Химия твердого топлива, 2019, № 4, стр. 34-39

Развитие современного мирового топливно-энергетического комплекса сопровождается неуклонным ростом использования твердых топлив для производства тепла и электричества. Особое место занимают возобновляемые источники тепловой энергии, к которым относятся торфяное и древесное топлива. В промышленных масштабах производство энергии из твердого топлива, в частности угля и торфа, связано с необходимостью его предварительной обработки для обеспечения транспортировки от мест добычи до мест складирования, хранения и эффективного использования в энергетических установках. Это обуславливает актуальность проведения исследований, направленных на решение задач эффективной обработки топлива после его добычи.

Имеющиеся в литературе публикации указывают на существенное влияние технологии и условий производства торфяного топлива на его характеристики [1–6]. Приведенные в этих работах экспериментальные данные позволяют спрогнозировать свойства спрессованных торфяных брикетов и пеллет в зависимости от давления сжатия, влажности сырья, времени выдержки, типа торфа, его кислотности, дисперсности, зольности и других показателей.

Анализ исследований показывает, что прессование торфяной сушенки позволяет получать топливо высокой плотности (до 1250 кг/м³) и прочности (до 25 МПа при испытании на сжатие), обладая при этом существенным термодинамическим несовершенством, обусловленным высокими затратами энергии при проталкивании сухого торфа через матричный канал, и дополнительно сопровождается потерями летучих углеводородов из поверхностного слоя топлива [7].

Альтернативной технологией изготовления торфяного топлива является формование – процесс уплотнения вязкопластичной торфяной массы повышенной влажности (от 60 до 85%) в результате ее прохождения через матричный канал формующего устройства с последующей сушкой полученного топлива до кондиционного влагосодержания. Процесс характеризуется приданием торфу заданной геометрической формы, например прямоугольной, цилиндрической, сферической, которая определяется способом формования и технологическими особенностями формующего устройства [8–10].

При формовании торфяного топлива применяется механохимическая обработка сырья, заключающаяся в механическом и/или ультразвуковом воздействии на торф при повышенной температуре в присутствии химических реагентов [11, 12]. Полученные результаты показывают, что реализуемое в процессе обработки экстрагирование гуминовых кислот из торфяного сырья позволяет получать связующее, использование которого в качестве добавки при формовании приводит к повышению содержания летучих компонентов и увеличению реакционной способности пеллет по сравнению с топливом, полученным при прессовании на матричном грануляторе [11].

Экспериментальное исследование условий производства торфяных пелет. В качестве сырья для производства пеллет использовали верховой торф пушицево-сфагнового вида Гусевского месторождения Владимирской области РФ со степенью разложения R = 30%. Выбор верхового торфа для проведения исследований обусловлен его низкой зольностью A^d = 3.5% и высокой теплотой сгорания $Q_{{\text{н }}}^{{\text{р }}}$ = 19.3 МДж/кг, которые в совокупности определяют его широкую применимость в теплотехнических устройствах. Гранулометрический состав и средневзвешенный диаметр частиц торфа d_ср, используемого для проведения экспериментов, предварительно определяли по результатам ситового анализа в соответствии с ГОСТ 33162-2014. Рассев проводили на ситах с диаметром 0.25; 0.5; 1; 2; 3; 5 и 10 мм. По результатам серии испытаний d_ср составило 1.7 мм.

На первой стадии исследований были выполнены опыты по формованию торфяной массы с влажностью W = 40–80% и массовой концентрацией связующего M_св = 10–90% на лабораторном экструдере шнекового типа.

Исследования показали, что подготовка к формованию торфяного сырья с относительной влажностью менее 55% характеризуется трудностью равномерного перемешивания со связующим и приводит к образованию поперечных дефектов на поверхности топлива при выходе из матричных каналов. Последнее обуславливает малую плотность и низкие прочностные качества получаемых гранул и брикетов.

Приготовление рабочей смеси торфа и связующего с относительной влажностью более 70% не позволяет обеспечить требуемое давление в камере прессования. Органолептическое исследование пеллет, полученных в отмеченных условиях, выявило их невысокую прочность в сочетании с существенным временем последующей сушки.

Для последующих исследований использовали торфяную массу с концентрацией связующего M_св = 88%, обеспечивающую наилучшие результаты экспериментов с точки зрения прочности пеллет на сжатие. Указанное связующее получено по технологии производства торфяного топлива [12] на основе экстрагирования гуминовых кислот торфа в результате щелочного гидролиза.

Исследование процесса сушки формованного топлива выполнено в лабораторных условиях для четырех наиболее распространенных на практике способов: естественной (атмосферной) сушки, естественно-конвективной сушки воздухом, нагретым до температуры 70–80°С, вынужденно-конвективной сушки воздушным потоком со скоростью V, сушкой СВЧ-излучением. Сушку пеллет осуществляли на металлической сетке. Для вынужденно-конвективной сушки использовался вентилятор мощностью 400 Вт, для естественно-конвективной – термоэлектрический нагреватель мощностью 825 Вт, для сушки СВЧ-излучением – СВЧ-печь мощностью до 0.5 кВт.

В процессе исследований проводили измерения убыли массы гранул, температуры поверхности, скорости воздушного потока (для конвективных способов сушки), влажности и температуры воздуха в лаборатории. Результаты экспериментов приведены на рис. 1, 2.

Рис. 1.

Динамика сушки торфяных пеллет: естественная (атмосферная) сушка (а); вынужденно-конвективная сушка (б): 1 – v = 15 м/с, 2 – v = 10 м/с, 3 – v = 5 м/с.

Рис. 2.

Динамика сушки торфяных пеллет: вынужденно-конвективная сушка нагретым воздухом (а); сушка СВЧ-излучением (б): 1 – мощность СВЧ-излучения 1 кВт/кг, 2 – мощность СВЧ-излучения 4.5 кВт/кг.

Исследования процесса естественной (атмосферной) сушки проводили с торфяными пеллетами диаметром d = 8 мм в вентилируемом помещении с относительной влажностью воздуха 35–40%. Выполненные исследования, представленные на рис. 3,а, позволили установить, что сушка формованных торфяных пеллет при отсутствии внешних воздействий требует значительных временных затрат (рис. 1,а). Достижение кондиционной влажности W = 12–15% исследованных образцов получено через 50 ч.

Рис. 3.

Фотографии торфяных гранул после испытания на одноосное сжатие.

Исследование сушки пеллет при интенсификации процессов массообмена было выполнено в три этапа.

На первом этапе принудительное удаление свободной жидкости из торфяных пеллет и брикетов проходило за счет обдува образцов воздушным потоком комнатной температуры. Эксперименты показали значительную неравномерность влагораспределения в радиальном направлении образцов топлива, что приводило к образованию высушенной наружной поверхности гранул и внутреннего слоя с высоким содержанием влаги. Скорость высыхания пеллет находилась в прямой зависимости от скорости обдуваемого воздушного потока v. Как показали эксперименты, наиболее оптимальной является скорость v =10 м/с, так как дальнейшее увеличение v не приводит к значительному сокращению скорости высыхания, при v > 15 м/с начинается эффект «кипящего слоя», что приводит к повреждению не успевших высохнуть пеллет. Создающийся на поверхности гранул сухой плотный слой затрудняет диффузию жидкости из центра топлива в окружающую среду. При всех значениях v наблюдалось резкое торможение влагоудаления из пеллет при общем значении влагосодержания W = 33–35%, что не позволило получить кондиционное топливо при данном способе сушки. Последующее досушивание полученных образцов в естественных условиях потребовало времени больше, чем сушка пеллет без интенсификации процессов массообмена. Результаты экспериментов представлены графически (на рис. 1,б).

На втором этапе исследований удаление свободной жидкости из торфяных пеллет проводили подогретым воздухом с температурой t = 80–90°С – граничной температурой нагрева торфа, при которой начинается выделение летучих и их потери при сушке. Скорость движения воздушного нагретого потока определяли естественной конвекцией от нагретой поверхности электрических ТЭНов. Процесс характеризовался постоянной скоростью сушки во всем исследованном диапазоне по влажности (рис. 2,а). При достижении необходимой влажности пеллет в данных условиях сушки наблюдали формирование многочисленных дефектов в виде трещин на поверхности топлива, значительно снижающих его механическую прочность.

На третьем этапе исследований процесс сушки проводили при помощи СВЧ-излучения. Исследуемый образец подвергали направленному СВЧ-излучению мощностью 1 и 4.5 кВт/кг. Мощность СВЧ-излучения 4.5 кВт/кг – максимально допустимая, так как приводит к нагреву осушаемых гранул до t = 90°С, что является предельным для начала выделения летучих из торфа. При воздействии СВЧ-излучения происходило повышение температуры внутри образца, что вызывало интенсификацию влагообмена внутри объема пеллет. В сравнении с естественно-конвективной сушкой данный способ показал положительные результаты с точки зрения обеспечения механической прочности получаемых пеллет. Несмотря на относительно высокую температуру осушаемых гранул механические дефекты на поверхности топлива отсутствовали, а высыхание образцов за счет проникающей способности СВЧ-излучения протекало в радиальном направлении от центральных слоев к периферии. Общее время сушки составило 8 и 45 мин для СВЧ-излучения мощностью 1 и 4.5 кВт/кг соответственно.

Для оценки качества пеллет проводили испытания полученных образцов на одноосное сжатие (рис. 3), которые показали, что топливо, высушенное естественным способом, т.е. в наиболее “щадящих” условиях, характеризуется максимальными значениями механической прочности и твердости по сравнению с другими методами осушки. Пеллеты, высушенные путем обдува, отличаются высокой хрупкостью.

Сушка пеллет СВЧ-излучением практически не оказывает влияния на механическую прочность формованного топлива, значение которой по сравнению с естественным способом сушки в среднем ниже на 5–10%.

В результате проведенных исследований определены оптимальные условия приготовления, формования и сушки торфяного топлива, характеризуемого исходной влажностью сырья 55 < W < 70%. Показано, что в совокупности с методом и условиями организации сушки предел прочности торфяных гранул и брикетов закладывается непосредственно на стадии формования продукции, поэтому наиболее эффективный способ производства торфяных пеллет – экструдирование, наиболее эффективный способ сушки торфяных пеллет с точки зрения их прочности и теплофизических характеристик – сушка в естественных условиях.