📄Работа №201374
Тема: ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЕ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ К СЖИГАНИЮ
Тип работы
Диссертация
Предмет
физика
Объем:
136 листов
Год:
2022
Просмотров:
55
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ СУШКЕ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ 20
1.1 Экономические и экологические предпосылки к использованию древесной
биомассы в энергетике 20
1.2 Проблемы и перспективы использования древесной биомассы в энергетике 23
1.3 Примеры объектов энергетики, работающих на древесной биомассе 29
1.4 Обзор результатов экспериментальных и теоретических исследований процессов
сушки древесной биомассы 35
1.4.1. Сушка лесных горючих материалов и отходов деревообработки 35
1.4.2. Экспериментальные и теоретические исследования температурных полей при
нагреве влагонасыщенных пористых материалов 40
Основные результаты и выводы по первой главе 44
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА, ПРОТЕКАЮЩИХ В ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЕ ПРИ ЕЁ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ К СЖИГАНИЮ 45
2.1 Методика подготовки древесной биомассы к проведению экспериментов 45
2.2 Методика проведения экспериментальных исследований процессов тепло- и
массопереноса, протекающих при сушке древесной биомассы 48
2.3 Методики определения массовой скорости влагоудаления 52
2.3.1 Методика определения массовой скорости влагоудаления при сушке лесных
горючих материалов на основе листьев деревьев и хвои ели, а также отходов деревообработки 52
2.3.2 Методика определения массовой скорости влагоудаления при сушке лесных
горючих материалов на основе веточек деревьев 53
2.4 Методика подготовки древесной биомассы при проведении анализа влияния
плотности засыпки на характеристики и условия процесса влагоудаления 55
2.5 Методика расчета погрешностей измерений 56
Основные результаты и выводы по второй главе 58
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЕ ПРИ ЕЁ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ К СЖИГАНИЮ 59
3.1 Поля температур в массивном слое древесной биомассы при радиационноконвективном нагреве 59
3.1.1 Анализ влияния условий теплообмена и выхода паров воды на характеристики
процесса влагоудаления в массивном слое древесной биомассы 64
3.1.2 Параметрический анализ процесса сушки массивного слоя древесной стружки 66
3.2 Анализ влияния вида древесной биомассы на характеристики и условия процесса
дегидратации 72
3.2.1 Сушка тонкого слоя древесной биомассы на основе листьев деревьев 73
3.2.2 Сушка массивного слоя древесной биомассы на основе листового и хвойного
опада, а также древесных опилок и щепы 75
3.2.3 Сушка лесных горючих материалов на основе веток деревьев 78
3.3 Анализ влияния плотности засыпки древесной биомассы на характеристики
процесса влагоудаления 87
Основные результаты и выводы по третьей главе 92
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ НА ПРОЦЕСС ВЛАГОУДАЛЕНИЯ 95
4.1 Энергоэффективность процесса сушки тонкого слоя древесной биомассы 96
4.2 Энергоэффективность процесса сушки массивного слоя древесной биомассы 98
Выводы по четвертой главе 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 109
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт об использовании результатов диссертационного исследования
131
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Список публикаций по теме диссертации 132
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Рекомендации по практическому использованию результатов
диссертационной работы 135
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ СУШКЕ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ 20
1.1 Экономические и экологические предпосылки к использованию древесной
биомассы в энергетике 20
1.2 Проблемы и перспективы использования древесной биомассы в энергетике 23
1.3 Примеры объектов энергетики, работающих на древесной биомассе 29
1.4 Обзор результатов экспериментальных и теоретических исследований процессов
сушки древесной биомассы 35
1.4.1. Сушка лесных горючих материалов и отходов деревообработки 35
1.4.2. Экспериментальные и теоретические исследования температурных полей при
нагреве влагонасыщенных пористых материалов 40
Основные результаты и выводы по первой главе 44
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА, ПРОТЕКАЮЩИХ В ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЕ ПРИ ЕЁ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ К СЖИГАНИЮ 45
2.1 Методика подготовки древесной биомассы к проведению экспериментов 45
2.2 Методика проведения экспериментальных исследований процессов тепло- и
массопереноса, протекающих при сушке древесной биомассы 48
2.3 Методики определения массовой скорости влагоудаления 52
2.3.1 Методика определения массовой скорости влагоудаления при сушке лесных
горючих материалов на основе листьев деревьев и хвои ели, а также отходов деревообработки 52
2.3.2 Методика определения массовой скорости влагоудаления при сушке лесных
горючих материалов на основе веточек деревьев 53
2.4 Методика подготовки древесной биомассы при проведении анализа влияния
плотности засыпки на характеристики и условия процесса влагоудаления 55
2.5 Методика расчета погрешностей измерений 56
Основные результаты и выводы по второй главе 58
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЕ ПРИ ЕЁ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ К СЖИГАНИЮ 59
3.1 Поля температур в массивном слое древесной биомассы при радиационноконвективном нагреве 59
3.1.1 Анализ влияния условий теплообмена и выхода паров воды на характеристики
процесса влагоудаления в массивном слое древесной биомассы 64
3.1.2 Параметрический анализ процесса сушки массивного слоя древесной стружки 66
3.2 Анализ влияния вида древесной биомассы на характеристики и условия процесса
дегидратации 72
3.2.1 Сушка тонкого слоя древесной биомассы на основе листьев деревьев 73
3.2.2 Сушка массивного слоя древесной биомассы на основе листового и хвойного
опада, а также древесных опилок и щепы 75
3.2.3 Сушка лесных горючих материалов на основе веток деревьев 78
3.3 Анализ влияния плотности засыпки древесной биомассы на характеристики
процесса влагоудаления 87
Основные результаты и выводы по третьей главе 92
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ НА ПРОЦЕСС ВЛАГОУДАЛЕНИЯ 95
4.1 Энергоэффективность процесса сушки тонкого слоя древесной биомассы 96
4.2 Энергоэффективность процесса сушки массивного слоя древесной биомассы 98
Выводы по четвертой главе 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 109
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт об использовании результатов диссертационного исследования
131
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Список публикаций по теме диссертации 132
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Рекомендации по практическому использованию результатов
диссертационной работы 135
📖 Введение
Процессы сушки пористых дисперсных влагонасыщенных материалов изучаются уже более двух столетий (первые научные публикации датируются 1826 годом [1]). Но несмотря на богатую историю исследований процессов влагоудаления из таких материалов на сегодняшний день остаётся ещё много нерешённых задач в этой области знания. Например, не разработано автономных (не опирающихся на апостериорную информацию) прогностических моделей, адекватно описывающих процессы тепло- и массопереноса при сушке древесной биомассы в условиях радиационно-конвективного нагрева.
За последнее десятилетие древесная биомасса (отходы лесозаготовок и деревообработки: опилки, щепа, стружка, кора и др.; лесные горючие материалы (ЛГМ): хвоя, листья, ветки деревьев) всё активнее привлекает внимание мирового сообщества ученых, работающих в области энергетики, как одно из перспективных топлив или компонент топливных смесей (например, биомасса/уголь [2]) паровых и водогрейных котлов промышленных предприятий и тепловых электрических станций. При этом рассматриваются три наиболее перспективных варианта использования древесной биомассы: первый - прямое сжигание в топках водогрейных и паровых котлов [3-5]; второй - совместное сжигание биомассы с углём в камерах сгорания котельных агрегатов [6-11]; третий - газификация древесной биомассы с получением синтез-газа [12].
Перспективность использования древесной биомассы в качестве топлива обусловлена несколькими объективными и субъективными причинами. Во-первых, антропогенная нагрузка на окружающую среду объектов теплоэнергетики, использующих биомассу в качестве топлива, существенно меньше [13], чем у сжигающих уголь или продукты переработки нефти. Так как при горении древесной биомассы образуется углекислый газ, который не нарушает общего баланса CO2 в геохимическом цикле углерода. Деревья и растения, составляющие основной объем энергетической биомассы, поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза. Другими словами, происходит рециркуляция углерода: сколько CO2
5 поглощено, столько и выделяется при сжигании биомассы. В результате концентрация диоксида углерода в атмосфере остается практически неизменной [14]. Также при сжигании древесной биомассы выделяется значительно меньше оксидов азота (NOx), по сравнению с углем и практически не образуется оксидов серы (SOx) [15]. Соответственно, внедрение биомассы в качестве топлива приведет к существенному снижению негативного антропогенного воздействия объектов теплоэнергетики на окружающую среду. В то же время древесное биотопливо является относительно дешевым энергоносителем доступным практически во всех регионах планеты [16]. Но даже обладающая наибольшей теплотворной способностью древесина (дуба) по энергоэффективности существенно уступает самому низкосортному углю (бурому) [17]. Эффективность использования биомассы в энергетике можно повысить за счет разработки новых технологических решений по её термической подготовке к сжиганию (за счет снижения энергозатрат на сушку), а также, например, использованием древесных брикетов, пеллет или древесноугольных смесей. К вышеприведенному стоит добавить, что использование биомассы на основе лесных горючих материалов (ветки деревьев, лиственный и хвойных опад) в качестве энергетического топлива существенно снижает негативное влияние на окружающую среду [13], обусловленное гниением древесины и природными катаклизмами, связанными с неконтролируемым горением (лесные пожары).
Во-вторых, древесная биомасса является одним из самых перспективных возобновляемых ресурсов на планете [18]. По оценкам многих специалистов (например, [19-21]) биомасса и продукты её переработки (биогаз [22], биоуголь [23], биоэтанол [24]) в будущем (ближайшие 30-40 лет) могут напрямую заменить уголь (или дополнить его за счет создания эколого- и энергоэффективных смесевых топлив) в общем балансе тепло- и электрогенерации [25]. Анализ данных основных торговых площадок показал, что спрос на древесную биомассу растёт во всём мире [26, 27]. При этом площади (Sfbr), занимаемые лесами, постоянно сокращаются. Это существенно затрудняет обеспечение устойчивого производства всех видов древесного биотоплива. Например, в период с 1990 по 2010 год площадь лесов
сократилась на 68 млн. га (на 1,6 %) [28] за счёт вырубки и лесных пожаров. Такое снижение Sfor (поглощающих CO2) привело к увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере (с 355 до 390 ppm) [29]. Одним из возможных решений проблемы уменьшения лесных угодий является внедрение в энергетику топлив на основе отходов сельского хозяйства. Однако, как показывают исследования [30] энергетический потенциал сельскохозяйственной биомассы сильно ограничен. К последнему стоит добавить, что производить сельскохозяйственную продукцию объёмом превышающем её потребление пищевой промышленностью экономически нецелесообразно [31]. В этих условиях одним из наиболее оптимальных вариантов энергетического использования древесной биомассы является сжигание биоматериалов на основе типичных отходов лесопиления (горбыль, пни, ветви, кора), деревообработки (опилки, щепа, стружка, древесная пыль) и отходов жизнедеятельности леса или, другими словами, лесных горючих материалов (листовой и хвойный опад, сухостой, сухая трава, ветки и др.) в топках паровых и водогрейных котлов.
На настоящее время плантации быстрорастущих пород деревьев и кустарников увеличиваются во всем мире [32]. Энергетические леса срезаются через 3-10 лет после высаживания высокомеханизированным методом. Выращиваются быстрорастущие культуры, такие как эвкалипт, тополь, ива и другие. Каждые 4-7 лет деревья срезают и годовой урожай может составлять около 7 т/га [33]. Собранная биомасса используется для производства тепловой и электрической энергии. В ряде стран, таких как Италия, Германия, Аргентина, Польша и других на сегодняшний день широко практикуется создание специальных плантаций быстрорастущих и пригодных для целей энергетики пород древесины на основе тополя и ивы. Ежегодно на таких плантациях заготавливается около 3,7 миллионов тонн древесины [34]. В умеренной климатической зоне для энергетических лесов наиболее пригодны быстрорастущие сорта тополя (волосистоплодного и канадского) и ивы (корзиночной и козьей), а в южной части России - акации и эвкалипта. Период ротации растений составляет 6-7 лет [35].
Одним из перспективных топлив для тепловых электростанций и локальных котельных в настоящее время является лесной горючий материал (ЛГМ). Так, результаты экспериментов [36] показали, что использование ЛГМ в качестве добавки к водоугольному топливу (ВУТ) существенно ускоряет процесс воспламенения капель ВУТ. При этом по результатам экспериментальных исследований [36] установлено, что добавление лесных горючих материалов в водоугольное топливо приводит к снижению уровня выбросов оксида азота (NOx) в 1,8 раз и оксидов серы (SO2) в 3 раза (по сравнению со сжиганием однородного угля) и повышению эффективности процесса топливосжигания. Последнее создает предпосылки для существенной диверсификации сырьевой базы объектов теплоэнергетики.
При этом стоит отметить, что обширные лесные угодья Южной Америки и западной Сибири могут производить до 26 т/га [37, 38] лесных горючих материалов в год. В свою очередь сбор и использование ЛГМ позволит существенно улучшить экосистему лесного хозяйства за счёт исключения из неё существенно пожароопасного материала [39]. Последнее является немаловажным фактором. Так как пример крупномасштабных пожаров в штате Калифорния (США) [40] показал, что принятие подзаконных актов в сенате штата без консультации с представителями академической науки (в области экологии леса) привело к существенному материальному ущербу и гибели людей. Законы, фактически запрещающие вырубку старых лесов и их утилизацию, принятые под предлогом улучшения цикла поглощения углекислого газа старыми деревьями привели к формированию обширных угодий сухостоя [41]. В результате благоприятных метеорологических условий, включая долгосрочные тенденции потепления, сухого климата и экстремально прогретых воздушных масс с сильным морским ветром возникли пожары, которые привели к серьезным социально-экономическим разрушениям и значительным человеческим жертвам. Также вследствие пожаров в атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, оксидов азота и др. [42]. Соответственно, можно обосновано предположить, что введение в общий баланс тепло- и электрогенерации лесных горючих материалов (в составе
8 эколого- и энергоэффективных топливных композитов), существенно снизит риск возникновения подобных природных катастроф. При этом стоит отметить, что себестоимость производства топлива на основе лесных горючих материалов и отходов лесопиления обусловлена только затратами на их сбор и транспортировку [43]. Также внедрение древесной биомассы в качестве топлива на промышленных предприятиях и тепловых электрических станциях будет способствовать формированию новых низкоквалифицированных (не требующих специального и долговременного обучения) рабочих мест. Последнее будет способствовать экономическому развитию любого богатого лесными угодьями региона.
Однако широкомасштабное использование древесной биомассы в энергетике (как основного топлива, так и в составе древесноугольного композита) тормозится за счет того, что любая древесина в исходном состоянии является существенно влагонасыщенным материалом (влажность может достигать 70 %) [44]. Сжигание влажной биомассы в топочных устройствах котельных агрегатов снижает коэффициент полезного действия котла. Последнее обусловлено низкой теплотой сгорания влажного древесного биотоплива, а также увеличением тепловых потерь с уходящими газами (вследствие роста энтальпии продуктов сгорания) [45]. Также можно сказать, что увеличение влажности исходного топлива приводит к интенсификации осаждения золы на поверхностях теплообмена и в трактах внутренних, и внешних газоходов котельного агрегата [46]. Соответственно, неизбежным этапом, предшествующим сжиганию биомассы, является проведение процедуры предварительной термической подготовки, а именно сушки. В этих условиях разработка энергетически эффективных методов и высокоэффективных установок по удалению влаги из древесной биомассы является одним из приоритетных направлений развития энергомашиностроения. Но для проектирования высокоэффективного сушильного оборудования необходимы знания о закономерностях процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке влажной древесной биомассы. Поэтому установление по результатам экспериментов основных механизмов и характеристик процессов тепло- и массопереноса, протекающих в условиях интенсивных фазовых превращений
(испарение внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги), во влажной древесной биомассе при её термической подготовке (сушке) к сжиганию является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Существенный вклад в развитие теории и практики процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке влажных пористых материалов в условиях интенсивного нагрева, внесли: А.В. Лыков, О. Кришер, Ю.П. Семёнов, П.С. Коссович, П.Д. Лебедев, Б.А. Поснов, В.А. Баженов, И.В. Кречетов, Г.С. Шубин, О.Р. Дорняк, Р.Р. Сафин, P. Bengtsson, N. Hofmann, K.Y. Pin и другие. Но стоит отметить, что на сегодняшний день в мировой научной периодике практически нет примеров публикаций с описанием результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке перспективной для целей энергетики древесной биомассы на основе типичных отходов лесопиления и деревообработки (опилки, щепа, стружка, древесная пыль, кора и т.д.), а также лесных горючих материалов (листовой и хвойный опад, ветки деревьев). В большинстве известных публикаций (например, [47-49]) приведены результаты исследований процессов дегидратации биомассы на основе отходов сельскохозяйственных производств (рисовая шелуха, стебли растений, солома и др.), при этом анализ энергетических затрат на процесс сушки в этих статьях не проводился. Также остаются практически неизученными связи массовой скорости влагоудаления (Weva) при сушке древесной биомассы с основными значимыми факторами (температура внешней среды, вид биомассы, плотность засыпки и др.). В то же время скорость влагоудаления является определяющей характеристикой при разработке общей теории процессов сушки, которая необходима для фундаментального обоснования перспективности использования древесной биомассы в качестве топлива паровых и водогрейных котлов тепловых электрических станций, а также промышленных предприятий. В связи с этим на настоящее время для древесной биомассы, используемой в качестве топлива, остаются актуальными проблемы установления механизмов тепло- и массопереноса, протекающих в условиях интенсивных фазовых превращений, при радиационно-конвективном нагреве в типичном (для
10 современной сушильной техники [50]) диапазоне температур внешней среды (Tg=333-393 К).
Целью работы является установление по результатам экспериментальных исследований основных закономерностей (механизмов, характеристик, условий) процессов тепло- и массопереноса, протекающих при интенсивных фазовых превращениях (испарение внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги), во влажной древесной биомассе при её радиационно-конвективном нагреве.
Цель диссертационной работы достигается путем решения следующих задач:
1. Разработка методик экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке древесной биомассы, отличающихся от известных комплексным изучением тепловых режимов слоя измельчённой древесной биомассы в условиях интенсивных фазовых превращений.
2. Определение по результатам экспериментальных исследований основных закономерностей процессов тепло- и массопереноса в слое влажной древесной биомассы (лесной горючий материал: листья, хвоя, ветки деревьев; отходы лесопиления и деревообработки: опилки, щепа, древесная стружка) в период её радиационно-конвективного нагрева.
3. Установление значений времени дегидратации древесной биомассы в типичном (для сушильного оборудования) температурном диапазоне внешней среды (Tg=333-393 К).
4. Определение значений массовых скоростей влагоудаления в период сушки древесной биомассы при варьировании основных значимых параметров: вид биомассы, температура внешней среды, плотность засыпки.
5. Оценка по результатам проведенных экспериментов энергетических затрат на сушку древесной биомассы.
6. Разработка физических моделей процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке измельчённой древесной биомассы, в условиях радиационно-конвективного нагрева.
Научная новизна работы.
1. Впервые на основании результатов экспериментальных исследований установлен механизм процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке массивного слоя (толщиной Л=100±1 мм) древесной биомассы, характеризующийся не только непосредственным испарением воды, но и фильтрацией водяных паров как к поверхности нагрева, так и вглубь слоя, где происходит их последующая конденсация, приводящая к повышению температуры и перенасыщению части слоя влагой.
2. По результатам исследований процессов тепло- и массопереноса при сушке лесных горючих материалов на основе веток деревьев установлены ранее незарегистрированные немонотонные зависимости значений массовых скоростей влагоудаления от времени дегидратации Weva(r) в условиях низкотемпературного нагрева (333
4. Энергетический анализ процесса сушки показал, что процедуру влагоудаления из древесной биомассы на основе типичных отходов лесопиления (древесная щепа) и лесных горючих материалов (веточки деревьев, листовой и хвойный опад) эффективнее всего проводить в условиях относительно низких температур внешней среды (Tg<353 К).
Практическая значимость работы. По результатам экспериментальных исследований обоснована возможность использования в энергетике лесных горючих материалов (листья, хвоя, ветки деревьев) и отходов
12 деревообрабатывающих производств (опилки, щепа) в качестве перспективного топлива паровых и водогрейных котельных агрегатов промышленных предприятий, а также тепловых электрических станций. Экологический эффект от использования древесной биомассы на объектах теплоэнергетики в качестве топлива определяется, в первую очередь, снижением концентраций основных антропогенных газов (оксидов азота и серы), формирующихся при сжигании угля, а также выводом с территорий лесозаготовок пожароопасных отходов лесопиления и лесных горючих материалов. Последнее существенно снизит пожароопасность лесов и приведет к росту числа рабочих мест в регионах богатых лесными угодьями.
Результаты диссертационной работы могут являться основой при обосновании конструктивных характеристик камер сушильных установок в период проведения опытно-конструкторских работ. Также результаты диссертационного исследования используются в Национальном исследовательском Томском политехническом университете в рамках подготовки магистров по направлению 13.04.01 Т еплоэнергетика и теплотехника ООП «Промышленная теплоэнергетика».
Теоретическая значимость. Результаты выполненных экспериментальных исследований расширяют современные представления о механизмах и процессах тепло- и массопереноса, протекающих совместно в условиях интенсивных фазовых превращений, при проведении процедуры влагоудаления из древесной биомассы. Также результаты проведённых экспериментов являются основой для разработки новых физических и математических моделей, наиболее адекватно описывающих процессы сушки древесной биомассы.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 1.3.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» в части пункта 1 - «Фундаментальные, теоретические и экспериментальные исследования молекулярных и макросвойств веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии для более глубокого понимания явлений, протекающих при тепловых процессах и агрегатных изменениях в физических системах».
Методы исследования. Экспериментальные исследования теплофизических процессов, протекающих совместно при интенсивных фазовых трансформациях (испарение воды), выполнены с использованием современных методов и высокоточных средств измерения: регистрация массы навески биомассы проводилась непрерывно с помощью лабораторных весов Aczet CY-1003 (погрешность измерения массы 0,001 г) и программного обеспечения LabVIEW; температура в слое древесной биомассы и над её поверхностью регистрировалась при помощи термоэлектрических преобразователей - хромель-алюмелевых термопар (диаметр спая термопар d 0,3 мм; температурный диапазон измерения 273-1373 К; погрешность измерения 0,1 К); температура внутри сушильной камеры SU 32 задавалась с помощью терморегулятора ТРМ 500.
Достоверность результатов диссертационных исследований. Достоверность полученных результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей выполненных измерений, удовлетворительной повторяемостью результатов серий экспериментов при идентичных начальных условиях, использованием современного и высокоточного оборудования и программноаппаратных комплексов.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационная работа проводилась в рамках стратегического плана развития Национального исследовательского Томского политехнического университета, как одного из ведущих университетов мира. Разработанные экспериментальные методики используются в Национальном исследовательском Томском политехническом университете при подготовке магистров техники и технологии по направлениям: «Экологически чистые технологии преобразования энергоносителей», «Теплоэнергетика и теплотехника», а также аспирантов по направлению: «Физика и астрономия».
Тема диссертации соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (Указ Президента РФ № 899 от 7 июля 2011 г.): «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также находится в сфере критических технологий федерального
14
уровня, получивших высокий рейтинг по показателям состояния и перспективам
развития («Технологии энергоэффективного производства и преобразования
энергии на органическом топливе», «Технологии создания энергосберегающих
систем транспортировки, распределения и использования энергии», «Технологии
новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику»).
Диссертационное исследование процессов тепло- и массопереноса в древесной биомассе при её радиационно-конвективном нагреве выполнено при поддержке грантов: 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» (2018-2021 гг.); гранта Президента МК-89.2021.4 «Разработка основных элементов теории воспламенения капель существенно неоднородных водоугольных композитов в условиях высоких температур и давлений» (2021-2022 гг.); гранта РНФ 20-19-00226 «Моделирование тепловых режимов объектов теплоснабжения при совместной работе газовых инфракрасных излучателей и приточно-вытяжной вентиляции в условиях интенсивного конвективно-кондуктивного и радиационного теплообмена» (2020-2022 гг.); гранта РНФ 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» (2021-2023 гг.), а также Государственных заданий (Гос. задания «Наука» проекты № FSWW-2020-0022 и № 8.13264.2018/8.9).
Личный вклад автора состоит в разработке методик проведения экспериментов; планировании экспериментальных исследований и их проведении; обработке, анализе и обобщении полученных результатов; оценке систематических и случайных погрешностей; установлении температурных режимов сушки древесной биомассы; формулировании защищаемых положений и основных выводов диссертационной работы; апробации результатов на научных конференциях и подготовке статей к опубликованию в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ и индексируемых базами данных Scopus и Web of Science.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментально установлен ранее незарегистрированный механизм процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке массивного слоя (толщиной Л=100±1 мм) древесной биомассы (сосновая стружка) в условиях радиационно-конвективного нагрева (Tg=333-393 К), описывающий помимо непосредственного испарения внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги также движение водяных паров во внутрипоровой структуре слоя биомассы и их конденсацию в относительно холодной области навески (значительная часть водяных паров не успевает выйти на поверхность слоя биомассы и фильтруется вглубь навески в относительно холодные слои, где конденсируется). Показано, что последующий нагрев приводит к испарению вторичного конденсата.
2. Установлено два температурных режима сушки древесной биомассы (высокотемпературный Tg>373 К и низкотемпературный Tg<373 К с условной границей раздела по температуре внешней среды Tg=373 К), в которых вид биомассы оказывает кардинально отличающееся влияние на характеристики (скорость влагоудаления, время сушки) и условия протекания процесса влагоудаления. В условиях высокотемпературного нагрева (Tg=373-393 К) отличия значений максимальных скоростей влагоудаления составляют около 30 %, при низкотемпературном (Tg=333-353 К) тепловом воздействии значения максимальных скоростей влагоудаления исследовавшихся видов биомассы могут отличаться в четыре раза.
3. При нагреве влажной древесной биомассы на основе веточек лиственных пород деревьев в условиях относительно низких температур воздуха (Tg<373 К) зависимости значений массовых скоростей влагоудаления от времени немонотонны в течение всего периода сушки. При температурах внешней среды Tg=373-393 К, такого немонотонного изменения значений массовых скоростей влагоудаления не зарегистрировано.
4. Плотность навески влажной древесной биомассы (сосновые опилки) оказывает существенное влияние на характеристики (скорость влагоудаления, время сушки) процесса влагоудаления в исследуемом диапазоне температур
16 внешней среды (Tg=333-393 К). Так, уплотнение навески биомассы в два раза приводит к значительному, почти в 10 раз, увеличению скорости удаления влаги в идентичных условиях нагрева. Установлено, что уплотненный слой биомассы, при условии идентичности масс навесок сушится в 1,5 раза быстрее, чем слой с естественной насыпкой.
5. По результатам анализа энергоэффективности процессов дегидратации древесной биомассы установлено, что сушку веточек деревьев, хвойного и лиственного опада (листья берёзы и хвоя ели), а также отходов деревообработки (на основе щепы) эффективнее проводить в условиях относительно низких температур внешней среды (Tg=333 К), так как увеличение Tg приводит к существенному (более чем на 30 %) уменьшению параметра энергоэффективности сушки. В то же время сушку тонкого слоя (толщиной Л-1-1,5 мм) листьев деревьев лучше всего проводить в условиях высокотемпературного нагрева (Tg>393 К).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: на V Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы» (г. Томск, 2017 г.), Седьмой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-7) (г. Москва, 2018 г.), XXII Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых учёных «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2018 г.), Всероссийской научной конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск, 2017 г., 2019 г., 2020 г.), XXII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Москва, 2019 г.), Всероссийской научной конференции с международным участием «XI Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике» Scientific Conference «Thermophysics and Power Engineering in Academic Centers», TPEAC-2019 (г. Санкт-Петербург, 2019 г.), Международной молодёжной научной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (г. Томск, 2017 г., 2018 г., 2019 г.),
Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых учёных «XXXIV-XXXVI Сибирский теплофизический семинар» (г. Новосибирск, 2018 г., 2019 г., 2020 г.), III Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (г. Москва, 2020 г.), Всероссийском конкурсе с международным участием «Возобновляемая энергия планеты - 2020» для студентов, аспирантов и молодых учёных (лауреат в номинации «Работа перспективного характера в области создания новых видов генерации с использованием ВИЭ» по направлению «Биоэнергетика и новые виды генерации, в том числе комбинированные») (г. Москва, 2021 г.), VI Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых учёных «Теплофизика и физическая гидродинамика» (г. Севастополь, Республика Крым, 2021 г.), XVI Минском международном форуме по тепломассообмену (г. Минск, Беларусь, 2022 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 - в высокорейтинговых международных рецензируемых научных журналах, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science: Renewable Energy (ИФ=8,001, Q1); Energy (ИФ=7,147, Q1); Energy Reports (ИФ=6,87, Q1); Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environmental Effects (ИФ=3,447, Q2). Одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций: «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов» и 13 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и трёх приложений. Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 8 таблиц. Библиография включает 206 наименований.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы и определена основная проблема. Сформулированы цель диссертационной работы и задачи для её достижения. Показана практическая значимость и научная новизна проведенных исследований, личный вклад автора. Обоснована достоверность полученных
18
результатов, приведены положения, выносимые на защиту и сведения об их
апробации.
В первой главе содержится анализ современного состояния теории и практики исследований процессов тепло- и массопереноса при сушке влажных пористых материалов в условиях высокотемпературного нагрева. Приведены экономические и экологические предпосылки, а также проблемы и перспективы использования древесной биомассы в энергетике. Показано, что на сегодняшний день недостаточно изучены процессы тепло- и массопереноса, протекающие при сушке влажных лесных горючих материалов и отходов деревообработки.
Во второй главе приведено описание методик проведения экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса в древесной биомассе при термической подготовке к сжиганию (сушке). Представлены схемы разработанных экспериментальных стендов, методики измерения температур в массивном слое влажной биомассы и её подготовки при проведении анализа влияния плотности засыпки на характеристики процесса влагоудаления. Также в диссертационной работе представлены методики расчета массовых скоростей влагоудаления при сушке лесных горючих материалов и отходов деревообработки. Приведены оценки погрешностей результатов экспериментальных исследований.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке влажной древесной биомассы. Установлены времена дегидратации типичных лесных горючих материалов (листовой и хвойный опад, веточки деревьев) и отходов деревообработки (опилки, щепа, стружка), а также рассчитаны массовые скорости влагоудаления. Приведены результаты исследований динамики температурного поля при сушке массивного слоя биомассы на основе сосновой стружки, а также экспериментальные исследования влияния плотности засыпки влажной древесной биомассы на характеристики и условия её влагоудаления. Показано какое влияние оказывает температура внешней среды и вид биомассы (древесные опилки, щепа, листья, хвоя, ветки деревьев) на скорость влагоудаления и время сушки.
Четвертая глава посвящена оценке энергетических затрат на сушку древесной биомассы. С целью проведения энергетического анализа эффективности процесса влагоудаления введен безразмерный параметр энергоэффективности сушки.
В заключении подведены основные итоги выполненного диссертационного исследования и сформулированы соответствующие выводы.
За последнее десятилетие древесная биомасса (отходы лесозаготовок и деревообработки: опилки, щепа, стружка, кора и др.; лесные горючие материалы (ЛГМ): хвоя, листья, ветки деревьев) всё активнее привлекает внимание мирового сообщества ученых, работающих в области энергетики, как одно из перспективных топлив или компонент топливных смесей (например, биомасса/уголь [2]) паровых и водогрейных котлов промышленных предприятий и тепловых электрических станций. При этом рассматриваются три наиболее перспективных варианта использования древесной биомассы: первый - прямое сжигание в топках водогрейных и паровых котлов [3-5]; второй - совместное сжигание биомассы с углём в камерах сгорания котельных агрегатов [6-11]; третий - газификация древесной биомассы с получением синтез-газа [12].
Перспективность использования древесной биомассы в качестве топлива обусловлена несколькими объективными и субъективными причинами. Во-первых, антропогенная нагрузка на окружающую среду объектов теплоэнергетики, использующих биомассу в качестве топлива, существенно меньше [13], чем у сжигающих уголь или продукты переработки нефти. Так как при горении древесной биомассы образуется углекислый газ, который не нарушает общего баланса CO2 в геохимическом цикле углерода. Деревья и растения, составляющие основной объем энергетической биомассы, поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза. Другими словами, происходит рециркуляция углерода: сколько CO2
5 поглощено, столько и выделяется при сжигании биомассы. В результате концентрация диоксида углерода в атмосфере остается практически неизменной [14]. Также при сжигании древесной биомассы выделяется значительно меньше оксидов азота (NOx), по сравнению с углем и практически не образуется оксидов серы (SOx) [15]. Соответственно, внедрение биомассы в качестве топлива приведет к существенному снижению негативного антропогенного воздействия объектов теплоэнергетики на окружающую среду. В то же время древесное биотопливо является относительно дешевым энергоносителем доступным практически во всех регионах планеты [16]. Но даже обладающая наибольшей теплотворной способностью древесина (дуба) по энергоэффективности существенно уступает самому низкосортному углю (бурому) [17]. Эффективность использования биомассы в энергетике можно повысить за счет разработки новых технологических решений по её термической подготовке к сжиганию (за счет снижения энергозатрат на сушку), а также, например, использованием древесных брикетов, пеллет или древесноугольных смесей. К вышеприведенному стоит добавить, что использование биомассы на основе лесных горючих материалов (ветки деревьев, лиственный и хвойных опад) в качестве энергетического топлива существенно снижает негативное влияние на окружающую среду [13], обусловленное гниением древесины и природными катаклизмами, связанными с неконтролируемым горением (лесные пожары).
Во-вторых, древесная биомасса является одним из самых перспективных возобновляемых ресурсов на планете [18]. По оценкам многих специалистов (например, [19-21]) биомасса и продукты её переработки (биогаз [22], биоуголь [23], биоэтанол [24]) в будущем (ближайшие 30-40 лет) могут напрямую заменить уголь (или дополнить его за счет создания эколого- и энергоэффективных смесевых топлив) в общем балансе тепло- и электрогенерации [25]. Анализ данных основных торговых площадок показал, что спрос на древесную биомассу растёт во всём мире [26, 27]. При этом площади (Sfbr), занимаемые лесами, постоянно сокращаются. Это существенно затрудняет обеспечение устойчивого производства всех видов древесного биотоплива. Например, в период с 1990 по 2010 год площадь лесов
сократилась на 68 млн. га (на 1,6 %) [28] за счёт вырубки и лесных пожаров. Такое снижение Sfor (поглощающих CO2) привело к увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере (с 355 до 390 ppm) [29]. Одним из возможных решений проблемы уменьшения лесных угодий является внедрение в энергетику топлив на основе отходов сельского хозяйства. Однако, как показывают исследования [30] энергетический потенциал сельскохозяйственной биомассы сильно ограничен. К последнему стоит добавить, что производить сельскохозяйственную продукцию объёмом превышающем её потребление пищевой промышленностью экономически нецелесообразно [31]. В этих условиях одним из наиболее оптимальных вариантов энергетического использования древесной биомассы является сжигание биоматериалов на основе типичных отходов лесопиления (горбыль, пни, ветви, кора), деревообработки (опилки, щепа, стружка, древесная пыль) и отходов жизнедеятельности леса или, другими словами, лесных горючих материалов (листовой и хвойный опад, сухостой, сухая трава, ветки и др.) в топках паровых и водогрейных котлов.
На настоящее время плантации быстрорастущих пород деревьев и кустарников увеличиваются во всем мире [32]. Энергетические леса срезаются через 3-10 лет после высаживания высокомеханизированным методом. Выращиваются быстрорастущие культуры, такие как эвкалипт, тополь, ива и другие. Каждые 4-7 лет деревья срезают и годовой урожай может составлять около 7 т/га [33]. Собранная биомасса используется для производства тепловой и электрической энергии. В ряде стран, таких как Италия, Германия, Аргентина, Польша и других на сегодняшний день широко практикуется создание специальных плантаций быстрорастущих и пригодных для целей энергетики пород древесины на основе тополя и ивы. Ежегодно на таких плантациях заготавливается около 3,7 миллионов тонн древесины [34]. В умеренной климатической зоне для энергетических лесов наиболее пригодны быстрорастущие сорта тополя (волосистоплодного и канадского) и ивы (корзиночной и козьей), а в южной части России - акации и эвкалипта. Период ротации растений составляет 6-7 лет [35].
Одним из перспективных топлив для тепловых электростанций и локальных котельных в настоящее время является лесной горючий материал (ЛГМ). Так, результаты экспериментов [36] показали, что использование ЛГМ в качестве добавки к водоугольному топливу (ВУТ) существенно ускоряет процесс воспламенения капель ВУТ. При этом по результатам экспериментальных исследований [36] установлено, что добавление лесных горючих материалов в водоугольное топливо приводит к снижению уровня выбросов оксида азота (NOx) в 1,8 раз и оксидов серы (SO2) в 3 раза (по сравнению со сжиганием однородного угля) и повышению эффективности процесса топливосжигания. Последнее создает предпосылки для существенной диверсификации сырьевой базы объектов теплоэнергетики.
При этом стоит отметить, что обширные лесные угодья Южной Америки и западной Сибири могут производить до 26 т/га [37, 38] лесных горючих материалов в год. В свою очередь сбор и использование ЛГМ позволит существенно улучшить экосистему лесного хозяйства за счёт исключения из неё существенно пожароопасного материала [39]. Последнее является немаловажным фактором. Так как пример крупномасштабных пожаров в штате Калифорния (США) [40] показал, что принятие подзаконных актов в сенате штата без консультации с представителями академической науки (в области экологии леса) привело к существенному материальному ущербу и гибели людей. Законы, фактически запрещающие вырубку старых лесов и их утилизацию, принятые под предлогом улучшения цикла поглощения углекислого газа старыми деревьями привели к формированию обширных угодий сухостоя [41]. В результате благоприятных метеорологических условий, включая долгосрочные тенденции потепления, сухого климата и экстремально прогретых воздушных масс с сильным морским ветром возникли пожары, которые привели к серьезным социально-экономическим разрушениям и значительным человеческим жертвам. Также вследствие пожаров в атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, оксидов азота и др. [42]. Соответственно, можно обосновано предположить, что введение в общий баланс тепло- и электрогенерации лесных горючих материалов (в составе
8 эколого- и энергоэффективных топливных композитов), существенно снизит риск возникновения подобных природных катастроф. При этом стоит отметить, что себестоимость производства топлива на основе лесных горючих материалов и отходов лесопиления обусловлена только затратами на их сбор и транспортировку [43]. Также внедрение древесной биомассы в качестве топлива на промышленных предприятиях и тепловых электрических станциях будет способствовать формированию новых низкоквалифицированных (не требующих специального и долговременного обучения) рабочих мест. Последнее будет способствовать экономическому развитию любого богатого лесными угодьями региона.
Однако широкомасштабное использование древесной биомассы в энергетике (как основного топлива, так и в составе древесноугольного композита) тормозится за счет того, что любая древесина в исходном состоянии является существенно влагонасыщенным материалом (влажность может достигать 70 %) [44]. Сжигание влажной биомассы в топочных устройствах котельных агрегатов снижает коэффициент полезного действия котла. Последнее обусловлено низкой теплотой сгорания влажного древесного биотоплива, а также увеличением тепловых потерь с уходящими газами (вследствие роста энтальпии продуктов сгорания) [45]. Также можно сказать, что увеличение влажности исходного топлива приводит к интенсификации осаждения золы на поверхностях теплообмена и в трактах внутренних, и внешних газоходов котельного агрегата [46]. Соответственно, неизбежным этапом, предшествующим сжиганию биомассы, является проведение процедуры предварительной термической подготовки, а именно сушки. В этих условиях разработка энергетически эффективных методов и высокоэффективных установок по удалению влаги из древесной биомассы является одним из приоритетных направлений развития энергомашиностроения. Но для проектирования высокоэффективного сушильного оборудования необходимы знания о закономерностях процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке влажной древесной биомассы. Поэтому установление по результатам экспериментов основных механизмов и характеристик процессов тепло- и массопереноса, протекающих в условиях интенсивных фазовых превращений
(испарение внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги), во влажной древесной биомассе при её термической подготовке (сушке) к сжиганию является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Существенный вклад в развитие теории и практики процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке влажных пористых материалов в условиях интенсивного нагрева, внесли: А.В. Лыков, О. Кришер, Ю.П. Семёнов, П.С. Коссович, П.Д. Лебедев, Б.А. Поснов, В.А. Баженов, И.В. Кречетов, Г.С. Шубин, О.Р. Дорняк, Р.Р. Сафин, P. Bengtsson, N. Hofmann, K.Y. Pin и другие. Но стоит отметить, что на сегодняшний день в мировой научной периодике практически нет примеров публикаций с описанием результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке перспективной для целей энергетики древесной биомассы на основе типичных отходов лесопиления и деревообработки (опилки, щепа, стружка, древесная пыль, кора и т.д.), а также лесных горючих материалов (листовой и хвойный опад, ветки деревьев). В большинстве известных публикаций (например, [47-49]) приведены результаты исследований процессов дегидратации биомассы на основе отходов сельскохозяйственных производств (рисовая шелуха, стебли растений, солома и др.), при этом анализ энергетических затрат на процесс сушки в этих статьях не проводился. Также остаются практически неизученными связи массовой скорости влагоудаления (Weva) при сушке древесной биомассы с основными значимыми факторами (температура внешней среды, вид биомассы, плотность засыпки и др.). В то же время скорость влагоудаления является определяющей характеристикой при разработке общей теории процессов сушки, которая необходима для фундаментального обоснования перспективности использования древесной биомассы в качестве топлива паровых и водогрейных котлов тепловых электрических станций, а также промышленных предприятий. В связи с этим на настоящее время для древесной биомассы, используемой в качестве топлива, остаются актуальными проблемы установления механизмов тепло- и массопереноса, протекающих в условиях интенсивных фазовых превращений, при радиационно-конвективном нагреве в типичном (для
10 современной сушильной техники [50]) диапазоне температур внешней среды (Tg=333-393 К).
Целью работы является установление по результатам экспериментальных исследований основных закономерностей (механизмов, характеристик, условий) процессов тепло- и массопереноса, протекающих при интенсивных фазовых превращениях (испарение внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги), во влажной древесной биомассе при её радиационно-конвективном нагреве.
Цель диссертационной работы достигается путем решения следующих задач:
1. Разработка методик экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке древесной биомассы, отличающихся от известных комплексным изучением тепловых режимов слоя измельчённой древесной биомассы в условиях интенсивных фазовых превращений.
2. Определение по результатам экспериментальных исследований основных закономерностей процессов тепло- и массопереноса в слое влажной древесной биомассы (лесной горючий материал: листья, хвоя, ветки деревьев; отходы лесопиления и деревообработки: опилки, щепа, древесная стружка) в период её радиационно-конвективного нагрева.
3. Установление значений времени дегидратации древесной биомассы в типичном (для сушильного оборудования) температурном диапазоне внешней среды (Tg=333-393 К).
4. Определение значений массовых скоростей влагоудаления в период сушки древесной биомассы при варьировании основных значимых параметров: вид биомассы, температура внешней среды, плотность засыпки.
5. Оценка по результатам проведенных экспериментов энергетических затрат на сушку древесной биомассы.
6. Разработка физических моделей процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке измельчённой древесной биомассы, в условиях радиационно-конвективного нагрева.
Научная новизна работы.
1. Впервые на основании результатов экспериментальных исследований установлен механизм процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке массивного слоя (толщиной Л=100±1 мм) древесной биомассы, характеризующийся не только непосредственным испарением воды, но и фильтрацией водяных паров как к поверхности нагрева, так и вглубь слоя, где происходит их последующая конденсация, приводящая к повышению температуры и перенасыщению части слоя влагой.
2. По результатам исследований процессов тепло- и массопереноса при сушке лесных горючих материалов на основе веток деревьев установлены ранее незарегистрированные немонотонные зависимости значений массовых скоростей влагоудаления от времени дегидратации Weva(r) в условиях низкотемпературного нагрева (333
4. Энергетический анализ процесса сушки показал, что процедуру влагоудаления из древесной биомассы на основе типичных отходов лесопиления (древесная щепа) и лесных горючих материалов (веточки деревьев, листовой и хвойный опад) эффективнее всего проводить в условиях относительно низких температур внешней среды (Tg<353 К).
Практическая значимость работы. По результатам экспериментальных исследований обоснована возможность использования в энергетике лесных горючих материалов (листья, хвоя, ветки деревьев) и отходов
12 деревообрабатывающих производств (опилки, щепа) в качестве перспективного топлива паровых и водогрейных котельных агрегатов промышленных предприятий, а также тепловых электрических станций. Экологический эффект от использования древесной биомассы на объектах теплоэнергетики в качестве топлива определяется, в первую очередь, снижением концентраций основных антропогенных газов (оксидов азота и серы), формирующихся при сжигании угля, а также выводом с территорий лесозаготовок пожароопасных отходов лесопиления и лесных горючих материалов. Последнее существенно снизит пожароопасность лесов и приведет к росту числа рабочих мест в регионах богатых лесными угодьями.
Результаты диссертационной работы могут являться основой при обосновании конструктивных характеристик камер сушильных установок в период проведения опытно-конструкторских работ. Также результаты диссертационного исследования используются в Национальном исследовательском Томском политехническом университете в рамках подготовки магистров по направлению 13.04.01 Т еплоэнергетика и теплотехника ООП «Промышленная теплоэнергетика».
Теоретическая значимость. Результаты выполненных экспериментальных исследований расширяют современные представления о механизмах и процессах тепло- и массопереноса, протекающих совместно в условиях интенсивных фазовых превращений, при проведении процедуры влагоудаления из древесной биомассы. Также результаты проведённых экспериментов являются основой для разработки новых физических и математических моделей, наиболее адекватно описывающих процессы сушки древесной биомассы.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 1.3.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» в части пункта 1 - «Фундаментальные, теоретические и экспериментальные исследования молекулярных и макросвойств веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии для более глубокого понимания явлений, протекающих при тепловых процессах и агрегатных изменениях в физических системах».
Методы исследования. Экспериментальные исследования теплофизических процессов, протекающих совместно при интенсивных фазовых трансформациях (испарение воды), выполнены с использованием современных методов и высокоточных средств измерения: регистрация массы навески биомассы проводилась непрерывно с помощью лабораторных весов Aczet CY-1003 (погрешность измерения массы 0,001 г) и программного обеспечения LabVIEW; температура в слое древесной биомассы и над её поверхностью регистрировалась при помощи термоэлектрических преобразователей - хромель-алюмелевых термопар (диаметр спая термопар d 0,3 мм; температурный диапазон измерения 273-1373 К; погрешность измерения 0,1 К); температура внутри сушильной камеры SU 32 задавалась с помощью терморегулятора ТРМ 500.
Достоверность результатов диссертационных исследований. Достоверность полученных результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей выполненных измерений, удовлетворительной повторяемостью результатов серий экспериментов при идентичных начальных условиях, использованием современного и высокоточного оборудования и программноаппаратных комплексов.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационная работа проводилась в рамках стратегического плана развития Национального исследовательского Томского политехнического университета, как одного из ведущих университетов мира. Разработанные экспериментальные методики используются в Национальном исследовательском Томском политехническом университете при подготовке магистров техники и технологии по направлениям: «Экологически чистые технологии преобразования энергоносителей», «Теплоэнергетика и теплотехника», а также аспирантов по направлению: «Физика и астрономия».
Тема диссертации соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (Указ Президента РФ № 899 от 7 июля 2011 г.): «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также находится в сфере критических технологий федерального
14
уровня, получивших высокий рейтинг по показателям состояния и перспективам
развития («Технологии энергоэффективного производства и преобразования
энергии на органическом топливе», «Технологии создания энергосберегающих
систем транспортировки, распределения и использования энергии», «Технологии
новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику»).
Диссертационное исследование процессов тепло- и массопереноса в древесной биомассе при её радиационно-конвективном нагреве выполнено при поддержке грантов: 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» (2018-2021 гг.); гранта Президента МК-89.2021.4 «Разработка основных элементов теории воспламенения капель существенно неоднородных водоугольных композитов в условиях высоких температур и давлений» (2021-2022 гг.); гранта РНФ 20-19-00226 «Моделирование тепловых режимов объектов теплоснабжения при совместной работе газовых инфракрасных излучателей и приточно-вытяжной вентиляции в условиях интенсивного конвективно-кондуктивного и радиационного теплообмена» (2020-2022 гг.); гранта РНФ 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» (2021-2023 гг.), а также Государственных заданий (Гос. задания «Наука» проекты № FSWW-2020-0022 и № 8.13264.2018/8.9).
Личный вклад автора состоит в разработке методик проведения экспериментов; планировании экспериментальных исследований и их проведении; обработке, анализе и обобщении полученных результатов; оценке систематических и случайных погрешностей; установлении температурных режимов сушки древесной биомассы; формулировании защищаемых положений и основных выводов диссертационной работы; апробации результатов на научных конференциях и подготовке статей к опубликованию в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ и индексируемых базами данных Scopus и Web of Science.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментально установлен ранее незарегистрированный механизм процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке массивного слоя (толщиной Л=100±1 мм) древесной биомассы (сосновая стружка) в условиях радиационно-конвективного нагрева (Tg=333-393 К), описывающий помимо непосредственного испарения внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги также движение водяных паров во внутрипоровой структуре слоя биомассы и их конденсацию в относительно холодной области навески (значительная часть водяных паров не успевает выйти на поверхность слоя биомассы и фильтруется вглубь навески в относительно холодные слои, где конденсируется). Показано, что последующий нагрев приводит к испарению вторичного конденсата.
2. Установлено два температурных режима сушки древесной биомассы (высокотемпературный Tg>373 К и низкотемпературный Tg<373 К с условной границей раздела по температуре внешней среды Tg=373 К), в которых вид биомассы оказывает кардинально отличающееся влияние на характеристики (скорость влагоудаления, время сушки) и условия протекания процесса влагоудаления. В условиях высокотемпературного нагрева (Tg=373-393 К) отличия значений максимальных скоростей влагоудаления составляют около 30 %, при низкотемпературном (Tg=333-353 К) тепловом воздействии значения максимальных скоростей влагоудаления исследовавшихся видов биомассы могут отличаться в четыре раза.
3. При нагреве влажной древесной биомассы на основе веточек лиственных пород деревьев в условиях относительно низких температур воздуха (Tg<373 К) зависимости значений массовых скоростей влагоудаления от времени немонотонны в течение всего периода сушки. При температурах внешней среды Tg=373-393 К, такого немонотонного изменения значений массовых скоростей влагоудаления не зарегистрировано.
4. Плотность навески влажной древесной биомассы (сосновые опилки) оказывает существенное влияние на характеристики (скорость влагоудаления, время сушки) процесса влагоудаления в исследуемом диапазоне температур
16 внешней среды (Tg=333-393 К). Так, уплотнение навески биомассы в два раза приводит к значительному, почти в 10 раз, увеличению скорости удаления влаги в идентичных условиях нагрева. Установлено, что уплотненный слой биомассы, при условии идентичности масс навесок сушится в 1,5 раза быстрее, чем слой с естественной насыпкой.
5. По результатам анализа энергоэффективности процессов дегидратации древесной биомассы установлено, что сушку веточек деревьев, хвойного и лиственного опада (листья берёзы и хвоя ели), а также отходов деревообработки (на основе щепы) эффективнее проводить в условиях относительно низких температур внешней среды (Tg=333 К), так как увеличение Tg приводит к существенному (более чем на 30 %) уменьшению параметра энергоэффективности сушки. В то же время сушку тонкого слоя (толщиной Л-1-1,5 мм) листьев деревьев лучше всего проводить в условиях высокотемпературного нагрева (Tg>393 К).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: на V Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы» (г. Томск, 2017 г.), Седьмой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-7) (г. Москва, 2018 г.), XXII Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых учёных «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2018 г.), Всероссийской научной конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск, 2017 г., 2019 г., 2020 г.), XXII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Москва, 2019 г.), Всероссийской научной конференции с международным участием «XI Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике» Scientific Conference «Thermophysics and Power Engineering in Academic Centers», TPEAC-2019 (г. Санкт-Петербург, 2019 г.), Международной молодёжной научной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (г. Томск, 2017 г., 2018 г., 2019 г.),
Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых учёных «XXXIV-XXXVI Сибирский теплофизический семинар» (г. Новосибирск, 2018 г., 2019 г., 2020 г.), III Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (г. Москва, 2020 г.), Всероссийском конкурсе с международным участием «Возобновляемая энергия планеты - 2020» для студентов, аспирантов и молодых учёных (лауреат в номинации «Работа перспективного характера в области создания новых видов генерации с использованием ВИЭ» по направлению «Биоэнергетика и новые виды генерации, в том числе комбинированные») (г. Москва, 2021 г.), VI Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых учёных «Теплофизика и физическая гидродинамика» (г. Севастополь, Республика Крым, 2021 г.), XVI Минском международном форуме по тепломассообмену (г. Минск, Беларусь, 2022 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 - в высокорейтинговых международных рецензируемых научных журналах, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science: Renewable Energy (ИФ=8,001, Q1); Energy (ИФ=7,147, Q1); Energy Reports (ИФ=6,87, Q1); Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environmental Effects (ИФ=3,447, Q2). Одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций: «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов» и 13 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и трёх приложений. Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 8 таблиц. Библиография включает 206 наименований.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы и определена основная проблема. Сформулированы цель диссертационной работы и задачи для её достижения. Показана практическая значимость и научная новизна проведенных исследований, личный вклад автора. Обоснована достоверность полученных
18
результатов, приведены положения, выносимые на защиту и сведения об их
апробации.
В первой главе содержится анализ современного состояния теории и практики исследований процессов тепло- и массопереноса при сушке влажных пористых материалов в условиях высокотемпературного нагрева. Приведены экономические и экологические предпосылки, а также проблемы и перспективы использования древесной биомассы в энергетике. Показано, что на сегодняшний день недостаточно изучены процессы тепло- и массопереноса, протекающие при сушке влажных лесных горючих материалов и отходов деревообработки.
Во второй главе приведено описание методик проведения экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса в древесной биомассе при термической подготовке к сжиганию (сушке). Представлены схемы разработанных экспериментальных стендов, методики измерения температур в массивном слое влажной биомассы и её подготовки при проведении анализа влияния плотности засыпки на характеристики процесса влагоудаления. Также в диссертационной работе представлены методики расчета массовых скоростей влагоудаления при сушке лесных горючих материалов и отходов деревообработки. Приведены оценки погрешностей результатов экспериментальных исследований.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке влажной древесной биомассы. Установлены времена дегидратации типичных лесных горючих материалов (листовой и хвойный опад, веточки деревьев) и отходов деревообработки (опилки, щепа, стружка), а также рассчитаны массовые скорости влагоудаления. Приведены результаты исследований динамики температурного поля при сушке массивного слоя биомассы на основе сосновой стружки, а также экспериментальные исследования влияния плотности засыпки влажной древесной биомассы на характеристики и условия её влагоудаления. Показано какое влияние оказывает температура внешней среды и вид биомассы (древесные опилки, щепа, листья, хвоя, ветки деревьев) на скорость влагоудаления и время сушки.
Четвертая глава посвящена оценке энергетических затрат на сушку древесной биомассы. С целью проведения энергетического анализа эффективности процесса влагоудаления введен безразмерный параметр энергоэффективности сушки.
В заключении подведены основные итоги выполненного диссертационного исследования и сформулированы соответствующие выводы.
✅ Заключение
По результатам выполненных экспериментальных исследований установлен ранее незарегистрированный механизм влагоудаления из массивного высокопористого слоя влажной древесной биомассы. Полученные закономерности показывают, что при прогностическом моделировании процессов тепло- и массопереноса, протекающих совместно в период дегидратации древесной биомассы, необходимо учитывать не только непосредственно процесс испарения воды, но и фильтрацию водяных паров во внутрипоровой структуре слоя биомассы, а также их диффузию во внешнюю газовую среду. При этом по результатам экспериментов показано, что движение водяного пара возможно не только к нагреваемой поверхности, но и в обратном направлении в относительно холодные области навески биомассы. При достижение этих зон водяные пары конденсируются, что приводит к локальному росту температуры. Этот эффект установлен впервые. Последнее существенно расширяет современные представления о физических механизмах процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке массивного слоя древесной биомассы при радиационноконвективном нагреве.
Полученные по результатам проведенных экспериментальных исследований зависимости позволяют сделать обоснованный вывод о том, что разработанные к настоящему времени прогностические модели процессов влагоудаления не в полной мере описывают процессы тепло- и массопереноса, протекающие при сушке массивного слоя древесной биомассы в условиях радиационноконвективного нагрева. Соответственно, полученные по результатам проведенных исследований зависимости создают предпосылки для разработки новых математических моделей, детально описывающих теплофизические и аэромеханические процессы, протекающие при сушке древесной биомассы.
Проведенные диссертационные исследования являются основой для обоснования выбора параметров технологии сушки древесной биомассы в больших объемах на стадии подготовки к сжиганию или газификации. Также по результатам
экспериментов установлено, что при сушке лесных горючих материалов на основе древесных веточек в условиях умеренных температур внешней среды (Tg=333-353 К) массовая скорость влагоудаления изменяется немонотонно, а зависимость Weva(r) имеет, как правило, вейвлетовый характер. Последнее обусловлено комплексным влиянием теплофизических и аэромеханических процессов: испарение воды, фильтрация водяных паров сквозь пористую структуру древесной биомассы и повышение давления водяного пара во внутрипоровом пространстве. Результаты экспериментальных исследований показали, что проведение процедуры предварительной термической подготовки древесной биомассы к сжиганию (на основе типичных отходов лесопиления) эффективнее всего проводить в уплотненном состоянии. В этих условиях существенно растет интенсивность нагрева слоя биомассы (за счет уменьшения пористости и, соответственно, роста эффективного коэффициента теплопроводности). В результате интенсифицируется процесс испарения воды и, как следствие, вся процедура удаления влаги ускоряется.
Одним из важнейших результатов проведенных исследований является обоснование перспективности использования лесного горючего материала (листовой и хвойный опад, веточки деревьев) в качестве основного или компоненты смесевого топлива (например, в составе био-угольного [203] или био- водоугольного [204]). По результатам проведенной работы в рамках диссертационного исследования установлены температурные режимы, в которых сушка древесной биомассы наиболее эффективна (по критерию минимизации затрат энергии на проведение термической подготовки). Показано, что массивный слой лесных горючих материалов эффективнее всего сушить в условиях относительно низких температур внешней среды (Tg=333 К). В то же время установлено, что термическую подготовку тонкого слоя древесной биомассы (на основе листьев деревьев) эффективно проводить в условиях высокотемпературного нагрева (при Tg>393 К). Этот результат имеет важное значение для реальной практики и позволяет обосновывать выбор тех или иных параметров
104 технологической схемы подготовки древесной биомассы к сжиганию на тепловых электроцентралях или локальных котельных.
Проведённые эксперименты позволили разработать физические модели и сформулировать основные рекомендации по использованию результатов диссертационного исследования в реальной практике (приложение В).
Полученные по результатам проведенных экспериментальных исследований зависимости позволяют сделать обоснованный вывод о том, что разработанные к настоящему времени прогностические модели процессов влагоудаления не в полной мере описывают процессы тепло- и массопереноса, протекающие при сушке массивного слоя древесной биомассы в условиях радиационноконвективного нагрева. Соответственно, полученные по результатам проведенных исследований зависимости создают предпосылки для разработки новых математических моделей, детально описывающих теплофизические и аэромеханические процессы, протекающие при сушке древесной биомассы.
Проведенные диссертационные исследования являются основой для обоснования выбора параметров технологии сушки древесной биомассы в больших объемах на стадии подготовки к сжиганию или газификации. Также по результатам
экспериментов установлено, что при сушке лесных горючих материалов на основе древесных веточек в условиях умеренных температур внешней среды (Tg=333-353 К) массовая скорость влагоудаления изменяется немонотонно, а зависимость Weva(r) имеет, как правило, вейвлетовый характер. Последнее обусловлено комплексным влиянием теплофизических и аэромеханических процессов: испарение воды, фильтрация водяных паров сквозь пористую структуру древесной биомассы и повышение давления водяного пара во внутрипоровом пространстве. Результаты экспериментальных исследований показали, что проведение процедуры предварительной термической подготовки древесной биомассы к сжиганию (на основе типичных отходов лесопиления) эффективнее всего проводить в уплотненном состоянии. В этих условиях существенно растет интенсивность нагрева слоя биомассы (за счет уменьшения пористости и, соответственно, роста эффективного коэффициента теплопроводности). В результате интенсифицируется процесс испарения воды и, как следствие, вся процедура удаления влаги ускоряется.
Одним из важнейших результатов проведенных исследований является обоснование перспективности использования лесного горючего материала (листовой и хвойный опад, веточки деревьев) в качестве основного или компоненты смесевого топлива (например, в составе био-угольного [203] или био- водоугольного [204]). По результатам проведенной работы в рамках диссертационного исследования установлены температурные режимы, в которых сушка древесной биомассы наиболее эффективна (по критерию минимизации затрат энергии на проведение термической подготовки). Показано, что массивный слой лесных горючих материалов эффективнее всего сушить в условиях относительно низких температур внешней среды (Tg=333 К). В то же время установлено, что термическую подготовку тонкого слоя древесной биомассы (на основе листьев деревьев) эффективно проводить в условиях высокотемпературного нагрева (при Tg>393 К). Этот результат имеет важное значение для реальной практики и позволяет обосновывать выбор тех или иных параметров
104 технологической схемы подготовки древесной биомассы к сжиганию на тепловых электроцентралях или локальных котельных.
Проведённые эксперименты позволили разработать физические модели и сформулировать основные рекомендации по использованию результатов диссертационного исследования в реальной практике (приложение В).
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.