Drying grain using solid fuel

Full Text

Введение Рассмотрим особенности использования топки на твердом топливе при периодической сушке: топку последовательно разжигают, прогревают, высушивают партию зерна, разгружают, вновь загружают и высушивают следующую партию зерна, но без розжига и прогрева, а последнюю партию высушивают аккумулированным в топке теплом. Цель исследования Целью исследования является расчет длительности розжига и прогрева топки, допустимой паузы между сушками партий зерна, параметров топки, экспериментальная проверка. Материалы и методы исследования При решении этих задач принимались следующие упрощающиеся допущения, не накладывающие существенных ограничений на расчет параметров, теплофизические характеристики твердой частицы приняты неизменными и нагреваются конвективно, лучистый теплообмен не учитывают в виду сравнительно низкой температуры поверхности топки по окончанию розжига, теплота, выделяемая при сгорании частицы, не учитывается. Так как при обосновании математических моделей расчета был сделан ряд допущений, то были проведены экспериментальные исследования на топочном блоке ТБР-2,0 мощностью 2 МВт. Сушка является одной из основных операций в послеуборочной обработке зерна, от качественной сушки во многом зависит судьба урожая. В хозяйствах распространены как поточная, так и периодическая сушка [1, 2]. На периодической сушке, как правило, используют те же самые сушилки, что и для поточной, или специализированные. Технология этой сушки в сушилках, оснащенных жидкостными или газовыми топками, хорошо отработана и не вызывает затруднений: разжигают топку, циклически высушивают зерно до кондиционной влажности, отключают подачу топлива, циклически охлаждают и разгружают сушилку [3, 4]. При прогреве в обмуровке топки аккумулируется большое количество теплоты, которое может быть частично использовано при сушке следующих партий зерна и полностью в последней, что повысит эффективность процесса. Использованию топок на растительных отходах во многом препятствует неизученность процессов розжига и прогрева топки, которые предшествуют запуску сушилки [5-7]. Исключение периодичности розжига и прогрева позволит повысить безопасность и экономичность процесса. Это обусловлено снижением расхода высокореакционного топлива (ВТ) и исключением необходимости охлаждения обмуровки до безопасной температуры перед розжигом. Проиллюстрируем работу топочного блока мобильной зерносушилки, широко распространенной на примере в сельском хозяйстве России (рис. 1). Работа устройства осуществляется в следующем порядке. Загрузочным средством 12 влажное зерно 18 загружают в сушильную камеру 8, разжигают топку 16 горелкой 4, прогревают, затем включают дозатор 2, дымовые газы при этом отводят в отводную трубу 15. Запускают шнек 10 и осуществляют циркуляцию зерна. После того как зерно достигает кондиционной влажности, подачу топлива прекращают, а высушенное зерно 19 разгружают при помощи средства 13 и охлаждают стационарно в плотном слое (на схеме охладитель не указан). После разгрузки сушилка готова для загрузки новой партии зерна, причем если длительность паузы не затягивается, то повторный розжиг не требуется. Длительность паузы зависит от массы обмуровки (масса огнеупорного кирпича): чем больше масса, тем более длительной допускается пауза. Последняя партия зерна может быть досушена без подачи топлива за счет аккумулированного в обмуровке тепла. Циклическое охлаждение зерна в сушильной камере при периодической работе нецелесообразно, так как топка охлаждается длительное время, а розжиг топки с температурой более 40 °С на жидком топливе не допускается. Физические основы расчета длительности допустимой паузы x а: - потерями тепла в окружающую среду пренебрегаем, так как топочный блок снаружи теплоизолирован; - на момент прекращения подачи топлива обмуровка прогрета, ее температура как по высоте, так и по толщине выровнена; - теплообмен в обмуровке рассматривается как в «термически тонком теле». Длительность охлаждения топки при паузе можно рассчитать из баланса теплоты и изменения энтальпии топочной камеры по формуле [8]: a (T - T0) F dx = G c dT, (1) где a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-°С); G, F - масса обмуровки топки, кг, и ее поверхность, м2; x - длительность, ч; c - теплоемкость обмуровки, кДж/(кг°С); Т, Т0 - текущая температура топки и температура воздуха, °С. (2) Из выражения (1) получим длительность паузы: G С ln T - To a FT2 - TO Температуру Т2 можно записать в виде: Т2 = k Т, где TO - температура начала воспламенения летучих, °С; k - коэффициент; k = 1,1...1,5 и зависит от влажности растительных отходов (РО). Например, для типичных условий сжигания РО при a = 40 Вт/(м2-°С); с = 1,0 кДж/(кг-°С); р = 2000 кг/м3; T0 = 20 °C; T1 = 800 °C; Тв = 250 °С [10]; k = 1,2; T2 = 300 °C; b* = 0,125 м, длительность паузы x, при котором не требуется растопка и прогрев, составит 1,8 ч. Длительность x можно изменять величиной Т . пауза 1 Кроме того, длительность охлаждения можно регулировать изменением скорости воздуха и, соответственно, изменением a, входящим в выражение (3). Графики зависимости x от темпаузы пературы Т1 и условий охлаждения топки при паузе приведены на рис. 2. Сушку последней партии зерна от исходной до кондиционной влажности осуществляют без подачи топлива за счет аккумулированной теплоты в обмуровке топки. Определим массу обмуровки. Для этого запишем тепловой баланс топки при ее охлаждении: (3) где T1, T2 - температура топки на моменты прекращения подачи топлива и воспламенения с устойчивым горением растительных отходов, °С. Выражение (2) можно переписать в виде: a ( P£ in Ti - To W - W_ T - T 100 - W„ где b* - глубина охлаждения обмуровки топки; р - плотность обмуровки топки, кг/м3. xa где a - коэффици- Величину b* можно определить совместным решением выражения (3) с выражением прогрева шамотной стенки b* 10,35 ент температуропроводности (a « 0,002 м2/ч) [9]. хпауза, ч Рис. 2. Зависимость температуры Т. от x : i *> i 1 пауза 1 - охлаждение без продувки; 2, 3 и 4 - с продувкой при a = 10, 20 и 40 Вт/(м2°С) 3 < ш DQ О X 3 < ш DQ О X Приравняв правые части выражений (4) и К0 G3 q G ( 100 - W„ (6) c (TH - Т )ц где k0 - коэффициент усушки зерна. G3 Из выражения (6) вместимость сушилки по зерну составит: ( Gc (Т - То)ц q (7) к 100 - W Исследуем полученные выражения (6) и (7). Для этого построим графики зависимости G3/G от AT, где AT = Т2 - Т'0 (рис. 3). С повышением AT величина G jG возрастает, а также масса обмуровки снижается с понижением q. Для стандартного влагосъема в AW = 6 % (при сушке зерна пшеницы от 20 до 14 %) для современных зерносушилок с q = 4,4 МДж/кг исп. вл. ц = 0,8...0,9 и температурой устойчивого воспламенения летучих не ниже 300-320 °С, масса обмуровки топочного блока - не менее 0,7 его зерновой вместимости. Перед запуском сушилки разжигают и прогревают топку подачей ВТ, частицы низкореакционного топлива (HP) подают в прогретую топочную камеру, после зажигания отключают подачу ВТ. Нагрев частиц инициирует процесс испарения влаги, начинается интенсивный рост температуры, воспламеняются летучие, затем происходит зажигание и горение коксового остатка [11]. 2,5 Ставится задача определить длительность розжига и температуру топки, при которой происходит устойчивое воспламенение и горение твердых частиц. 220 GJG Потери теплоты на сжигание твердого топлива при розжиге можно записать в виде: QL = Q + Q2 + Q3, кДж, (8) где c теплоемгде Q1 - потери на прогрев сухих частиц до воспламенения, кДж (Q1 = G0 сч AT, где G0 - масса взвешенных частиц, кг; сч - теплоемкость частиц, кДж/(кг-°С); AT' - степень нагрева частиц до уверенного выхода летучих, °С ; AT = T 0 - T н; T 0 - температура воспламенения летучих; T н - начальная температура частиц (топки), °С;Н для сланцев Т"0 * 250 °С [10]); Q2 - потери на нагрев влаги и паров, кДж W - W -G0 cB AT' 100 - WK кость влаги и паров, кДж/(кг-°С); W, W - начальная и конечная влажность частиц, %); Q3 - потери на испарение влаги, кДж (Q3 = 0,01 • G0 WH r, где r - удельная теплота испарения влаги, кДж/кг). (9) 0 Потери теплоты по выражению (8) запишем в виде: Qz = G0 f a AT > где f - удельная поверхность частиц, м2/кг; F - поверхность частиц, м2; a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-°С); т0 - время нахождения частиц в топке, ч; AT' = Тк - Т"0 (Т - конечная температура топки при розжиге, °С). ( Приравнивая правые части выражений (8) и (9), получим: + 0,01 W„ r G0 100 - W G0 f a AT' т0 ( c„ AT"+ c„ AT ' J Ar,°C 400 (10) + 0,01 WH r 100 - W. Выражение (10) перепишем в виде: (с, AT' + Св AT') %0 F А Определив величину x0,fи а, например из [5], подставив известные значения Ж (при WE « 0), можно рассчитать TE из выражения (4). ТаЕ ЕаЕ при розжиге глубина ТОПЕИ b* сравнительно не велиЕа, то топЕу можно рассматривать ЕаЕ термичесЕи тонЕое тело и записать тепловой баланс нагрева аналогично выражению (3): (11) Р F а T - 7 где тр - длительность розжига, ч; Т1, Г, ТЕ - топочных газов, начальная и Еонечная температура ТОПЕИ, °С. (12) Выражение (11) перепишем в виде: а in7-7 T - TE Решение (12) можно выполнить, если использовать выражение определяющее глубину прогрева b* из выражения (3). После розжига необходимо для устойчивой работы прогреть обмуровЕу топЕи. В общем случае время прогрева определяется условием достижения фронта температуры противоположной стенЕи: а йрс in T - T На праЕтиЕе прогрев ТОПЕИ занимает достаточно длительное время: таЕ, например, на глубину 0,25 м оно займет примерно 2,4 ч, что необходимо иметь ввиду при организации сушЕи зерна. Длительность прогрева завершается стабилизацией температуры топочных газов на выходе дымососа. Программа и методика исследований ЭЕспериментальные исследования по розжигу и прогреву проведены в топочном блоЕе ТБР-2,0, установленном на БорисоглебсЕом маслозаводе. Для розжига использовали го-релЕу жидЕого топлива мощностью 1,5 МВт. Опыты проводили на лузге подсолнечниЕа с Q = 15 МДЖ/ЕГ; W = 7 %; f = 3,0 М2/ЕГ. При розжиге (подача жидЕого топлива) избытоЕ воздуха аж = 1,05, после розжига подачи РО повышали до ат = 1,2...1,6. Температуру топочных газов на выходе топЕи ограничивали T = 900 ± 20 °С и 1300 ± 20 °С. Производительность топочного устройства по лузге П меняли от 100 до 320 Ег. Замеряли температуру ТОПЕИ (при ВЕЛЮ-ченной и отЕлюченной запальной горелЕе) выше фаЕела и температуру топочных газов на выходе дымососа. Температуру замеряли Еаждые 2-3 мин. По истечении 5, 7, 10, 12 и 15 мин отЕлючали подачу ВТ, вЕлючали подачу НР и наблюдали горение РО и снижение температуры топочных газов в топЕе и на выходе дымососа. При затухании горения отЕлючали подачу РО и снова вЕлючали подачу жидЕого топлива. Момент, Еогда температура топочных газов в топЕе и на выходе дымососа после неЕо-торого падения поднималась и стабильно возрастала, принимали за Еонец розжига. Температуру поверхности топЕи при розжиге замеряли пирометром. Отмечали, при ЕаЕой температуре продолжается или преЕращается горение РО при различном расходе. Время завершения прогрева топЕи определяли по стабилизации температуры топочных газов на выходе из дымососа. Обсуждение результатов На рис. 4 приведены зависимости температуры газов в топЕе Тт и на выходе дымососа Т от времени тр. Испарение влаги, фильтрация паров Е поверхности частицы и охлаждение твердого остатЕа, остающегося после завершения процесса удаления летучих, приводит Е более высоЕой температуре розжига топЕи по сравнению с температурой зажигания летучих. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости использования при анализе условий и хараЕтеристиЕ зажигания РО математичесЕих моделей, учитывающих процессы при сжигании РО в топочной Еамере. Разжигают и прогревают топЕу подачей высоЕореаЕционного (ВТ) топлива, частицы низЕореаЕционного (НР) топлива подают в прогретую топочную Еамеру, после зажигания отЕлючают подачу ВТ. Нагрев частиц инициирует процесс испарения влаги, начинается интенсивный рост температуры, воспламеняются летучие, затем происходит зажигание и горение ЕоЕсового остатЕа. При температуре ТОПЕИ, меньшей ТЕ, розжиг либо не происходит, либо горение неустойчивое и затухает. При Т > Т, несмотря на первоначальное падение температуры топЕи на 3 < ш о X 3 < ш DQ О X 100-200 °С процесс аутермичен, происходит розжиг и прогрев топки. Прогрев топки можно считать законченным, когда температура Тд стабилизируется во времени. Малосущественную роль в ее нагреве играет излучение и горение летучих частиц, так как температура в топочной камере при розжиге сравнительно не высока. Установлено достаточно близкое, с погрешностью не более ±15 %, совпадение длительности розжига x с результатами расчета по выражению (12) при величине П > 150 кг/ч. При этом циркуляционные вихри в топке насыщаются твердой фазой, что обусловливает устойчивое зажигание. Время розжига x имеет куполообразную зависимость от производительности, максимум приходится на диапазон 150 < П < 250 кг/ч. После отключения подачи топлива длительность паузы не должна превышать длительности охлаждения обмуровки до температуры устойчивого воспламенения РО. Заключение Пауза между сушками соседних партий зерна без розжига и прогрева топки определяется временем охлаждения обмуровки до температуры устойчивого воспламенения и горения летучих плюс 150-200 °С в зависимости от влажности твердых частиц РО. Длительность розжига есть функция массы обмуровки топки, ее теплоемкости, температуры топочных газов и коэффициента теплоотдачи. При розжиге жидкого топлива ее длительность -не менее 20 мин. Для высушивания последней партии зерна масса обмуровки топки должна быть не менее 0,7 массы зерна в сушилке. Длительность прогрева завершается стабилизацией температуры топочных газов на выходе дымососа, но составляет не менее 1 часа.

About the authors

A. V Golubkovich

Federal scientific agro-engineering center VIM

Email: vim@vim.ru
DSc in Engineering

S. A Pavlov

Federal scientific agro-engineering center VIM

Email: vim@vim.ru
PhD in Engineering

R. A Marin

Experimental Design Bureau for Heat Generators

A. N Dadyko

Experimental Design Bureau for Heat Generators

References

Supplementary files