Помощь студентам в учебе
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ В
ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ 14
1.1 Экономическая и экологическая перспективность применения
древесно-угольных смесевых топлив в энергетике 14
1.2 Анализ мирового опыта сжигания древесно-угольных смесей 16
1.3 Выводы по первой главе 20
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ 22
2.1. Подготовка топлива 22
2.2. Исследовавшиеся материалы 23
2.3. Конфигурации взаимного расположения частиц для
воспроизведения условий их горения в топочном пространстве 25
2.4. Методика проведения экспериментов 29
2.5. Выводы по второй главе 36
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОЦЕССОВ ЗАЖИГАНИЯ ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ 37
3.1. Термическая подготовка смесей измельченных древесины и угля в
условиях, соответствующих топкам паровых и водогрейных котлов 37
3.2. Влияние концентрации и взаимного положения частиц древесины и
угля на характеристики процесса термической подготовки смеси 42
3.3. Влияние расстояния между частицами древесины и угля на
характеристики их совместной термической подготовки 52
3.4. Термическая подготовка группы частиц древесной биомассы 58
3.5. Влияние влажности на эффективность использования древесины
как компоненты топлива в промышленной теплоэнергетике 68
3.6. Выводы по третьей главе 75
ГЛАВА 4. СБЕРЕЖЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ПРИ СОВМЕСТНОМ СЖИГАНИИ УГЛЯ И ДРЕВЕСИНЫ. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 77
4.2. Оценка возможности снижения антропогенной нагрузки
предприятий промышленной теплоэнергетики на окружающую среду в результате сжигания угля совместно с древесиной 83
4.3. Оценка возможности снижение выхода твёрдых отходов при
совместном сжигании угля с древесиной 86
4.4. Сравнительный анализ радиоактивного загрязнения, создаваемого
АЭС и ТЭС, работающими на угле 88
4.5. Выводы по четвертой главе 89
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 92
ОБОЗНАЧЕНИЯ 94
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 95
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ В
ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ 14
1.1 Экономическая и экологическая перспективность применения
древесно-угольных смесевых топлив в энергетике 14
1.2 Анализ мирового опыта сжигания древесно-угольных смесей 16
1.3 Выводы по первой главе 20
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ 22
2.1. Подготовка топлива 22
2.2. Исследовавшиеся материалы 23
2.3. Конфигурации взаимного расположения частиц для
воспроизведения условий их горения в топочном пространстве 25
2.4. Методика проведения экспериментов 29
2.5. Выводы по второй главе 36
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОЦЕССОВ ЗАЖИГАНИЯ ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ 37
3.1. Термическая подготовка смесей измельченных древесины и угля в
условиях, соответствующих топкам паровых и водогрейных котлов 37
3.2. Влияние концентрации и взаимного положения частиц древесины и
угля на характеристики процесса термической подготовки смеси 42
3.3. Влияние расстояния между частицами древесины и угля на
характеристики их совместной термической подготовки 52
3.4. Термическая подготовка группы частиц древесной биомассы 58
3.5. Влияние влажности на эффективность использования древесины
как компоненты топлива в промышленной теплоэнергетике 68
3.6. Выводы по третьей главе 75
ГЛАВА 4. СБЕРЕЖЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ПРИ СОВМЕСТНОМ СЖИГАНИИ УГЛЯ И ДРЕВЕСИНЫ. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 77
4.2. Оценка возможности снижения антропогенной нагрузки
предприятий промышленной теплоэнергетики на окружающую среду в результате сжигания угля совместно с древесиной 83
4.3. Оценка возможности снижение выхода твёрдых отходов при
совместном сжигании угля с древесиной 86
4.4. Сравнительный анализ радиоактивного загрязнения, создаваемого
АЭС и ТЭС, работающими на угле 88
4.5. Выводы по четвертой главе 89
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 92
ОБОЗНАЧЕНИЯ 94
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 95
В связи с негативным воздействием на окружающую среду теплоэлектроцентралей и котельных, использующих при выработке теплоты традиционные виды топлива (уголь, мазут), поиск альтернативных видов топлива становится всё более важным [1, 2]. Биомасса рассматривается уже многие годы как наиболее перспективный вариант возобновляемых источников энергии [3, 4]. При этом возможен положительный эффект использования биомассы и как компонента композиционных топлив на основе угля - значительное снижение выбросов антропогенных оксидов и летучей золы [5]. Среди всего многообразия видов биомассы предпочтительным для сжигания в топках паровых и водогрейных котлов большой и малой энергетики является древесина [6, 7]. За последние 10 лет по тематике исследований совместного сжигания биомассы и угля опубликовано (в изданиях мировой научной периодики) более 4000 работ. Это связано с тем, что технология совместного сжигания древесины с углем имеет существенные экономические и экологические преимущества по сравнению с сжиганием однородного угля [8]. В настоящее время на территории Европейского Союза (страны с самыми жесткими экологическими законами) работает 23 электрических станций, в качестве топлива использующих био-угольные смеси. Например, самая современная электрическая станция в мире Avedore (Дания) сжигает смесь отходов сельскохозяйственного производства (соломы) и угля [9]. Но, несмотря на локальное применение процессов сжигания биомассы, на настоящее время не разработано общей теории процессов сжигания частиц древесно-угольных смесей, обеспечивающей высокий уровень достоверности прогностических оценок характерных времен основных стадий термической подготовки совокупности частиц угля и древесины, и, соответственно, эффективности использования таких смесей в промышленной теплоэнергетике.
Причиной отсутствия такой теории является недостаток экспериментальных данных об основных закономерностях процессов термической подготовки смесей частиц угля и древесины, несмотря на то, что в течение двух последних десятилетий исследователи многих стран предпринимают большие усилия для научно-технического обоснования возможности существенного увеличения объемов использования углей [10,11] (в том числе и низкосортных) [12, 13] и биомассы [14,15] для выработки тепловой энергии.
Основными проблемами применения в промышленной теплоэнергетике этих двух достаточно перспективных энергоносителей являются: высокие концентрации антропогенных оксидов и летучей золы в продуктах сгорания углей [16,17] и относительно низкая по сравнению с другими энергоносителями теплотворная способность типичных видов биомассы [18,19]. С целью решения этих проблем предпринимались попытки обоснования эффективности использования в энергетике неоднородных углей или однородной биомассы (наиболее перспективным видом этого топлива является древесина), а различных композитных топлив на их основе [20,21]. Например, интенсивно ведутся экспериментальные [22, 23] и теоретические
[24] исследования процессов сжигания водоугольных, органо-водоугольных
[25] топлив, а также смесей измельченных углей и древесины [26, 27]. Установлено, что достаточно масштабным положительным эффектом сжигания таких композитных топлив является существенное снижение антропогенных выбросов [26,27] (оксидов серы и азота, а также летучей золы), в условиях умеренного (во многих приемлемых на практике случаях) снижения энергетических показателей теплоэлектроцентралей или локальных котельных [28,29]. С технологической точки зрения наиболее простыми представляются технологии сжигания измельченных углей и диспергированной древесины в топках водогрейных котлов [30, 31].
Важным при этом является то, что в качестве второго компонента угольно-древесных смесей могут быть использованы образующиеся при лесопилении и деревообработке отходы (доля их достигает 15% в большинстве случаев), характерные размеры частиц которых составляют от 0,5 мм до 6 мм. Дальнейшее измельчение таких достаточно малых частиц (в основном опилки, щепа) требует больших затрат энергии. Поэтому одной из основных задач, возникающих при анализе возможности сжигания отходов лесопиления и деревообработки в топках водогрейных котлов в смеси углем, является оценка условий и характеристик процессов термической подготовки частиц древесной биомассы, размеры которых могут быть в сто раз больше частиц угольной пыли, образующихся после измельчения с использованием широко распространенных в энергетике аппаратов типа шаровых мельниц. Необходима оценка времен термической подготовки крупных частиц древесины по отношению к малым угольным. Возможно использование отходов лесопиления самых разных видов древесной биомассы, как хвойных, так и лиственных пород, цена которых во многих случаях по существу сводится к стоимости погрузки и транспортировки.
Наиболее перспективным для большой группы стран Азии является сжигание древесины в первую очередь лиственных пород, выращиваемых специально как энергоресурс. Можно отметить, что скорость роста последних в несколько раз больше аналогичных характеристик хвойных деревьев, что даёт основание для обоснованных выводов о целесообразности выращивания, например, липы, эвкалиптов, тополя и других видов энергетической древесины на специальных плантациях для последующего сжигания в топках котельных установок разного назначения. Важным при этом является также, и высокая способность деревьев лиственных пород вырабатывать кислород и поглощать углекислый газ (особенно тополя). То есть такие плантации могут выполнять две важные задачи, вытекающие из двух основных проблем мирового сообщества (энергетической и экологической безопасности), - снижение объемов использования органических топлив и поглощение углекислого газа.
Но использование смесей угля и биомассы в качестве топлива в промышленной теплоэнергетике сопряжено с решением ряда технических и технологических проблем, одной из которых (возможно, важнейшей) является устойчивое сжигание древесно-угольных смесей. Разные свойства (теплофизические и термохимические) углей и древесины являются причиной того, что времена термической подготовки даже малой группы угольных и древесных частиц могут достаточно существенно отличаться от аналогичных характеристик одиночных частиц первой или второй компоненты.
Научно - техническая проблема. Необходимо по результатам экспериментальных исследований процессов термической подготовки смесей частиц угля и древесины установить основные закономерности этих процессов и обосновать возможность использования древесно-угольных смесей в качестве топлив теплоэлектроцентралей и котельных с целью сбережения энергетических ресурсов и защиты окружающей среды.
Цель работы. Обоснование возможности сбережения энергетических ресурсов и более эффективной защиты окружающей среды при работе объектов промышленной теплоэнергетики в результате использования в качестве топлив паровых и водогрейных котлов смесей на основе углей и древесины.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1 .Разработка экспериментального стенда и методики эксперимента для исследований процессов термической подготовки древесно-угольных смесей.
2. Установление по результатам экспериментов основных закономерностей термической подготовки смесей измельченных угля и древесины.
3.Оценка степени влияния вида биомассы на основные характеристики термической подготовки композитных био-угольных топлив.
4. Установление влияния концентрации древесины и расположения частиц био-угольных топлив относительно друг друга на характеристики и условия их термической подготовки.
5.Определение наиболее перспективного (с целью минимизации времён термической подготовки) соотношения компонент в смеси уголь/древесина.
6.Обоснование возможности эффективного сжигания древесноугольных смесей в условиях, соответствующих по тепловым режимам топкам паровых и водогрейных котлов промышленной теплоэнергетике.
Научная новизна. По результатам впервые проведенных экспериментальных исследований процессов термической подготовки смесей частиц угля и древесины установлены основные закономерности исследовавшихся процессов (условия, механизмы и характеристики термической подготовки смеси частиц угля и древесины). Обоснована возможность использования древесно-угольных смесей в качестве топлив теплоэлектроцентралей и котельных с целью сбережения энергетических ресурсов и защиты окружающей среды.
Практическая значимость работы. Обоснована возможность вовлечения в энергетический сектор отходов лесопиления и лесопереработки в качестве значимой по объему добавки, ускоряющей процесс термической подготовки древесно-угольных смесей, снижающей себестоимость производство теплоты и уменьшающей содержание в дымовых газах теплоцентралей и котельных антропогенных веществ.
Достоверность. Эксперименты проводились с использованием современных средств регистрации характеристик исследовавшихся процессов с малыми методическими погрешностями. Для каждого набора исходных данных по условиям эксперимента проводилась серия минимум из 15 опытов. Определялись доверительные интервалы времен термической подготовки древесно-угольных топлив. Результаты экспериментальных исследований подтверждаются их хорошей повторяемостью.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Разработана методика экспериментального исследования процессов термической подготовки счетного количества частиц угля и древесины в смеси.
2. Разработаны методики экспериментального исследования влияния концентрации биомассы в древесно-угольных смесях на время термической подготовки.
3. По результатам впервые проведенных экспериментальных исследований процессов термической подготовки частиц типичных углей и древесины в смеси установлены основные закономерности исследовавшихся процессов (условия, механизмы и характеристики термической подготовки смеси частиц угля и древесины).
4. Впервые экспериментально установлено влияние концентрации биомассы (от 10% до 50%) в древесно-угольных смесях на время термической подготовки последних.
5. Добавление 40% мелкодисперсной древесной биомассы (с характерным размером древесных частиц до 2 мм) снижает период термической подготовки био-угольной смеси (с характерным размером угольных частиц до 0,05 мм) до 45% при относительно низких температурах топочной среды (до 873 К) по сравнению с однородным углем.
6. Установлено перспективные соотношение концентраций компонент в системе уголь/древесина - 70/30 (по критерию минимизации времени термической подготовки).
7. При массовом соотношении в топливной смеси 50/50 древесина/уголь времена термической подготовки частицы угля снижаются на 30-40% (по сравнению с однородным углем).
8. Минимальные времена термической подготовки угольных частиц зарегистрированы при температуре 873 К для топливной смеси, концентрация угля в которой составляет 70-75%. Увеличение и снижение доли угля в смеси приводит к росту времени термической подготовки. При относительно высоких температурах (1073 - 1273 К) времена термической подготовки от концентрации угля в смеси не зависят.
9. Вид древесной биомассы оказывает несущественное влияние на характеристики термической подготовки древесно-угольной смеси.
10. Изменение влажности древесины в диапазоне от 10 до 45% приводит к росту времени термической подготовки для частиц осины почти в 11 раз (с 17,7 до 186,6 секунд), а для частиц сосны почти в 14 раз (с 19 до 261 секунд) при температуре окружающей среды 1273 К.
11. Период термической подготовки любой совокупности частиц древесины происходит интенсивнее аналогичных процессов одиночной частицы в идентичных условиях.
12. Обоснована возможность эффективного сжигания древесноугольных смесей в топочных условиях паровых и водогрейных котлов промышленной теплоэнергетики.
Личный вклад. Автор диссертации провела планирование и подготовку экспериментальных исследований, выполнила эксперименты, обработку и анализ полученных результатов, оценку погрешностей, анализ и обобщение результатов. Также автор проводила написание статей и подготовку докладов для выступления на конференциях. Автором сформулированы основные защищаемые положения и выводы.
Связь работы с научными программами и грантами. Исследования проводились в рамках выполнения работ по проектам:
1. Российского научного фонда (РНФ): 18-79-10015 «Разработка основных элементов теории процессов термической подготовки, воспламенения и горения смесевых топлив на основе угля и древесины
применительно к камерам сгорания котельных агрегатов». 18-79-10015-п
«Разработка основных элементов теории процессов термической подготовки, воспламенения и горения смесевых топлив на основе угля и древесины
применительно к камерам сгорания котельных агрегатов».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. 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);
2. XVI Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (Новосибирск, 2020);
3. XI Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2021);
4. XII Семинар вузов по теплофизике и энергетике (Сочи, 2021);
5. VIII Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск,
2019) ;
6. IX Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск,
2020) ;
7. X Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск,
2021) ;
8. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2019);
9. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2021);
10. I Всероссийская молодежная конференция с международным участием «Бутаковские чтения» (Томск, 2021).
Публикации. публикованы пять статей в международных научных журналах, индексируемых базами «Scopus» и «Web of Science»: «Journal of the Energy Institute», «Fuel», «Thermal Science and Engineering Progress» и статья в
журнале, рекомендованном ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций: «Известия Томского политехнического
университета. Инжиниринг георесурсов».
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложена на 110 страницах, содержит 28 рисунков и 6 таблиц. Список литературы состоит из 141 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 древесноугольных смесей. Проведен анализ публикаций по исследованиям сжигания древесно-угольных смесей в мировой научной периодике. Обоснована перспективность таких топлив.
Вторая глава посвящена описанию методики проведения экспериментальных исследований, подготовке топлива, методу оценки погрешностей результатов экспериментальных исследований.
В третьей главе представлены результаты проведенных экспериментальных исследований процессов зажигания и горения частиц древесно-угольных топлив.
Проведен анализ влияния вида и концентрации измельченного древесного горючего материала на времена термической подготовки древесно-угольных смесей. Установлено, что вид древесной биомассы не оказывает существенного влияния на времена термической подготовки смеси крупных частиц древесины и малых угля, так как первыми начинают гореть малые по размерам частицы угля. Для относительно крупных частиц древесины и угля установлено оптимальное соотношение концентрации компонент в системе уголь/древесина, по критерию минимизации времени термической подготовки.
Приведены результаты анализа влияния расстояния между частицами древесины на характеристики их совместного зажигания.
Установленные в экспериментах времена термической подготовки для группы частиц древесины показывают, что период термической подготовки любой совокупности частиц древесины происходит интенсивнее аналогичных процессов одиночной частицы в идентичных условиях.
Четвертая глава посвящена анализу возможности сбережения энергетических и материальных ресурсов малой энергетики на примере г. Томска в результате использования древесно-угольных смесей в качестве топлива котельных агрегатов, а также решена задача защиты окружающей среды.
В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
Причиной отсутствия такой теории является недостаток экспериментальных данных об основных закономерностях процессов термической подготовки смесей частиц угля и древесины, несмотря на то, что в течение двух последних десятилетий исследователи многих стран предпринимают большие усилия для научно-технического обоснования возможности существенного увеличения объемов использования углей [10,11] (в том числе и низкосортных) [12, 13] и биомассы [14,15] для выработки тепловой энергии.
Основными проблемами применения в промышленной теплоэнергетике этих двух достаточно перспективных энергоносителей являются: высокие концентрации антропогенных оксидов и летучей золы в продуктах сгорания углей [16,17] и относительно низкая по сравнению с другими энергоносителями теплотворная способность типичных видов биомассы [18,19]. С целью решения этих проблем предпринимались попытки обоснования эффективности использования в энергетике неоднородных углей или однородной биомассы (наиболее перспективным видом этого топлива является древесина), а различных композитных топлив на их основе [20,21]. Например, интенсивно ведутся экспериментальные [22, 23] и теоретические
[24] исследования процессов сжигания водоугольных, органо-водоугольных
[25] топлив, а также смесей измельченных углей и древесины [26, 27]. Установлено, что достаточно масштабным положительным эффектом сжигания таких композитных топлив является существенное снижение антропогенных выбросов [26,27] (оксидов серы и азота, а также летучей золы), в условиях умеренного (во многих приемлемых на практике случаях) снижения энергетических показателей теплоэлектроцентралей или локальных котельных [28,29]. С технологической точки зрения наиболее простыми представляются технологии сжигания измельченных углей и диспергированной древесины в топках водогрейных котлов [30, 31].
Важным при этом является то, что в качестве второго компонента угольно-древесных смесей могут быть использованы образующиеся при лесопилении и деревообработке отходы (доля их достигает 15% в большинстве случаев), характерные размеры частиц которых составляют от 0,5 мм до 6 мм. Дальнейшее измельчение таких достаточно малых частиц (в основном опилки, щепа) требует больших затрат энергии. Поэтому одной из основных задач, возникающих при анализе возможности сжигания отходов лесопиления и деревообработки в топках водогрейных котлов в смеси углем, является оценка условий и характеристик процессов термической подготовки частиц древесной биомассы, размеры которых могут быть в сто раз больше частиц угольной пыли, образующихся после измельчения с использованием широко распространенных в энергетике аппаратов типа шаровых мельниц. Необходима оценка времен термической подготовки крупных частиц древесины по отношению к малым угольным. Возможно использование отходов лесопиления самых разных видов древесной биомассы, как хвойных, так и лиственных пород, цена которых во многих случаях по существу сводится к стоимости погрузки и транспортировки.
Наиболее перспективным для большой группы стран Азии является сжигание древесины в первую очередь лиственных пород, выращиваемых специально как энергоресурс. Можно отметить, что скорость роста последних в несколько раз больше аналогичных характеристик хвойных деревьев, что даёт основание для обоснованных выводов о целесообразности выращивания, например, липы, эвкалиптов, тополя и других видов энергетической древесины на специальных плантациях для последующего сжигания в топках котельных установок разного назначения. Важным при этом является также, и высокая способность деревьев лиственных пород вырабатывать кислород и поглощать углекислый газ (особенно тополя). То есть такие плантации могут выполнять две важные задачи, вытекающие из двух основных проблем мирового сообщества (энергетической и экологической безопасности), - снижение объемов использования органических топлив и поглощение углекислого газа.
Но использование смесей угля и биомассы в качестве топлива в промышленной теплоэнергетике сопряжено с решением ряда технических и технологических проблем, одной из которых (возможно, важнейшей) является устойчивое сжигание древесно-угольных смесей. Разные свойства (теплофизические и термохимические) углей и древесины являются причиной того, что времена термической подготовки даже малой группы угольных и древесных частиц могут достаточно существенно отличаться от аналогичных характеристик одиночных частиц первой или второй компоненты.
Научно - техническая проблема. Необходимо по результатам экспериментальных исследований процессов термической подготовки смесей частиц угля и древесины установить основные закономерности этих процессов и обосновать возможность использования древесно-угольных смесей в качестве топлив теплоэлектроцентралей и котельных с целью сбережения энергетических ресурсов и защиты окружающей среды.
Цель работы. Обоснование возможности сбережения энергетических ресурсов и более эффективной защиты окружающей среды при работе объектов промышленной теплоэнергетики в результате использования в качестве топлив паровых и водогрейных котлов смесей на основе углей и древесины.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1 .Разработка экспериментального стенда и методики эксперимента для исследований процессов термической подготовки древесно-угольных смесей.
2. Установление по результатам экспериментов основных закономерностей термической подготовки смесей измельченных угля и древесины.
3.Оценка степени влияния вида биомассы на основные характеристики термической подготовки композитных био-угольных топлив.
4. Установление влияния концентрации древесины и расположения частиц био-угольных топлив относительно друг друга на характеристики и условия их термической подготовки.
5.Определение наиболее перспективного (с целью минимизации времён термической подготовки) соотношения компонент в смеси уголь/древесина.
6.Обоснование возможности эффективного сжигания древесноугольных смесей в условиях, соответствующих по тепловым режимам топкам паровых и водогрейных котлов промышленной теплоэнергетике.
Научная новизна. По результатам впервые проведенных экспериментальных исследований процессов термической подготовки смесей частиц угля и древесины установлены основные закономерности исследовавшихся процессов (условия, механизмы и характеристики термической подготовки смеси частиц угля и древесины). Обоснована возможность использования древесно-угольных смесей в качестве топлив теплоэлектроцентралей и котельных с целью сбережения энергетических ресурсов и защиты окружающей среды.
Практическая значимость работы. Обоснована возможность вовлечения в энергетический сектор отходов лесопиления и лесопереработки в качестве значимой по объему добавки, ускоряющей процесс термической подготовки древесно-угольных смесей, снижающей себестоимость производство теплоты и уменьшающей содержание в дымовых газах теплоцентралей и котельных антропогенных веществ.
Достоверность. Эксперименты проводились с использованием современных средств регистрации характеристик исследовавшихся процессов с малыми методическими погрешностями. Для каждого набора исходных данных по условиям эксперимента проводилась серия минимум из 15 опытов. Определялись доверительные интервалы времен термической подготовки древесно-угольных топлив. Результаты экспериментальных исследований подтверждаются их хорошей повторяемостью.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Разработана методика экспериментального исследования процессов термической подготовки счетного количества частиц угля и древесины в смеси.
2. Разработаны методики экспериментального исследования влияния концентрации биомассы в древесно-угольных смесях на время термической подготовки.
3. По результатам впервые проведенных экспериментальных исследований процессов термической подготовки частиц типичных углей и древесины в смеси установлены основные закономерности исследовавшихся процессов (условия, механизмы и характеристики термической подготовки смеси частиц угля и древесины).
4. Впервые экспериментально установлено влияние концентрации биомассы (от 10% до 50%) в древесно-угольных смесях на время термической подготовки последних.
5. Добавление 40% мелкодисперсной древесной биомассы (с характерным размером древесных частиц до 2 мм) снижает период термической подготовки био-угольной смеси (с характерным размером угольных частиц до 0,05 мм) до 45% при относительно низких температурах топочной среды (до 873 К) по сравнению с однородным углем.
6. Установлено перспективные соотношение концентраций компонент в системе уголь/древесина - 70/30 (по критерию минимизации времени термической подготовки).
7. При массовом соотношении в топливной смеси 50/50 древесина/уголь времена термической подготовки частицы угля снижаются на 30-40% (по сравнению с однородным углем).
8. Минимальные времена термической подготовки угольных частиц зарегистрированы при температуре 873 К для топливной смеси, концентрация угля в которой составляет 70-75%. Увеличение и снижение доли угля в смеси приводит к росту времени термической подготовки. При относительно высоких температурах (1073 - 1273 К) времена термической подготовки от концентрации угля в смеси не зависят.
9. Вид древесной биомассы оказывает несущественное влияние на характеристики термической подготовки древесно-угольной смеси.
10. Изменение влажности древесины в диапазоне от 10 до 45% приводит к росту времени термической подготовки для частиц осины почти в 11 раз (с 17,7 до 186,6 секунд), а для частиц сосны почти в 14 раз (с 19 до 261 секунд) при температуре окружающей среды 1273 К.
11. Период термической подготовки любой совокупности частиц древесины происходит интенсивнее аналогичных процессов одиночной частицы в идентичных условиях.
12. Обоснована возможность эффективного сжигания древесноугольных смесей в топочных условиях паровых и водогрейных котлов промышленной теплоэнергетики.
Личный вклад. Автор диссертации провела планирование и подготовку экспериментальных исследований, выполнила эксперименты, обработку и анализ полученных результатов, оценку погрешностей, анализ и обобщение результатов. Также автор проводила написание статей и подготовку докладов для выступления на конференциях. Автором сформулированы основные защищаемые положения и выводы.
Связь работы с научными программами и грантами. Исследования проводились в рамках выполнения работ по проектам:
1. Российского научного фонда (РНФ): 18-79-10015 «Разработка основных элементов теории процессов термической подготовки, воспламенения и горения смесевых топлив на основе угля и древесины
применительно к камерам сгорания котельных агрегатов». 18-79-10015-п
«Разработка основных элементов теории процессов термической подготовки, воспламенения и горения смесевых топлив на основе угля и древесины
применительно к камерам сгорания котельных агрегатов».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. 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);
2. XVI Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (Новосибирск, 2020);
3. XI Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2021);
4. XII Семинар вузов по теплофизике и энергетике (Сочи, 2021);
5. VIII Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск,
2019) ;
6. IX Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск,
2020) ;
7. X Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск,
2021) ;
8. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2019);
9. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2021);
10. I Всероссийская молодежная конференция с международным участием «Бутаковские чтения» (Томск, 2021).
Публикации. публикованы пять статей в международных научных журналах, индексируемых базами «Scopus» и «Web of Science»: «Journal of the Energy Institute», «Fuel», «Thermal Science and Engineering Progress» и статья в
журнале, рекомендованном ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций: «Известия Томского политехнического
университета. Инжиниринг георесурсов».
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложена на 110 страницах, содержит 28 рисунков и 6 таблиц. Список литературы состоит из 141 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 древесноугольных смесей. Проведен анализ публикаций по исследованиям сжигания древесно-угольных смесей в мировой научной периодике. Обоснована перспективность таких топлив.
Вторая глава посвящена описанию методики проведения экспериментальных исследований, подготовке топлива, методу оценки погрешностей результатов экспериментальных исследований.
В третьей главе представлены результаты проведенных экспериментальных исследований процессов зажигания и горения частиц древесно-угольных топлив.
Проведен анализ влияния вида и концентрации измельченного древесного горючего материала на времена термической подготовки древесно-угольных смесей. Установлено, что вид древесной биомассы не оказывает существенного влияния на времена термической подготовки смеси крупных частиц древесины и малых угля, так как первыми начинают гореть малые по размерам частицы угля. Для относительно крупных частиц древесины и угля установлено оптимальное соотношение концентрации компонент в системе уголь/древесина, по критерию минимизации времени термической подготовки.
Приведены результаты анализа влияния расстояния между частицами древесины на характеристики их совместного зажигания.
Установленные в экспериментах времена термической подготовки для группы частиц древесины показывают, что период термической подготовки любой совокупности частиц древесины происходит интенсивнее аналогичных процессов одиночной частицы в идентичных условиях.
Четвертая глава посвящена анализу возможности сбережения энергетических и материальных ресурсов малой энергетики на примере г. Томска в результате использования древесно-угольных смесей в качестве топлива котельных агрегатов, а также решена задача защиты окружающей среды.
В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
1. Разработана методика экспериментального исследования процессов термической подготовки счетного множества частиц угля и древесины в смеси
2. Разработаны методики экспериментального исследования влияния концентрации биомассы в древесно-угольных смесях на время термически подготовки последних
3. Установлено влияние расстояния между частицами топлив на условия и характеристики совместной термической подготовки частиц угля и биомассы
4. Установлено, что вид древесной биомассы в составе древесно-угольных смесей не оказывает существенного влияния на условия и характеристики термической подготовки частиц смесей.
5. В большой группе частиц древесной биомассы, состоящей из нескольких рядов, период термической подготовки у частиц верхнего ряда ниже аналогичных периодов верхних при расстояниях между рядами равными характерным размерам самих частиц во всем исследуемом диапазоне температур окружающей среды (от 873 до 1073 К).
6. При относительно низких температурах внешней среды (до 923 К) времена термической подготовки частицы угля в топливной смеси 50/50 древесина/уголь снижаются на 30-40% (по сравнению с однородным углем)
7. Минимальные времена термической подготовки угольных частиц зарегистрированы при температуре 873 К для топливной смеси, концентрация угля в которой составляет 70-75%. Увеличение и снижение доли угля в смеси приводит к росту времени термической подготовки. При относительно высоких температурах (1073 - 1273 К) времена термической подготовки от концентрации угля в смеси не зависят.
8. Изменение влажности древесины в диапазоне от 10 до 45% приводит к росту времени термической подготовки для частиц осины почти в 11 раз (с 17,7 до 186,6 секунд), а для частиц сосны почти в 14 раз (с 19 до 261 секунд) при температуре окружающей среды 1273 К.
9. Период термической подготовки любой совокупности частиц древесины происходит интенсивнее аналогичных процессов одиночной частицы в идентичных условиях.
10. Обоснована возможность эффективного сжигания древесно-угольных смесей в топочных условиях паровых и водогрейных котлов промышленной теплоэнергетики.
2. Разработаны методики экспериментального исследования влияния концентрации биомассы в древесно-угольных смесях на время термически подготовки последних
3. Установлено влияние расстояния между частицами топлив на условия и характеристики совместной термической подготовки частиц угля и биомассы
4. Установлено, что вид древесной биомассы в составе древесно-угольных смесей не оказывает существенного влияния на условия и характеристики термической подготовки частиц смесей.
5. В большой группе частиц древесной биомассы, состоящей из нескольких рядов, период термической подготовки у частиц верхнего ряда ниже аналогичных периодов верхних при расстояниях между рядами равными характерным размерам самих частиц во всем исследуемом диапазоне температур окружающей среды (от 873 до 1073 К).
6. При относительно низких температурах внешней среды (до 923 К) времена термической подготовки частицы угля в топливной смеси 50/50 древесина/уголь снижаются на 30-40% (по сравнению с однородным углем)
7. Минимальные времена термической подготовки угольных частиц зарегистрированы при температуре 873 К для топливной смеси, концентрация угля в которой составляет 70-75%. Увеличение и снижение доли угля в смеси приводит к росту времени термической подготовки. При относительно высоких температурах (1073 - 1273 К) времена термической подготовки от концентрации угля в смеси не зависят.
8. Изменение влажности древесины в диапазоне от 10 до 45% приводит к росту времени термической подготовки для частиц осины почти в 11 раз (с 17,7 до 186,6 секунд), а для частиц сосны почти в 14 раз (с 19 до 261 секунд) при температуре окружающей среды 1273 К.
9. Период термической подготовки любой совокупности частиц древесины происходит интенсивнее аналогичных процессов одиночной частицы в идентичных условиях.
10. Обоснована возможность эффективного сжигания древесно-угольных смесей в топочных условиях паровых и водогрейных котлов промышленной теплоэнергетики.
