ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧНЫХ КОТЕЛЬНЫХ БИОТОПЛИВ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

ENERGY OF BIOMASS

Статья поступила в редакцию 23.01.13. Ред. рег. № 1523 The article has entered in publishing office 23.01.13. Ed. reg. No. 1523

УДК 62-64

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧНЫХ КОТЕЛЬНЫХ БИОТОПЛИВ

А.Г. Чижиков, Ю.А. Кожевников, О.Е. Аладинская

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2 Тел. (499) 171-27-43; e-mail: [email protected], www.viesh.ru

Заключение совета рецензентов 28.01.13 Заключение совета экспертов 04.02.13 Принято к публикации 11.02.13

Рассмотрено приготовление жидкого котельного биотоплива из мазута и органического сырья путем их смешивания методом гидродинамического и акустического воздействия. На разработанном макетном образце проведены лабораторные и производственные эксперименты, подтвердившие эффективность используемого метода: существенно повышается чистота газовых выбросов и снижается потребление мазута при незначительных сроках окупаемости оборудования (до года).

Ключевые слова: мазут, органическое сырье, жидкое котельное биотопливо, смешивание, гидродинамическое и акустическое воздействие, макетный образец, эксперименты, чистота выбросов, эффективность сжигания.

PREPARATION OF ENVIRONMENTALLY FRIENDLY BIOFUEL

FOR BOILER HOUSES

A.G. Chizhikov, Y.A. Kozhevnikov, О.Е. Aladinskaya

All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-27-43; e-mail: [email protected], www.viesh.ru

Referred 28.01.13 Expertise 04.02.13 Accepted 11.02.13

Preparation of liquid biofuel from fuel oil and organic-substance for boilers by mixing them using a method of hydrodynamic and acoustic effect is considered. Laboratory and industrial experiments confirming efficiency of the method used have been carried out at a model bench: purity of the gas emissions was significantly increased and fuel oil consumption was reduced with minor terms of the equipment recoupment (about one year).

Keywords: fuel oil, organic raw materials, liquid biofuel boiler, mixing, hydrodynamic and acoustic impact, model sample, experiments, purity of emissions, combustion efficiency.

Сведения об авторе: кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории технологий биотоплива ГНУ ВИЭСХ

Образование: Московский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (1954).

Область научных интересов: термохимическая конверсия органического и углеводородного сырья

Публикации: 140

Александр Григорьевич Чижиков

Сведения об авторе: научный сотрудник лаборатории технологий биотоплива ГНУ ВИЭСХ Образование: Всесоюзный заочный политехнический институт (1983).

Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, компаундирование топлив.

Публикации: 17

Юрий Александрович Кожевников

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013 © Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Сведения об авторе: аспирант ГНУ ВИЭСХ

Образование: Московский химико-технологический институт (1986). Область научных интересов: оценка качества и химия биотоплив Публикации: 3

Ольга Евгеньевна

Аладинская

Введение

В мировой практике постоянно возрастает производство энергии из источников, альтернативных углеводородным. При этом важнейшим направлением получения тепловой и электрической энергии является использование биомассы и местных видов топлив в естественном или переработанном видах. Общие запасы биомассы, пригодной для энергетического применения, в РФ достаточно высоки и могут быть оценены в 35 млн. т у.т. Для биомассы характерны практически ежегодная возобновляемость и наличие в основных зонах производства товарной сельскохозяйственной продукции.

Возобновляемые источники энергии не только расширяют ресурсы топлив, но и позволяют улучшить экологические характеристики

энергетического оборудования, поскольку проблема экологичности топлив имеет самостоятельное значение в связи с ужесточением требований как к самим топливам, так и продуктам их сгорания.

Решающие факторы применения нетрадиционных возобновляемых источников энергии таковы:

- снижение стоимости энергоносителей и зависимости от поставщиков традиционных видов топлив и электроэнергии;

- уменьшение вредного воздействия на окружающую среду и здоровье людей, в том числе за счет снижения эмиссии углекислого газа, серы и азота в атмосферу, улучшение экологической ситуации в местах производственного использования;

- необходимость хотя бы частичного сохранения запасов нефти и газа для последующих поколений.

Востребованность биомассы подтверждается наблюдаемой тенденцией увеличения доли децентрализованного производства тепловой и электрической энергии в ряде стран мира. Так, по американским данным, в структуре энергоснабжения выгодно иметь до 30...40% децентрализованной электроэнергии. Дания, Нидерланды и Финляндия вырабатывают более 30% децентрализованной энергии от общего объема [1].

В качестве котельного топлива как самостоятельно, так и в смеси с углеводородным, может быть использован широкий спектр

органических и углеводородных материалов: отходы деревообработки (щепа, кора, стружки, опилки и т.п.), сельскохозяйственные отходы (солома, стебли, лузга, неиспользуемые отходы от обработки зерна, навоз, помет и др.), биомасса микроводорослей, горючая часть твердых бытовых отходов, кусковой фрезерный и брикетированный торф, горючие сланцы и бурые угли, отходы различных производств в виде лигнина, целлюлозы, масел и жиров, мазут, отработанные моторные масла, нефтешламы и нефтепески. Большая часть указанных материалов до сего времени утилизируется путем их вывоза на свалку, что приводит к непроизводительным погрузо-разгрузочным и транспортным затратам, а также существенному загрязнению окружающей среды.

Технологии и технические средства приготовления котельных биотоплив

Одним из направлений получения экологичных жидких котельных биотоплив является смешивание органического и углеводородного сырья до получения однородного гомогенизированного состояния. При этом количественное соотношение компонентов определяется их теплотворной способностью, в зависимости от чего выбирается общий расход топлива.

В Европе целенаправленно ведутся поиски путей сокращения потребления невозобновляемых источников энергии и связанных с этим негативных последствий антропогенного воздействия человека на окружающую среду. Это связано с истощением запасов ископаемых энергоисточников и ухудшением климата из-за эмиссии газов. Использование биомассы позволит частично сократить потребление ископаемых энергоносителей и повысить экологическое равновесие. Для осуществления этих мер в Германии принят закон о первостепенности возобновляемых источников энергии и о квоте биогенных горючих материалов, согласно которому была дополнительно введена обязанность примешивать горючее из биомассы (растения, отходы сельского хозяйства) к материалам ископаемого происхождения. В результате в сельской местности было создано около 60 тысяч новых рабочих мест. Во Франции, Венгрии и других странах также приняты законы о производстве и

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

применении возобновляемых источников энергии [2].

В ГНУ ВИЭСХ проведены экспериментальные исследования по приготовлению

гомогенизированных жидких котельных биотоплив. При этом с учетом выполненных ранее работ [3, 4] осуществлялось комбинированное

гидродинамическое и ультразвуковое кавитационное воздействие на смешиваемые топлива. Волновые (в частности, ультразвуковые) технологии

обеспечивают снижение энергозатрат при одновременном повышении производительности и эффективности технологических процессов. При компоновке макетного образца оборудования и приготовлении смесевых топлив реализован принцип двухстадийной обработки многокомпонентных сред: на первой стадии предусмотрено предварительное смешивание компонентов (приготовление грубой суспензии), а на второй - кавитационная обработка в сонохимическом реакторе (приготовление эмульсии).

Разработан макетный образец оборудования с целью установления энергетической и экологической эффективности низкосортных нефтепродуктов в смеси с биомассой микроводорослей и отходами сельскохозяйственного производства. Он предназначен для приготовления композитных ультрадисперсных минерально-органических

биотоплив методами гидродинамической и импульсной волновой обработки в многофазных неоднородных и неравновесных системах. Промышленные котельные установки, работающие на мазутах, применяются на предприятиях энергетического комплекса для производственных отопительных и коммунально-бытовых целей. Например, в Северо-Западном федеральном округе из 4,5 тысяч котельных около 10% работают на жидком топливе [5]. Оборудование мазутных хозяйств котельных не обеспечивает высокое качество влажностно-дисперсионных характеристик мазута при подготовке его к сжиганию: влага неравномерно распределена по объему топлива, ее содержание колеблется от 2 до 9%, размер капель воды составляет 45... 150 мкм. Нестабильность состава топлива перед сжиганием снижает эффективность его использования и надежность работы котлов, повышает уровень выброса вредных веществ с дымовыми газами. На смесевом топливе экологический эффект обеспечивается прежде всего благодаря каталитическим свойствам воды после ее активации, которая присутствует в мазуте и органическом топливе, и при сжигании в виде капель микроскопических размеров повышается

интенсивность теплообменных и окислительных процессов.

В базовую комплектацию макетного образца входят модули предварительной подготовки компонентов биотоплива и их окончательной обработки (рис. 1).

6

5 ¡7

3

Рис. 1. Схема компоновки макетного образца оборудования: 1 - насос; 2 - приемная емкость; 3 - буферная емкость; 4 -модуль предварительной подготовки (насос и ротационно-пульсационный аппарат - РПА); 5 - модуль окончательной обработки (проточный ультразвуковой реактор); 6 - вентиль отбора проб

Fig. 1. Diagram of model sample: 1 - pump; 2 - reception vessel; 3 - buffer tank; 4 - module of preliminary preparation (pump and rotary-ripple machine - RPA); 5 - module of final processing (flow-through ultrasonic reactor);

6 - sampling valve

В макетном образце реализованы технологические преимущества воздействия на компоненты топлива гидродинамической и гидроакустической обработками. Качество композитного биотоплива, в частности эмульсий на водомазутной основе, определяется степенью дисперсности и равномерностью распределения глобул в дисперсионной среде (мазуте). С повышением дисперсности и равномерности улучшается стабильность эмульсии и, следовательно, эффективность и надежность работы горелочных устройств. Так, качественное композитное биотопливо на основе мазута марки 100 должно сохранять свои свойства (прежде всего, вязкость) в течение 24 ч при положительных температурах хранения. Для обеспечения высокой степени дисперсности композитных биотоплив используется принцип создания в обрабатываемой многокомпонентной среде локальных

гидродинамических и гидроакустических полей высокой плотности.

В модуле предварительной подготовки на основе РПА, представляющем собой гидродинамический диспергатор, осуществляется первая фаза гомогенизации многокомпонентной эмульсии. РПА представляет собой многопластинчатый

гидродинамический излучатель, состоящий из погруженных в жидкость прямоугольных щелевых сопел и пластин-препятствий, направленных в сторону потока жидкости. При столкновении сформированного потока жидкости со свободным концом пластины-препятствия в каждой ее точке формируются параметрические резонансные колебания, воздействующие на компоненты среды. При работе излучателя наряду с генерацией звуковых волн наблюдаются и кавитационные явления, которые распространяются на всю зону обработки.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

В модуле окончательной обработки происходит тонкодисперсная гомогенизация эмульсии при использовании ультразвукового воздействия. Кавитационная обработка в ультразвуковом поле является эффективным средством физико-химического воздействия на органические материалы за счет локализации энергии в малых объемах, что способствует протеканию химических реакций, имеющих достаточно высокий активационный барьер.

Можно выделить несколько параметров, обеспечивающих эффективное воздействие ультразвукового поля на органические материалы растительного происхождения: увеличение скорости обтекания и пропитки твердых частиц жидкостью, возрастание коэффициента внутренней диффузии и наличие кавитационного эффекта, влияющего на структуру частиц и приводящего к появлению микротрещин. Под действием ультразвуковых колебаний происходит более быстрое и активное разрушение внутриклеточных тканей растительного сырья, что приводит к интенсификации процесса гомогенизации с получением однородной тонкодисперсной (3.. .10 мкм) топливной эмульсии.

Работа макетного образца полностью независима от технологического оборудования котельной и его технического состояния. При использовании макетного образца на входной трубопровод, снабженный стандартными фланцами, подаются мазут, органические добавки (например, микроводоросли, торф), вода и др. в определенном процентном содержании. Смесь компонентов требуемого состава поступает в насос, а затем в гидродинамический диспергатор модуля

предварительной подготовки. Приготовленная таким образом смесь накапливается в буферной емкости, из которой насосным агрегатом перекачивается в модуль окончательной обработки и последовательно проходит тракты ультразвукового проточного реактора. Через выходной патрубок готовое ультрадисперсное минерально-органическое

биотопливо поступает в расходную емкость мазутного хозяйства котельной. Техническая характеристика макетного образца показана в табл. 1.

Техническая характеристика макетного образца Technical characteristics of the model sample

Таблица 1

Table 1

Параметры образца Размерность Значение

Производительность м3/ч до 10

Рабочее давление МПа до 1,0

Рабочая частота акустических колебаний кГц 22±1,0

Температура - мазут - вода - смесь °С 45...65 10...40 45.65

Установленная мощность кВт 12

Габаритные размеры мм 2100x1100x1300

Масса кг 130

Результаты экспериментов и их обсуждение

На макетном образце приготовлены экспериментальные партии минерально-

органических биотоплив с содержанием воды до 18%. Качество смеси определяли по распределению капель воды в мазуте по размерам путем обработки и сравнения изображений, полученных на оптическом микроскопе МБС-12 (рис. 2). Для каждой серии опытов обрабатывались более 425 капель и строились гистограммы распределения (рис. 3).

Как видно на рис. 3, распределение имеет два максимума для размеров капель 7 и 14 мкм, при этом капли со средним диаметром более 30. 35 мкм в эмульсии практически отсутствуют. Это указывает на высокое качество приготовленных образцов и позволяет прогнозировать хорошую стабильность полученного биотоплива.

Рис. 2. Микрофотография образца смеси мазута с водой Fig. 2. Microphotography of fuel oil mixed with water

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Рис. 3. Гистограмма распределения капель воды в мазуте Fig. 3. Histogram of water drops distribution in fuel oil

Оценку эффективности применения

разработанного макетного образца проводили с учетом процессов, происходящих при сжигании приготовленного топлива в котлоагрегате. Для производственных испытаний макетного образца в агрегате с паровым котлом ДКВР-10/13 в ЗАО «Экономнефтересурс», г. Бугуруслан, Оренбургской обл. была приготовлена опытная партия биотоплива, состоящая из мазута до 60%, отработанного моторного масла (10-12%), биомассы микроводорослей до 10% и воды до 18%. Полученные результаты свидетельствуют о повышении эффективности работы котла на смесевом биотопливе по ряду показателей. При всех режимах сжигания приготовленного биотоплива снижается выброс вредных веществ с дымовыми газами: NO на 6-20%, NO2 на 30-40%, СО в 1,5-3 раза, 8О2 на 10-30%. Более полное сгорание

биотоплива подтверждает отсутствие газов черного цвета на выходе из дымовой трубы.

Замена мазута композитным топливом обеспечивает повышение эффективности сжигания за счет следующих факторов:

- значительно более равномерного распределения воды в топливе (повышение кпд котлоагрегата на 2,0.2,5%);

- возможность более полного сжигания топлива на пониженном дутье (при незначительном избытке воздуха);

- сохранение высокого кпд при работе на режимах, ниже номинальной мощности котлоагрегата;

- работа с незначительным избытком воздуха позволяет понизить температуру точки росы уходящих газов (до 100°С), уменьшить сернокислотную коррозию оборудования и увеличить кпд за счет рекуперации тепла уходящих газов;

- снижение вредных выбросов с дымовыми газами (СО, К0х и 80х, сажи в 2-3,5 раза);

- возможность перехода от паро-механических форсунок к механическим (снижение расхода пара на собственные нужды);

- повышение эффективности и долговечности топочного оборудования.

Количественные характеристики повышения энергетической эффективности котлоагрегата приведены в табл. 2.

Таблица 2

Показатели эффективности работы котлоагрегата, оснащенного макетом приготовления композитного минерально-органического биотоплива

Table 2

Performance indices of boileroperation, equipped with a model sample for composite mineral

and organic biofuels preparation

Показатели эффективности Экономия топлива, %

Высокая степень дисперсности воды в топливе До 2

Уменьшение коэффициента избытка воздуха на 0,1 0,7

Уменьшение температуры уходящих газов на 10°С 0,6

Подогрев питательной воды в водяном экономайзере на 10°С 1,6

Уменьшение температуры питательной воды на входе в водяной экономайзер на 10°С 0,24

Снижение выброса сажи 0,2

Поддержание чистоты теплообменных поверхностей котла до 2

Уменьшение температуры подогрева мазута на 30°С до 1

Замена форсунок парового распыла на механические до 1

Поддержание номинального кпд теплоагрегата при работе на режиме 75% от номинальной мощности 0,7

Потери топлива на испарение воды 0,8

Суммарная экономия топлива до 10 %

Заключение

1. Разработанный и апробированный комплект оборудования для приготовления смесевого жидкого котельного биотоплива из углеводородного и

органического сырья, реализующий

комбинированное гидродинамическое и

ультразвуковое воздействие на компоненты топлив, может быть использован для улучшения работы котельных установок.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

2. Применение комплекта оборудования повышает эффективность работы котельных установок с получением существенного экономического и экологического эффекта: за отопительный сезон можно сэкономить до 10% базового топлива, а срок окупаемости дополнительных затрат на оборудование составляет от нескольких месяцев до одного года в зависимости от объема потребляемого мазута, существенно снижается выброс вредных веществ.

3. Более предпочтительной является технологическая схема питания котельных установок приготовленным биотопливом через промежуточную емкость.

Список литературы

1. Фаворский О.Н. Преодоление проблем энергетики России // Академия энергетики. 2007. № 4 (8). С. 18-21.

2. Шандера Стефан. Сети контактов в сфере биоэнергетики в России и Германии // Сборник научных докладов XVI Международной научно-практической конференции, 20-21 сентября 2011 г., г. Тамбов. С. 316-318.

3. Margulis M.A. Fundamental problems of sonochemistry and cavitation // Ultrasonics and cavitation. V. 1. Issue 2. 1994. P. 87-90.

4. Parag R. Golate, Rajiv K. Tayal, Aniruddha B. Pandit. Cavitation: a technology on the horizon // Current science. V. 31, № 1. July10, 2006. P. 35-46.

5. Селеннов В.Г. и др. Торф в малой энергетике // Академия энергетики. 2009. №1. С. 48-56.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013