«Горение жидких композитных топлив в плазме СВЧ разряда»

Кожевников Ю.А., к.т.н., Егоров Ю.М., Сербин В.В., Чижиков А.Г., к.т.н.,
Чирков В.Г., к.т.н., Щекочихин Ю.М., д.х.н.
ВИЭСХ ФАНО России
ПЛАЗМО-ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УТИЛИЗАЦИИ БИОТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ
Ключевые слова: котельные топлива, плазма СВЧ разряда, теория горения,
экспериментальная установка, эффективность.
Для агропромышленного комплекса России важной проблемой является
утилизация отходов растениеводства и животноводства. Преимущественно они
вывозятся с полей и территорий ферм, подвергаясь несанкционированному хранению.
Это приводит к окислению почв, отчуждению сельскохозяйственных земель (более 2
млн. га сельскохозяйственных земель используются для хранения навоза), загрязнению
грунтовых вод и выбросам в атмосферу парниковых газов.
Отходы АПК являются существенным энергетическим ресурсом, из них могут
быть получены биогаз, твердые и жидкие биотоплива. Развитие биоэнергетики
позволит не только решить проблему утилизации отходов, но и обеспечить с.-х.
предприятия собственной тепловой и электрической энергией.
Регионы
с
развитым
сельским
хозяйством
(Белгородская
область,
Краснодарский, Алтайский края и др.) и высокой концентрацией ресурсов для
производства «зеленой» энергии являются энергодефицитными, с энергоснабжением
сельхозтоваропроизводителей
сельскохозяйственных
по
регионах
остаточному
только
принципу.
37%
крупных
Во
и
всех
средних
сельхозпроизводителей имеют доступ к сетевому газу.
Ежегодный объем органических отходов, образующихся во всех регионах
России, составляет почти 700 млн. тонн. Из них 20% составляют отходы
животноводства
и
птицеводства,
58%
-
растениеводства,
7,9%
отходы
-
перерабатывающей промышленности, 11,9% - ТБО и 1,2% - осадки сточных вод.
На
основе
учета
разнообразных
физико-химических
свойств
сельскохозяйственных отходов представляется возможным создать универсальную
технологию производства биотоплив с последующим получением из них тепловой и
электрической энергии.
1
Плазмохимические технологии, применяемые для утилизации отходов добычи и
переработки нефти (нефтяные и буровые шламы, нефтезагрязненные грунты,
водноорганические стоки и т.п.) с получением безвредных твердых и газообразных
продуктов, могут быть использованы и для сельскохозяйственных отходов.
Известны публикации по разработке устройств, использующих плазму СВЧ
разряда для сжигания низкокалорийных топлив с позиций классической теории горения
[1-5]. По данным экспериментальных исследований, электрические свойства пламени
можно эффективно использовать для контроля и управления процессом горения.
Работа проведена с целью установления закономерностей влияния СВЧ поля на
макроскопические характеристики горения композитных биотоплив.
Основными задачами являлись:
- разработка схемы наложения СВЧ поля на пламя, обеспечивающее его
оптимальное воздействие в различных условиях;
- экспериментальное исследование особенностей воздействия специально
организованных внешних полей на процесс горения композитных биотоплив;
- разработка способа управления процессом горения композитных биотоплив на
основе изучения особенностей влияния СВЧ поля на процесс горения.
В начале ХХ века Дж. Дж. Томсон [6], открывший электрон, высказал гипотезу:
в пламени возникают электроны, и именно они, особенно самые энергичные, являются
«виновниками» распространения пламени, выполняя роль передатчиков энергии.
Открытое в начале пятидесятых годов ХХ века Х. Калькоттом и Г. С. Аравиным
явление хемоионизации в пламени углеводородов, когда концентрация заряженных
частиц оказывается на 4-5 порядков выше термодинамически равновесной, привело к
появлению огромного числа работ, посвященных изучению механизма этого явления и
идентификации образующихся носителей заряда.
Основными механизмами влияния плазмы СВЧ разряда на процессы горения
углеродсодержащих веществ, являются возникающие при электро-гидродинамическом
воздействии (электромеханические, электростатические, кулоновские взаимодействия
и т. п.) могут эффективно менять гидродинамические характеристики течения горючей
смеси в объеме камеры сгорания, изменяя форму и площадь поверхности пламени,
скорость распространения фронта пламени без изменения средней скорости горения.
Этот механизм наиболее существенен при горении дисперсных систем (суспензионные
и композитные, в частности, пылеугольные топлива), так как суммарная величина
массовых электрических сил тем больше, чем больше масса носителей заряда. Если
2
таким носителем является частица, масса которой на много порядков превышает массу
самого тяжелого иона, то, естественно, и эффект воздействия будет намного выше.
Тепловой и кинетический механизмы играют существенную роль, когда пламя
характеризуется разрядом в СВЧ диапазоне. В этом случае непосредственно в зоне
горения создается напряженность поля, достаточная для эффективной джоулевой
диссипации энергии. Кроме того, при электрическом разряде плазма генерируется не
только за счет выделения энергии химических реакций горения, но и вследствие
ионизации газообразных продуктов под действием электрического поля во всем
рабочем объеме камеры сгорания.
Воспламенение в условиях образующейся СВЧ плазмы определяется не только
тепловой энергией, рассеиваемой в разряде, но и высокоэнергетическими электронами,
которые могут служить инициаторами разветвленных цепных реакций. Существенную
роль такие процессы могут иметь при переходе горения в детонацию в аэродисперсных
средах (например, пылеугольно-воздушная смесь).
Традиционной технологией использования топлив в энергетике является прямое
сжигание топливных смесей в факеле. При этом для розжига и стабилизации процесса
горения,
прежде
всего
низкокалорийных
гидротоплив,
высокозольных
и
низкореакционных углей, водо-угольных топлив, используют значительное количество
(до 20% и более) высококалорийного топлива (природный газ или топочный мазут)
[2,3]. Применение СВЧ плазменной технологии дает возможность отказаться от
использования подсветки с повышением полноты сгорания низкокалорийного топлива
и, соответственно, уменьшением выброса токсичных и канцерогенных веществ с
дымовыми газами.
Рассмотренные аспекты влияния СВЧ плазмы на горение композитных топлив
проанализированы и учтены сотрудниками лаборатории биотоплива ФГБНУ ВИЭСХ
(г. Москва) при создании опытных образцов СВЧ горелок.
Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о существенном
повышении интенсивности горения обводненных низкокалорийных топлив, в том
числе композитных биотоплив, при воздействии СВЧ поля. СВЧ плазма инициирует
интенсивное горение топливных смесей даже при относительно малых временах
взаимодействия (0,5-5 с) гомогенизированных топливных смесей с плазменным
факелом. Композитные топлива [4] (навозная жижа + водомазутная эмульсия; навозная
жижа + торф + вода + водомазутная эмульсия; обводненный торф + водомазутная
эмульсия) после воспламенения горят ровным пламенем, подобно традиционным
углеводородным топливам, что может быть объяснено большим количеством летучих
3
веществ, выделяющихся в результате активизированных СВЧ полем цепных реакций,
развивающихся в топочной камере,. Общая схема экспериментальной установки
изображена на рис. 1.
4
1
8
7
7
2
3
5
6
1
1-СВЧ-горелка;
2-форсунка;
3-камера
сгорания;
5-блок
питания
магнетронов;
6-газоанализатор
7-датчики температуры; 8- блок индикации температуры
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки.
4-котел
ТГ-1,5;
«TESTO-350S»;
Исследования показали, что для экономичного и надежного сжигания
композитных топлив необходимо хорошее качество распыления, использование
специальной горелки, запальника, подогревателя и топливного насоса. Для распыления
композитных топлив применен механический способ, который имеет при работе с
высоковязкими топливными смесями некоторые преимущества [7]:
– высокое качество распыления (модельные образцы с кинематической
вязкостью композитного топлива - макс. 45 мм2/с);
– не требует предварительного нагрева до высоких температур перед
распылением;
– не требуется высокая пропускная способность (большие внутренние
диаметры) трубопроводов, регулирующей и запорной арматуры, распылительной
форсунки, фильтров тонкой очистки.
При сжигании жидкого топлива процессу горения предшествует испарение
горючего вещества с поверхности капель, далее начинается процесс горения
гомогенной смеси паров топлива в воздухе. Скорость горения жидкого топлива
определяется скоростью его испарения с поверхности капель. Основное требование при
подготовке жидкого топлива к сжиганию - обеспечение дисперсности распыляемой
смеси.
Распыленные
частицы
(размером
4
несколько
микрон)
прогреваются,
воспламеняются и сгорают значительно быстрее во фронте факела, чем крупные
частицы размером сотни микрон.
При комбинированном исполнении СВЧ горелок наряду с композитными
топливами могут сжигаться пищевые отходы, растительные жиры, дизельное топливо,
мазут, природный газ, биогаз и др. топлива. Основные характеристики «модельного»
композитного топлива, сжигаемого в плазме СВЧ горелок для определения
возможностей установки:
– теплота сгорания ~ 12-15 (10%) МДж/кг;
– вязкость < 45 мм2/с;
– количество механических примесей < 0,2 масс. %;
– размер механических примесей < 150 мкм;
– обводненность - 25-30 масс. %;
– зольность < 0,19 масс. %;
При исследовании горения композитных топлив и гидротоплив отмечено
незначительное замедление воспламенения топливных смесей при подаче «холодного»
воздуха температурой 10-20 оC по сравнению с подачей предварительно нагретого
воздуха температурой 50-80 оC. Удельный расход электроэнергии на воспламенение
составляет 0,09 -0,10 кВтч/кг.
Можно отметить, что основой СВЧ-плазменной технологии является повышение
реакционной способности и эффективности сжигания композитной смеси как
следствие физико-химических превращений горючих компонентов и окислителя. Они
представляют совокупность следующих процессов: нагрев воздушно-жидкостной
смеси до температуры деструкции; деструкцию твердых частиц биомассы с
выделением летучих; газофазные реакции летучих и окислителя; нагрев зольного
остатка и горение с газовой фазой. Этапы горения композитного топлива представлены
на рис. 2-6.
Рисунок 2. Поджиг СВЧ-свечи.
5
Рисунок 3. Начальная стадия горения (поджиг композитного топлива).
Рисунок 4. Развитие стадии горения (воспламенение композитного топлива).
Рисунок 5. Горение композитного топлива
Рисунок 6. Завершение реакции горения композитного топлива.
Основные преимущества СВЧ-плазменного сжигания перед традиционным
факельным следующие:
6
– дисперсия углеводных остатков биомассы за счет эффекта газификации в зоне
СВЧ-плазмы;
– увеличение скоростей реакции окисления и газификации композитных
составов;
– снижение механического недожога;
– снижение уровней выбросов с дымовыми газами оксидов серы и азота,
тяжелых металлов и канцерогенных углеводородов при безмазутной растопке и
подсветке факела в котлах теплогенераторов.
Применение СВЧ-плазмы для горения композитных топлив позволяет добиться
важных для теплоэнергетики эффектов: экономический (снижение затрат на подсветку
и растопку котла); топливный (использование низкореакционных и высоковлажных
композитных топлив и снижение механического недожога); экологический (снижение
выбросов оксида азота и серы, тяжелых металлов и канцерогенных углеводородов).
Список литературы
1. Буров В. Ф., Стрижко Ю. В. СВЧ-плазмотрон со свободно парящим
плазмоидом // Горение твердого топлива. – Новосибирск: Изд-во Ин-т теплофизики СО
РАН, 2006. - С.103-109.
2. Систер В. Г., Иванникова Е. М., Кожевников Ю. А., Чирков В. Г. Модульный
технологический комплекс для приготовления котельного композитного биотоплива. //
Альтернативная энергетика и экология. ISJAEE 05. 2013 (2 ч.). - С. 23-25.
3. Кнорре Г. Ф., Арефьев К. М., Блох А. Г., Нахапетян Е. А., Палеев И. И.,
Штейнберг В. П. Теория топочных процессов. – М.: Энергия, 1966.
4. Щекочихин Ю. М., Чижиков А. Г., Чирков В. Г., Кожевников Ю. А.
Разработка новых экологически безопасных и энергоэффективных технологий
получения биотоплива для автономного тепло- и энергоснабжения // Тезисы докладов
Международной
научно-практической
конференции
«Будущее
энергетики:
возможности российско-германского сотрудничества» (в рамках года Германии в
России), 26-27 февраля 2013 года. – М., 2013. - С. 88-95.
5. Патент РФ ПМ №117579 «Гибридная ультразвуковая горелка СВЧ для
поджига
низкокалорийных,
жидких
эмульсионных
и
суспензионных
топлив»
Кожевников Ю. А., Сербин В. В., Егоров Ю. М., Чирков В. Г., Сербина Е. В.,
Кожевников Д. А., Росс М. Ю., Эфендиева Л. Г./ МПК F23K 5/12, F23D 1/04, F23Q 5/00
Бюл. №18, 2012.
7. Tomson J.J., Tomson G.P. Conductivity of electricity through Gases. 1928. - Vol.1.
7
6. Патент РФ ПМ №114753 «Ультразвуковая форсунка для распыливания
жидких котельных биотоплив» Сербин В. В., Кожевников Ю. А., Егоров Ю. М., Чирков
С. В., Росс М. Ю., Кожевников Д. А./ МПК F23D 11/54 Бюл. №10, 2012.
8