Помощь студентам в учебе
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА В ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ 14
1.1 Экономические предпосылки применения биомассы в энергетике .... 14
1.2 Основная проблематика исследований 15
1.3 Современное состояние теории и практики процессов термической
подготовки частиц биомассы 18
1.4 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 нагрева в топочном пространстве 23
2.4. Методика проведения экспериментов 28
2.5. Выводы по второй главе 32
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА 34
3.1. Влияние формы и размеров частиц древесной биомассы на
характеристики процесса термической подготовки 34
3.2. Особенности механизма зажигания сухих частиц древесной
биомассы 45
3.3. Особенности механизма зажигания влажной частицы древесной
биомассы 58
3.4. Исследование процессов зажигания частиц древесной биомассы в
условиях сложного нагрева 65
3.5. Влияние расстояния между частицами древесной биомассы на времена
их термической подготовки 74
3.6. Выводы по третьей главе 84
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 86
ОБОЗНАЧЕНИЯ 87
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 88
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА В ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ 14
1.1 Экономические предпосылки применения биомассы в энергетике .... 14
1.2 Основная проблематика исследований 15
1.3 Современное состояние теории и практики процессов термической
подготовки частиц биомассы 18
1.4 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 нагрева в топочном пространстве 23
2.4. Методика проведения экспериментов 28
2.5. Выводы по второй главе 32
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА 34
3.1. Влияние формы и размеров частиц древесной биомассы на
характеристики процесса термической подготовки 34
3.2. Особенности механизма зажигания сухих частиц древесной
биомассы 45
3.3. Особенности механизма зажигания влажной частицы древесной
биомассы 58
3.4. Исследование процессов зажигания частиц древесной биомассы в
условиях сложного нагрева 65
3.5. Влияние расстояния между частицами древесной биомассы на времена
их термической подготовки 74
3.6. Выводы по третьей главе 84
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 86
ОБОЗНАЧЕНИЯ 87
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 88
В настоящее время все большее внимание мирового сообщества уделяется проблемам экологии и глобального потепления [1]. Это обусловлено ускорением таяния льдов Арктики и Антарктики [2] и ростом числа природных катастроф (например, природных пожаров [3] и ураганов [4]). Такая ситуация создала предпосылки для принятия волевых политических решений по интенсификации внедрения в общий баланс производства тепловой и электрической энергии нетрадиционных экологически чистых, так называемых, возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [5,6]. К последним относятся ветровые электростанции [5] и фотоэлектрические преобразователи [6]. Но, несмотря на все декларируемые сторонниками этих ВИЭ преимущества, последние, скорее всего, в ближайшей (и в среднесрочной тоже) перспективе не станут основой энергетических систем будущего. Если проанализировать значений ERoI [7] для самых современных видов ВИЭ, то можно отметить, что для ветровых электростанций ERoI не превышает 3 [7], а для солнечных
батарей он может быть меньше 1 (около 0,81 по данным [8]). Другими словами, фотоэлектрические преобразователи, в основном, являются поглотителями энергии, если рассматривать полный цикл «изготовление - работа - утилизация». Можно обосновано предположить, что будущее энергетики, скорее всего, - гибридная и адаптивная энергетическая система, включающая в себя традиционные (тепловые [9] и атомные [10] электрические станции, обеспечивающие базовую энергетическую нагрузку) и нетрадиционные (ветро- электрогенераторы [11], солнечные батареи [12] или более экзотические - приливные ГЭС [13]) источники энергии. Главные элементом такой системы должны быть высокоёмкие энергонакопители (например,
гидроаккумулирующие ГЭС [14], супермаховики [15], механические гравитационные накопители [16], литий-ионные аккумуляторы [17] и др.). Также неотъемлемой частью энергосистемы будущего будут распределители энергии (на базе вычислительных систем, работающих на самообучающихся алгоритмах [18] с применением распределенных вычислений [19-21]).
Но в настоящее время таких накопителей электрической энергии почти нет, а эффективность работы функционирующих очень мала. Более того, нет надежного научного задела для создания мощных накопителей электрической энергии не только в ближайшие годы, но и в среднесрочной перспективе. В этой связи более перспективным (а может и самым перспективным) возобновляемым источником энергии является биомасса (отходы деревопереработки [22] и сельского хозяйства [23], а также лесной горючий материал [24]). Древесная биомасса имеет несколько вполне очевидных значимых преимуществ, как по сравнению с традиционными энергоносителями (уголь или нефть), так и с ветрогенераторами и солнечными батареями. Во-первых, древесина является единственным углерод-нейтральным топливом [25]. При ее сжигании формируется диоксид углерода, который не нарушает общего баланса CO2 в мировом геохимическом цикле углерода [26]. Во-вторых, древесная биомасса является относительно дешевым источником энергии: древесина различных видов и пород произрастает практически во всех (за исключением Антарктики и пустыни Атакама) регионах планеты. Соответственно, можно обосновано предположить, что более активное внедрение в энергобаланс древесной биомассы приведет к сглаживанию ценовой «турбулентности» [27] на основных мировых торговых площадках, на которых торгуются энергоносителей. В-третьих, (очень важное преимущество), древесная биомасса, как правило, практически не содержит серы (во всяком случае много меньше чем у углей). Соответственно, при ее сжигании образуется значительно меньше по сравнению с углями SOx. Также по результатам экспериментальных исследований [28] установлено, что при совместном сжигании угля с биомассой существенно снижаются концентрации оксидов азота и серы в дымовых газах таких смесей по сравнению с процессами горения однородного угля.
Все перечисленные выше преимущества создают предпосылки для активного внедрения биомассы в общий баланс тепло- и электрогенерации. Но при этом необходимо подчеркнуть, что активные попытки использования древесных отходов в качестве топлива (в странах ЕС опыты по сжиганию древесины проводились более чем на 150 ТЭС [29]) не привели к ожидаемым результатам во всех экспериментах. На настоящее время в мире насчитывается не более 20 ТЭС, работающих на древесной биомассе. Последнее обусловлено рядом объективных и субъективных причин.
К объективным относится относительно низкая теплота сгорания биомассы: при сжигании даже самой теплотворной древесины - березы Q%i0 ^ 15 • 106 Дж/кг выделяется тепла меньше чем при сжигании самого низкосортного бурого)угля (Q1C13 = 27 • 106Дж/кг) [30, 31]. Также стоит сказать, что древесная биомасса, как правило, влажная (на практике максимальная влажность может достигать 80% [32]). Соответственно, сжигание такой биомассы приводит к существенному снижению эффективности работы котельного агрегата.
К субъективным относится проблема логистического обеспечения топливоподачи на ТЭС. Но анализ публикаций последних 10 лет (например, [33-35]), посвященных проблемам использования биомассы в энергетике, показывает, что главной (или одной из главных) проблемой внедрения древесной биомассы является отсутствие общей теории процессов термической подготовки (зажигания и горения) частиц древесной биомассы в условиях высокотемпературного нагрева. Такая теория может позволить существенно упростить процедуру выбора формы и размеров частиц топлива, обеспечивающих малое значение времен задержки зажигания при низких энергозатратах на дробление топлива. Отсутствие теории, обеспечивающей возможность выбора при проведении опытноконструкторских работ по созданию технологий сжигания древесной биомассы в топках паровых и водогрейных котлов размеров частиц топлива и, соответственно, технологий подготовки древесины к сжиганию, обусловлено отсутствием экспериментальных данных об основных закономерностях процессов горения частиц древесины.
Также необходимо отметить, что перспективным является использование древесной биомассы в теплоэнергетике не только в виде отходов лесопиления и деревообработки. Такие отходы есть не везде. Вторым источником древесины для сжигания в топках теплоэлектроцентралей и котельных могут быть специально выращиваемые быстро растущие деревья (например, тополь в России). Выращивание деревьев лиственных пород на специальных плантациях может обеспечить решение двух важных задач охраны окружающей среды. Первая - интенсифицируется процесс поглощения углекислого газа и образование кислорода. Вторая - снижаются выбросы в дымовых газах теплоэлектростанций и котельных оксидов серы, азота и летучей золы по сравнению с выбросами при снижении любых, даже малосернистых углей. Но в этом случае древесина должна пройти достаточно энергоемкий этап диспергирования. Соответственно, возникает проблема выбора характерного размера щепы, обеспечивающего и эффективное сжигание, и минимальные энергозатраты на дробление древесины.
По этим причинам обоснование возможности эффективного сжигания частиц древесной биомассы по результатам проведения систематических экспериментальных исследований процессов зажигания и горения частиц древесины в представляющем интерес для практики диапазоне изменения размеров и форм последних является важной и нерешенной пока задачей современной теплоэнергетики.
Научно - техническая проблема. Необходимо по результатам экспериментальных исследований процессов термической подготовки частиц древесины установить основные закономерности этих процессов и обосновать возможность использования древесной биомассы определенного фракционного состава в качестве топлив теплоэлектроцентралей и котельных с целью сбережения энергетических ресурсов и защиты окружающей среды.
Цель работы. Обоснование по результатам экспериментальных исследований основных закономерностей процессов тепло- и массопереноса, протекающих в условиях интенсивных фазовых и термохимических превращений в период термической подготовки диспергированной древесной биомассы к сжиганию, параметров диспергированной древесины в качестве топлива котельных установок предприятий теплоэнергетики.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка экспериментального стенда и методики исследования процессов термической подготовки частиц древесины в потоке высокотемпературного окислителя - воздуха.
2. Установление по результатам экспериментов основных
закономерностей процессов термической подготовки частиц древесины.
3. Анализ степени влияния размеров частиц древесной биомассы на характеристики процесса их термической подготовки.
4. Установление по результатам экспериментов влияния влажности на условия и характеристики процесса термической подготовки частиц древесной биомассы.
5. Анализ влияния анизотропии древесины на условия и характеристики процессов термической подготовки.
6. Определение наиболее предпочтительных (с целью
минимизации времён термической подготовки) расстояний между частицами древесины.
Научная новизна. По результатам впервые проведенных экспериментальных исследований процессов термической подготовки частиц древесины установлены основные закономерности исследовавшихся процессов (условия, механизмы и характеристики термической подготовки частиц древесины) в широких диапазонах варьирования основных значимых факторов и обоснована возможность эффективного использования диспергированной древесины в качестве топлива котельных установок.
Практическая значимость работы. Обоснована возможность вовлечения в энергетический сектор не только отходов лесопиления и лесопереработки, а также древесины не хвойных пород в качестве основного топлива, существенно снижающего себестоимость производства теплоты и электроэнергии, а также уменьшающего существенно содержание в дымовых газах теплоцентралей и котельных антропогенных веществ (оксидов серы и азота, летучей золы).
Достоверность. Эксперименты проводились с использованием современных средств регистрации характеристик исследовавшихся процессов с малыми методическими погрешностями. Для каждого сочетания контролируемых факторов в эксперименте проводилась серия минимум из 15 опытов. Определялись доверительные интервалы времен термической подготовки частиц древесной биомассы. Результаты экспериментальных исследований подтверждаются их хорошей повторяемостью.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Разработана методика экспериментального исследования процессов термической подготовки частиц древесины в условиях, советующих условиям котельных установок.
2. Проведенные эксперименты показали, что форма и размеры частицы древесной биомассы оказывает существенное влияние на характеристики и условия зажигания при относительно низких температурах внешней среды (до 1073 К).
3. Установлено, что при идентичных объемах частицы в форме пластины зажигаются значительно быстрее частиц, выполненных в виде куба и прямоугольного параллелепипеда.
4. Показано, что характерный размер частиц древесины, выполненных в форме куба не оказывает значимого влияния на характеристики и условия воспламенения в диапазоне изменения характерного размера частиц от 4 до 10 мм.
5. По результатам экспериментов установлено, что в условиях низкотемпературного нагрева (Tg<873K) времена термической подготовки частиц древесной биомассы, выполненных в виде прямоугольного параллелепипеда, зависят от размера немонотонно. При этом с увеличением объемов (V) частицы, сначала значения tign увеличиваются, а после перехода через некое пороговое значение V времена задержки уменьшаются.
6. Для частиц древесной биомассы пластинообразной формы увеличение характерного размера частиц топлива приводит к линейному росту значений tign.
7. В области умеренных температур (T<873K) времена термической подготовки частицы из сосны много меньше частиц из берёзы, кедра и осины.
8. В условиях высокотемпературного нагрева (T>1073K) вид древесной биомассы не оказывает значимого влияния на численные значения времён термической подготовки.
9. Анизотропия древесины не оказывает значимого влияния на длительность периода термической подготовки.
10. При расстоянии между частицами 1=45 (5- характерный размер частицы) время задержки зажигания частиц в группе сопоставимо со значениями tign одной частицы
Личный вклад. Автор диссертации провела планирование и подготовку экспериментальных исследований, выполнила эксперименты, обработку и анализ полученных результатов, оценку погрешностей, анализ и обобщение полученных результатов. Также автор проводила написание статей и подготовку докладов для выступления на конференциях. Автором сформулированы основные защищаемые результаты, 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». Продление 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. XVI Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (24-27 ноября Новосибирск, 2020);
2. XXXV Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых ученых «Сибирский теплофизический семинар» (27-29 августа Новосибирск, 2019);
3. VIII Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (9-11 октября Томск, 2019);
4. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (23-25 апреля Томск, 2019);
5. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (19-21 апреля Томск, 2022);
6. Научно-практическая конференция работающей молодежи Группы «Интер РАО» 2022 (15-18 ноября 2022, Москва).
Публикации. Опубликованы три статьи в международных научных журналах, индексируемых базами «Scopus» и «Web of Science»: «Biomass and bioenergy», «Journal of the Energy Institute» и «Renewable Energy».
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, изложена на 97 страницах, содержит 25 рисунков и 1 таблицу. Список литературы состоит из 90 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. Показаны практическая значимость и научная новизна проведенных исследований.
Первая глава содержит анализ современного состояния теории и практики использования в промышленной теплоэнергетике древесины в качестве топлива. Проведен анализ публикаций по исследованиям сжигания древесной биомассы 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 термической подготовки частиц древесины четырех видов.
Проведен анализ влияния формы и объема частиц древесной биомассы на времена их термической подготовки. Показано, что характерный размер частиц древесины, выполненных в форме куба, не оказывает значимого влияния на характеристики и условия воспламенения, в отличие от других форм (пластины и параллелепипеда). Установлено, что при идентичных объемах частицы в форме пластины зажигаются значительно быстрее частиц, выполненных в виде куба и прямоугольного параллелепипеда. Установлено влияние расстояния между частицами древесины на характеристики их совместного зажигания.
Установленные в экспериментах времена термической подготовки частиц древесины показывают, что анизотропия свойств древесины не оказывает значимого влияния на характеристики зажигания.
В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
батарей он может быть меньше 1 (около 0,81 по данным [8]). Другими словами, фотоэлектрические преобразователи, в основном, являются поглотителями энергии, если рассматривать полный цикл «изготовление - работа - утилизация». Можно обосновано предположить, что будущее энергетики, скорее всего, - гибридная и адаптивная энергетическая система, включающая в себя традиционные (тепловые [9] и атомные [10] электрические станции, обеспечивающие базовую энергетическую нагрузку) и нетрадиционные (ветро- электрогенераторы [11], солнечные батареи [12] или более экзотические - приливные ГЭС [13]) источники энергии. Главные элементом такой системы должны быть высокоёмкие энергонакопители (например,
гидроаккумулирующие ГЭС [14], супермаховики [15], механические гравитационные накопители [16], литий-ионные аккумуляторы [17] и др.). Также неотъемлемой частью энергосистемы будущего будут распределители энергии (на базе вычислительных систем, работающих на самообучающихся алгоритмах [18] с применением распределенных вычислений [19-21]).
Но в настоящее время таких накопителей электрической энергии почти нет, а эффективность работы функционирующих очень мала. Более того, нет надежного научного задела для создания мощных накопителей электрической энергии не только в ближайшие годы, но и в среднесрочной перспективе. В этой связи более перспективным (а может и самым перспективным) возобновляемым источником энергии является биомасса (отходы деревопереработки [22] и сельского хозяйства [23], а также лесной горючий материал [24]). Древесная биомасса имеет несколько вполне очевидных значимых преимуществ, как по сравнению с традиционными энергоносителями (уголь или нефть), так и с ветрогенераторами и солнечными батареями. Во-первых, древесина является единственным углерод-нейтральным топливом [25]. При ее сжигании формируется диоксид углерода, который не нарушает общего баланса CO2 в мировом геохимическом цикле углерода [26]. Во-вторых, древесная биомасса является относительно дешевым источником энергии: древесина различных видов и пород произрастает практически во всех (за исключением Антарктики и пустыни Атакама) регионах планеты. Соответственно, можно обосновано предположить, что более активное внедрение в энергобаланс древесной биомассы приведет к сглаживанию ценовой «турбулентности» [27] на основных мировых торговых площадках, на которых торгуются энергоносителей. В-третьих, (очень важное преимущество), древесная биомасса, как правило, практически не содержит серы (во всяком случае много меньше чем у углей). Соответственно, при ее сжигании образуется значительно меньше по сравнению с углями SOx. Также по результатам экспериментальных исследований [28] установлено, что при совместном сжигании угля с биомассой существенно снижаются концентрации оксидов азота и серы в дымовых газах таких смесей по сравнению с процессами горения однородного угля.
Все перечисленные выше преимущества создают предпосылки для активного внедрения биомассы в общий баланс тепло- и электрогенерации. Но при этом необходимо подчеркнуть, что активные попытки использования древесных отходов в качестве топлива (в странах ЕС опыты по сжиганию древесины проводились более чем на 150 ТЭС [29]) не привели к ожидаемым результатам во всех экспериментах. На настоящее время в мире насчитывается не более 20 ТЭС, работающих на древесной биомассе. Последнее обусловлено рядом объективных и субъективных причин.
К объективным относится относительно низкая теплота сгорания биомассы: при сжигании даже самой теплотворной древесины - березы Q%i0 ^ 15 • 106 Дж/кг выделяется тепла меньше чем при сжигании самого низкосортного бурого)угля (Q1C13 = 27 • 106Дж/кг) [30, 31]. Также стоит сказать, что древесная биомасса, как правило, влажная (на практике максимальная влажность может достигать 80% [32]). Соответственно, сжигание такой биомассы приводит к существенному снижению эффективности работы котельного агрегата.
К субъективным относится проблема логистического обеспечения топливоподачи на ТЭС. Но анализ публикаций последних 10 лет (например, [33-35]), посвященных проблемам использования биомассы в энергетике, показывает, что главной (или одной из главных) проблемой внедрения древесной биомассы является отсутствие общей теории процессов термической подготовки (зажигания и горения) частиц древесной биомассы в условиях высокотемпературного нагрева. Такая теория может позволить существенно упростить процедуру выбора формы и размеров частиц топлива, обеспечивающих малое значение времен задержки зажигания при низких энергозатратах на дробление топлива. Отсутствие теории, обеспечивающей возможность выбора при проведении опытноконструкторских работ по созданию технологий сжигания древесной биомассы в топках паровых и водогрейных котлов размеров частиц топлива и, соответственно, технологий подготовки древесины к сжиганию, обусловлено отсутствием экспериментальных данных об основных закономерностях процессов горения частиц древесины.
Также необходимо отметить, что перспективным является использование древесной биомассы в теплоэнергетике не только в виде отходов лесопиления и деревообработки. Такие отходы есть не везде. Вторым источником древесины для сжигания в топках теплоэлектроцентралей и котельных могут быть специально выращиваемые быстро растущие деревья (например, тополь в России). Выращивание деревьев лиственных пород на специальных плантациях может обеспечить решение двух важных задач охраны окружающей среды. Первая - интенсифицируется процесс поглощения углекислого газа и образование кислорода. Вторая - снижаются выбросы в дымовых газах теплоэлектростанций и котельных оксидов серы, азота и летучей золы по сравнению с выбросами при снижении любых, даже малосернистых углей. Но в этом случае древесина должна пройти достаточно энергоемкий этап диспергирования. Соответственно, возникает проблема выбора характерного размера щепы, обеспечивающего и эффективное сжигание, и минимальные энергозатраты на дробление древесины.
По этим причинам обоснование возможности эффективного сжигания частиц древесной биомассы по результатам проведения систематических экспериментальных исследований процессов зажигания и горения частиц древесины в представляющем интерес для практики диапазоне изменения размеров и форм последних является важной и нерешенной пока задачей современной теплоэнергетики.
Научно - техническая проблема. Необходимо по результатам экспериментальных исследований процессов термической подготовки частиц древесины установить основные закономерности этих процессов и обосновать возможность использования древесной биомассы определенного фракционного состава в качестве топлив теплоэлектроцентралей и котельных с целью сбережения энергетических ресурсов и защиты окружающей среды.
Цель работы. Обоснование по результатам экспериментальных исследований основных закономерностей процессов тепло- и массопереноса, протекающих в условиях интенсивных фазовых и термохимических превращений в период термической подготовки диспергированной древесной биомассы к сжиганию, параметров диспергированной древесины в качестве топлива котельных установок предприятий теплоэнергетики.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка экспериментального стенда и методики исследования процессов термической подготовки частиц древесины в потоке высокотемпературного окислителя - воздуха.
2. Установление по результатам экспериментов основных
закономерностей процессов термической подготовки частиц древесины.
3. Анализ степени влияния размеров частиц древесной биомассы на характеристики процесса их термической подготовки.
4. Установление по результатам экспериментов влияния влажности на условия и характеристики процесса термической подготовки частиц древесной биомассы.
5. Анализ влияния анизотропии древесины на условия и характеристики процессов термической подготовки.
6. Определение наиболее предпочтительных (с целью
минимизации времён термической подготовки) расстояний между частицами древесины.
Научная новизна. По результатам впервые проведенных экспериментальных исследований процессов термической подготовки частиц древесины установлены основные закономерности исследовавшихся процессов (условия, механизмы и характеристики термической подготовки частиц древесины) в широких диапазонах варьирования основных значимых факторов и обоснована возможность эффективного использования диспергированной древесины в качестве топлива котельных установок.
Практическая значимость работы. Обоснована возможность вовлечения в энергетический сектор не только отходов лесопиления и лесопереработки, а также древесины не хвойных пород в качестве основного топлива, существенно снижающего себестоимость производства теплоты и электроэнергии, а также уменьшающего существенно содержание в дымовых газах теплоцентралей и котельных антропогенных веществ (оксидов серы и азота, летучей золы).
Достоверность. Эксперименты проводились с использованием современных средств регистрации характеристик исследовавшихся процессов с малыми методическими погрешностями. Для каждого сочетания контролируемых факторов в эксперименте проводилась серия минимум из 15 опытов. Определялись доверительные интервалы времен термической подготовки частиц древесной биомассы. Результаты экспериментальных исследований подтверждаются их хорошей повторяемостью.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Разработана методика экспериментального исследования процессов термической подготовки частиц древесины в условиях, советующих условиям котельных установок.
2. Проведенные эксперименты показали, что форма и размеры частицы древесной биомассы оказывает существенное влияние на характеристики и условия зажигания при относительно низких температурах внешней среды (до 1073 К).
3. Установлено, что при идентичных объемах частицы в форме пластины зажигаются значительно быстрее частиц, выполненных в виде куба и прямоугольного параллелепипеда.
4. Показано, что характерный размер частиц древесины, выполненных в форме куба не оказывает значимого влияния на характеристики и условия воспламенения в диапазоне изменения характерного размера частиц от 4 до 10 мм.
5. По результатам экспериментов установлено, что в условиях низкотемпературного нагрева (Tg<873K) времена термической подготовки частиц древесной биомассы, выполненных в виде прямоугольного параллелепипеда, зависят от размера немонотонно. При этом с увеличением объемов (V) частицы, сначала значения tign увеличиваются, а после перехода через некое пороговое значение V времена задержки уменьшаются.
6. Для частиц древесной биомассы пластинообразной формы увеличение характерного размера частиц топлива приводит к линейному росту значений tign.
7. В области умеренных температур (T<873K) времена термической подготовки частицы из сосны много меньше частиц из берёзы, кедра и осины.
8. В условиях высокотемпературного нагрева (T>1073K) вид древесной биомассы не оказывает значимого влияния на численные значения времён термической подготовки.
9. Анизотропия древесины не оказывает значимого влияния на длительность периода термической подготовки.
10. При расстоянии между частицами 1=45 (5- характерный размер частицы) время задержки зажигания частиц в группе сопоставимо со значениями tign одной частицы
Личный вклад. Автор диссертации провела планирование и подготовку экспериментальных исследований, выполнила эксперименты, обработку и анализ полученных результатов, оценку погрешностей, анализ и обобщение полученных результатов. Также автор проводила написание статей и подготовку докладов для выступления на конференциях. Автором сформулированы основные защищаемые результаты, 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». Продление 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. XVI Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (24-27 ноября Новосибирск, 2020);
2. XXXV Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых ученых «Сибирский теплофизический семинар» (27-29 августа Новосибирск, 2019);
3. VIII Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (9-11 октября Томск, 2019);
4. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (23-25 апреля Томск, 2019);
5. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (19-21 апреля Томск, 2022);
6. Научно-практическая конференция работающей молодежи Группы «Интер РАО» 2022 (15-18 ноября 2022, Москва).
Публикации. Опубликованы три статьи в международных научных журналах, индексируемых базами «Scopus» и «Web of Science»: «Biomass and bioenergy», «Journal of the Energy Institute» и «Renewable Energy».
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, изложена на 97 страницах, содержит 25 рисунков и 1 таблицу. Список литературы состоит из 90 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. Показаны практическая значимость и научная новизна проведенных исследований.
Первая глава содержит анализ современного состояния теории и практики использования в промышленной теплоэнергетике древесины в качестве топлива. Проведен анализ публикаций по исследованиям сжигания древесной биомассы 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 термической подготовки частиц древесины четырех видов.
Проведен анализ влияния формы и объема частиц древесной биомассы на времена их термической подготовки. Показано, что характерный размер частиц древесины, выполненных в форме куба, не оказывает значимого влияния на характеристики и условия воспламенения, в отличие от других форм (пластины и параллелепипеда). Установлено, что при идентичных объемах частицы в форме пластины зажигаются значительно быстрее частиц, выполненных в виде куба и прямоугольного параллелепипеда. Установлено влияние расстояния между частицами древесины на характеристики их совместного зажигания.
Установленные в экспериментах времена термической подготовки частиц древесины показывают, что анизотропия свойств древесины не оказывает значимого влияния на характеристики зажигания.
В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
1. Разработана методика экспериментального исследования процессов термической подготовки частиц древесины.
2. Проведенные эксперименты показали, что форма и размеры частицы древесной биомассы оказывает существенное влияние на характеристики и условия начала горения при относительно низких температурах внешней среды.
3. Установлено, что при идентичных объемах частицы в форме пластины зажигаются значительно быстрее частиц, выполненных в виде куба и прямоугольного параллелепипеда.
4. Показано, что характерный размер частиц древесины, выполненных в форме куба не оказывает значимого влияния на характеристики и условия воспламенения.
5. По результатам экспериментов установлено, что в условиях низкотемпературного нагрева (Tg<873K) времена термической подготовки частиц древесной биомассы, выполненных в виде прямоугольного параллелепипеда, зависят от размера немонотонно. При этом с увеличением объема частицы, сначала значения tign увеличиваются, а после перехода через некое пороговое значение уменьшаются.
6. При воспламенении частиц древесной биомассы пластинообразной формы увеличение характерного размера приводит к линейному росту значений tign.
7. В области умеренных температур (T<873K) частицы из сосны зажигаются значительно быстрее частиц из берёзы, кедра и осины.
8. В условиях высокотемпературного нагрева (T>1073K) вид древесной биомассы не оказывает влияния на численные значения времён задержки зажигания.
9. Ориентация частицы кубической формы в пространстве не оказывает влияния на характеристики зажигания.
10. При расстоянии между частицами 1=45 (5- характерный размер
частицы) время задержки зажигания частиц в группе сопоставимо со значениями tign одной частицы
2. Проведенные эксперименты показали, что форма и размеры частицы древесной биомассы оказывает существенное влияние на характеристики и условия начала горения при относительно низких температурах внешней среды.
3. Установлено, что при идентичных объемах частицы в форме пластины зажигаются значительно быстрее частиц, выполненных в виде куба и прямоугольного параллелепипеда.
4. Показано, что характерный размер частиц древесины, выполненных в форме куба не оказывает значимого влияния на характеристики и условия воспламенения.
5. По результатам экспериментов установлено, что в условиях низкотемпературного нагрева (Tg<873K) времена термической подготовки частиц древесной биомассы, выполненных в виде прямоугольного параллелепипеда, зависят от размера немонотонно. При этом с увеличением объема частицы, сначала значения tign увеличиваются, а после перехода через некое пороговое значение уменьшаются.
6. При воспламенении частиц древесной биомассы пластинообразной формы увеличение характерного размера приводит к линейному росту значений tign.
7. В области умеренных температур (T<873K) частицы из сосны зажигаются значительно быстрее частиц из берёзы, кедра и осины.
8. В условиях высокотемпературного нагрева (T>1073K) вид древесной биомассы не оказывает влияния на численные значения времён задержки зажигания.
9. Ориентация частицы кубической формы в пространстве не оказывает влияния на характеристики зажигания.
10. При расстоянии между частицами 1=45 (5- характерный размер
частицы) время задержки зажигания частиц в группе сопоставимо со значениями tign одной частицы
