Химия твердого топлива, 2019, № 5, стр. 33-38

ВВЕДЕНИЕ

Энергия, выделяющаяся в процессе горения твердых топлив, таких как угли и древесная биомасса, в основном используется для производства тепловой и электрической энергии. Широкое использование углей и древесного топлива в значительной степени объясняется их сравнительно низкой стоимостью и доступностью. Во многих теплогенерирующих установках используются различные угли – от лигнита, наиболее “молодого” бурого угля низкого качества, до антрацитов. Горению угольного топлива уделяется большое внимание, оно достаточно детально рассмотрено во многих публикациях, в том числе с использованием методов численного моделирования [1–5].

Установки, использующие в качестве топлива биомассу, также рассмотрены в технической литературе, причем большое количество работ посвящено исследованию процессов, протекающих в топках с кипящим слоем, а также в топочных камерах, оборудованных наклонно-переталкивающими решетками. При этом наряду с вопросами горения, теплообмена, аэродинамики и загрязнения поверхностей нагрева рассматриваются вопросы образования вредных газообразных и твердых ингредиентов, включая сажевые [6–8].

Для моделирования процессов, протекающих с топливом в камере сгорания теплогенерирующей установки, используется реактор скоростного нагрева. Конструкция данной лабораторной установки позволяет обеспечить высокий температурный уровень и состав газовой среды, характерный для топочных камер промышленных теплогенерирующих установок [9–13]. Вопросы моделирования горения угольного топлива в реакторе скоростного нагрева детально рассмотрены в работах [14, 15]. В работах [16, 17] представлены результаты исследования кинетики процесса газификации угля, образования сажевых частиц и формирования золы, а также пиролиза угольного топлива в различных средах.

Для уменьшения антропогенного влияния теплогенерирующих установок на окружающую среду необходимо разрабатывать новые технологии сжигания угольного топлива, а также топливные композиции, в качестве основных горючих компонентов в которых будут твердые топлива, являющиеся углерод нейтральными и не вызывающими выбросы парниковых газов.

Торф формируется на промежуточной стадии процесса минерализации от биомассы к угольному топливу, занимает промежуточное место между возобновляемыми и невозобновляемыми источниками энергии и относится к медленно возобновляющимся топливам, так как период его восстановления на месте добычи превышает 200 лет. Однако потребление торфа в РФ намного отстает от его ежегодного естественного прироста, что позволяет в данных условиях рассматривать торф как возобновляемый источник энергии. В качестве топлива могут использоваться верховые, переходные и низинные залежи торфа.

Торф имеет много экономических и экологических преимуществ, таких как низкое содержание серы и золы, минимальное содержание ртути, а его низшая теплота сгорания на горючую массу близка к бурому углю. Следует отметить, что торф – более дешевый вид топлива, по сравнению с мазутом и природным газом, и его цена сопоставима с древесными биотопливами.

Среди полезных ископаемых в нашей стране значительная роль принадлежит торфяным месторождениям, распространенным практически на всей территории.

По данным [18], наибольшее количество запасов торфа категорий А + В + С₁ – 6.9 млрд т (36.2% от запасов РФ) разведано в Северо-Западном федеральном округе при существующей степени заторфованности 5–10%. При этом общее количество месторождений в данном округе составляет 18 912. Из всех регионов, входящих в состав Северо-Западного федерального округа, Архангельская область обладает самыми большими запасами торфа, которые при 40%-ной влажности составляют 1.1 млрд т. Кроме того, 23.7 млрд т отнесены в ранг прогнозных ресурсов, перспективных для дальнейшего освоения в случае их подтверждения соответствующими геологоразведочными работами. Открытие всех месторождений и проявлений торфа Архангельской области непосредственно связано с периодом массового использования торфа в качестве топливного ресурса.

Торфяные ресурсы признаны уникальным природным потенциалом органического происхождения, влияющим на повышение жизненного уровня людей. Это энергетический, промышленный и агрохимический ресурс, необходимый как в становлении энергетики и промышленности, так и в повышении продуктивности сельского хозяйства. С развитием науки он становится надежным источником для биотехнологии, здравоохранения и т.д.

В современной литературе имеются работы, посвященные изучению процесса горения торфа, однако в основном в них представлены исследования по естественному тлению торфа [19–22] или результаты совместного сжигания торфяного и древесного топлив [23] в топочных устройствах различного конструктивного исполнения и реализованными способами сжигания [24].

Одно из эффективных направлений использования торфа – его применение в энергетике в качестве топлива.

Цель данной работы – исследование термического разложения торфа в реакторе скоростного нагрева при условиях, характерных для низкотемпературных топочных камер промышленных теплогенерирующих установок, и последующее изучение горения торфяного термоугля на синхронном термоанализаторе при динамическом нагреве.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Термогравиметрический анализ. Отбор проб торфа был выполнен в Мезенском районе Архангельской области. Данный район располагает очень большими запасами торфа (более 500 млн т), тем не менее в его топливно-энергетическом балансе в настоящее время доминирует дорогостоящий завозной уголь, доля которого составляет более 96%. Для замещения дорогостоящих углей необходимо выполнить комплекс исследований для торфяных залежей Мезенского района, в том числе теплотехнических и термогравиметрических.

Термогравиметрический (ТГ) анализ проводился в синхронном термоанализаторе компании TA Instruments Q500 device. Испытуемые образцы торфа массой около 10 мг помещались в алюминиевые тигли и нагревались до 700°C при постоянной скорости нагрева 5°C/мин в воздушной и инертной средах. Образцы термоугля, собранные в процессе изучения пиролиза частиц торфа в реакторе скоростного нагрева, исследовались только в воздушной среде. ТГ- и дифференциально-термогравиметрические (ДТГ) кривые записывались в течение всего процесса нагрева.

Влажность, зольность, содержание летучих веществ в исследуемых пробах торфа и полученном термоугле определялись по стандартным методикам. Результаты, полученные при использовании стандартных методик (таблица), сравнивались с данными термогравиметрических исследований. Для определения удельной теплоты сгорания испытуемых образцов использовался калориметр IKA C 2000 Basic version 2.

Реактор скоростного нагрева. Схема реактора скоростного нагрева, разработанного в лаборатории управления рисками и защиты окружающей среды (Университет Верхнего Эльзаса), представлена на рис. 1. Он состоит из трех основных частей: системы подачи топлива, зоны реакции и системы сбора продуктов термического разложения и горения. Реакционная зона выполнена из алюминиево-кремниевой трубы с внутренним диаметром 70 и внешним диаметром 80 мм. Она нагревается с помощью электрической печи фирмы Nabertherm RHTV 80/1000/17s и состоит из пяти зон нагрева с суммарной длиной 1 м. Максимальная мощность печи и температура нагрева составляют, соответственно, 17.1 кВт и 1600°C. Эксперименты с торфом проводились при температуре 800°C и различной продолжительности пребывания в реакторе. Время пребывания регулировалось изменением высоты реакционной зоны реактора. Размер частиц торфа, вводимых в реактор, составлял 0.20–0.25 мм. Методика расчета скорости нагрева топливных частиц подробно изложена в [15], при проведении данных исследований она составляла от 10⁴ до 10⁵°C/с.

Рис. 1.

Реактор скоростного нагрева.

Система подачи топлива, состоящая из шприца, насоса и вращающейся щетки, расположена над верхней частью печи, что обеспечивает равномерную подачу мелкоразмолотого топлива с массовым расходом от 1 до 20 г/ч в течку. В шприц помещался образец гидролизного лигнина массой 6 г. Внутренний диаметр течки составляет 8 мм, а наружный – 18 мм. Для исключения термических воздействий на частицы торфа, до их поступления в реакционную камеру, течка оборудована системой водяного охлаждения.

Величина реакционной зоны, через которую пролетают частицы при их падении, определяется расстоянием от выходного сечения течки до входного участка трубы-ловушки пробоотборника, расположенного в нижней части реакционной камеры. Высота расположения трубы-ловушки регулируется, она имеет внутренний диаметр 16 мм, наружный 30 мм и оснащена системой водяного охлаждения. При проведении экспериментов высота реакционной зоны изменялась в диапазоне от 17 до 40 см при температуре нагрева 800°C. Данная температура была выбрана исходя из двух соображений:

– она обеспечивает практически полный выход летучих веществ за сравнительно короткий промежуток времени и возможность детального описания данного процесса,

– она характерна для многих зон промышленных установок, в которых реализованы низкотемпературные технологии сжигания топлив.

Термоуголь пиролиза торфяного топлива при проведении эксперимента попадает в коллектор сбора твердых продуктов реакции, который находится в нижней части трубы-ловушки. Быстрое охлаждение продуктов, поступающих в пробоотборник, позволяет избежать последующих реакций. Вертикальное расположение трубы-ловушки пробоотборника упрощает изменение высоты реакционной камеры и, соответственно, времени пребывания топливных частиц в зоне высоких температур при обеспечении их равномерного распределения по сечению реактора. Собранные образцы термоугля исследовались в синхронном термоанализаторе.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Медленный пиролиз и горение торфяного топлива. ТГ- и ДТГ-анализы часто используются для изучения процесса медленного пиролиза и горения при динамическом нагреве для моделирования температурного уровня и процесса потери массы с высокой точностью. ТГ- и ДТГ-кривые для образцов исходного торфа представлены на рис. 2.

Рис. 2.

ТГ- (а) и ДТГ- кривые (б) торфяного топлива. Кривая 1 – ТГ-кривая в воздушной среде, кривая 2 – ТГ -кривая в инертной среде.

Процесс пиролиза и горения торфяного топлива при динамическом нагреве со скоростью 5°C/мин начинается довольно рано и заканчивается в диапазоне температур 500–570°C (рис. 2). Так как торф в основном состоит из органических компонентов (лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы), его термические свойства хорошо сочетаются со свойствами древесной биомассы, прежде всего с древесиной хвойных пород: ели и сосны. Основные отличия заключаются в том, что у торфа процесс пиролиза протекает в более широком температурном диапазоне, при этом наблюдаются две точки экстремума при температурах 277 и 320°C (рис. 2). Кроме того, зольность торфа имеет более высокие значения, чем древесина и ее кора.

На ДТГ-кривой для процесса горения торфа наблюдаются два ярко выраженных пика (без учета пика сушки). Первый, с максимумом при температуре 293°C, характеризует процесс выхода и горения летучих веществ, второй, с максимумом при температуре 405°C, соответствует процессу горения углеродной основы топлива. Для процесса горения древесины на ДТГ-кривой также имеются два характерных пика, однако первый значительно превышает второй [25]. Ближе всего к торфу форма ДТГ-кривой у коры ели. Подробный сравнительный анализ ТГ- и ДТГ-исследований древесных топлив и углей разных месторождений приведен в работе [25], полученные результаты термогравиметрических исследований по торфу с низкой степенью разложения подтверждают промежуточное положение торфа между древесно-растительными остатками и бурым углем.

Изотермический процесс пиролиза торфа в реакторе скоростного нагрева. При проведении экспериментов в реакторе скоростного нагрева температура составляла 800°C.

Степень выхода летучих веществ от времени пребывания частиц торфа в реакционной камере, заполненной азотом, представлена на рис. 3. При определении времени пребывания частиц торфа в реакционной камере в зависимости от ее высоты использовались математические зависимости, полученные в [12]. Таким образом, ось абсцисс рис. 3 характеризует время пребывания частиц торфа в реакционной зоне при изменении ее высоты от 17 до 40 см.

Рис. 3.

Степень выхода летучих веществ из частиц торфа в зависимости от времени пребывания в реакторе скоростного нагрева.

Как показали эксперименты, степень выхода летучих веществ в среде азота возрастает с увеличением времени пребывания частиц торфа в реакционной зоне установки. Для заданного времени пребывания частиц торфа в реакторе степень выхода летучих веществ возрастает с увеличением температуры. Практически полный выход летучих веществ достигается для торфяного топлива с начальным размером частиц 0.20–0.25 мм при времени пребывания в реакционной камере 450 мс. Это значение достигается при высоте реакционной камеры 40 см. Максимальная степень выхода летучих веществ для торфа Мезенского месторождения составила около 79% (на сухую беззольную массу).

ТГ- и ДТГ-анализы образцов термоугля, полученного из торфа. Термоугли торфяного топлива, собранные в реакторе скоростного нагрева при разной продолжительности пребывания торфа в реакционной зоне с температурой 800°C, были проанализированы в синхронном термоанализаторе в воздушной среде. ТГ- и ДТГ-кривые представлены на рис. 4.

Рис. 4.

ДТГ- (а) и ТГ-кривые (б) для термоугля, полученного в процессе изотермического пиролиза торфа при 800°C. Кривая 1 – время выдержки 150, 2 – время выдержки 250, 3 – время выдержки 330, 4 – время выдержки 450 мс.

Выполненные эксперименты показали, что термоугли, прошедшие более длительную термическую обработку, воспламеняются при более высоких температурах, при этом с увеличением продолжительности термической обработки величина первого пика, характерного для процесса воспламенения и горения летучих, уменьшается, а при времени выдержки 450 мс он практически отсутствует (рис. 4,а). Для второго пика, характерного для процесса воспламенения и горения коксового остатка, наблюдается обратная картина. С увеличением продолжительности термической обработки частиц торфа в инертной среде величина данного пика увеличивается (рис. 4,а), возрастает, естественно, и зольность испытуемого термоугля (рис. 4,б). Необходимо отметить, что для термоугля температурный и временной интервалы процесса горения увеличиваются по сравнению с исходным торфом. Температуры, характерные максимуму первого пика (рис. 4,а) с увеличением времени термообработки торфа увеличиваются, а для второго пика – уменьшаются. Данный факт свидетельствует о том, что с увеличением продолжительности высокотемпературной обработки торфа в инертной среде реакционные свойства термоугля увеличиваются, что повышает скорость его выгорания. Чем меньше содержание летучих веществ в термоугле, тем больше сходство ДТГ-зависимостей, полученных при горении термоуглей и каменных углей.

ВЫВОДЫ

Процесс пиролиза и горения торфяного топлива при динамическом нагреве со скоростью 5°C/мин начинается при 200–220°C и заканчивается в диапазоне температур 500–570°C. Так как торф в основном состоит из органических компонентов, его термические свойства хорошо сочетаются со свойствами древесной биомассы, прежде всего с древесиной хвойных пород (ели и сосны). Основные отличия заключаются в том, что у торфа процесс пиролиза протекает в более широком температурном диапазоне, при этом наблюдаются две точки экстремума при температурах 277 и 320°C. На ДТГ-кривой для процесса горения торфа наблюдаются два ярко выраженных пика. Первый, с максимумом при температуре 293°C, характеризует процесс выхода и горения летучих веществ, второй, с максимумом при температуре 405°C, соответствует процессу горения углеродной основы топлива. При горении древесины на ДТГ-кривой также имеются два пика, при этом первый значительно превышает второй. Ближе всего к торфу форма ДТГ- кривой у коры ели. Результаты термогравиметрических исследований торфа подтверждают его промежуточное положение между древесно-растительными остатками и бурым углем.

Получена экспериментальная зависимость степени выхода летучих веществ из частиц торфа от времени пребывания в реакторе скоростного нагрева. Для достижения практически полного выхода летучих веществ из частиц размером 0.20–0.25 мм достаточно 450 мс. Полученные результаты позволяют прогнозировать характер процессов, протекающих в низкотемпературных топочных камерах промышленных теплогенерирующих установок, где температурный уровень близок к исследованному.

Термогравиметрические исследования термоуглей, полученных при пиролизе торфа в реакторе скоростного нагрева, показали, что термоугли, прошедшие более длительную термическую обработку, воспламеняются при более высоких температурах, при этом с увеличением продолжительности термообработки величина первого пика, характерного для процесса воспламенения и горения летучих, уменьшается, а при времени выдержки 450 мс он практически отсутствует. Для второго пика, характерного для процесса воспламенения и горения коксового остатка, наблюдается обратная картина. Для термоугля температурный и временной интервалы процесса горения увеличиваются по сравнению с исходным торфом. Температуры, характерные максимуму первого пика, с увеличением времени термообработки торфа повышаются, а для второго пика – уменьшаются. Это свидетельствует о том, что с увеличением продолжительности высокотемпературной обработки торфа в инертной среде, реакционные свойства термоугля увеличиваются, что повышает скорость его выгорания. Чем меньше содержание летучих веществ в термоугле, тем ближе форма ДТГ-зависимостей, полученных при горении термоуглей и каменных углей.