Помощь студентам в учебе
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ И ПРИРОДООХРАННЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕХНОЛОГИЙ РАБОТЫ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИО-ВОДОУГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОУГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ В ПРОМЫШЛЕННОЙ
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ 18
1.1. Опыт практического применения водоугольных топлив в
теплоэнергетике 19
1.2. Экспериментальные исследования процессов сжигания водоугольных
топлив 27
1.3. Теоретические исследования процессов горения водоугольных топлив .. 33
1.4. Выводы по первой главе 38
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 40
2.1. Подготовка топлив 40
2.2. Основные компоненты био-водоугольных топлив 40
2.3. Методика проведения экспериментов 45
2.4. Выводы по второй главе 48
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОЦЕССОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ БИО-ВОДОУГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ 49
3.1. Влияние степени метаморфизма на процесс зажигания био -
водоугольных топлив 49
3.2. Оценка эффективности использования лесного горючего материала в
качестве добавки, ускоряющей процесс зажигания био -водоугольных топлив 56
3.3. Влияние температуры окислителя и начального размера капель на
условия и характеристики зажигания био-водоугольных топлив 63
3.4. Зажигание био-водоугольных топлив при варьировании концентрации
древесной компоненты 66
3.5. Совместное зажигание водоугольной суспензии и древесной биомассы . 71
3.6. Выводы по третьей главе 77
ГЛАВА 4. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ «ХИМИЧЕСКОЙ»
СТАДИИ ПРОЦЕССА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ 79
4.1. Анализ влияния термохимических характеристик био-водоугольных
суспензий на продолжительность периода развития непосредственно химической реакции 79
4.2. Факторы, влияющие на время полного охвата пламенем частиц био-
водоугольных топлив 84
4.3. Выводы по четвертой главе 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 110
ОБОЗНАЧЕНИЯ 112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 113
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОУГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ В ПРОМЫШЛЕННОЙ
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ 18
1.1. Опыт практического применения водоугольных топлив в
теплоэнергетике 19
1.2. Экспериментальные исследования процессов сжигания водоугольных
топлив 27
1.3. Теоретические исследования процессов горения водоугольных топлив .. 33
1.4. Выводы по первой главе 38
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 40
2.1. Подготовка топлив 40
2.2. Основные компоненты био-водоугольных топлив 40
2.3. Методика проведения экспериментов 45
2.4. Выводы по второй главе 48
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОЦЕССОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ БИО-ВОДОУГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ 49
3.1. Влияние степени метаморфизма на процесс зажигания био -
водоугольных топлив 49
3.2. Оценка эффективности использования лесного горючего материала в
качестве добавки, ускоряющей процесс зажигания био -водоугольных топлив 56
3.3. Влияние температуры окислителя и начального размера капель на
условия и характеристики зажигания био-водоугольных топлив 63
3.4. Зажигание био-водоугольных топлив при варьировании концентрации
древесной компоненты 66
3.5. Совместное зажигание водоугольной суспензии и древесной биомассы . 71
3.6. Выводы по третьей главе 77
ГЛАВА 4. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ «ХИМИЧЕСКОЙ»
СТАДИИ ПРОЦЕССА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ 79
4.1. Анализ влияния термохимических характеристик био-водоугольных
суспензий на продолжительность периода развития непосредственно химической реакции 79
4.2. Факторы, влияющие на время полного охвата пламенем частиц био-
водоугольных топлив 84
4.3. Выводы по четвертой главе 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 110
ОБОЗНАЧЕНИЯ 112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 113
Ежегодное увеличение населения Земли приводит к активному развитию технологий обеспечения необходимого уровня жизни людей в части потребления тепловой энергии. [1-3]. В течении последних десятилетий происходит увеличение производства энергии (Таблица 1) на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и котельных [4, 5], топливо значительной части которых - уголь [5]. Но уголь является самым «грязным» по определению экологов энергоносителем и процесс его сжигания интенсивно загрязняет окружающую среду.
Таблица 1. - Потребление энергии в ряде стран в период с 2008 по 2018 год [4]
Страна Год
Млн. тонн эквивалент нефти 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
США 2258,6 2148,7 2223,3 2204,1 2148,5 2208,0 2221.1 2232,9 2212,7 2222,5 2300,6
Канада 321,5 304,9 312,0 327,2 324,7 337,0 341,8 339,0 338,2 343,7 344,4
Г ермания 335,5 315,1 327,9 316,1 320,5 329,8 316,4 322,5 328,1 333,9 323,9
Польша 97,4 93,9 100,0 100,5 97,5 97,8 94,2 95,2 99,4 103,4 105,2
Турция 100,8 102,2 107,6 115,1 122,3 121,5 125,4 137,2 144,6 152,7 153,5
Россия 673,1 676,6 644,6 668,2 691,7 694,7 683,9 689,6 676,8 689,6 698,3
Индия 450,4 476,3 512,0 538,0 570,7 600,3 623,6 666,8 686,9 722,3 753,7
Китай 2150,3 2231,2 2329,5 2491,3 2690,1 2799,1 2907,0 2973,5 3009,8 3047,2 3132,2
Бразилия 239,9 238,6 263,1 275,8 281,3 292,4 299,4 295,9 289,4 293,9 297,6
С целью предотвращения ухудшения экологической обстановки на планете, альтернативные источники энергии (фотоэлектрические панели [6], ветровые генераторы [7]) все активнее внедряются в энергосистему (рисунок 1). Но их возможности существенно ограничены. Так, например, по прогнозам развития мировой энергетики на ближайшие десятилетия [8], такие основные альтернативные источники энергии через 30-40 лет смогут заменить не более 30 % вырабатываемой на тепловых электрических станциях (ТЭС) электроэнергии [9]. Их вклад в производство тепловой энергии много меньше по целому ряду объективных причин [9]. Кроме того, солнечные панели и ветрогенераторы являются дорогостоящими источниками энергии. При производстве и утилизации фотоэлектрических панелей в окружающую среду выбрасывается много токсичных веществ [10-12]. Генерация энергии на ветроустановках нестабильна и существенно зависит от погодных условий и времени года [13]. К тому же, затраты на производство, монтаж и демонтаж ветроустановок очень высоки [14].
На рисунке 1 представлен вклад различных источников энергии в общий мировой баланс производства электроэнергии по состоянию на 2018 год [4]. Наибольшая доля производства электрической энергии приходится на уголь (38%). Значим вклад станций, работающих на природном газе (24%) и гидроэнергетики (16%). При этом суммарная мощность двух последних источников энергии немногим превышает объемы производимой электроэнергии на угольных тепловых электростанциях. Аналогичных сведений по производству тепловой электроэнергии нет в доступных источниках информации. Но достаточно очевидно, что на теплоцентралях и при работе котельных (как проработавших многие десятилетия, так и введенных в эксплуатацию недавно) уголь используется в качестве основного топлива в существенно больших относительных объемах.
Рисунок 1 - Мировой баланс генерации электроэнергии по состоянию на 2018 год по данным корпорации British Petroleum [4]
Из анализа основных прогнозов будущего энергетики можно предположить, что в ближайшие 40-50 лет отказаться от традиционных источников энергии, таких как уголь, не представляется возможным [15-17]. При этом уголь является относительно распространенным ископаемым топливом [18-20]. Разработано множество серийных проектов теплоэлектроцентралей и котельных различных мощностей, возведение которых возможно в относительно короткие сроки.
В связи с тем, что к 2040 г., по прогнозам специалистов [21-23], ожидается серьезный дефицит основных энергоносителей, в том числе нефти и газа, в среднесрочной перспективе на теплогенерирующих установках доля угольного топлива будет только увеличиваться, а газа уменьшается [24, 25]. Такая,
совершенно не очевидная на первый взгляд, тенденция подтверждается уникальными данным по энергетической стратегии Германии [ 26]. В 2015 году в этой стране, которая небезосновательно считается «локомотивом» Евросоюза, проектировались двадцать угольных электростанций, которые должны были заменить атомные электрические станции и работающие на газе ТЭС. Поэтому можно сделать обоснованный вывод, что уголь не только будет востребован в энергетике в ближайшем будущем, но и скорее всего, укрепит свои позиции на рынке энергоресурсов. Все вышеизложенное имеет еще большее значение и для промышленной теплоэнергетики. Скорее всего, мировое сообщество уже через 10 -15 лет не сможет эксплуатировать из-за высокой стоимости топлива газовые котельные, и придется переходить на уголь, как основное топливо для водогрейных и паровых котлов относительно малой производительности .
Необходимо отметить, что несмотря на ряд достоинств (например, технологичность и сравнительно низкая в большинстве случаев себестоимость отпускаемой тепловой энергии), работа угольных ТЭЦ и котельных ограничивается жесткими экологическими требованиями, особенно в странах ЕЭС [27-29]. При окислении углерода угля кислород также вступает в реакции с серой и азотом, входящими в состав органической части углей. В результате образуются: оксиды углерода (СОх), серы (SOX) и азота (NOj. Последние являются причиной кислотных дождей [30-32], которые оказывают негативное воздействие на растения, почву и отравляют водоемы [33]. Дымовые газы наносят вред не только экосистеме, но и живым организмам. Попадая в кровоток, SOx и NOx, вступают в реакции на клеточном уровне, приводя к нарушению сердечной деятельности [3436]. Помимо этого, высокая концентрация диоксида азота (> 1500 мг/м3) в воздухе вызывает снижение легочной функции у людей, а также приводит к генетическим мутациям [37].
Еще одним немаловажным фактором, влияющим на экологию, является угольная пыль [38]. Мелкодисперсные частицы, содержащиеся в окружающей среде, при длительном воздействии на организм человека приводят к различным заболеваниям (бронхиты, астмы, дерматиты и др.) [39 -41]. Болезням подвержены не только люди, работающие в угольной промышленности, но в зоне риска находится и проживающее рядом местное население.
С целью предотвращения глобальной экологической катастрофы сжигание угля традиционным способом в дальнейшем нецелесообразно, так как при работе угольных теплоэлектроцентралей и котельных в атмосферу Земли выбрасываются большие объемы загрязняющих веществ и антропогенных газов [42-44]. Последние же являются одной из причин негативного изменения климата на Земле [45-47]. Поэтому в последние годы активно ведутся разработки по созданию новых, более экологически чистых способов сжигания угля в топках паровых и водогрейных котлов [48-50].
К настоящему времени разработаны различные способы существенного уменьшения выбросов NOx и SOx теплогенерирующих установок, сжигающих уголь. Первый основан на предварительной подготовке топлива [51-53] (удаление минеральной части угля на обогатительных фабриках). Данный метод позволяет значительно уменьшить долю серы (до 30 % [54]) в угле, поступающем в топки котлов.
Как известно [55-57], основная причина образования оксидов - высокие температуры в области горения факела, которые могут достигать 1273 К [58]. Соответственно, можно сказать, что организация низкотемпературного сжигания топлива позволяет в значительной степени уменьшить выбросы NOx [59, 60]. Так, например, в экспериментах [61] с целью уменьшения эмиссии оксидов азота в топку подавался перегретый пар для снижения температуры факела пламени. Но такой метод, как известно [57], оказывает негативное влияние на полноту сгорания топлива.
Другим способом, позволяющим уменьшить выход антропогенных газов, образующихся при сжигании углей, является введение в эксплуатацию котлов нового типа [62-65]. К таким можно отнести котельные агрегаты, работающие по технологии циркулирующего кипящего слоя (ЦКС). Температура в зоне горения таких котлов не превышает 1100 К. Поэтому выбросы оксидов азота котлов ЦКС находятся в диапазоне 200-300 мг/нм3. При этом ввод в топочное пространство известняка (конструкция топки позволяет частицам известняка циркулировать продолжительное время) связывает более 90 % оксидов серы [66].
Существенного снижения выбросов SOx и NOx при сжигании углей можно добиться и применением специализированных систем очистки дымовых газов. Эффективность последних может достигать 97-99 % [67]. Разработано несколько, отличных друг от друга по принципу действия, методов: каталитический (основан на восстановительной реакции катализирующих веществ [68-74]), адсорбционный (избирательное извлечение из газовой среды определенных компонентов [67, 7577]) и абсорбционный (работает по принципу избирательной растворимости веществ в жидкости (физическая абсорбция) [78-82] или извлечение примесей путем химических реакций на поглотителе (хемосорбция)) [67]. Но, несмотря на достаточно высокую степень очистки, перечисленные методы являются дорогостоящими [54]. Это в значительной мере оказывает влияние на стоимость отпускаемой потребителю единиц тепловой и электрической энергии.
Наиболее перспективным по критериям экологической и экономической эффективности является применение в теплоэнергетике новых видов топлив (композитных) [83, 84]. В последние десятилетия активно ведутся работы по расширению сырьевой базы теплоэнергетики [85-87]. Топливо для сжигания в топках паровых и водогрейных котлов должно удовлетворять следующим критериям: энергоэффективность, экологичность, экономическая эффективность. Анализ многочисленных экспериментальных исследований (например, [88-94]), посвящённых сжиганию топлив в смеси углей с биомассой, показал их перспективность (эффективность котлоагрегатов возрастает на 15 % [95-97]). Во многих развитых странах (например, Дания, Великобритания, США, Канада, Финляндия и др.) уже реализованы схемы сжигания пылевидных топливных композитов на основе угля. Основным достоинством смесей углей и биомассы являются их существенно более высокие экологические характеристики по сравнению с углем (существенно снижаются выбросы оксидов азота и серы) [98100], а также более низкая себестоимость топлива (цена биомассы значительно ниже стоимости любого угля) [101, 102].
Одним из наиболее перспективных композиционных топлив является смесь угля и воды [103-106]. Водоугольные суспензии (ВУС) представляют собой высоковязкую систему, состоящую из мелкоизмельченного угля, смешанного с водой и стабилизирующими присадками. Особый интерес к этому виду топлива вызван огромными объемами отходов углеобогащения и угледобычи с фракцией частиц до 250 мкм [107]. Вовлечение этих отходов в топливный баланс тепло- и электрогенерации позволит в значительной мере уменьшить площади, отведенные под хранение угольных отходов. Кроме того, водоугольное топливо (ВУТ) можно транспортировать на большие расстояния трубопроводным транспортом [108-113]. Последнее позволит существенно снизить затраты на транспортировку топлива, которые в отдельных случаях могут достигать 50 % от стоимости угля [114-116]. Хранение ВУТ в закрытых заглубленных резервуарах позволяет значительно уменьшить производственные площади теплоэлектроцентралей и котельных.
Главным же преимуществом ВУТ перед угольным топливом, если судить по результатам многочисленных исследований (например, [117-120]) является то, что при сжигании водоугольных суспензий существенно (на 20 - 60 %) уменьшаются выбросы антропогенных газов.
Но, несмотря на ряд таких важных преимуществ, водоугольные технологии пока не получили широкого распространения в энергетике. В первую очередь, это обусловлено тем, что в топливной композиции содержание воды должно быть на уровне 50 - 60% по массе [121]. По этой причине время термической подготовки топлива (инертный нагрев капли ВУТ, испарение влаги, прогрев и воспламенение частицы (после удаления влаги из приповерхностного слоя)) может достигать несколько десятков секунд (до 30 с) [122].
Одним из возможных способов уменьшения периода индукции (времени задержки зажигания) водоугольного топлива является добавление в его структуру ускоряющей процесс зажигания добавки (например, биомассы) [123]. Топливо с растительными добавками можно отнести к новому классу водоугольных суспензий - био-водоугольным топливам (Био-ВУТ).
Леса занимают около третьей части территорий суши (примерно 4 млрд. гектаров) [124-126]. Практически половина лесных ресурсов сосредоточена на территориях России, Китая, Бразилии, Соединенных Штатов Америки и Канады [126-129]. Общие запасы этих стран составляют 155 млрд. куб. метров лиственной и 127 млрд. куб. метров хвойной древесины [126].
Запасы древесины в России составляют 82,8 млрд. метров кубических, ежегодное потребление которых составляет примерно 704 млн. куб. м. [126]. Основной объем древесины идет на нужды целлюлозно-бумажной промышленности, на производство пиломатериалов и другие отрасли, связанные с переработкой древесины. В России в лесоперерабатывающей промышленности работают свыше 500 тыс. человек, и, согласно стратегии развития лесной промышленности до 2030 года, численность персонала планируется увеличить более чем на 50% (до 820 тыс. человек) [126], что говорит о перспективности этой отрасли.
С ростом объемов потребляемой древесины, растут и объемы отходов [130] ее переработки: опилки, щепа, сучья, ветки, листва, кора, пни и другие. Эти отходы практически не перерабатываются, а хранятся в отвалах. Хранение таким образом повышает риски возникновения пожара [131-133]. Кроме того, на открытом воздухе происходит гниение биомассы, вследствие чего в окружающую среду выделяется метан, который является парниковым газом.
Решением проблемы утилизации отходов лесоперерабатывающих комплексов может служить развитие биоэнергетики [89, 90, 134, 135]. Это
соответствует современному вектору развития энергетической отрасли. Интерес к биомассе вызван, в первую очередь, стремительно ухудшающейся экологией и истощением запасов ископаемых ресурсов на фоне нестабильной экономической обстановки. Это приводит к непредсказуемой динамике цен на основные углеводородные энергоносители [136, 137]. Также стоит сказать, что лесные
ресурсы являются возобновляемым источником энергии, восстановление которого может происходить в относительно короткие сроки [138] при правильной организации природопользования. Поэтому топлива растительного происхождения все активнее внедряются в энергетику.
Лесные отходы могут использоваться как самостоятельное энергетическое сырье, так и в составе смесевых топлив (уголь+биомасса). Применение последних вполне обосновано [139-141]. В ряде стран, таких как Китай, Япония, Финляндия, Швеция, Канада, Соединенные Штаты Америки, топливные смеси активно сжигаются в топках паровых и водогрейных котлов [142-146]. Смесь угля и биомассы позволит уменьшить объемы потребления угля и, соответственно, уменьшить стоимость топлива. Только в России за год образуется 30 миллионов метров кубических отходов деревообработки [126]. Из этих отходов с малыми затратами можно получить ценное сырье (например, древесный уголь). Кроме того, на фоне стремительно ухудшающейся экологической обстановки в России готовится законопроект об обязательной переработке древесины [126], что делает этот ресурс привлекательным для использования в энергетике. Также стоит добавить, что биомасса обладает малой зольностью, и при ее сжигании практически не образуется оксидов серы [139, 145, 147-149], что также должно положительно влиять на окружающую среду.
Но, на основании результатов [119, 121, 122] можно сделать вполне
обоснованный вывод, что до последнего времени очень мало изучались (Г. С. Няшина, П. А. Стрижак, К. Ю. Вершинина и др.) процессы зажигания и горения топливных композиций на основе угля, воды и растительной биомассы в условиях, соответствующих камерам сгорания котельных агрегатов. На настоящее время не опубликовано результатов системных экспериментальных исследований по определению времен задержки воспламенения капель представительной группы био-водоугольных топлив.
Научно - техническая проблема. Внедрение в промышленную теплоэнергетику перспективных водосодержащих композиционных топлив на основе углей различной степени метаморфизма сдерживается высокими временами задержки зажигания капель таких топлив.
Цель работы. Обоснование возможности сбережения энергетических ресурсов и защиты окружающей среды при работе теплоэлектроцентралей и котельных в результате использования суспензий на основе воды и углей различной степени метаморфизма при добавлении в состав топливной композиции лесного горючего материала (ЛГМ) или древесного угля.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка экспериментальной методики и создание стенда для исследований процессов зажигания био-водоугольных топлив.
2. Анализ сырьевой базы (вид угля, вид лесного горючего материала), которая может использоваться с целью развития технологий Био-ВУТ и снижения негативного воздействия предприятий промышленной теплоэнергетики на окружающую среду.
3. Выбор перспективных компонентов и разработка технологии приготовления Био-ВУТ.
4. Экспериментальное определение зависимостей времен задержки зажигания био-водоугольных топлив от основных параметров (температура окислительной среды, начальный характерный размер капель и концентрации компонентов топлива).
5. Анализ влияния вида биомассы и степени метаморфизма угля на основные характеристики зажигания суспензионных топлив.
Научная новизна. Впервые по результатам экспериментальных исследований обоснованы возможности применения нового класса топлив (био- водоугольных) для паровых и водогрейных котлов на предприятиях промышленной теплоэнергетики и повышения эффективности использования ВУТ в качестве основного топлива теплоэлектроцентралей и котельных.
Практическая значимость работы. Обоснована возможность вовлечения в энергетический сектор лесного горючего материала и отходов лесопиления и лесопереработки в качестве добавки, ускоряющей процесс зажигания водоугольных суспензий, снижающей себестоимость топлива и уменьшающей выход антропогенных веществ. Также обоснована перспектива расширения сырьевой базы промышленной теплоэнергетики новым видом топлива - био- водоугольным.
Достоверность. Эксперименты проводились с использованием средств регистрации характеристик исследовавшихся процессов с малыми методическими погрешностями. Для каждого набора исходных данных по условиям эксперимента проводилась серия из 15 опытов. Определялись доверительные интервалы времен задержки зажигания частиц био-водоугольных топлив. Результаты экспериментальных исследований подтверждаются их хорошей повторяемостью.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Обоснована возможность использования био-водоугольных суспензий в качестве топлива угольных паровых и водогрейных котлов теплоэлектроцентралей и котельных, что обеспечивает снижение антропогенной нагрузки последних на окружающую среду при сжигании углей.
2. Впервые теоретически и экспериментально установлено значение периода химической индукции био-водоугольного топлива в условиях, соответствующих камерам сгорания котельных установок промышленной теплоэнергетики.
3. Добавление лесных горючих материалов в состав водоугольного топлива позволяет уменьшить время задержки зажигания более чем в три раза при температурах до 1073 К, что позволяет снизить существенно энергозатраты на термическую подготовку водоугольного топлива к сжиганию (например, уменьшение размеров предтопка).
4. Частицы Био-ВУТ на основе угля марки Т с добавлением лесного горючего материала зажигаются быстрее смесей на основе длиннопламенного и бурого углей в условиях относительно низких температур.
5. Выявлено, что вид листового опада не оказывает существенного влияния на временные характеристики зажигания био-водоугольного топлива.
6. Время развития термохимической реакции не превышает 0,02 % от всего времени задержки зажигания капли топлива в условиях, соответствующих топкам паровых и водогрейных котлов.
7. Для капель био-водоугольного топлива характерным является не мгновенное распространение пламени по всей поверхности частицы.
Личный вклад. Автор диссертации провел планирование и подготовку экспериментальных исследований, выполнил эксперименты, обработку и анализ полученных результатов, оценку погрешностей, анализ и обобщение результатов. Также автор проводил написание статей и подготовку докладов для выступления на конференциях. Автором сформулированы основные защищаемые положения и выводы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. VIII Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2019, 2020);
2. Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых ученых «XXXV Сибирский теплофизический семинар», посвященная 75 - летию заслуженного деятеля науки РФ Терехова Виктора Ивановича (Новосибирск, 2019);
3. XVII Международная научно-практическая конференция "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век" (МИК-2019, г. Орел);
4. 4-я Международная научная конференция перспективных разработок молодых ученых «Наука молодых - будущее России» (МЛ-41, г. Курск, 2019).
Публикации. Опубликованы пять статей в международных научных журналах, индексируемых базами «Scopus» и «Web of Science»: «Energy», «Applied Thermal Engineering», «Combustion Science and Technology» «AIP Conference Proceedings». Опубликованы две статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций: «Промышленная энергетика», «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов».
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложена на 140 страницах, содержит 42 рисунок и 14 таблиц. Список литературы состоит из 255 источников.
Краткое содержание диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована проблема. Также сформулированы цель диссертационной работы и задачи для ее достижения. Показана практическая значимость и научная новизна проведенных исследований.
Первая глава содержит анализ современного состояния теории и практики использования в промышленной теплоэнергетике водоугольных топлив. Представлены примеры промышленного использования суспензий на теплогенерирующих установках. Обоснована их перспективность. Показано, что на сегодняшний день не опубликовано результатов экспериментальных исследований зажигания и горения био-водоугольных суспензий.
Вторая глава посвящена описанию методики проведения экспериментальных исследований, выбору и подготовке компонентов топлива, методу оценки погрешностей результатов экспериментальных исследований.
В третьей главе представлены результаты проведенных экспериментальных исследований процессов зажигания и горения частиц био-водоугольных топлив. Определены основные этапы (инертный нагрев, испарение внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги, термическое разложение органической части угля и основных компонентов биомассы, воспламенение продуктов пиролиза) термической подготовки капель (в начальный период времени процесса термической подготовки), а затем (после высушивания приповерхностного слоя топлива) частиц Био-ВУТ.
Проведен анализ влияния лесного горючего материала на времена задержки зажигания суспензионных био-водоугольных топлив. Получено, что биомасса на основе ЛГМ является ускоряющей процесс зажигания добавкой. При этом установлено, что вид растительной компоненты не оказывает существенного влияния на значение времен задержки зажигания Био-ВУТ.
Приведены результаты анализа влияния степени метаморфизма угля на времена задержки зажигания.
Установлено, что сжигание водоугольного топлива совместно с древесной биомассой приводит к существенному уменьшению времен задержки зажигания ВУТ.
Четвертая глава посвящена интегральным характеристикам «химической» стадии воспламенения био-водоугольных топлив. Впервые определен период химической индукции капель суспензионных топлив по результатам экспериментальных и теоретических исследований. Выполнен анализ влияния температуры окислительной среды, основных компонентов (степень метаморфизма угля, массовая концентрация горючих компонентов) суспензии на времена распространения пламени по всей поверхности частиц Био-ВУТ.
В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
Таблица 1. - Потребление энергии в ряде стран в период с 2008 по 2018 год [4]
Страна Год
Млн. тонн эквивалент нефти 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
США 2258,6 2148,7 2223,3 2204,1 2148,5 2208,0 2221.1 2232,9 2212,7 2222,5 2300,6
Канада 321,5 304,9 312,0 327,2 324,7 337,0 341,8 339,0 338,2 343,7 344,4
Г ермания 335,5 315,1 327,9 316,1 320,5 329,8 316,4 322,5 328,1 333,9 323,9
Польша 97,4 93,9 100,0 100,5 97,5 97,8 94,2 95,2 99,4 103,4 105,2
Турция 100,8 102,2 107,6 115,1 122,3 121,5 125,4 137,2 144,6 152,7 153,5
Россия 673,1 676,6 644,6 668,2 691,7 694,7 683,9 689,6 676,8 689,6 698,3
Индия 450,4 476,3 512,0 538,0 570,7 600,3 623,6 666,8 686,9 722,3 753,7
Китай 2150,3 2231,2 2329,5 2491,3 2690,1 2799,1 2907,0 2973,5 3009,8 3047,2 3132,2
Бразилия 239,9 238,6 263,1 275,8 281,3 292,4 299,4 295,9 289,4 293,9 297,6
С целью предотвращения ухудшения экологической обстановки на планете, альтернативные источники энергии (фотоэлектрические панели [6], ветровые генераторы [7]) все активнее внедряются в энергосистему (рисунок 1). Но их возможности существенно ограничены. Так, например, по прогнозам развития мировой энергетики на ближайшие десятилетия [8], такие основные альтернативные источники энергии через 30-40 лет смогут заменить не более 30 % вырабатываемой на тепловых электрических станциях (ТЭС) электроэнергии [9]. Их вклад в производство тепловой энергии много меньше по целому ряду объективных причин [9]. Кроме того, солнечные панели и ветрогенераторы являются дорогостоящими источниками энергии. При производстве и утилизации фотоэлектрических панелей в окружающую среду выбрасывается много токсичных веществ [10-12]. Генерация энергии на ветроустановках нестабильна и существенно зависит от погодных условий и времени года [13]. К тому же, затраты на производство, монтаж и демонтаж ветроустановок очень высоки [14].
На рисунке 1 представлен вклад различных источников энергии в общий мировой баланс производства электроэнергии по состоянию на 2018 год [4]. Наибольшая доля производства электрической энергии приходится на уголь (38%). Значим вклад станций, работающих на природном газе (24%) и гидроэнергетики (16%). При этом суммарная мощность двух последних источников энергии немногим превышает объемы производимой электроэнергии на угольных тепловых электростанциях. Аналогичных сведений по производству тепловой электроэнергии нет в доступных источниках информации. Но достаточно очевидно, что на теплоцентралях и при работе котельных (как проработавших многие десятилетия, так и введенных в эксплуатацию недавно) уголь используется в качестве основного топлива в существенно больших относительных объемах.
Рисунок 1 - Мировой баланс генерации электроэнергии по состоянию на 2018 год по данным корпорации British Petroleum [4]
Из анализа основных прогнозов будущего энергетики можно предположить, что в ближайшие 40-50 лет отказаться от традиционных источников энергии, таких как уголь, не представляется возможным [15-17]. При этом уголь является относительно распространенным ископаемым топливом [18-20]. Разработано множество серийных проектов теплоэлектроцентралей и котельных различных мощностей, возведение которых возможно в относительно короткие сроки.
В связи с тем, что к 2040 г., по прогнозам специалистов [21-23], ожидается серьезный дефицит основных энергоносителей, в том числе нефти и газа, в среднесрочной перспективе на теплогенерирующих установках доля угольного топлива будет только увеличиваться, а газа уменьшается [24, 25]. Такая,
совершенно не очевидная на первый взгляд, тенденция подтверждается уникальными данным по энергетической стратегии Германии [ 26]. В 2015 году в этой стране, которая небезосновательно считается «локомотивом» Евросоюза, проектировались двадцать угольных электростанций, которые должны были заменить атомные электрические станции и работающие на газе ТЭС. Поэтому можно сделать обоснованный вывод, что уголь не только будет востребован в энергетике в ближайшем будущем, но и скорее всего, укрепит свои позиции на рынке энергоресурсов. Все вышеизложенное имеет еще большее значение и для промышленной теплоэнергетики. Скорее всего, мировое сообщество уже через 10 -15 лет не сможет эксплуатировать из-за высокой стоимости топлива газовые котельные, и придется переходить на уголь, как основное топливо для водогрейных и паровых котлов относительно малой производительности .
Необходимо отметить, что несмотря на ряд достоинств (например, технологичность и сравнительно низкая в большинстве случаев себестоимость отпускаемой тепловой энергии), работа угольных ТЭЦ и котельных ограничивается жесткими экологическими требованиями, особенно в странах ЕЭС [27-29]. При окислении углерода угля кислород также вступает в реакции с серой и азотом, входящими в состав органической части углей. В результате образуются: оксиды углерода (СОх), серы (SOX) и азота (NOj. Последние являются причиной кислотных дождей [30-32], которые оказывают негативное воздействие на растения, почву и отравляют водоемы [33]. Дымовые газы наносят вред не только экосистеме, но и живым организмам. Попадая в кровоток, SOx и NOx, вступают в реакции на клеточном уровне, приводя к нарушению сердечной деятельности [3436]. Помимо этого, высокая концентрация диоксида азота (> 1500 мг/м3) в воздухе вызывает снижение легочной функции у людей, а также приводит к генетическим мутациям [37].
Еще одним немаловажным фактором, влияющим на экологию, является угольная пыль [38]. Мелкодисперсные частицы, содержащиеся в окружающей среде, при длительном воздействии на организм человека приводят к различным заболеваниям (бронхиты, астмы, дерматиты и др.) [39 -41]. Болезням подвержены не только люди, работающие в угольной промышленности, но в зоне риска находится и проживающее рядом местное население.
С целью предотвращения глобальной экологической катастрофы сжигание угля традиционным способом в дальнейшем нецелесообразно, так как при работе угольных теплоэлектроцентралей и котельных в атмосферу Земли выбрасываются большие объемы загрязняющих веществ и антропогенных газов [42-44]. Последние же являются одной из причин негативного изменения климата на Земле [45-47]. Поэтому в последние годы активно ведутся разработки по созданию новых, более экологически чистых способов сжигания угля в топках паровых и водогрейных котлов [48-50].
К настоящему времени разработаны различные способы существенного уменьшения выбросов NOx и SOx теплогенерирующих установок, сжигающих уголь. Первый основан на предварительной подготовке топлива [51-53] (удаление минеральной части угля на обогатительных фабриках). Данный метод позволяет значительно уменьшить долю серы (до 30 % [54]) в угле, поступающем в топки котлов.
Как известно [55-57], основная причина образования оксидов - высокие температуры в области горения факела, которые могут достигать 1273 К [58]. Соответственно, можно сказать, что организация низкотемпературного сжигания топлива позволяет в значительной степени уменьшить выбросы NOx [59, 60]. Так, например, в экспериментах [61] с целью уменьшения эмиссии оксидов азота в топку подавался перегретый пар для снижения температуры факела пламени. Но такой метод, как известно [57], оказывает негативное влияние на полноту сгорания топлива.
Другим способом, позволяющим уменьшить выход антропогенных газов, образующихся при сжигании углей, является введение в эксплуатацию котлов нового типа [62-65]. К таким можно отнести котельные агрегаты, работающие по технологии циркулирующего кипящего слоя (ЦКС). Температура в зоне горения таких котлов не превышает 1100 К. Поэтому выбросы оксидов азота котлов ЦКС находятся в диапазоне 200-300 мг/нм3. При этом ввод в топочное пространство известняка (конструкция топки позволяет частицам известняка циркулировать продолжительное время) связывает более 90 % оксидов серы [66].
Существенного снижения выбросов SOx и NOx при сжигании углей можно добиться и применением специализированных систем очистки дымовых газов. Эффективность последних может достигать 97-99 % [67]. Разработано несколько, отличных друг от друга по принципу действия, методов: каталитический (основан на восстановительной реакции катализирующих веществ [68-74]), адсорбционный (избирательное извлечение из газовой среды определенных компонентов [67, 7577]) и абсорбционный (работает по принципу избирательной растворимости веществ в жидкости (физическая абсорбция) [78-82] или извлечение примесей путем химических реакций на поглотителе (хемосорбция)) [67]. Но, несмотря на достаточно высокую степень очистки, перечисленные методы являются дорогостоящими [54]. Это в значительной мере оказывает влияние на стоимость отпускаемой потребителю единиц тепловой и электрической энергии.
Наиболее перспективным по критериям экологической и экономической эффективности является применение в теплоэнергетике новых видов топлив (композитных) [83, 84]. В последние десятилетия активно ведутся работы по расширению сырьевой базы теплоэнергетики [85-87]. Топливо для сжигания в топках паровых и водогрейных котлов должно удовлетворять следующим критериям: энергоэффективность, экологичность, экономическая эффективность. Анализ многочисленных экспериментальных исследований (например, [88-94]), посвящённых сжиганию топлив в смеси углей с биомассой, показал их перспективность (эффективность котлоагрегатов возрастает на 15 % [95-97]). Во многих развитых странах (например, Дания, Великобритания, США, Канада, Финляндия и др.) уже реализованы схемы сжигания пылевидных топливных композитов на основе угля. Основным достоинством смесей углей и биомассы являются их существенно более высокие экологические характеристики по сравнению с углем (существенно снижаются выбросы оксидов азота и серы) [98100], а также более низкая себестоимость топлива (цена биомассы значительно ниже стоимости любого угля) [101, 102].
Одним из наиболее перспективных композиционных топлив является смесь угля и воды [103-106]. Водоугольные суспензии (ВУС) представляют собой высоковязкую систему, состоящую из мелкоизмельченного угля, смешанного с водой и стабилизирующими присадками. Особый интерес к этому виду топлива вызван огромными объемами отходов углеобогащения и угледобычи с фракцией частиц до 250 мкм [107]. Вовлечение этих отходов в топливный баланс тепло- и электрогенерации позволит в значительной мере уменьшить площади, отведенные под хранение угольных отходов. Кроме того, водоугольное топливо (ВУТ) можно транспортировать на большие расстояния трубопроводным транспортом [108-113]. Последнее позволит существенно снизить затраты на транспортировку топлива, которые в отдельных случаях могут достигать 50 % от стоимости угля [114-116]. Хранение ВУТ в закрытых заглубленных резервуарах позволяет значительно уменьшить производственные площади теплоэлектроцентралей и котельных.
Главным же преимуществом ВУТ перед угольным топливом, если судить по результатам многочисленных исследований (например, [117-120]) является то, что при сжигании водоугольных суспензий существенно (на 20 - 60 %) уменьшаются выбросы антропогенных газов.
Но, несмотря на ряд таких важных преимуществ, водоугольные технологии пока не получили широкого распространения в энергетике. В первую очередь, это обусловлено тем, что в топливной композиции содержание воды должно быть на уровне 50 - 60% по массе [121]. По этой причине время термической подготовки топлива (инертный нагрев капли ВУТ, испарение влаги, прогрев и воспламенение частицы (после удаления влаги из приповерхностного слоя)) может достигать несколько десятков секунд (до 30 с) [122].
Одним из возможных способов уменьшения периода индукции (времени задержки зажигания) водоугольного топлива является добавление в его структуру ускоряющей процесс зажигания добавки (например, биомассы) [123]. Топливо с растительными добавками можно отнести к новому классу водоугольных суспензий - био-водоугольным топливам (Био-ВУТ).
Леса занимают около третьей части территорий суши (примерно 4 млрд. гектаров) [124-126]. Практически половина лесных ресурсов сосредоточена на территориях России, Китая, Бразилии, Соединенных Штатов Америки и Канады [126-129]. Общие запасы этих стран составляют 155 млрд. куб. метров лиственной и 127 млрд. куб. метров хвойной древесины [126].
Запасы древесины в России составляют 82,8 млрд. метров кубических, ежегодное потребление которых составляет примерно 704 млн. куб. м. [126]. Основной объем древесины идет на нужды целлюлозно-бумажной промышленности, на производство пиломатериалов и другие отрасли, связанные с переработкой древесины. В России в лесоперерабатывающей промышленности работают свыше 500 тыс. человек, и, согласно стратегии развития лесной промышленности до 2030 года, численность персонала планируется увеличить более чем на 50% (до 820 тыс. человек) [126], что говорит о перспективности этой отрасли.
С ростом объемов потребляемой древесины, растут и объемы отходов [130] ее переработки: опилки, щепа, сучья, ветки, листва, кора, пни и другие. Эти отходы практически не перерабатываются, а хранятся в отвалах. Хранение таким образом повышает риски возникновения пожара [131-133]. Кроме того, на открытом воздухе происходит гниение биомассы, вследствие чего в окружающую среду выделяется метан, который является парниковым газом.
Решением проблемы утилизации отходов лесоперерабатывающих комплексов может служить развитие биоэнергетики [89, 90, 134, 135]. Это
соответствует современному вектору развития энергетической отрасли. Интерес к биомассе вызван, в первую очередь, стремительно ухудшающейся экологией и истощением запасов ископаемых ресурсов на фоне нестабильной экономической обстановки. Это приводит к непредсказуемой динамике цен на основные углеводородные энергоносители [136, 137]. Также стоит сказать, что лесные
ресурсы являются возобновляемым источником энергии, восстановление которого может происходить в относительно короткие сроки [138] при правильной организации природопользования. Поэтому топлива растительного происхождения все активнее внедряются в энергетику.
Лесные отходы могут использоваться как самостоятельное энергетическое сырье, так и в составе смесевых топлив (уголь+биомасса). Применение последних вполне обосновано [139-141]. В ряде стран, таких как Китай, Япония, Финляндия, Швеция, Канада, Соединенные Штаты Америки, топливные смеси активно сжигаются в топках паровых и водогрейных котлов [142-146]. Смесь угля и биомассы позволит уменьшить объемы потребления угля и, соответственно, уменьшить стоимость топлива. Только в России за год образуется 30 миллионов метров кубических отходов деревообработки [126]. Из этих отходов с малыми затратами можно получить ценное сырье (например, древесный уголь). Кроме того, на фоне стремительно ухудшающейся экологической обстановки в России готовится законопроект об обязательной переработке древесины [126], что делает этот ресурс привлекательным для использования в энергетике. Также стоит добавить, что биомасса обладает малой зольностью, и при ее сжигании практически не образуется оксидов серы [139, 145, 147-149], что также должно положительно влиять на окружающую среду.
Но, на основании результатов [119, 121, 122] можно сделать вполне
обоснованный вывод, что до последнего времени очень мало изучались (Г. С. Няшина, П. А. Стрижак, К. Ю. Вершинина и др.) процессы зажигания и горения топливных композиций на основе угля, воды и растительной биомассы в условиях, соответствующих камерам сгорания котельных агрегатов. На настоящее время не опубликовано результатов системных экспериментальных исследований по определению времен задержки воспламенения капель представительной группы био-водоугольных топлив.
Научно - техническая проблема. Внедрение в промышленную теплоэнергетику перспективных водосодержащих композиционных топлив на основе углей различной степени метаморфизма сдерживается высокими временами задержки зажигания капель таких топлив.
Цель работы. Обоснование возможности сбережения энергетических ресурсов и защиты окружающей среды при работе теплоэлектроцентралей и котельных в результате использования суспензий на основе воды и углей различной степени метаморфизма при добавлении в состав топливной композиции лесного горючего материала (ЛГМ) или древесного угля.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка экспериментальной методики и создание стенда для исследований процессов зажигания био-водоугольных топлив.
2. Анализ сырьевой базы (вид угля, вид лесного горючего материала), которая может использоваться с целью развития технологий Био-ВУТ и снижения негативного воздействия предприятий промышленной теплоэнергетики на окружающую среду.
3. Выбор перспективных компонентов и разработка технологии приготовления Био-ВУТ.
4. Экспериментальное определение зависимостей времен задержки зажигания био-водоугольных топлив от основных параметров (температура окислительной среды, начальный характерный размер капель и концентрации компонентов топлива).
5. Анализ влияния вида биомассы и степени метаморфизма угля на основные характеристики зажигания суспензионных топлив.
Научная новизна. Впервые по результатам экспериментальных исследований обоснованы возможности применения нового класса топлив (био- водоугольных) для паровых и водогрейных котлов на предприятиях промышленной теплоэнергетики и повышения эффективности использования ВУТ в качестве основного топлива теплоэлектроцентралей и котельных.
Практическая значимость работы. Обоснована возможность вовлечения в энергетический сектор лесного горючего материала и отходов лесопиления и лесопереработки в качестве добавки, ускоряющей процесс зажигания водоугольных суспензий, снижающей себестоимость топлива и уменьшающей выход антропогенных веществ. Также обоснована перспектива расширения сырьевой базы промышленной теплоэнергетики новым видом топлива - био- водоугольным.
Достоверность. Эксперименты проводились с использованием средств регистрации характеристик исследовавшихся процессов с малыми методическими погрешностями. Для каждого набора исходных данных по условиям эксперимента проводилась серия из 15 опытов. Определялись доверительные интервалы времен задержки зажигания частиц био-водоугольных топлив. Результаты экспериментальных исследований подтверждаются их хорошей повторяемостью.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Обоснована возможность использования био-водоугольных суспензий в качестве топлива угольных паровых и водогрейных котлов теплоэлектроцентралей и котельных, что обеспечивает снижение антропогенной нагрузки последних на окружающую среду при сжигании углей.
2. Впервые теоретически и экспериментально установлено значение периода химической индукции био-водоугольного топлива в условиях, соответствующих камерам сгорания котельных установок промышленной теплоэнергетики.
3. Добавление лесных горючих материалов в состав водоугольного топлива позволяет уменьшить время задержки зажигания более чем в три раза при температурах до 1073 К, что позволяет снизить существенно энергозатраты на термическую подготовку водоугольного топлива к сжиганию (например, уменьшение размеров предтопка).
4. Частицы Био-ВУТ на основе угля марки Т с добавлением лесного горючего материала зажигаются быстрее смесей на основе длиннопламенного и бурого углей в условиях относительно низких температур.
5. Выявлено, что вид листового опада не оказывает существенного влияния на временные характеристики зажигания био-водоугольного топлива.
6. Время развития термохимической реакции не превышает 0,02 % от всего времени задержки зажигания капли топлива в условиях, соответствующих топкам паровых и водогрейных котлов.
7. Для капель био-водоугольного топлива характерным является не мгновенное распространение пламени по всей поверхности частицы.
Личный вклад. Автор диссертации провел планирование и подготовку экспериментальных исследований, выполнил эксперименты, обработку и анализ полученных результатов, оценку погрешностей, анализ и обобщение результатов. Также автор проводил написание статей и подготовку докладов для выступления на конференциях. Автором сформулированы основные защищаемые положения и выводы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. VIII Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2019, 2020);
2. Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых ученых «XXXV Сибирский теплофизический семинар», посвященная 75 - летию заслуженного деятеля науки РФ Терехова Виктора Ивановича (Новосибирск, 2019);
3. XVII Международная научно-практическая конференция "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век" (МИК-2019, г. Орел);
4. 4-я Международная научная конференция перспективных разработок молодых ученых «Наука молодых - будущее России» (МЛ-41, г. Курск, 2019).
Публикации. Опубликованы пять статей в международных научных журналах, индексируемых базами «Scopus» и «Web of Science»: «Energy», «Applied Thermal Engineering», «Combustion Science and Technology» «AIP Conference Proceedings». Опубликованы две статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций: «Промышленная энергетика», «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов».
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложена на 140 страницах, содержит 42 рисунок и 14 таблиц. Список литературы состоит из 255 источников.
Краткое содержание диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована проблема. Также сформулированы цель диссертационной работы и задачи для ее достижения. Показана практическая значимость и научная новизна проведенных исследований.
Первая глава содержит анализ современного состояния теории и практики использования в промышленной теплоэнергетике водоугольных топлив. Представлены примеры промышленного использования суспензий на теплогенерирующих установках. Обоснована их перспективность. Показано, что на сегодняшний день не опубликовано результатов экспериментальных исследований зажигания и горения био-водоугольных суспензий.
Вторая глава посвящена описанию методики проведения экспериментальных исследований, выбору и подготовке компонентов топлива, методу оценки погрешностей результатов экспериментальных исследований.
В третьей главе представлены результаты проведенных экспериментальных исследований процессов зажигания и горения частиц био-водоугольных топлив. Определены основные этапы (инертный нагрев, испарение внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги, термическое разложение органической части угля и основных компонентов биомассы, воспламенение продуктов пиролиза) термической подготовки капель (в начальный период времени процесса термической подготовки), а затем (после высушивания приповерхностного слоя топлива) частиц Био-ВУТ.
Проведен анализ влияния лесного горючего материала на времена задержки зажигания суспензионных био-водоугольных топлив. Получено, что биомасса на основе ЛГМ является ускоряющей процесс зажигания добавкой. При этом установлено, что вид растительной компоненты не оказывает существенного влияния на значение времен задержки зажигания Био-ВУТ.
Приведены результаты анализа влияния степени метаморфизма угля на времена задержки зажигания.
Установлено, что сжигание водоугольного топлива совместно с древесной биомассой приводит к существенному уменьшению времен задержки зажигания ВУТ.
Четвертая глава посвящена интегральным характеристикам «химической» стадии воспламенения био-водоугольных топлив. Впервые определен период химической индукции капель суспензионных топлив по результатам экспериментальных и теоретических исследований. Выполнен анализ влияния температуры окислительной среды, основных компонентов (степень метаморфизма угля, массовая концентрация горючих компонентов) суспензии на времена распространения пламени по всей поверхности частиц Био-ВУТ.
В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
Полученные при выполнении диссертационного исследования результаты имеют важное технологическое, экономическое и социальное значения. Они создают объективные предпосылки для разработки совершенно нового класса высокоэффективных и экологоперспективных технологий сжигания угля в топках паровых и водогрейных котлов предприятий промышленной теплоэнергетики.
По результатам выполненных исследований можно сделать вывод о том, что введение лесных горючих материалов в состав ВУТ приводит к существенному повышению ресурсоэффективности технологий сжигания ВУТ. При существенном снижении (в 2,5-3 раза) времен задержки зажигания капель водоугольных топлив с добавками ЛГМ. Снижается и общее время термической подготовки таких топлив. Соответственно, отпадает необходимость реконструкции топок паровых и водогрейных котлов при переходе с угольного топлива на водоугольные суспензии в качестве основного топлива теплоэлектроцентралей и котельных. Кроме того, добавление 10-15 % ЛГМ снижает потребление угля (на теплоэлектроцентралях и котельных) и стоимость тепловой энергии, так как цена ЛГМ определяется только затратами на сбор и транспортировку таких материалов. В результате использования лесных горючих материалов в качестве добавок к водоугольным топливам может существенно повысится ресурсоэффективность паровых и водогрейных котельных агрегатов промышленной теплоэнергетики. При этом ВУТ с добавлением лесных горючих материалов во многих случаях будут иметь преимущества (технологические и экономические) даже по сравнению с топливами, которые представляют собой смесь сухих угля (основная компонента) и биомассы (вторая компонента). Такие смеси в последние годы достаточно интенсивно исследуются во многих развитых государствах. Внедрение в энергетику древесного кокса в качестве топлива будет способствовать развитию лесоперерабатывающего комплекса регионов, богатых лесными угодьями. Это приведет к увеличению инвестиционного потока, позволит создать дополнительные рабочие места для людей с низкой и средней рабочей квалификацией. Последнее будет способствовать снижению уровня безработицы, росту благосостояния населения в целом. Древесный уголь является достаточно «универсальным» энергоносителем. Это объясняется тем, что древесный кокс может быть получен при термической конверсии практически любого деревосодержащего материала. К последним можно отнести: отходы лесопиления (ветки, сучья, пни, горбыль и др.), лесной горючий материал (к примеру, сухостой).
По результатам выполненных исследований можно сделать вывод о том, что введение лесных горючих материалов в состав ВУТ приводит к существенному повышению ресурсоэффективности технологий сжигания ВУТ. При существенном снижении (в 2,5-3 раза) времен задержки зажигания капель водоугольных топлив с добавками ЛГМ. Снижается и общее время термической подготовки таких топлив. Соответственно, отпадает необходимость реконструкции топок паровых и водогрейных котлов при переходе с угольного топлива на водоугольные суспензии в качестве основного топлива теплоэлектроцентралей и котельных. Кроме того, добавление 10-15 % ЛГМ снижает потребление угля (на теплоэлектроцентралях и котельных) и стоимость тепловой энергии, так как цена ЛГМ определяется только затратами на сбор и транспортировку таких материалов. В результате использования лесных горючих материалов в качестве добавок к водоугольным топливам может существенно повысится ресурсоэффективность паровых и водогрейных котельных агрегатов промышленной теплоэнергетики. При этом ВУТ с добавлением лесных горючих материалов во многих случаях будут иметь преимущества (технологические и экономические) даже по сравнению с топливами, которые представляют собой смесь сухих угля (основная компонента) и биомассы (вторая компонента). Такие смеси в последние годы достаточно интенсивно исследуются во многих развитых государствах. Внедрение в энергетику древесного кокса в качестве топлива будет способствовать развитию лесоперерабатывающего комплекса регионов, богатых лесными угодьями. Это приведет к увеличению инвестиционного потока, позволит создать дополнительные рабочие места для людей с низкой и средней рабочей квалификацией. Последнее будет способствовать снижению уровня безработицы, росту благосостояния населения в целом. Древесный уголь является достаточно «универсальным» энергоносителем. Это объясняется тем, что древесный кокс может быть получен при термической конверсии практически любого деревосодержащего материала. К последним можно отнести: отходы лесопиления (ветки, сучья, пни, горбыль и др.), лесной горючий материал (к примеру, сухостой).
