Wood Waste Recycling Machine for Production of Thermal Energy
The specialists from JSC Germes invented conceptually new way of wood waste recycling on the basis of indirect fuel combustion. Pyrogas combustion technology has been developed within many years by this company and as a result of great engineering efforts they created wood waste recycler posessing high power characteristics and efficiency coefficient, minimum overall dimensions and complex computerized control system. In order to clarify the nature of technological process, detailed constructive peculiarities and principle of operation were reflected in the article by the authors. It is essential to state that Germes engineers continue improving this technology, trying to make it more efficient and energy-saving one.
Н.А. Лимаренко, руководитель проекта,
А.М. Афанасьев, гл. инженер,
Ю.А. Афанасьева, гл. технолог, ООО «Гермес», г. Донецк
Еще несколько лет назад проблема скопления и вывоза отходов деревообработки представлялась достаточно серьезной и была связана со значительными убытками для предприятий. С другой стороны, постоянный рост цен на энергоносители побуждает к поиску более доступных по цене источников энергии. Исходя из потребностей деревообработчиков, специалисты ООО «Гермес» пришли к разработке агрегата, способного эффективно сжигать древесную щепу, опилки, стружку, кору или их смесь с повышенной влажностью (более 30%). Благодаря сконструированным установкам, эти отходы становятся основным топливом для получения тепловой энергии на многих отечественных деревообрабатывающих предприятиях.
Путь непрямого сжигания топлива, выбранный специалистами компании «Гермес», значительно отличается от общепринятого. В обычных котлах-газогенераторах, имеющих низкий КПД, расход топлива сравнительно велик из-за его некачественного сжигания, что приводит к выбросам в атмосферу вместе с продуктами горения и доброй половины эффективного и энергоемкого пиролизного газа. Далеко не всем известно, что этот газ, получаемый из древесины, по своим энергетическим параметрам близок к бензину.
Мы занимаемся усовершенствованием технологии сжигания пиролизных газов вот уже на протяжении 7 лет. Впервые разработанный газогенератор-регенератор (рис. 1) дал обнадеживающие результаты и видение перспективы. В результате дальнейших усилий была создана установка с минимальными габаритами, большой мощностью, высоким КПД, управляемыми пиролизом и тепловым режимом, возможностью механизированной загрузки и комплексной компьютеризацией управления. Установка не требует специальных помещений, громоздких стационарных дымососов, система теплообмена в ней является проточной, что упрощает требования к водонагревательным котлам, высоки показатели экологической чистоты ее работы. Дополнительное преимущество — возможность ее использования в полевых условиях (мобильный вариант) путем доукомплектации передвижной электростанцией 3–5 кВт.
Конструктивное устройство предлагаемой установки
Конструкция установки — блочная, легко монтируемая и демонтируемая; предусмотрены люки для оперативной чистки и ревизии газоходов (рис. 2); кольцевая водяная рубашка полностью утеплена и облицована. КПД составляет свыше 90%, учитывая, что работают фактически два котла (блок-газогенератор, КПД — 30% , блок-газорегенератор, КПД — 60%); 10% составляют технологические потери (температура выбрасываемых в атмосферу газов не должна быть ниже заданной температуры теплоносителя, в противном случае это приведет к переохлаждению стенок газовода-теплообменника и сажеобразованию).
Для очистки отработанных газов от пыли предусмотрен пылеулавливатель (рис. 3). Его конструкция основана на принципе максимального торможения потока путем резкого увеличения объема газовода, что приводит к оседанию на нем тяжелых частиц пыли. Крыльчатка вытяжного вентилятора способна работать при максимальных (пиковых) температурных нагрузках без налипания пыли и сажи, которое приводило бы к разбалансировке (вибрации). На корпусе вентилятора установлено искрогасящее устройство, предотвращающее возможный выброс искры или недогоревших частиц. В его конструкции используется высокое давление, создаваемое вентилятором на выбросе.
Выброс отработанных газов в атмосферу производится посредством газоотвода, диаметр которого не больше, чем у горелки, а его длина не критична и может быть максимально малой (по необходимости).
Принцип газорегенерации и его применение в установке
Чтобы оценить преимущества газорегенеративного метода сжигания топлива, необходимо понять принцип его работы. В качестве сырья для сжигания используется топливо мелкой фракции, которое имеет достаточно высокую плотность и плохо пропускает воздух, что серьезно осложняет активный пиролиз. Чтобы при любом варианте загрузки топливо распределялось одинаковым по толщине слоем по всей площади топки, колосниковая решетка выполнена с несколькими наклонами (рис. 4), что обеспечивает равномерное поступление воздуха к топливу. Естественной тяги для активного сжигания оказывается явно недостаточно, поэтому применяется вытяжной вентилятор. Его производительность обеспечивает необходимую «протяжку» воздуха и газа по всему тракту — с учетом дополнительного забора воздуха, регулирующего процесс пиролиза и сжигания газов.
Чтобы получить заданную мощность установки, необходимо в течение 1 ч сжечь определенное количество топлива. Но без периодического применения более крупной фракции в нижнем слое топлива достичь этого не удавалось. Попытки добиться желаемого результата путем увеличения тяги приводили к точечному пиролизу, т. е. к неравномерному сжиганию топлива по всей площади топки и срыву горения в более плотных точках. Это означает, что возможности принудительной тяги ограничены. Наблюдения показали, что при определенной скорости протяжки в нижних слоях за счет высокой температуры образуется пористая структура топлива — так называемый кипящий слой. Толщина его относительно невелика, но ее достаточно для более свободного поступления воздуха между колосниками и верхними слоями топлива. Попытка подать воздух в этот пористый слой привела к неожиданному результату: активность пиролиза возросла многократно. Для практической реализации этого эффекта был применен вентилятор поддува. Задача системы поддува состоит в том, чтобы подать воздух в надколосниковое пространство, т. е. в кипящий слой, равномерным узконаправленным потоком, исключающим распыление по вертикали, причем по всей ширине топки. Важно также избежать превышения давления газов в топке за счет нагнетания и исключить выброс газов в котельную через регулируемые окна и поддувало. Таким образом, появляется возможность регулировать процесс сжигания определенного количества топлива во времени.
За счет разрежения, создаваемого вытяжным вентилятором, полученный пиролизный газ подается к горелке для последующего сжигания. Для этого необходим зажигательный факел. Чтобы его получить и поддерживать, в конце топки котла под большим углом наклона устанавливается решетка. Толщина слоя топлива на решетке минимальная, а доступ воздуха — максимальный, и потому топливо сгорает активно, пламенем. Разрежение втягивает все продукты пиролиза на вход горелки вместе с факелом пламени (рис. 5). Туда же, посредством регулируемых окон на горелке, подается свежий подогретый воздух, необходимый для обогащения и воспламенения пиролизных газов. Вся воспламененная газовоздушная смесь оказывается в зажатом пространстве горелки, с очень высокой температурой. Стоит отметить, что разрежение, создаваемое вытяжным вентилятором, исключает возможность опасных вспышек пиролизных газов, которые происходят в обычных котлах-газогенераторах при неконтролируемом пиролизе.
Процесс пиролиза сопровождается горением. При этом, кроме пиролизного газа, выделяются продукты горения, доля которых, по сравнению с объемом горючих газов, невелика, но ее достаточно для того, чтобы препятствовать качественному процессу сгорания. Чтобы компенсировать нежелательный эффект, создаваемый примесями, предусмотрено регулируемое окно на дверце топки, центр его совмещен по оси с центром горелки. Узконаправленный поток воздуха от окна к горелке создает завихрение газов в верхней части топки, тем самым смешивая и обогащая их. Регулируемое окно на дверце поддувала, ограничивая доступ воздуха к топливу, минимизирует процесс активного выделения продуктов горения. Это позволило преобразовать тяжелое красное свечение факела горелки в синее, с более высокой температурой, а впоследствии — повлиять на качество газов, выбрасываемых в атмосферу.
Последним конструктивным усовершенствованием стала лоткообразная площадка, установленная в начале топки, с максимально ограниченным доступом воздуха к топливу, находящемуся на ней. Задача этого устройства — компенсировать перепад температурного режима от момента догорания загруженной дозы топлива до момента активного возгорания очередной. Так как топливо на лоткообразной площадке остается без активного доступа воздуха, а температура в начале топки недостаточно высока для его пиролиза, то это топливо находится «в состоянии ожидания». Основная порция топлива, догорая, дает более высокую температуру. При этом топливо, оставшееся на площадке, взрыхляется, активизируя доступ воздуха в количестве, достаточном для возгорания. Далее происходит загрузка очередной дозы топлива и его разогрев до активного пиролиза. Таким образом, температурный режим компенсируется работой топлива на площадке и способствует ускоренному разогреву вновь загруженного топлива.
Полученная обогащенная пламегазовая смесь передается для последующего дожига и съема тепла во второй блок — газорегенератор (преобразователь), задача топки которого — качественно дожечь топливо и передать полученное тепло теплоносителю. По сути, мы имеем дело уже с газовой топкой, но выполненной в виде трубного регистра (рис. 6), где процесс теплообмена происходит в обратном порядке: топливо горит внутри труб, а теплосъем происходит с их поверхности, омываемой теплоносителем (водой). Такая конструкция выбрана не случайно. Ее устройство позволяет подобрать оптимальный вариант сжигания и теплосъема путем увеличения/уменьшения длины газоводов, а также объема топки путем переключения потока газов в переходных каналах. Оптимальный вариант — плавное увеличение длины и объема топки к центру (сверху вниз), и уменьшение — от центра вниз. Из-за увеличения объема скорость потока газов в центре топки минимальная, а температура и теплосъем — максимальные. Последующее увеличение скорости потока газов к выходу обеспечивает необходимый температурный режим в нижней части топки и позволяет удалять золопылевые остатки, перенося их в пылеулавливатель. Таким образом, полезный объем топки газогенератора равен полному объему топки газорегенератора, и определена оптимальная длина рабочего пути горячих газов. Корпус газорегенератора полностью теплоизолирован и облицован.
Циркуляцию теплоносителя обеспечивает насосная станция, забирающая воду из бака-накопителя, емкость которого рассчитана так, чтобы обеспечить (с некоторым запасом) объем теплоносителя в агрегатах-потребителях. Вода подается на вход первого блока (газогенератора), в его нижнюю часть. Далее она проходит по кольцевой рубашке газогенератора снизу вверх, забирая тепло, выделенное при пиролизе топлива. Нагретая до определенной температуры вода переходит в нижнюю часть рубашки газорегенератора и, перемешиваясь с более холодной, увеличивает ее начальную температуру. Это облегчает последующий нагрев до необходимой температуры на выходе рубашки газорегенератора в верхней его части.
Через распределительную гребенку теплоноситель подается к потребителям. Завершив свою работу, вода по обратным каналам сливается в бак- накопитель. Конструкция бака в верхней его части позволяет создать видимый разрыв между уходящей и поступающей водой, а также визуально контролировать и регулировать пропускную способность каждого потребителя. Важно то, что такое устройство не дает возможности превысить заданное давление в котле и в агрегатах-потребителях и делает всю систему циркуляции теплоносителя проточной. Давление и температура теплоносителя контролируются при помощи приборов, установленных на верхней части котла-газогенератора. Предусмотрены все технологические и аварийные варианты защиты установки, в частности, переход на самоциркуляцию «котел — бак — котел» и на естественную тягу, останавливающую активный пиролиз. Температурный режим сжигания и теплообмена регулируется и управляется в комплексе одним микропроцессором.
Пути совершенствования найденного решения
По специфике своей работы нам приходится активно общаться с представителями деревообрабатывающих предприятий практически по всей Украине. При этом мы не упускаем возможности поинтересоваться установками, работающими на аналогичном топливе — древесных отходах. Заметим, что увидеть у них что-то более эффективное и перспективное, чем наша разработка, пока не удалось. Это означает, что, совершенствуя технологию сжигания пиролизных газов, мы находимся на правильном пути. Наши установки работают в разных регионах Украины. И практически везде на них применяется схожее, хотя и различное по энергоемкости, влажности и фракции топливо, требующее индивидуальных изменений в конструкции установки. Поэтому мы тщательно анализируем и учитываем все предложения и пожелания пользователей, обобщая и внедряя их в новых конструкциях.
Стоимость 1 кВт энергии на сегодняшний день составляет около 100 грн, при условии, что конструкция выполнена из рядовых марок стали (при максимальном расходе топлива до 2 т в сутки на 1000 кВт на максимальной мощности). Но многолетний опыт работы с газогенераторами-регенераторами показал, что возможности управляемого пиролиза этим не ограничиваются. Если применить более дорогостоящие металлы и сплавы в отдельных узлах и агрегатах, то без значительных изменений конструкции и габаритов можно увеличить мощность более чем вдвое, при том что расход топлива увеличивается всего на 30–40%. Себестоимость 1 кВт тепловой энергии снизится до 60 грн, но первоначальная стоимость установки при этом повысится на 60%.
ООО «Гермес», г. Донецк
тел.: +380 (62) 348 24 01, +380 (50) 625 99 20
