Помощь студентам в учебе
Исследование горения смесевых топлив на основе углей и отходов лесопромышленного комплекса
|
Введение 12
1. Материалы и методика экспериментальных исследований и основные
результаты 17
2. Разработка экспериментального стенда по определению времен задержек
зажигания 18
3. Разработка экспериментального стенда по определению состава
газообразных продуктов термического разложения топлив 33
4. Результаты исследований газового анализа при термическом разложении
углей, древесины и смесевых топлив на их основе 35
5. Разработка экспериментального стенда по пиролизу топливных смесей
навеской по массе до 20 грамм с целью последующего определения элементного состава продуктов термического разложения топлив 38
6. Результаты термогравиметрического анализа угля, древесины и смесевых
топлив на их основе 42
7. Результаты элементного анализа золы угля, древесины и зольного остатка
смесевых топлив на их основе 44
Заключение по разделам 61
Участие в научных мероприятиях по тематике проекта за период обучения .... 62 Библиографический список всех публикаций по проекту, опубликованных за весь период реализации проекта 63
8. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение .... 68
9. Социальная ответственность 87
Заключение 99
Список литературы:
1. Материалы и методика экспериментальных исследований и основные
результаты 17
2. Разработка экспериментального стенда по определению времен задержек
зажигания 18
3. Разработка экспериментального стенда по определению состава
газообразных продуктов термического разложения топлив 33
4. Результаты исследований газового анализа при термическом разложении
углей, древесины и смесевых топлив на их основе 35
5. Разработка экспериментального стенда по пиролизу топливных смесей
навеской по массе до 20 грамм с целью последующего определения элементного состава продуктов термического разложения топлив 38
6. Результаты термогравиметрического анализа угля, древесины и смесевых
топлив на их основе 42
7. Результаты элементного анализа золы угля, древесины и зольного остатка
смесевых топлив на их основе 44
Заключение по разделам 61
Участие в научных мероприятиях по тематике проекта за период обучения .... 62 Библиографический список всех публикаций по проекту, опубликованных за весь период реализации проекта 63
8. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение .... 68
9. Социальная ответственность 87
Заключение 99
Список литературы:
Ископаемый уголь многие сотни лет наряду с другими традиционными топливами является одним из основных источников сырья для выработки тепла и электроэнергии [1]. В долгосрочной перспективе, согласно статистическим данным [2,3], доля угля в производстве тепла и электроэнергии в мировой структуре топливно - энергетического комплекса будет составлять (по разным оценкам) от 31 % (горизонт планирования - 2040 г.) [2] до 38 % (горизонт планирования - 2050 г.) [3]. Ключевыми предпосылками к этому являются значительные запасы углей, их невысокая стоимость, а также развитая инфраструктура добычи, доставки и хранения. Однако, применение углей в энергетике сопряжено со значительными выбросами оксидов серы, углерода, азота, а также летучей золы [4,5] в продуктах сгорания углей.
Многочисленные попытки заменить ископаемые виды топлив альтернативными (возобновляемыми) источниками энергии [6] (например, солнечными [7], ветряными [8], геотермальными) не привели в последние два десятилетия к глобальному изменению доли угля в мировом энергетическом балансе [9,10]. Однако, многими странами (в первую очередь странами Европейского союза) биомасса рассматривается в качестве отдельного, экологически чистого вида топлива [9,10,11]. Повышенное внимание к применению в энергетике биомассы обусловлено тем, что последняя практически не содержит в своём минеральном составе серы и является углерод - нейтральным топливом [11]. Важно отметить, что мировая экономика в значительной степени зависит от цен на энергоносители, в связи с чем использование возобновляемого источника энергии - биомассы [12] должно положительным образом отразиться на энергетической устойчивости каждого отдельно взятого государства. Кроме того, следует подчеркнуть, что только накопленный объем древесных отходов в мире значителен (составляет от 7 % до 40 % объемов лесопереработки в год) [13], в связи с чем ведется активный поиск способов их эффективной утилизации и перевод в устойчивый энергоноситель [14,15]. Виды биомассы, имеющей потенциал применения в энергетике, различны в зависимости от региона. Например, рисовая шелуха или солома [16] типичны для стран азиатского региона, кукуруза [17] Северной Америки, пальмовая биомасса [18], виноградный жмых [19] и оливковые косточки [20] для стран Южной Европы и Средиземноморского региона.
Прямое сжигание больших объемов биомассы в топках мощных энергетических установок электростанций затруднено ввиду её неоднородности и более низкой, относительно углей и газа, теплотворной способности [21]. В связи с этим, перспективным направлением эффективного применение биомассы в энергетике является её использование как компоненты смесевых топлив в составе с углями, например, органоводоугольных [22,23] или смесей твердых топлив [24,25]. В качестве второй компоненты [26] в смесевых топливах используются [27], в основном, биомасса [28] и коммунальные отходы [29,30].
Установлено [5,28,29], что наиболее перспективной энергетической биомассой является древесина и отходы ее переработки - опилки. Попытки эффективного использования опилок в энергетике [30,31] предпринимались неоднократно (например, [32,33]).
В настоящее время известны [34,35] примеры котельных агрегатов, разработанных для совместного сжигания угля и биомассы [36]. При анализе эффективности применения древесных опилок (или пеллет на их основе) в качестве основного вида биомассы в смесевом топливе одной из наиболее перспективных технологий является прямое сжигание смеси измельченных угля и древесины в псевдосжиженном слое. Наиболее ярким примером такого совместного сжигания угля и древесных отходов является электростанция мощностью 550 МВт [33], расположенная в г. Хельсинки, Финляндия.
К настоящему времени результатов экспериментального анализа влияния древесной биомассы на концентрацию парниковых газов в продуктах сгорания ее смеси с углями опубликовано достаточно много (например, [37-40]). Но не установлены достоверно механизмы физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии продуктов термического разложения основных компонент смесевых топлив (угля и древесины) [22,41]. Поэтому не разработаны и теоретические основы технологий совместного сжигания угля и биомассы.
Основная проблема заключается в том, что анализ газообразных продуктов сгорания во многих экспериментах (например, [42,43]) проводился после полного сжигания смесей диспергированных углей и биомассы. Но состав дымовых газов изменяется по мере завершения процесса горения исходных топлив достаточно существенно в зависимости от условий горения. Поэтому важным является объективная (статистически обоснованная) оценка состава продуктов пиролиза смесей частиц угля и биомассы на стадии их интенсивного пиролиза.
Целью магистерской диссертации является установление по результатам экспериментальных и теоретических исследований фундаментальных закономерностей процессов совместного термического разложения смеси измельченного угля и диспергированной древесины в диапазоне высоких (до 1000 К) температур нагрева и механизмов взаимодействия газообразных и твердых продуктов термического разложения между собой.
Установление этих закономерностей и механизмов обеспечит условия для обоснования эффективности сжигания отходов деревообрабатывающих производств в составе топливных смесей на основе угля и древесины в топках котельных агрегатов большой (теплоэлектростанции и теплоэлектроцентрали) и малой(котельные) энергетики. Для достижения цели проекта предполагается выполнить программу экспериментальных и теоретических исследований, которые включают группу взаимосвязанных задач.
1. Разработка методики экспериментального исследования процессов термического разложения навесок (массой до 10 г) смеси измельченного угля и диспергированной древесины в диапазоне температур до 1000 К с целью определения состава газообразных и твердых продуктов термического разложения в зависимости от температуры среды и концентрации компонент.
2. Проведение экспериментальных исследований процессов термического разложения смесей измельченных углей (восемь марок углей) и древесины (отходов деревообработки - сосновых опилок) при разных (от 5% до 50% ) концентрациям древесной компоненты в инертной (аргон) и окислительной среде (воздух) атмосфере с определением состава газообразных и твердых продуктов термического разложения и концентраций компонент в диапазоне температур до 1000К (с шагом 50К) при скорости подъема температуры 10 К/с.
3. Установление по результатам экспериментальных исследований механизмов секвестирования оксидов серы и азота при взаимодействии газообразных и твердых продуктов термического разложения углей и древесины между собой.
4. Разработка методики экспериментального исследования процессов термического разложения счетного множества смеси частиц угля и древесины (общее число от 10 до 200) в диапазоне температур до 1000К с целью определения состава газообразных и твердых продуктов термического разложения в зависимости от температуры среды и концентрации компонент.
5. Проведение экспериментальных исследований процессов термического разложения счетного множества смеси частиц угля и древесины (общее число от 10 до 200) в диапазоне температур до 1000К с целью определения состава газообразных и твердых продуктов термического разложения в зависимости от температуры среды и концентрации компонент.
6. Обобщение результатов проведенных экспериментов на навесках смесей угля и древесины с разной начальной массой и уточнение механизма секвестирования оксидов азота и серы при взаимодействии газообразных и твердых продуктов термического разложения углей и древесины между собой.
7. Экспериментальное определение калорийности всех иследующихся смесей с разными концентрациями угольной и древесной компоненты с целью оценки энергетических характеристик таких смесевых топлив (древесноугольных смесей).
8. Обобщение результатов проведенных при выполнении проекта экспериментальных и теоретических исследований и выработка рекомендаций по практическому использованию этих результатов при разработке технологий сжигания смесей угля и древесины в топках паровых и водогрейных котлов.
Многочисленные попытки заменить ископаемые виды топлив альтернативными (возобновляемыми) источниками энергии [6] (например, солнечными [7], ветряными [8], геотермальными) не привели в последние два десятилетия к глобальному изменению доли угля в мировом энергетическом балансе [9,10]. Однако, многими странами (в первую очередь странами Европейского союза) биомасса рассматривается в качестве отдельного, экологически чистого вида топлива [9,10,11]. Повышенное внимание к применению в энергетике биомассы обусловлено тем, что последняя практически не содержит в своём минеральном составе серы и является углерод - нейтральным топливом [11]. Важно отметить, что мировая экономика в значительной степени зависит от цен на энергоносители, в связи с чем использование возобновляемого источника энергии - биомассы [12] должно положительным образом отразиться на энергетической устойчивости каждого отдельно взятого государства. Кроме того, следует подчеркнуть, что только накопленный объем древесных отходов в мире значителен (составляет от 7 % до 40 % объемов лесопереработки в год) [13], в связи с чем ведется активный поиск способов их эффективной утилизации и перевод в устойчивый энергоноситель [14,15]. Виды биомассы, имеющей потенциал применения в энергетике, различны в зависимости от региона. Например, рисовая шелуха или солома [16] типичны для стран азиатского региона, кукуруза [17] Северной Америки, пальмовая биомасса [18], виноградный жмых [19] и оливковые косточки [20] для стран Южной Европы и Средиземноморского региона.
Прямое сжигание больших объемов биомассы в топках мощных энергетических установок электростанций затруднено ввиду её неоднородности и более низкой, относительно углей и газа, теплотворной способности [21]. В связи с этим, перспективным направлением эффективного применение биомассы в энергетике является её использование как компоненты смесевых топлив в составе с углями, например, органоводоугольных [22,23] или смесей твердых топлив [24,25]. В качестве второй компоненты [26] в смесевых топливах используются [27], в основном, биомасса [28] и коммунальные отходы [29,30].
Установлено [5,28,29], что наиболее перспективной энергетической биомассой является древесина и отходы ее переработки - опилки. Попытки эффективного использования опилок в энергетике [30,31] предпринимались неоднократно (например, [32,33]).
В настоящее время известны [34,35] примеры котельных агрегатов, разработанных для совместного сжигания угля и биомассы [36]. При анализе эффективности применения древесных опилок (или пеллет на их основе) в качестве основного вида биомассы в смесевом топливе одной из наиболее перспективных технологий является прямое сжигание смеси измельченных угля и древесины в псевдосжиженном слое. Наиболее ярким примером такого совместного сжигания угля и древесных отходов является электростанция мощностью 550 МВт [33], расположенная в г. Хельсинки, Финляндия.
К настоящему времени результатов экспериментального анализа влияния древесной биомассы на концентрацию парниковых газов в продуктах сгорания ее смеси с углями опубликовано достаточно много (например, [37-40]). Но не установлены достоверно механизмы физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии продуктов термического разложения основных компонент смесевых топлив (угля и древесины) [22,41]. Поэтому не разработаны и теоретические основы технологий совместного сжигания угля и биомассы.
Основная проблема заключается в том, что анализ газообразных продуктов сгорания во многих экспериментах (например, [42,43]) проводился после полного сжигания смесей диспергированных углей и биомассы. Но состав дымовых газов изменяется по мере завершения процесса горения исходных топлив достаточно существенно в зависимости от условий горения. Поэтому важным является объективная (статистически обоснованная) оценка состава продуктов пиролиза смесей частиц угля и биомассы на стадии их интенсивного пиролиза.
Целью магистерской диссертации является установление по результатам экспериментальных и теоретических исследований фундаментальных закономерностей процессов совместного термического разложения смеси измельченного угля и диспергированной древесины в диапазоне высоких (до 1000 К) температур нагрева и механизмов взаимодействия газообразных и твердых продуктов термического разложения между собой.
Установление этих закономерностей и механизмов обеспечит условия для обоснования эффективности сжигания отходов деревообрабатывающих производств в составе топливных смесей на основе угля и древесины в топках котельных агрегатов большой (теплоэлектростанции и теплоэлектроцентрали) и малой(котельные) энергетики. Для достижения цели проекта предполагается выполнить программу экспериментальных и теоретических исследований, которые включают группу взаимосвязанных задач.
1. Разработка методики экспериментального исследования процессов термического разложения навесок (массой до 10 г) смеси измельченного угля и диспергированной древесины в диапазоне температур до 1000 К с целью определения состава газообразных и твердых продуктов термического разложения в зависимости от температуры среды и концентрации компонент.
2. Проведение экспериментальных исследований процессов термического разложения смесей измельченных углей (восемь марок углей) и древесины (отходов деревообработки - сосновых опилок) при разных (от 5% до 50% ) концентрациям древесной компоненты в инертной (аргон) и окислительной среде (воздух) атмосфере с определением состава газообразных и твердых продуктов термического разложения и концентраций компонент в диапазоне температур до 1000К (с шагом 50К) при скорости подъема температуры 10 К/с.
3. Установление по результатам экспериментальных исследований механизмов секвестирования оксидов серы и азота при взаимодействии газообразных и твердых продуктов термического разложения углей и древесины между собой.
4. Разработка методики экспериментального исследования процессов термического разложения счетного множества смеси частиц угля и древесины (общее число от 10 до 200) в диапазоне температур до 1000К с целью определения состава газообразных и твердых продуктов термического разложения в зависимости от температуры среды и концентрации компонент.
5. Проведение экспериментальных исследований процессов термического разложения счетного множества смеси частиц угля и древесины (общее число от 10 до 200) в диапазоне температур до 1000К с целью определения состава газообразных и твердых продуктов термического разложения в зависимости от температуры среды и концентрации компонент.
6. Обобщение результатов проведенных экспериментов на навесках смесей угля и древесины с разной начальной массой и уточнение механизма секвестирования оксидов азота и серы при взаимодействии газообразных и твердых продуктов термического разложения углей и древесины между собой.
7. Экспериментальное определение калорийности всех иследующихся смесей с разными концентрациями угольной и древесной компоненты с целью оценки энергетических характеристик таких смесевых топлив (древесноугольных смесей).
8. Обобщение результатов проведенных при выполнении проекта экспериментальных и теоретических исследований и выработка рекомендаций по практическому использованию этих результатов при разработке технологий сжигания смесей угля и древесины в топках паровых и водогрейных котлов.
При выполнении проекта впервые проведены экспериментальные исследования с целью определения состава золы бурых и каменных углей различных месторождений России после их пиролиза в смеси с древесной биомассой. Впервые установлено, что концентрация сульфатов кальция и алюминия в золе, остающейся после пиролиза смеси различных марок углей в 1,3 раза и более выше, чем в золе исследуемых однородных углей после их пиролиза. Впервые проведены масштабные эксперименты с навесками древесно-угольных смесей массой около 15 г. (с размерами частиц менее 80 мкм, и 200 - 1000 мкм соответственно), счетным количеством (5+1) частиц (пять частиц угля и одной частицы древесины), диапазон концентрации древесной компоненты в смеси которых составлял от 10 % до 50 %. Условия экспериментальных исследований были приближены к реальной практике сжигания углей или их смесей с измельчённой биомассой. Частицы этих двух топлив находились на некотором расстоянии друг от друга в топочном пространстве. Поэтому условия взаимодействия продуктов пиролиза угля и древесины были максимально приближены к процессам, протекающим в топочном пространстве котлоагрегатов ТЭС.
Научная новизна экспериментальных исследований, результаты которых приведены в диссертации, заключается в установлении механизмов секвестирования основных антропогенных оксидов и определении содержания сульфатов кальция и алюминия в золе смесей углей различных марок (широко использующихся в мировой энергетике как топлива ТЭС) и древесной биомассы (отходов лесопиления) после их пиролиза в условиях некоторой (до миллиметра) удаленности частиц угля и древесины одна от другой и сопоставлении с результатами, полученными на первом этапе выполнения проекта для насыпок такой смеси в плотной «упаковке». Результаты исследований с размерами частиц смесевых топлив менее 80 мкм и размерами частиц смеси в диапазоне размеров 200 - 1000 мкм. Сопоставимы между собой. Выполненные экспериментальные исследования позволили впервые сформировать базу данных, достаточную для описания механизмов устойчивого снижения концентрации оксидов серы в газообразных продуктах пиролиза смеси углей с древесиной. Результаты выполненных экспериментальных исследований позволяют сделать вывод фундаментального значения - состав углей оказывает существенное влияние на выход антропогенных оксидов после пиролиза смесей углей с отходами переработки древесины. Впервые экспериментально доказано, что древесная биомасса в соотношении компонент 50 % / 50 % (уголь / древесина) является эффективной добавкой к углю, способствующей существенному снижению антропогенных выбросов энергетических котлов ТЭС.
Сформулирована по результатам анализа и обобщения результатов выполненных в рамках проекта экспериментов, а также опубликованных ранее результатов исследования процессов термического разложения, газификации и горения углей система нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими начальными и граничными условиями. Ранее процессы пиролиза и горения твердых топлив с использованием таких сложных математических моделей не исследовались. При постановке задач впервые учтены процессы испарения влаги, содержащейся в пористой структуре угольных и древесных частиц, фильтрация водяных паров через поры к нагреваемой поверхности и их вдув в слои воздуха, прилегающие к поверхности частиц. В отличие от известных моделей горения взвесей угольной пыли, в которых предполагалось однородность полей температур и других характеристик процесса в частице топлива, при постановке задач проекта совокупность физических и химических процессов в одиночной частице топлива рассматривалась в рамках модели, учитывающей изменение основных характеристик процесса не только во времени, но и в пространстве (по частице).
Впервые проведено обоснование физики и химии процессов, протекающих при термическом разложении смесей частиц угля и биомассы с образованием газообразных и твердых продуктов пиролиза. Существенно расширены возможности проведения опытно -конструкторских работ по созданию технологий сжигания углей в смеси с отходами лесопиления с существенным снижением выхода антропогенных оксидов и летучей золы в продуктах сгорания смесей.
Научная новизна экспериментальных исследований, результаты которых приведены в диссертации, заключается в установлении механизмов секвестирования основных антропогенных оксидов и определении содержания сульфатов кальция и алюминия в золе смесей углей различных марок (широко использующихся в мировой энергетике как топлива ТЭС) и древесной биомассы (отходов лесопиления) после их пиролиза в условиях некоторой (до миллиметра) удаленности частиц угля и древесины одна от другой и сопоставлении с результатами, полученными на первом этапе выполнения проекта для насыпок такой смеси в плотной «упаковке». Результаты исследований с размерами частиц смесевых топлив менее 80 мкм и размерами частиц смеси в диапазоне размеров 200 - 1000 мкм. Сопоставимы между собой. Выполненные экспериментальные исследования позволили впервые сформировать базу данных, достаточную для описания механизмов устойчивого снижения концентрации оксидов серы в газообразных продуктах пиролиза смеси углей с древесиной. Результаты выполненных экспериментальных исследований позволяют сделать вывод фундаментального значения - состав углей оказывает существенное влияние на выход антропогенных оксидов после пиролиза смесей углей с отходами переработки древесины. Впервые экспериментально доказано, что древесная биомасса в соотношении компонент 50 % / 50 % (уголь / древесина) является эффективной добавкой к углю, способствующей существенному снижению антропогенных выбросов энергетических котлов ТЭС.
Сформулирована по результатам анализа и обобщения результатов выполненных в рамках проекта экспериментов, а также опубликованных ранее результатов исследования процессов термического разложения, газификации и горения углей система нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими начальными и граничными условиями. Ранее процессы пиролиза и горения твердых топлив с использованием таких сложных математических моделей не исследовались. При постановке задач впервые учтены процессы испарения влаги, содержащейся в пористой структуре угольных и древесных частиц, фильтрация водяных паров через поры к нагреваемой поверхности и их вдув в слои воздуха, прилегающие к поверхности частиц. В отличие от известных моделей горения взвесей угольной пыли, в которых предполагалось однородность полей температур и других характеристик процесса в частице топлива, при постановке задач проекта совокупность физических и химических процессов в одиночной частице топлива рассматривалась в рамках модели, учитывающей изменение основных характеристик процесса не только во времени, но и в пространстве (по частице).
Впервые проведено обоснование физики и химии процессов, протекающих при термическом разложении смесей частиц угля и биомассы с образованием газообразных и твердых продуктов пиролиза. Существенно расширены возможности проведения опытно -конструкторских работ по созданию технологий сжигания углей в смеси с отходами лесопиления с существенным снижением выхода антропогенных оксидов и летучей золы в продуктах сгорания смесей.