Обоснование и совершенствование способов энергетического использования растительных отходов

Голубев, Вадим Алексеевич

Обоснование и совершенствование способов энергетического использования растительных отходов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Голубев, Вадим Алексеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Барнаул МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Обоснование и совершенствование способов энергетического использования растительных отходов»

Автореферат диссертации на тему "Обоснование и совершенствование способов энергетического использования растительных отходов"

На правах рукописи

ГОЛУБЕВ Вадим Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ

ОТХОДОВ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

05.14.14 - тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

т 5 НАГ! т

Барнаул-2014

005548237

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И.Ползунова» на кафедре «Котло- и реакторостроения» и в Обществе с ограниченной ответственностью «ПроЭнергоМаш-Проект», г.Барнаул

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Пузырёв Евгений Михайлович Научный консультант: доктор технических наук, профессор Сеначин Павел Кондратьевич

Официальные оппоненты: Богомолов Александр Романович, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Кириченко Александр Федорович, кандидат технических наук, эксперт по сертификации энергетического оборудования, руководитель Органа по сертификации «Сибэнерготест», г. Барнаул.

Ведущая организация: ОАО «Сибэнергомаш» (Барнаульский котельный завод), г.Барнаул

Защита состоится «27» июня 2014 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46. (тел/факс (3852) 29 87 22; E-mail: D21200403@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета (до 16 июня, не позднее 10 дней до защиты диссертации).

Автореферат разослан "24" апреля 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.004.03, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие общества сегодня характеризуется глобализацией и острыми кризисными ситуациями, вызываемыми во многом проблемами энергетики и экологии. Повсеместно возникают противоречия между возрастающим спросом на энергоносители, ограниченностью запасов традиционных топлив и их неуклонным удорожанием, и одновременно жизнедеятельность сопровождается производством горючих отходов: древесных, сельскохозяйственных, лигнина и др., горы которых быстро растут и представляют серьёзную угрозу нашего времени. Например, в Алтайском крае энергетический потенциал только кородревесных отходов - КДО в 1,5 раза больше потребности в топливе. Выявленное противоречие можно разрешить, рассматривая отходы как местные топлива для энергетики с минимумом транспортных расходов, и как сырьевую базу для производства брикетов и пеллет - возобновляемого высококачественного и экологически безопасного биотоплива, С02 нейтрального, создающего минимальную эмиссию выбросов.

С другой стороны, проблема заключается в оборудовании для огневой утилизации: его отсутствии, непригодности, в том, что оно морально и физически устарело. Требуются технологии, позволяющие предприятиям расширить топливную базу, утилизировать отходы и высвободить площади свалок, уменьшить экологические выплаты и снизить эксплуатационные расходы. И здесь важна возможность малозатратной модернизации типовых котлов с заменой значительной доли качественного топлива на отходы путем разработки и установки высокоэффективных топочных устройств.

Еще в большей степени разработка технологических схем и проектирование требуемого набора оборудования актуальны и необходимы при создании производства качественных видов топлива из лигнина и подобных ему отходов, не пригодных для эффективного прямого сжигания.

Целью работы является научное обоснование и совершенствование способов энергетического использования растительных отходов на основе изучения их теплофизических свойств и кинетики термических превращений, численного моделирования определяющих процессов, а также разработка конструкций вихревых топок для прямого сжигания в типовых котлах и комплексов подготовки высококачественного энергетического биотоплива.

Для достижения этих целей решались следующие задачи.

- Анализ и экспериментальное исследование теплофизических свойств, кинетики термических превращений КДО и гидролизного лигнина в условиях, характерных для топочных процессов и процессов переработки биомассы в энергетическое топливо.

- Разработка и научное обоснование путем численного моделирования конструктивных схем вихревых топочных устройств, пригодных для перевода энергетических котлов БКЗ-75 на прямое совместное сжигание КДО с углем (при замене до 40% его в топливном балансе).

- Теоретическое обоснование и разработка метода приборного контроля доли биомассы в топливном балансе многотопливных энергетических установок.

- Комплексная разработка технологии получения высококачественного энергетического биотоплива в виде брикетов из растительных отходов (на примере лигнина) с унификацией теплотехнических свойств, включая методики теплового, аэродинамического и конструкторского расчетов оборудования комплекса (с полочной сушилкой и теплогенератором).

Научная новизна (положения, выносимые на защиту).

- Результаты опытных исследований и анализа характеристик КДО и лигнина в процессах их сушки, термического разложения и горения.

- Обоснован (численным моделированием по коду РШЕ-ЗП) и запатентован способ прямого вихревого сжигания на ТЭЦ совместно с углем многотоннажных потоков КДО с использованием типовых энергетических котлоагрегатов (на примере котлов БКЗ-75, включая малозатратные схемы реконструкции топки).

- Теоретически обоснован и предложен метод приборного контроля доли биомассы в топливном балансе многотопливных энергетических установок (на основе газового анализа).

- Научно обоснована схема подготовки высококачественного энергетического биотоплива (на примере лигнина) с унификацией свойств влажных отходов (с использованием защищенных патентами устройств - сушилки полочного типа и теплогенератора с топкой вихревого типа).

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что:

- результаты экспериментального исследования свойств и характера поведения древесных отходов и лигнина в условиях интенсивного термического воздействия могут быть применены при реконструкции и создании нового энергетического оборудования, использующего КДО и растительные отходы;

- разработана методика математического моделирования и проектирования вихревых топочных устройств прямого сжигания с использованием рекомендаций, учитывающих усадку и кинетику стадий термических превращений КДО;

- на примере котлов БКЗ-75 разработаны, запатентованы и внедрены вихревой топочный процесс и новые технологические схемы прямого сжигания КДО совместно с углем, а также конструкции топочно-горелочных устройств, дожигателя шлака, трамплина и других элементов, позволяющие повысить эффективность работы котлов и снизить вредные выбросы в атмосферу;

- научно обоснованы двухступенчатая пневматическая система сушки и система складирования КДО, дополняющие схему вихревого сжигания, которые позволяют при реконструкции типовых котлов, в отличие от 3-5% для зарубежных схем, вовлечь в тепловой баланс ТЭЦ до 40% КДО;

- предложенный метод приборного контроля доли биомассы в топливном балансе может быть использован на предприятиях, применяющих схемы совместного сжигания биомассы с различными энергетическими топливами;

- внедрение новых запатентованных агрегатов и технологических схем сушки и брикетирования высоковлажных растительных отходов позволяет унифицировать их свойства с получением энергетического биотоплива.

Реализация работы. Результаты работы использованы в малозатратных проектах реконструкций энергетических котлов: БКЗ-75 станционный №5 для ТЭЦ Се-ленгинского целлюлозно-картонного комбината (СЦКК), ЧКД-35 на ТЭЦ в г. Габ-рово, Республика Болгария, БКЗ-75 станционный №9 ТЭЦ №6 в г.Братск с установкой в них вихревых топок, а также в проекте промышленной установки по производству до 5 т/ч брикетов из гидролизного лигнина, г. Речица, Беларусь.

Разработанные в диссертации рекомендации по конструированию вихревых топочных камер используются конструкторским бюро ООО «Специальное конструкторское бюро Промышленной Теплоэнергетики», ООО «Вихревые Технологии Сжигания», ООО «ПроЭнергоМаш-Проект», ООО «НИККОМ» при проектирова-

шш котлов с вихревыми топками «Торнадо», сушилок и вспомогательного оборудования для утилизации отходов.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается: использованием апробированных методик экспериментальных исследований; соответствием результатов экспериментам других авторов; результатами испытаний и практическим опытом эксплуатации реконструированных котлов; согласованностью теоретических и опытных данных, широким практическим внедрением теоретических п технологических разработок.

Личный вклад автора заключается:

- в постановке задач, разработке и создании лабораторных установок по изучению теплофизических свойств и термодеструкции растительных отходов, включая создание методик, а также в проведении исследований и обобщении экспериментальных данных;

- в разработке технологических схем энергетического использования КДО и лигнина, компьютерном моделировании низкотемпературной вихревой топки, пригодной для прямого совместного сжигания КДО с углем в котлах БКЗ-75, включая разработку патентов ПМ №86277, ПМ №86705;

- в разработке и обосновании метода приборного контроля доли биомассы в топливном балансе многотопливных энергетических установок;

- в разработке и обосновании схем и комплекса производства энергетического биотоплива из биомассы, в том числе топки теплогенератора и сушилки полочного типа, включая создание патентов ПМ №87318, ПМ №86277, ПМ №98744, ПМ №89674 и разработку алгоритмов расчета полочных аппаратов;

- в руководстве сотрудниками и авторском надзоре за монтажом, организацией пуско-наладочных, режимно-наладочных, балансовых и специальных испытаний при промышленном внедрении работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на 13 всероссийских научных, научно-практических конференциях и семинарах, указанных в списке публикаций.

Публикации. По теме диссертации автором выполнено 32 публикации, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях из списка ВАК РФ и 7 патентов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации 157 страниц. Работа содержит 115 страниц основного текста, 96 рисунков, 11 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, отмечены научная новизна, практическая значимость полученных результатов н основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена анализу особенностей использования растительных отходов в качестве альтернативного топлива с учетом их рациональной и экономичной утилизации. Конкретно была проведена оценка потенциала имеющихся в Алтайском крае древесных отходов. Существует большое разнообразие видов отходов древесины, соответственно, различаются и свойства этих отходов. Энергетический потенциал древесных и основных сельскохозяйственных отходов на Алтае оценивается в 2млн.т.у.т. в год при потреблении в энергетике около 5-6млн.т.у.т. в год

привозного угля. Таким образом, переход на использование биотоплива в Алтайском крае позволит отказаться на 30-40% от привозных углей и получить значительный экономический и экологический эффект.

Важнейшая характеристика горючих отходов - возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения - определяется содержанием балластирующих компонентов: влаги и золы. Это заштрихованная зона в поле треугольника Танне-ра, рис.1, с предельными значениями: горючих более 25%, влаги до 50% и золы до 60% по массе. Согласно проведенному анализу многие отходы не автогены, требуют предварительной сушки.

С целью обоснования технологий утилизации отходов опытным изучением процессов сушки и термической деструкции были созданы лабораторные стенды, использующие в том числе термогравиметрию (ТГ), рис.2. Экспериментально получаемые кривые изменения массы от температуры и времени позволяют с точностью судить о ходе и стадиях изучаемых процессов.

В лабораторных установках с использованием дериватографа и муфельной печи с механотроном на образцах КДО изучены процессы сушки, выхода, воспламенения горения и летучих. Определены границы перехода к режиму падающей скорости сушки и др. При типовой температуре сушки 105-120°С для лигнина критическая влажность равна 23%. С увеличением температуры сушильного агента - СА интенсивность сушки возрастает. Период падающей скорости сушки наступает при более низкой критической влажности 15%(600°С) и 10%(800°С). Поверхность материала может нагреваться значительно выше температуры мокрого термометра, что сопровождается взрывоопасным режимом газификации. Не рекомендуется применять СА с температурой более 650°С.

«».«ланий в>3раг<?а

Рисунок 2 - Экспериментальный стенд для изучения процессов в КДО

В муфельной печи с механотроном на отдельных частицах и образцах КДО, которые подвешивались к одному из плеч аналитических весов и помещались в муфель, измерялись ход прогрева и потеря массы частиц ш, рис.3 и 4. Наблюдался и

Лигнин

. КДО СЦКК

шлак, шлам

О 10 20 30 40 50 т 70 во 90 100 Горючая масса С.%

Рисунок 1 - Треугольник Таннера

изучался процесс термического разложения, включающий все стадии: прогрев, сушка, выход летучих и горение коксового остатка, рис 2.

1М%-100%

Рисунок 3 - Динамика разложения частиц березы в безразмерных координатах. 1 -то=0,9гр т„=93сек. 2 - т0=0,46гр тк=55сек

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80т,с

Рисунок 2 - Термическое разложение и горение древесной пыли. Фракция 0,063 мм. Температура печи 500°С Расчеты кинетических параметров по ТГ-кривой, таблица 1, основаны на формальном кинетическом уравнении, -с1т/с1т=ктп, где п — порядок реакции; к - удельная константа скорости реакции, определяемая по закону Аррениуса: к=к0ех.р(-Еа/КТ), Я=8,314кДж/(кмоль-К), Еа - энергия активации реакции.

Таблица 1 - Кинетические константы для стадий термического разложения КДО

Стадия термического разложения Энергия активации, Е , кДж/моль- Предэкспоненци- альный множитель к , с"1 0' -1 ^0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1000 /7', К

-3 -4 -5 -6

Стадия выхода летучих (кривая 1) Опыты Померанцев Опыты Померанцев ...............................

39,8 32 6,62 -

Стадия горения кокса (кривая 2) 77,3 75-135 257 (1,5-210)-103

цов

зоо

250 200 150 100 50 О

С помощью метода дифференциальной термогравиметрии в муфеле для образ-влажностью выше 40% зафиксирован скачок вверх дериватограммы, кривая 2

(рис.4) - разности температуры инертного вещества и образца. Интенсивность всплеска зависит от влаж-

Рисунок 4 - Дериватограмма (влажность 0^80%).

ности древесины, чем влажность больше, тем интенсивнее всплеск. Скачок на дериватограмме объясняется тем, что сушка сопровождается интенсивным внутренним теплоперено-сом в образце с испарением на поверхности и конденсацией пара в объёме образца.

В опытах отмечена заметная усадка, до 0,8 от исходных линейных размеров частиц КДО, рис. 5, ещё в стадии сушки, что необходимо учитывать в расчетах. На основе анализа опытных данных предложены рекомендации: При организации топливоподготовки необходимо применять интенсивную высокотемпературную сушку отходов горячими дымовыми газами в нисходящем потоке по прямоточной схеме с многократным взаимным проникновением потоков сырья и СА и ограничить процесс сушки критической влажностью.

1 . 1

шря ггерп

Рисунок 5 - Образцы древесины, исходные слева и после нагрева справа (шкала в мм)

Для организации прямого сжигания КДО рекомендуется использовать вихревую технологию с непрерывной подачей топлива, дутья и типовыми мерами стабилизации горения. Вихрь горячих продуктов сгорания удержит в топке мелкие твердые частицы и искры, создаст искровое зажигание и интенсивный перенос тепла в зоны сушки из зон горения, а также обеспечит изотермичность топочного процесса.

В главе 2 рассмотрены проблемы влияния отходов и выполнен обзор технологий сжигания КДО. По зарубежным источникам в энергетических котлах можно использовать до 5% КДО при совместном сжигании с углем. На основе анализа приведенных в главе 1 опытных исследований с этой целью предложено использовать типовые котлы с вихревыми топками типа НТВ, в которых циркулирующий вихрь является мощным фактором стабилизации горения. Рассмотрены вопросы разработки технологии по подготовке к энергетическому использованию КДО путем прямого совместного сжигания с углем.

Вихревой эффект широко используется в циклонах (Кнорре Г.Ф, Штым А.Н., Штым К.А.), вихревых топках ЦКТИ (Н.В. Голованов, Саломатов В.В.), топках МЭИ, КазНПИЭнергетики и др. Предложенная В.В. Померанцевым схема НТВ ЛПИ имеет наиболее широкое внедрение, многочисленные запатентованные модификации и усовершенствования. Схема развивается в нескольких независимых направлениях. Здесь значительный вклад внесли Рундыгин Ю.А., Лихачева Г.Н., Григорьев К.А., Скудицкий В.Е., Шестаков С.М., Обухов И.В., Финкер Ф.З. и др.

В диссертации также использованы элементы топки НТВ ЛПИ. На основе накопленного опыта была разработана и обоснована численным моделированием общая технологическая схема, включая элементы реконструкции типового энергетического котла БКЗ-75 на совместное вихревое сжигание КДО с углем, рис.5 и 6.

КДО из буртов загружают в бункер 2 погрузчиком 1 и транспортером 3 дозируются на дисковую сортировку 4. Здесь крупные составляющие отбрасываются, а мелкие частицы поступают на транспортеры 5, 6. Далее плужком 8 они сбрасываются в расходный бункер 7 емкостью 20-30 куб.м. с датчиками уровня 10, обеспечивающими контроль объёма КДО. Затем КДО подают четырьмя шнековыми сушилками 12 в вихревую топку 20 котла 21 совместно с дутьём через эжектор 18 и прямоточные фау горелки 19 в подготовленном виде - разогретые и подсушенные.

Рисунок 5 - Принципиальная технологическая схема

Уголь подается в котел по штатному тракту топливоподачи 9 через две молотковые мельницы 11 с шахтными сепараторами и через горелки 19 совместно с КДО в вихревую топку 20, где оба вида топлива сгорают. Подсушка повышает калорий-

Рисунок 6 - Элементы реконструкции котла на совместное сжигание угля и КДО (патенты ПМ №86277, ПМ №86705). 1-V образные горелки, 2-трамплин, 3- дожигатель шлака.

Разомкнутая схема сушки не балластирует пары влаги из КДО посторонними газами, пары имеют высокую температуру конденсации, 70-95°С, и могут эффективно подогревать сетевую воду в конденсаторе 23, повышая к.п.д. использования топлива на 10-25%, как при сжигании сухих отходов.

Численная реализация математической модели, описывающей процессы аэродинамики, теплообмена и горения в объеме вихревой топки, осуществлялась с использованием специализированного пакета прикладных программ FIRE 3D, разработанного на кафедре ПГСиПГУ ТЭФ ТПУ, г. Томск. На рис. 6 представлена геометрия топочной камеры котла БКЗ 75. В расчете использованы полученные автором кинетические константы горения и учтена усадка частиц древесины (глава 1).

Из рис.7 видно, что предлагаемая схема организации топочного процесса формирует наиболее интенсивные течения, неоднородности, перемешивание и теплообмен именно в нижней части топки котла БКЗ-75, которая ранее практически не участвовала в работе. Этим обеспечивается повышенный теплосъем и низкотемпературный режим горения в вихревой юкке.

Рисунок 7- Распределение вертикальных проекций векторов и полей скоростей в продольных сечениях между горелками 1 и по горелкам 2

В итоге для разных вариантов подачи дутья были просчитаны и проанализированы распределения проекций векторов и полей скоростей в различных поперечных, продольных и вертикальных сечениях топки котла. Дополнительно на развертке экранов были рассчитаны поля течений, давлений, циркуляция и другие характеристики. После вариантных расчетов были выбраны окончательно углы схождения и горизонтального наклона горелок, угол набегания нижнего дутья, геометрия топки, а также доли раздачи дутья по зонам.

При моделировании рассчитывались траектории движения частиц. Частицы задерживаются вихрем в топке, обеспечивая их глубокое выгорание.

Струи наклонных горелок опускаются вниз и совместно со струями нижнего заднего дутья формируют восходящий вдоль фронтового экрана поток, который поступает под горелки и поддерживает стабильное воспламенение топлива в корне их факелов. Это существенно повышает надежность воспламенения, обеспечивает устойчивость топочного процесса и замещение значительной доли угля отходами.

В главе 3 рассмотрено развитие разработанной схемы прямого сжигания отходов. На типовом котле БКЗ-75, ст. №5 ТЭЦ СЦКК, имеющем систему подачи КДО их доля достигала 4,5-7т/час, до 30% по теплу, выбросы минимальны: СО=22-Ю4ррщ, >Юх=220-240мг/нмЗ. Усовершенствованные схема и методика математического моделирования и оптимизации аэродинамики и вводимых элементов получили развитие в проекте перевода типового котла БКЗ-75, ст.№9 ТЭЦ 6 (г. Братск). В этой схеме применена пневматическая сушка КДО. Дополнительно в новой схеме используются дожигатели шлака 3, рис. 6. Они необходимы из-за выявленного при моделировании провала частиц крупнее 3 мм в холодную воронку, рис. 8. Дожигатели шлака работают эффективно, рис.9, и позволяют существенно сократить мехнедожог с провалом. Тепловая мощность на колосниках от 4 до 10 Гкал/ч или от 10 до 20 % обшей мощности котла.

Рисунок 8 - Тректории движения частиц КДО диаметром 15 мм

Рисунок 9- Горение провала на дожигателе шлака

По итогам испытаний, проведенных под руководством зав. лаб. СибЭНТЦ, к.т.н., заслуженного энергетика РФ Васильева В.В., определено, что во всех режимах наблюдалась вихревая аэродинамика и устойчивое горение без пульсаций факела. Поверхности нагрева чистые, коэффициенты тепловой эффективности топки и трубной системы выше проектных. Механический недожог снижается до 0,3% на номинальной мощности, рис.10. КПД котла на номинале достиг 93%. Газовый анализ подтвердил прогнозируемое при совместном сжигании снижение выбросов оксидов азота в 1,5-2 раза, рис. 11.

< Олр.т/ч

ЙЛИМИЯДМИМДО!

Рисунок 10 - Зависимость мехнедожога от паропроизводительности при различных схемах топливоподачи

Рисунок 11 - Зависимость концентрации 1ЧОх от нагрузки котла при различных схемах топливоподачи

В связи с дотациями при сжигании биомассы важную роль играет учет доли КДО в тепловом балансе. Причем из-за низкой насыпной плотности и калорийности, объемный и массовый расходы КДО могут превышать характеристики потока основного топлива, и учет их доли представляет трудности. Для решения проблемы разработана методика определения доли тепла, вносимой биомассой, с использованием приборного контроля состава продуктов сгорания и номограмм, типа рис. 12, и применением параметра р:

Н>-0,П6.0> Сг + 0,375 -У

Топлива имеют определенный элементный состав и значения р. Для КДО Р=0,030-0,031 и для угля р=0,073-0,143.

С другой стороны параметр рсм может быть определен и восстановлен (обратная задача) на основе приборного анализа состава дымовых газов газоанализатором: В _ 21 - 0,605 • СО - ЯР2 - Р2 СО+1Ю, ' '

где С02-углекислый газ, К02=С02+802 - трехатомные газы, СО - угарный газ.

Сопоставляя значения Р, для доли Б биотоплива, рис. 12, и вычисленные по данным газового анализа рсм, можно определить долю КДО в смеси топлив.

о га -о бо зо т 12е% Рисунок 12 - Зависимость р от доли О древесного топлива при совместном сжигании с бурым углем.

Глава 4 касается разработки технологии унификации свойств и переработки растительных отходов в качественное энергетическое биотопливо - брикеты. Разработка и проектирование технологических схем и специального оборудования выполнены с учетом рекомендаций главы 1. Технология на примере получения лигнобрикетов, так как из-за высокой влажности лигнин практически не сжигается, и в отвалах имеются его запасы в миллионы тонн.

В качестве сушильного агента — СА используются дымовые газы от сжигания предварительно подсушенного лигнина. Сушильный агрегат представлен на рис.13. Материал и СА движутся спутно вниз, оптимальный профиль лопаток обеспечивает задержку частиц, многократные взаимопроникающие пересечения потоков и интенсивное взаимодействие потоков частиц и СА.

гЧ

^ МАТ

МАТЕРИАЛА

Рисунок 14 - Зависимость влажности лигнина от номера участка N (пунктиром обозначена логарифмическая аппроксимация уравнением)

Рисунок 13 - Разрез полочного сушильного агрегата (патент ПМ №87318) В диссертации разработана методика инженерного расчета сушилки полочного типа, рис.14, которая была использована в проекте сушильной установки ПС —5.5, работающей в составе брикетировочного комплекса, рис.15.

Характеристики товарного брикета из гидролизного лигнина, получаемого на установке г. Речица Республики Беларусь производительностью Ют/ч, рис.15:

- Влажность на рабочую массу -

от 10% до 25%;

- Зольность на рабочую массу - от 2,1% до 9%;

- Теплота сгорания брикетов, низшая МДж/кг- 16,76(4000ккал/кг).

5~у 1

/¡иглиха

V» к'

возЯят Ьхушегного нил^а о ш/1« 6ijnr.ec

Рисунок 15 Технологическая схема комплекса брикетирования 10 т/час лигнина (использует патенты ПМ №87318, ПМ №86277, ПМ №98744, ПМ №89674)

Разработанная и реализованная технологическая схема опытно-промышленной установки по подготовке Ют/час лигнина к брикетированию и ее основные элементы представлены на рис.15. Главными элементами установки является полочный сушильный агрегат типа ПС - 5.5 , позиция 1, в которой происходит приготовление готового продукта - сушка лигнина. Сушилка включает загрузочное устройство 7, отбор сухого лигнина 16 и промежуточный уловитель 5.

К числу основных элементов схемы также относятся: теплогенератор - 2 типа ТГГ - 4.2ШпВТ, работающий на лигнине, воздухоподогреватель - 3 трубчатого типа и дымосос пылеуловитель - 10 с циклоном 6.

В теплогенераторе 2 для выгрузки шлака установлена топка - 4 с шурующей планкой типа ТШПМ-1.45. Для создания разряжения в системе и удаления отработанных дымовых газов используется дымосос типа ДП-12><1500 основной, позиция 10, а для подогрева и подачи дутья установлены: дымосос, типа ДН-9х 1500, - 12 рециркуляции дымовых газов через воздухоподогреватель - 3, и вентилятор — 13.

Внешний вид разработанного сушильного агрегата, работающего в составе брикетировочного комплекса по производству 5 т/ч лигнобрикетов, смонти-Рисунок 16 - Комплекс по рованного в г. Речицы Республики Беларусь пред-сушке лигнина г. Речицы ставлен на рис. 16.

Основные результаты и выводы

Выявлено противоречие между возрастающим спросом на энергоносители и ограниченностью запасов традиционных топлив, сопровождающееся их неуклонным удорожанием. При этом текущая жизнедеятельность общества сопряжена с производством горючих твердых бытовых отходов (ТБО), коро-древесных отходов (КДО), лигнина и других, горы которых быстро растут и в настоящее время представляют собой серьёзную экологическую угрозу. Эту проблему предложено решать путем использования этих отходов в качестве энергетического топлива.

На примере Алтайского края показано, что КДО, лигнин и другие ТБО потенциально имеют и зачастую превышают энергетические потребности территории. Предлагается их рассматривать как местные топлива для энергетики с минимумом транспортных расходов и как сырьевую базу для приготовления брикетов и пеллет - возобновляемого высококачественного, СО? нейтрального и экологически безопасного биотоплива.

1. Проведено детальное изучение физико-химических и кинетических свойств образцов КДО и лигнина на всех стадиях топочного процесса (прогрева, сушки и выгорания коксового остатка) и получены численные значения констант макрокинетики, как основы для разработки научно обоснованных методик, способов и устройств, необходимых для вовлечения КДО и лигнина в топливный баланс предприятий.

2. На примере котлов БКЭ-75-39-440ФБ предложены (на основе численного моделирования топливного процесса и других исследований) научно обоснованные технологические схемы и конструкторские решения для малозатратной модернизации существующего котельно-топочного оборудования, с возможностью вовлече-

ния в топливный баланс КДО, в том числе, для совместного сжигания КДО и угля (при замене до 40% его в топливном балансе).

3. Теоретически обоснован и разработан метод приборного контроля доли биомассы в топливном балансе многотопливных энергетических установок на базе непрерывного газового анализа уходящих газов (с возможностью автоматического регулирования заданного технологического режима).

4. На примере лигнина разработан и запущен в работу брикетировочный комплекс, обеспечивающий унификацию свойств и переработку до 10 т/час растительных отходов в качественные биобрикеты, включая разработку методики расчета и проектирования полочной сушилки, теплогенератора с вихревой топкой и другого специального оборудования комплекса.

Результаты исследования использованы в малозатратных проектах реконструкций энергетических котлов Барнаульского котельного завода ОАО «Сибэнерго-маш» БКЗ-75: станционный №5 для ТЭЦ Селенгинского целлюлозно-картонного комбината (СЦКК) и котла станционный №9 ТЭЦ №6 в г. Братске, с установкой в них вихревых топок, а также в проекте опытно-промышленной по производству до 5 т/ч топливных брикетов из гидролизного лигнина, г. Речица, Беларусь.

Результаты исследования используются в учебном процессе в Алтайском государственном техническом университете им. Н.И. Ползунова (на кафедре КиРС), г. Барнаул.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах. Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Разработка технологии пиролиза и применение газогенераторов при утилизации отходов/ Е.М. Пузырёв, В.Г. Лурий, В.А. Голубев, A.B. Лаптов, М.Е. Пузырёв // Ползу-новский вестник. - 2010 - №1.- С. 87-92.

2. Голубев, В.А. Оценка доли зеленой энергии при сжигании биомассы/ В.А. Голубев, Е.М. Пузырёв, М.Е. Пузырёв // Ползуновский вестник. - 2012. - №3/1. - С. 39-41.

3. Пузырёв, Е.М. Роторные машины/ Е.М. Пузырёв, В.А. Голубев, М.Е. Пузырёв// Ползуновский вестник,- 2013.- № 3/4. — С. 63-69.

4. Пузырёв, Е.М. Роторно-винтовые двигатели/ Е.М. Пузырсв, В.А. Голубев, М.Е. Пузырёв // Известия Томского политехнического университета - 2014.- № 4. - С. 36-44.

Патенты на полезные модели:

5. Вихревая топка: патент ПМ №86277 РФ: МКП F23C5/24 / К.С. Афанасьев, В.А. Голубев, Е.Б. Жуков, Е.М. Пузырёв, М.Е. Пузырёв; патентообладатель ООО «НПО «ПроЭнергоМаш» - № 2009111614 ; заявлено 30.03.2009 ; опубл. 27.08.2009.

6. Низкотемпературная вихревая топка: патент ПМ №86705 РФ: МКП F23C5/24 / Е.М. Пузырёв, В.А. Голубев, Е.Б. Жуков; патентообладатель ООО «НПО «ПроЭнергоМаш»

- № 2009112650 ; заявлено 06.04.2009 ; опубл. 10.09.2009.

7. Газогенераторная установка: патент ПМ №89674 РФ: МКП C10J 3/00 / Е.М. Пузырёв, В.Г. Лурий, В.А. Голубев; патентообладатели Пузырёв Е.М., Лурий В.Г., Голубев В.А.

- № 2009123126 ; заявлено 18.06.2009 ; опубл. 10.12.2009.

8. Установка для сушки: патент ПМ №87318 РФ: МПК А01СЗ/00, F26B3/08 / Е.М. Пу-зырев, В.Г. Лурий, В.А. Голубев, М.С. Никишанин; патентообладатели Пузырёв Е.М., Лурий В.Г. -№ 2009123127 ; заявлено 18.06.2009 ; опубл. 10.10.2009.

9. Шнек: патент ПМ №98744 РФ: МКП В 65 G 033/16 / Е.М. Пузырев, В.Г. Лурий, В.А. Голубев; патентообладатели Пузырёв Е.М., Голубев В.А., Пузырев М.Е. - № 2010126133 ; заявлено25.06.2010 ; опубл. 27.10.2010.

10. Топка кипящего слоя: патент ПМ №107841 РФ: МКП F23C11/00 / Е.М. Пузырев, В.А. Голубев, М.Е. Пузырев; патентообладатели Пузырёв Е.М., Голубев В.А., Пузырев М.Е.-№ 2011112811 ; заявлено 01.04.2011 ; опубл. 27.08.2011.

11. Безбарабанный паровой котел: патент ПМ №109829 РФ: МКП F22B21/00, F22 В37/32 / Е.М. Пузырев, В.А. Голубев, М.Е. Пузырев; патентообладатели Пузырёв Е.М., Голубев В.А., Пузырев М.Е. - № 2011112891; заявлено 04.04.2011 ; опубл. 27.10.2011.

Статьи, отражающие основное содержание работы:

12. Голубев, В.А. Исследование свойств и процессов горения нетрадиционных топлив/

B.А. Голубев, Е.Б. Жуков, В.И. Симанов, И.Д. Фурсов // Ползуновский вестник-2004,- №1.- С.129-130.

13. Голубев, В.А. Перевод котла БКЗ-75 на сжигание древесных отходов / В.А. Голубев, Е.Б. Жуков, К.С. Афанасьев, Е.М. Пузырев // Ползуновский вестник - 2007 - №4. -

C. 109-113.

14. Пузырев, Е.М. Сжигание низкосортного топлива в вихревых топочных устройствах/ Е.М. Пузырев, К.С. Афанасьев, Е.Б. Жуков, В.А. Голубев // Вестник алтайской науки-2008,-С. 101-109.

15. Жуков, Е.Б. Исследование горения низкосортных топлив/ Е.Б. Жуков, И.Д. Фурсов, В.А. Голубев, B.C. Смолин // Вестник алтайской науки - 2008. - С. 89-95.

16. Голубев, В.А. Исследование свойств и процессов горения нетрадиционных топлив/ В.А. Голубев, Е.Б. Жуков, В.И. Симанов // «Наука. Техника. Иновации.»: тез. докл. региональной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых. - Новосибирск, 2003,- С. 53-54.

17. Голубев, В.А. Альтернативные виды топлив «Алтайского края» в малой энергетике / В.А. Голубев, Е.Б. Жуков, В.И. Симанов // «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности Сибири»: тезисы докладов на Всероссийской научно-практической конференции. - Барнаул, 2004.

18. Жуков, Е.Б. Технология сжигания древесных отходов в малой энергетике/ Е.Б. Жуков, В.А. Голубев, В.И. Симанов// Ползуновский альманах. - Барнаул, 2006. - С. 85-88.

19. Жуков, Е.Б. Сжигание низкосортных топлив с применением многократной циркуляции / Е.Б. Жуков, В.А. Голубев // «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» IX Всероссийская школа-конференция молодых ученых. - Новосибирск, 2006.

20. Пузырёв, Е.М. Математическое моделирование в реконструкции энергетичеких котлов по технологии низкотемпературного вихревого сжигания/ Е.М. Пузырёв, Е.Б. Жуков, В.А. Голубев, К.С. Афанасьев // Актуальные проблемы энергетики: матер. III меж-дунар. научно-практ. конфер.- Екатеринбург, 2007. - С. 124-127.

21. Пузырёв, Е.М. Разработка вихревых топок «Торнадо» / Е.М. Пузырёв, К.С. Афанасьев, В.А. Голубев // Там же. III междунар. конфер - Екатеринбург, 2007. - С. 128-131.

22. Жуков, Е.Б. Моделирование и численная оптимизация вихревых топочных устройств. Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов/ Е.Б. Жуков, В.А. Голубев, К.С. Афанасьев, Е.М. Пузырев // Сборник докладов IV научно-практ. конф. (Челябинск, 4-7 июня 2007 г.). - Челябинск, 2007. - С. 52-61.

23. Голубев, В.А. Математическое моделирование аэродинамической обстановки в НТВ топках энергетических котлов/ В.А. Голубев, Е.Б. Жуков, К.С. Афанасьев, Е.М. Пузы-

рёв // Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТ-ПЭ-2007): материалы Всерос. научно-практич. конф. с междунар. участием. АлтГТУ. (Барнаул, 17-20 октября 2007 г.).- Барнаул, 2007. - С. 113-114.

24. Голубев, В.А. Сжигание водоугольного топлива в вихревых топочных устройствах. Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии / В.А. Голубев, Е.Б. Жуков, К.С. Афанасьев // Тезисы докладов Всерос. школы-семинара молодых ученых. - Новосибирск, 2007. - С. 57-58.

25. Пузырёв, Е.М. Технология сжигания кородревесных отходов и низкосортного угля в НТВ-топках энергетических котлов. Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2008) / Е.М. Пузырёв, В.А. Голубев, М.Е. Пузырёв, Е.Б. Жуков // Материалы Всерос. научно-практич. конф. с междунар. участием. - Барнаул, 2008.-С. 296-301.

26. Жуков, Е.Б. Сжигание низкосортного топлива в вихревых топочных устройствах. Горение твердого топлива / Е.Б. Жуков, К.С. Афанасьев, В.А. Голубев, Е.М. Пузырёв // Сб. докл. VII конф. - Новосибирск, 2009. - С. 51-53.

27. Пузырёв, Е.М. Применение вихревых топок "Торнадо" для перевода котлов на использование растительных и кородревесных отходов / Е.М. Пузырёв, К.С. Афанасьев, В.А. Голубев и др.// Сборник докладов V научно-практической конференции "Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы". (Челябинск, 7-9 июня 2011 г.). - Челябинск,- 2011. - С. 236-248.

28. Голубев, В.А. Установка по получению аморфного оксида кремния на основе контролируемого пиролиза. Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы / В.А. Голубев, Е.М. Пузырёв, A.B. Лаптов, М.Е. Пузырёв // V научно-пркт. конф. - Челябинск, 2011. - С. 193-203.

29. Афанасьев, К.С. Применение вихревых топок «Торнадо» для утилизации углесодер-жащих и древесных отходов/ К.С. Афанасьев, В.А. Голубев, М.Е. Пузырёв и др.// VII всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике: сборник докладов. (Кемерово, 14-16 сентября 2011 г.). - Кемерово, 2011.

30. Голубев, В.А. Использование вихревых топок «Торнадо» в паровых котлах. Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы / В.А. Голубев, Е.М. Пузырёв, М.Е. Пузырёв // Сб. докладов V научно-практ. конф. ( Челябинск, 7-9 июня 2011 г.). - Челябинск, 2011. - С. 107-116.

31. Голубев, В.А. Оценка доли зеленой энергии при сжигании биомассы в вихревых топках/ В.А. Голубев, Е.М. Пузырёв, М.Е. Пузырёв // VIII Всеросс. Конфер. «Горение твердого топлива». - Новосибирск, 2012. - С.34.1-34.6.

32. Голубев, В.А. Применение математического моделирования при разработке вихревых топок «Торнадо» и переводе энергетических котлов на совместное сжигание низкосортных топлив / В.А. Голубев, К.С.Афанасьев, A.B. Гиль, Е.М. Пузырёв, М.Е. Пузырёв, B.II. Мурко // VIII Всеросс. Конфер. «Теплофизика и энергетика». - Екатеринбург, 2013.-С. 195-201.

Подписано в печать 23.04.2014. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл.п.л. 0,93 Тираж 100 экз. Заказ 2014 - 238 Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. тел. (8-3852) 29-09-48 Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД № 28-35 от 15.07.97 г.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Голубев, Вадим Алексеевич, Барнаул

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Голубев Вадим Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

05.14.14 - тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., доцент Пузырёв Е.М. Научный консультант: д.т.н., профессор Сеначин П.К.

им. И.И.ПОЛЗУНОВА

На правах рукописи

04201460035

УДК 621.182.9

Барнаул 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ КАК ТОПЛИВА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ.............................13

1.1 Роль растительных отходов на примере Алтайского края...........................13

1.2 Автогенное горение..........................................................................................15

1.3Экология и проблемы сжигания растительных отходов..............................16

1.4Влажные древесные отходы............................................................................18

1 ^Характеристика гидролизного лигнина..........................................................20

1.6Экспериментальное исследование характеристик лигнина.........................24

1.7Анализ влияния влажности..............................................................................28

1.8Парусность и скорость витания частиц..........................................................31

1.9Усадочные явления...........................................................................................32

1.10 Опытное определение и применение кривых сушки..............................34

1.11 Исследование процессов на дериватографе.............................................35

1.12 Исследования термического разложения древесины..............................39

1.13 Исследование кинетики реакций разложения КДО.................................42

1.14 Предложения по энергетическому использованию КДО........................49

Выводы к главе 1....................................................................................................53

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КДО В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛАХ.........................55

2.1 Использование КДО в СЦКК...........................................................................55

2.20ценка эффекта и способов использования КДО.........................................58

2.3 Совместное сжигание угля и биомассы (обзор)............................................59

2.4Технологическая схема ТЭЦ СЦКК................................................................65

2.5 Формулировка задачи и методы моделирования..........................................68

2.6Математическое моделирование и анализ.....................................................82

Выводы к главе 2....................................................................................................87

3. РАЗВИТИЕ СХЕМЫ РЕКОНСТРУКЦИИ КОТЛОВ.......................................88

3.1 Сжигание местных низкосортных топлив......................................................88

3.2Энергетическое использование КДО на типовой ТЭЦ.................................89

3.3Выбор источника тепла....................................................................................91

3.4Расчет процессов сушки КДО..........................................................................92

3.5Работа технологической схемы и условия сушки.........................................93

З.бУсловия пневмотранспорта..............................................................................94

3.7Дожигатели шлака............................................................................................95

3.8Результаты применения совместного сжигания КДО и угля.......................96

3.90пределение доли КДО при совместном сжигании....................................103

Выводы к главе 3..................................................................................................106

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО ИЗ БИОМАССЫ........................................107

4.1 Использование энергетического биотоплива...............................................107

4.2Сушильная камера, схема работы.................................................................108

4.3Методика расчета аэродинамики и сопротивления.....................................110

4.4Теплообмен между газом и взвешенными частицами................................115

4.5Исходные данные и условия тепло- и масообмена.....................................116

4.6Проведение и анализ расчетов.......................................................................119

4.7Балансовый расчет установки........................................................................120

4.8Сушильная установка.....................................................................................123

4.9Конструкция и характеристика вихревых топок «Торнадо»......................124

4.10 Разработка теплогенератора.....................................................................125

4.11 Технологическая схема сушки лигнина..................................................129

4.12 Работа и регулирование установки..........................................................130

4.13 Работа комплекса брикетирвания............................................................136

Выводы к главе 4..................................................................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................143

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................145

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.............................................................................157

Приложение №1....................................................................................................158

Приложение №2....................................................................................................159

Приложение №3....................................................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Развитие общества сегодня характеризуется глобализацией и острыми кризисными ситуациями, вызываемыми во многом проблемами энергетики и экологии. Повсеместно в России проблемы энергообеспечения жизненно важны, возрастает спрос на энергоносители, причем запасы традиционных топлив весьма ограничены, неуклонно дорожают, и одновременно жизнедеятельность сопровождается производством отходов: древесных, сельскохозяйственных, лигнина, твердых бытовых, осадков сточных вод и др., горы которых быстро растут и представляют серьёзную угрозу нашего времени.

Энергетика - это основа экономики, поэтому концепции [1, 2] вовлечения в топливный баланс многочисленных крупнотоннажных потоков горючих отходов становятся все более актуальными. Например, в лесопильном производстве почти 50% древесины превращается в отходы, а при её глубокой переработке еще около 50% пиломатериала переходит в отходы. В сельском хозяйстве также выделяется значительное количество растительных отходов. Суммарное годовое количество отходов сельского хозяйства достигает 200-250 млн.куб.м. [3]. Доля отходов по отношению к массе урожая составляют: пшеница - 175%, кукуруза - 120%, рис -180%, соевые бобы - 260%, хлопок - 300% [4, 5]. Среди промышленных отходов можно указать продукт переработки древесины - гидролизный лигнин (в отвалах его содержится около 100 млн. м3).

Зачастую эти отходы достаточно качественны и пригодны для прямого сжигания и местного использования в энергетике. При низком качестве они могут быть сырьём для приготовления пеллет, брикетов и других видов качественного, транспортабельного и экологически безопасного биотоплива для энергетики.

Биомасса является возобновляемым источником энергии, С02 нейтральным - при сгорании выделяет то же количество углекислого газа, которое поглотилось из атмосферы во время её роста. Выбросы при огневой утилизации биомассы малы, дают минимум 1ЧОх и не учитываются в формировании общей величины парникового эффекта, а при естественном разложении биомассы выделяется метан СН4, имеющий в 21 раз больший парниковый эффект, чем СОг.

Из других загрязнителей Ы02 имеет парниковый эквивалент по С02310, а эквивалент гексафторида серы (8Р6) составляет 21900. В России основная масса парниковых выбросов представлена ССЬ в пределах 98%, и выделяется преимущественно при сжигании топлива. Хранение отходов на специальных полигонах вызывает выделение метана СН4 и связано с дополнительными расходами на уплату экологических штрафов, ликвидацию пожаров, с отсутствием свободных площадей (остановка производства при перегруженности отвала).

Лидерами энергетического использования древесииы является Финляндия (23% энергетического баланса) и Швеция (доля биотоплива в энергетическом балансе страны составляет 18%), при этом до 70% тепловой энергии вырабатывается ТЭЦ на древесных отходах. Их мощность достигает 375МВт. Имеются сотни котельных, работающих на щепе. В ряде стран (Швеция, Италия, ФРГ, Аргентина и др.) созданы специальные энергетические плантации быстрорастущих пород древесины на землях, не пригодных для сельского хозяйства [5-7]. Плантации ивы в Швеции на заболоченных землях дают 25 т древесины с 1 га в год. Сбор древесины осуществляется через 2 года специальными комбайнами зимой. С 1 млн. га получается 15 млн. т древесины в виде сухого древесного топлива, что эквивалентно 20% энергии, необходимой для этой страны.

На наш взгляд, в России наиболее эффективно использование в энергетике древесных и растительных отходов, как местного топлива [5, 6] с применением их по месту образования на перерабатывающих производствах, что экономично, без транспортных расходов. Наиболее доступными, массовыми и перспективными для использования в энергетике здесь являются такие отходы [8, 9]:

- сырые древесные отходы: опилки, щепа, корье, в том числе запасы многолетней давности, лигнин гидролизного производства;

- сухие древесные отходы от глубокой переработки древесины, включая пыль шлифования с клеевыми массами и отходы мебельного производства;

- отходы переработки сельскохозяйственной продукции, прежде всего лузга: подсолнечная, гречневая, рисовая, овсяная.

Отметим, что сейчас в России масштабы переработки древесины и сельскохозяйственных растений достигли таких размеров, что КДО и растительные отходы создали существенные проблемы как из-за повсеместного распространения несанкционированных отвалов отходов, так и из-за проблем с их утилизацией.

Степень разработанности выявленной проблемы мала. Возникает противоречие: с одной стороны, имеется большое количество отходов, представляющих собой биомассу - экологически эффективный, возобновляемый, С02 нейтральный, с минимальным количеством вредных выбросов (на уровне природного газа) источник энергии. С другой стороны, имеется большое разнообразие видов отходов этого типа, слабая изученность их теплофизических свойств и теплотехнических характеристик. Проблема заключается в трудности их транспортирования, в отсутствии, непригодности морально и физически устаревшего оборудования для их огневой утилизации. Требуется разработать и научно обосновать на основе изучения свойств и характеристик этих отходов технологии и оборудование, которое позволит расширить топливную базу энергетики, утилизировать отходы, и этим высвободить занятые ими площади, уменьшить их экологическое давление, снизить эксплуатационные расходы предприятий [5, 6, 8-10].

Сейчас в России для сжигания КДО установлено большое количество котельных агрегатов устаревших типов. Котлы имеют топки со свободно-залегающим слоем, с наклонной или механической колосниковой решеткой, топки скоростного горения системы В.В. Померанцева с «зажатым» слоем [8, 9, 11, 12]. Эти топки позиционируются как типовые, «универсальные», но для каждого типа отходов необходима разработка специального топочного устройства с учетом его специфических характеристик. Причем это справедливо и для топочных устройств нового типа, например, с низкотемпературным и высокотемпературным кипящим слоем.

Применение в энергетике КДО, лигнина и других альтернативных топлив затруднено отсутствием их данных в нормативной базе [13], недостаточной изученностью свойств [14-17], сложностью их поведения в топочных процессах [15, 18-21] и необходимостью разработки [22-26] специального оборудования. Напри-

мер, из-за большой парусности [27] пыль шлифования, опилки, лузга и частицы кокса отходов мельче 5мм легко подхватываются дымовыми газами и уносятся из топок, вызывая потери тепла от механического недожога. Лигнин, корьевые и другие отходы зачастую имеют повышенную влажность, низкую теплоту сгорания, широкий диапазон гранулометрического состава и непригодны для прямого сжигания, а требуют переработки в качественные виды топлива.

Специфические свойства отходов, высокие влажность и выход летучих, до 85-90%, делают невозможным применение традиционных схем [11, 12], требуют дополнительных мер по стабилизации топочного процесса. Например, для вовлечения в топливный баланс целлюлозного комбината КДО, характеризующихся широким гранулометрическим составом и значительными изменениями свойств и характеристик, требуется разработка не только собственно методов сжигания, но и технологической схемы в целом, включая подготовку и подачу топлива. Здесь важна возможность малозатратной модернизации типовых энергетических котлов с заменой значительной доли качественного топлива, до50%, на КДО путем разработки и установки высокоэффективных топочных устройств.

Еще в большей степени обоснование технологических схем и разработка требуемого набора оборудования необходимы при создании производства качественных видов энергетического биотоплива из КДО, лигнина и подобных ему отходов, не пригодных для эффективного прямого сжигания.

Для достижения этих целей решались следующие задачи.

- Анализ и экспериментальное исследование теплофизических свойств и кинетики термических превращений КДО и гидролизного лигнина в условиях, ха-

рактерных для топочных процессов и процессов переработки биомассы в энергетическое топливо.

Научная новизна (положения, выносимые на защиту).

- Обоснован (численным моделированием по коду РИ^Е-ЗО) и запатентован способ прямого вихревого сжигания на ТЭЦ совместно с углем многотоннажных потоков КДО с использованием типовых энергетических котлоагрегатов (на примере котлов БКЗ-75, включая малозатратные схемы реконструкции топки).

Теоретическая и практическая значимость работы в том, что:

- результаты экспериментального исследования свойств и характера поведения древесных отходов и лигнина в условиях интенсивного термического воздей-

ствия могут быть применены при реконструкции и создании нового энергетического оборудования, использующего КДО и растительные отходы;

- научно обоснованы двух ступенчатая пневматическая система сушки и система складирования КДО, дополняющие схему вихревого сжигания, которые позволяют при реконструкции типовых котлов, в отличие от 3-5% для зарубежных схем, вовлечь в тепловой баланс ТЭЦ до 40% КДО;

- внедрение новых запатентованных агрегатов и технологических схем сушки

и брикетирования высоковлажных растительных отходов позволяет унифицировать их свойства с получением энергетическо