона подсушки топлива расположена в верхней части бункера; температура в ней при работающем газогенераторе равна 150—200° С. При этой температуре топливо, находящееся в этой зоне, подвергается предварительной подсушке, и из него испаряется влага.

Зона сухой  перегонки расположена в средней части бункера до камеры горения. Температура в этой зоне равна 300—500°С, и топливо, поступающее туда из зоны подсушки, подвергается сухой перегонке, т. е. сильному подогреву без доступа воздуха. Топливо обугливается, и из него выделяются смолы, кислоты и другие продукты сухой перегонки.

Зона горения расположена на уровне фурм. Поступающее в зону горения обугленное топливо и продукты сухой перегонки его при наличии достаточного количества кислорода, подводимого с воздухом через фурмы, сгорают. Температура в зоне горения достигает 1100—1300° С. При сгорании топлива кислород воздуха соединяется с углеродом топлива, и образуется негорючий углекислый газ.

Зона восстановления расположена между зоной горения и колосниковой решеткой. В этой зоне находится раскаленный уголь, поступающий сюда из зоны горения. Температура в зоне восстановления достигает 900-1100°С.

Углекислый газ, получаемый в зоне горения, проходит через слой раскаленного угля зоны восстановления, соединяется с частицами углерода и восстанавливается в горючий  газ — окись углерода.

Просасываемые через зоны горения и восстановления смолы  и пары воды под действием высокой  температуры разлагаются и частично сгорают, образуя различные газы. В результате газификации твердого топлива получается генераторный газ, представляющий собой смесь различных газов, основными горючими частями которого являются окись углерода и водород. Газ поступает через систему охлаждения и очистки к смесителю, где, смешиваясь с воздухом, образует горючую смесь.

Произведенный в газогенераторе газ направляется в топку котла, где дожигается, нагревая водотрубную часть котла. На выходящем из котла трубопроводе установлены два датчика температуры  воды: текущей и предельно допустимой (95ºС). Пульт управления обеспечивает поддержание заданной температуры  воды на выходе из котла.

Пульт управления с датчиками

После розжига комплекса  и получения устойчивого горения  в топке газогенератора оператор переводит пульт управления в  автоматический режим. Комплекс начинает работать в интенсивном режиме, при  этом включается дутьевой вентилятор и шнековый транспортер начинает работать с заданными на этом режиме значениями работы и паузы. Как только температура воды, выходящей из котла  достигнет заданного на пульте значения, автоматически отключается дутьевой вентилятор, а шнековый транспортер  начинает работать с интервалами  работы и паузы, заданными для  поддерживающего режима. В случае понижения температуры воды, выходящей  из котла, комплекс КСДО переходит в  интенсивный режим работы и т. д.

Дутьевой вентилятор нагнетает  воздух под колосниковую решетку, что  улучшает процесс горения, особенно влажного топлива. Дутьевой вентилятор работает только в интенсивном режиме работы комплекса.

Автоматическая подача обеспечивает равномерное горение топлива и поддержание температуры воды на выходе из котла в заданном диапазоне, что особенно важно при использовании комплекса в системах теплоснабжения, например, сушильных камер.

При снижении уровня топлива  в бункере до уровня установки датчика минимального уровня топлива в бункере, срабатывает звуковая и световая сигнализация.

Комплекс оборудован системой пожаротушения: при возгорании топлива в шнеке пульт управления открывает клапан подачи воды на шнек и включает звуковую и световую сигнализацию.

Пульт управления комплексом обеспечивает:

• поддержание температуры воды на выходе из котла в заданном диапазоне
• индикацию температуры воды на выходе из котла
• выключение подачи топлива в газогенератор и дутьевого вентилятора газогенератора при достижении температуры воды на выходе из котла 95ºС (предаварийная ситуация), при этом циркуляционный насос продолжает работать
• подачу воды на шнек при возгорании топлива
• световую и звуковую сигнализацию при возникновении аварийных ситуаций: достижение температуры воды на выходе из котла 95ºС, возгорание топлива в шнеке, отсутствие топлива в бункере.

Преимущества комплекса:

• использование дешевого местного топлива
• решение проблемы вывоза отходов деревопереработки
• снижение затрат на получение тепловой энергии
• стабильность температуры теплоносителя за счет автоматического регулирования процесса сжигания
• экологическая и пожарная безопасность
• простота обслуживания

ХАРАКТЕРИСТИКА  ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА,    УПОТРЕБЛЯЕМОГО  ДЛЯ   ГАЗИФИКАЦИИ

В настоящее время древесина  является основным видом топлива  для тракторных газогенераторов  в СССР.

По запасу древесного топлива СССР занимает первое место  в мире, имея около 30% всей мировой площади лесов. Отходы древесины при ее переработке могут служить почти неиссякаемым источником топлива для транспортных газогенераторов.

В поперечном разрезе любое  дерево имеет следующее строение: в центре находится сердцевина, которую  окружает ядро, являющееся собственно древесиной; за древесиной расположена  заболонь и затем наружная часть  — кора.

Заболонь и древесина (ядро) состоят из клеток, наполненных соком, водой и воздухом. Стенки клеток состоят из клетчатки или целлюлозы С₆Н₁₀О₅ и скреплены между собой органическим цементом, который называется лигнином С₁₉Н₂₄О₁₀ и представляет собой смесь различных органических веществ.

Абсолютно сухая  древесина содержит 48—54% целлюлозы  и 27% лигнина. В древесине сырого дерева целлюлоза и лигнин составляют около 45% всего веса, остальное — древесный сок, представляющий собой почти исключительно воду и минеральные вещества.

Горючей частью древесины  являются целлюлоза и лигнин. Так как целлюлоза представляет собой определенное химическое соединение и имеет постоянный состав, а состав лигнина колеблется в очень незначительных пределах, то органическая масса древесины различных пород по химическому составу мало отличается одна от другой. Поэтому при расчетах задаются следующим средним составом органической массы древесного топлива независимо от его породы (в %):

С°   Н°      (0° + №)

              50     6        44

В табл. 9 приведены  химический состав и теплотворность органической массы древесины различных пород.

Таблица 9.Состав и теплотворность органической массы древесины различных пород

Исследования  газификации  древесины  различных  пород  показали, что состав генераторного газа не зависит от породы древесины. Теплоемкость древесины колеблется от 0,57 (дуб) до 0,65 ккал/кг° С (сосна и ель).

Содержание влаги W^p в свежесрубленной древесине колеблется от 35 до 61 % и зависит от породы, возраста дерева, условий роста, времени его рубки и других факторов. Ниже приведена относительная влажность свежесрубленной древесины различных пород в  %:

Хвойные породы 54—61

Мягкие лиственные породы 45—53

Твердые лиственные породы 35—41

В различных частях дерева содержание влаги неодинаково. Наибольшей влажностью отличаются корни, вершина  и комель дерева. Содержание влаги  в древесине разного возраста также неодинаково: молодая древесина  имеет большую влажность, чем  старая. Наименее влажной частью является средняя часть ствола.

Действительный удельный вес древесины всех пород колеблется в  пределах  1,5—1,6 кг 1л.

Вес 1 м³ влажных дров или чурок может быть определен по следующей формуле:

где G_cyx — вес 1 м³ абсолютно сухих дров или чурок.

От влажности  древесного топлива в значительной степени зависит протекание процесса газификации, теплотворность газа и мощность газового двигателя. При повышенном содержании влаги в древесине резко понижается температура в активной зоне газогенератора, а также теплотворность генераторного газа и мощность двигателя. Ниже приведены результаты исследований,  проведенных в Научно-исследовательском тракторном  институте  (НАТИ),   по  влиянию влажности березовых чурок   на теплотворность   генераторного газа (табл.  11) и мощность двигателя.

Таблица 11.Состав генераторного газа и его теплотворность в зависимости от влажности древесных чурок

Древесину можно сушить естественным путем в любом виде (бревна, поленья, доски, чурки и т. д.); однако при  малых размерах древесина будет  просыхать значительно быстрее.

Интенсивность естественной сушки древесины определенных размеров зависит от относительной влажности, температуры и скорости движения воздуха. При этом, чем выше температура  и скорость движения окружающего  воздуха, тем быстрее происходит сушка древесины. С увеличением относительной влажности воздуха скорость сушки уменьшается, а с уменьшением — увеличивается.