Результат интеллектуальной деятельности: Способ сжигания растительных отходов

Способ относится к сжиганию растительных отходов и может быть использован в сельском хозяйстве, пищевой и деревообрабатывающей промышленности.

Известен способ сжигания соломы, спрессованной в рулоны: диаметр - до 1800 мм, длина - до 1450 мм, влажность - не более 25%. Розжиг соломы производится через двери, скорость и температура горения регулируется изменением тяги дымососа и регулировкой клапана подачи воздуха (Шаршунов В.А., Рукшан Л.В. Сушка и хранение зерна. - Минск: Мисанта, 2010. - С. 150-151).

Известный способ не исключает ручного труда, малоинтенсивен и подходит для небольших сушилок.

Известен способ сжигания лузги (подсолнечника, гречки, проса) во взвешенном слое с предварительно загрузкой на колосники твердого топлива и прогревом топочной камеры (Гержой А.П., Самсонов В.Ф. Зерносушение и зерносушилки. - М.: Хлебоиздат, 1958. - С. 138-140). Известный способ по технической сущности наиболее близок к заявленному и принят за прототип.

Недостатком известного способа является то, что он требует наличия колосников, а розжиг твердого топлива в слое существенно затягивает процесс и осложняет использование сушилок, с которым агрегатировано топочное устройство.

Технической задачей изобретения является повышение экономичности розжига с использованием жидкого или газообразного топлива.

Способ сжигания растительных отходов, заключающийся в том, что топочную камеру прогревают высокореакционным топливом, подают и зажигают растительные отходы, а продукты сжигания используют для сушки зерна, согласно изобретению топочную камеру прогревают до температуры по крайней мере не ниже:

где Т₀ - температура воспламенения летучих, °С;

Т_к - конечная температура топочной камеры, °С;

с_ч, с_в - теплоемкость твердого топлива и влаги, кДж/кг⋅°С;

W_н, W_к - начальная и конечная влажность топлива, %;

r - скрытая теплота испарения влаги, кДж/кг;

τ₀ - время зажигания частиц в топке, ч;

ƒ - удельная поверхность частиц твердого топлива, м²/кг;

α - коэффициент теплоотдачи от топочных газов к частицам, Вт/м²⋅°С;

а длительность прогрева обмуровки топочной камеры не менее:

где τ_пр - длительность прогрева обмуровки топочной камеры, ч;

в - толщина прогретой обмуровки топочной камеры, м;

ρ - плотность обмуровки, кг/м³;

с_об - теплоемкость обмуровки, кДж/кг⋅°С;

α' - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке топки, Вт/м²⋅°С;

T_гор, Т_н, Т_к - температура горения высокореакционного топлива, начальная и конечная температура топки, °С.

На фиг. 1 изображено устройство для сжигания растительных отходов.

Способ заключается в том, что подают высокореакционное топливо в течение рассчитанного по формуле времени, контроль осуществляют по температуре Т_к, затем, не останавливая подачу высокореакционного топлива, подают и зажигают твердое топливо, после его воспламенения подачу жидкого топлива отключают, а продукты сжигания твердого топлива используют для сушки зерна.

Устройство включает бункер сырья 1, питатель 2, первичное дутье 3, шнек подачи топлива 4, вторичное дутье 5, подачу высокореакционного топлива 6, фрагмент топочной камеры 7, обмуровка (огнеупорный кирпич) 8, теплоизоляция 9, корпус 10.

Устройство функционирует следующим образом.

Материал загружают в бункер 1, питателем 2 разгружают на шнек 4, с которого осуществляется пневмоподача топлива с первичным дутьем 3 в камеру 7. Большая часть воздуха подается с вторичным дутьем 5, предварительный прогрев камеры 7 осуществляется подачей жидкого или газообразного топлива 6.

Растительные отходы имеют, за небольшим исключением, низкую теплотворную способность (≤12-14 МДж/кг, где - низшая теплота сгорания) и при подаче в холодную камеру 7 топки зажигание не происходит, а если и происходит, то горение неустойчивое.

Это объясняется тем, что топка 7 должна быть прогрета до температуры, соответствующей устойчивому выделению летучих, кроме того, необходим разогрев и испарение влаги из частиц топлива, что снижает температуру в топочной камере 7. Прогрев обмуровки 8 топки 7 может осуществляться как на всю толщину обмуровки 8, так и на ее часть.

Количество теплоты, необходимое для устойчивого воспламенения и горения летучих, выделяющихся из частиц, можно, пренебрегая теплотой их сгорания, записать:

где Q₁ - потери на прогрев сухих частиц до воспламенения, кДж, Q₁=G₀ с_ч ΔT;

G₀ - масса взвешенных частиц, кг;

с_ч - теплоемкость частиц, кДж/кг⋅°С;

ΔT - степень нагрева частиц до уверенного выхода летучих, °С; ΔT=Т₀-Т_н (Т₀ - температура воспламенения летучих; Т_н - начальная температура частиц (топки), °С; для сланцев, например Т₀≈250°С (Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов И.В. Котлы и топки с кипящим слоем. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 298 с.);

Q₂ - потери на нагрев влаги и паров, кДж,

с_в - теплоемкость влаги и паров, кДж/кг⋅°С;

W_н, W_к - начальная и конечная влажность частиц, %;

Q₃ - потери на испарение влаги, кДж, Q₃=G₀ 0,01 W_нr;

r - удельная теплота испарения влаги, кДж/кг.

Подставив величины Q₁, Q₂ и Q₃ в (1), получим:

То же самое количество теплоты можно записать в виде:

где F - поверхность частиц, м²;

α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²⋅°С;

τ₀ - время зажигания частиц в топке, ч;

ΔТ'=Т_к-Т₀.

Приравнивая правые части выражений (2) и (3) относительно Т_к и обращая внимание, что отношение - есть удельная поверхность ƒ (м²/кг), получим:

Из теплового баланса нагрева топочной камеры (Тинькова С.М., Прошкин А.В., Сторожев Ю.И. Задачи по теплотехнике. - Красноярск: Красноярск. гос. академ. цвет. мет. и золота, 1995. - 98 с.) определим время прогрева топки 7 τ_пр:

где G' - масса обмуровки топки, кг;

в - толщина прогретой части обмуровки поточной камеры, м;

с_об - теплоемкость обмуровки, кДж/кг⋅°С;

ρ - плотность обмуровки, кг/м³;

F - поверхность камеры (обмуровки), м²;

Т_гор - температура горения высокореакционного топлива, °С;

Т_н, Т_к - начальная и конечная температура топочной камеры, °С.

Величина в является переменной и определяется после расчета Т_н путем последовательных приближений (Мамыкин П.С., Стролов К.К. Топки, печи и сушилки огнеупорных заводов. - Гос. науч.-техн. изд-во лит. по черной и цветной металлургии: 1950. - 140 с.) для прогретой шамотной обмуровки по:

где в_пр - глубина прогрева обмуровки (в = в_пр), м.

Пример 1. Рассчитаем минимальную температуру прогрева обмуровки 8 топочной камеры 7 при следующих условиях: длительность нахождения (розжига) частицы лузги в топке τ₀=0,004 ч (Голубкович А.В. Топки на растительных отходах. - М: ГНУ ВИМ, 2011. - С. 22); Т_н=20°С; Т₀=250°С; влажность частицы W_н=10%. Примем теплоемкость частиц с_н=0,9 кДж/кг⋅°С; теплоемкость влаги с_в=4,19 кДж/кг⋅°С; r=2,5 МДж/кг; α=35 Вт/м²⋅°С; ƒ=5 м²/кг.

После расчета получим минимальную температуру прогрева обмуровки 8 топочной камеры 7 T_к=477°С.

Пример 2. Рассчитаем минимальную длительность прогрева обмуровки 8 топочной камеры 7.

Примем толщину прогретой части шамотной обмуровки 8 в_пр=0,12 м; плотность ρ=2000 кг/м³; коэффициент теплоотдачи α'=42 Вт/м²⋅°С; теплоемкость с_об=1,46 кДж/кг⋅°С; T_гор=1700°С; T_н=20°С; Т_к=477°С, тогда обмуровка будет прогрета за τ_пр=0,54 ч.

Подставив τ_пр=0,54 ч в (5), получим в=0,31 м. Т.е. при в=0,12 м и τ_пр=0,54 ч обмуровка 8 будет прогрета на глубину более 0,12 м, что обеспечит устойчивую работоспособность устройства на растительных отходах.

Окончательно получим τ_пр=0,54 ч и из конструктивных соображений в=0,25 м.

Реализация способа позволит в 2-3 раза сократить расход высокореакционного топлива на разогрев топки.