Технология сжигания древесных отходов с применением многократной циркуляции топлива тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ТЕХНОЛОГИЯ СЖИГАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МНОГОКРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ

ТОПЛИВА

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 2005

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова

Научный руководители: кандидат технических наук, профессор

Фурсов Иван Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сеначин Павел Кондратьевич;

кандидат технических наук Кириченко Александр Федорович

Ведущая организация: ЗАО «Сибтепломонтаж» (г. Новосибирск)

Защита состоится 29 декабря 2005 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038,г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. тел. (3852) 36-85-38, 36-84-62.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 28 ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.004.03, д.т.н., профессор

$¿993.

^ Общая характеристика работы

Актуальность работы. Древесная растительность всегда играла значительную роль на Земле как аккумулятор солнечной энергии, поглотитель С02 из атмосферы и генератор кислорода. До середины XIX века дерево было основным видом топлива, и только бурное развитие производств привело к широкому использованию других ископаемых топлив. Однако потребление древесины продолжало увеличиваться за счет её использования в качестве «деловой». Масштабы потребления деловой древесины достигли таких размеров, что отходы при её производстве создали проблему их утилизации.

Наиболее эффективно происходит утилизация древесных отходов при использовании их в качестве топлива для отопительных и производственных котельных. При росте цен на ископаемые топлива, древесные отходы становятся альтернативным топливом, снижающим расходы на производство тепловой энергии. К тому же это возобновляемый источник энергии, при производстве которой происходит минимальное воздействие на атмосферу.

Для сжигания древесных отходов существует большое количество котельных агрегатов: от котлов с топками со свободно-залегающим слоем и наклонной колосниковой решеткой до топок с низкотемпературным кипящим слоем, высокотемпературным кипящим слоем (ВЦКС), вихревых топочных устройств и топок скоростного горения ЦКТИ системы В.В. Померанцева с «зажатым» слоем.

Однако при нагрузках, близких к номинальным, в большинстве существующих схем утилизации древесных отходов наблюдается значительный вынос частиц топлива из зоны горения. Вследствие большой парусности и малого удельного веса частицы древесного кокса с размерами 5 мм и меньше легко подхватываются дымовыми газами и уносятся за пределы котельных агрегатов. Этот унос угольных частиц приводит, во-первых, к потерям тепла от механической неполноты сгорания и, во-вторых, коксовые частицы загрязняют окружающие территории.

Данная работа посвящена анализу причин выноса топлива за пределы котельного агрегата и разработке рекомендаций по снижению выноса при сжигании древесных отходов.

Известно, что эффективное выгорание топлива обеспечивается при условии, что время пребывания частицы топлива в топочной камере больше, либо равно времени выгорания частицы. Для создания оптимального топочного устройства необходимо реализовать два основных условия:

• Увеличение времени пребывания частицы в топочной камере;

• Уменьшение времени выгорания

¡частицы.-.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА I

' * I» т

Существующие на данный момент технологии сжигания древесных отходов имеют целый ряд недостатков, не позволяющих полностью использовать заложенную в них энергию. Применение в энергетике альтернативных видов топлив затруднено недостаточной изученностью свойств этих топлив и их поведения в топочных процессах.

Целью данной работы является разработка оптимальной технологии сжигания древесных отходов, повышающей эффективность использования топлива, и разработка рекомендаций по проектированию топочных устройств для сжигания древесных отходов.

Для достижения указанной цели решаются задачи:

• исследование физико-химических и кинетических свойств древесных отходов, направленное, прежде всего, на изучение и анализ недостаточно изученных свойств данного вида топлива, необходимых для расчетного анализа процессов горения и для расчетов топочных устройств;

• исследование аэродинамики и сепарационной способности вихревой топочной камеры;

Научная новизна работы: исследовано поведение различных видов древесных отходов в процессе сушки, термического разложения и горения на специально созданной лабораторной установке. Выполнены расчетные и стендовые модельные исследования аэродинамики топки и движения древесных частиц в вихревой топочной камере. Выполнен теоретический анализ работы вихревой топочной камеры, исследованы инерционная и фильтрационная сепарация топки.

Практическая ценность работы: разработаны рекомендации по конструированию и расчету топочного устройства для сжигания древесного топлива. Результаты исследований данной диссертационной работы используются при проектировании топочных камер и вспомогательного оборудования котлов, работающих на древесных отходах.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в [3,4,6-8,11-13,46], докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова в 2001-2004 гг. (г. Барнаул), на III семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности Сибири», на региональных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых НТИ-2002, НТИ-2003 «Наука, Техника, Инновации» в 2002 и 2003 гг (г.Новосибирск).

Разработанные в диссертации методические положения по расчету сепарационной способности вихревой топочной камеры используются конструкторским бюро ЗАО «Сибтепломонтаж» и ЗАО «Новосибирский

котельный завод» при проектировании вихревых котлов нового поколения, использующих древесные отходы. Результаты исследований свойств древесного топлива, полученные в данной работе, могут быть использованы для анализа котельно-топочных процессов при сушке, термическом разложении и горении древесных отходов.

Публикации. По материалам диссертации и результатам проведенных исследований автором опубликовано 12 статей и запатентовано 3 полезные модели.

Диссертационная работа выполнена на стендах по исследованию процессов горения топлив лаборатории топочных процессов и на аэродинамическом стенде вихревой топочной камеры лаборатории кафедры Котло и реакторостроения АлтГТУ им. И.И.Ползунова.

Диссертация выполнена на основе работ д.т.н. Шершнева A.A., д.т.н. Померанцева В.В. по применению многократной циркуляции топлива в топочных устройствах. Использовались работы д.т.н. Рундыгина Ю.А., д.т.н. Шестакова С.М. по исследованию свойств и процессов горения древесных отходов. Большую и всестороннюю помощь, и консультации при разработке и написанию диссертации оказал доц. кафедры КиРС АлтГТУ Симанов В.И. В разработке топочного устройства с многократной циркуляцией частиц топлива использовался опыт широкого применения на электростанциях инерционных сепараторов пыли.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации 175 страниц. Работа содержит 119 рисунков, 17 таблиц, 5 страниц списка литературы, включающего 55 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована её цель и определены основные задачи исследования. Отражены научная новизна полученных результатов, их практическая ценность и апробация.

В первом разделе рассматривается использование древесных отходов в малой энергетике в качестве альтернативного топлива, с учетом их рациональной и экономичной утилизации.

За последние годы в Российской Федерации возрос интерес к использованию в малой энергетике нетрадиционных топлив - древесных отходов, отходов сельхозпроизводства, иловых осадков и прочей биомассы. Использование в энергетике альтернативных видов топлив затруднено недостаточной изученностью свойств этих топлив и их поведения в топочных процессах.

В большинстве европейских стран реализовываются программы по переводу энергетики на использование альтернативных видов топлив. Наиболее актуальным в данном аспекте видится использование

биотоплив, и в частности древесины, как основного вида возобновляемых энергетических источников. Его использование позволяет снизить экологически вредные выбросы процесса сжигания, так как выделяющийся при сгорании древесного топлива углекислый газ повторно используется в процессе прироста биомассы. Одной из важнейших задач развития энергетики России также, является частичная замена ископаемого топлива на возобновляемые биотоплива, что в свете Киотского протокола и квот на выбросы углекислого газа выглядит весьма целесообразным.

В связи с увеличением цен на энергоносители многие предприятия и отопительные котельные всё больше отдают предпочтение более дешёвым видам топлива, использование которых не потребует больших капитальных затрат на их разработку и транспортировку и позволит максимально выгодно и рационально использовать имеющиеся у них в распоряжении топливные ресурсы.

Лесные отходы являются наиболее легкодоступным, не требующим больших затрат на добычу и на специальные технические разработки источником энергии. Известно, что от 20 до 50% леса, поступающего на лесопилки, теряется в виде опилок, обрезков и коры, которые могут быть использованы в качестве топлива. Сжигание их в котлах сможет обеспечить серьезную экономию средств для предприятий лесозаготовительной отрасли. Кроме того, древесные отходы могут быть получены при экологическом прореживании лесов для улучшения лесостоя.

Существует большое разнообразие видов отходов древесины, соответственно различаются и свойства этих отходов. Виды и масса отходов в Алтайском крае по данным комитета по природопользованию и их теплота сгорания по нашим данным представлены в таблице 1.

Таблица 1

Вид древесных отходов Масса, т/год Теплота сгорания, МДж/кг

Опилки 39295 15,5

Кора 134450 8,8

Отходы распила 3377 10,5

Отходы тары 5354 10,5

Сучья 184243 8,4

Малоценовая древесина (валежник, обломки) 101334 8,4

Пни 183720 9,6

Обрезки фанеры, шпона 5509 11,7

Сумма 657082 <У,со= Ю,55

Энергетический потенциал древесных отходов Алтайского края:

Э = £В, •(}[ = 657082000-10,55=6932215100 МДж/год.

При теплоте сгорания ввозимого в край угля 22,8 МДж/кг, древесные отходы могут заменить:

Э 6932215100 „„„„^ = —-= .. . = 304045т/год.

угля

угля

22,8-1000

Стоимость угля с учетом перевозки достигает в некоторых районах 1000 руб/т. Тогда стоимость угля, заменяемая древесными отходами, только по Алтайскому краю составит около 300 млн.руб/год.

В разделе произведен критический обзор существующих свойств древесных отходов представленных в литературе.

Древесные отходы можно отнести к экологически чистым видам топлива, минимально загрязняющим окружающую среду. В древесном топливе практически отсутствует сера, и содержание азота не превышает 1% от массы, то есть при сжигании древесины низка эмиссия окислов азота и серы. Даже при достаточно высокой влажности (порядка 57%) древесина является вполне конкурентоспособным топливом, практически не уступающим по теплоте сгорания торфу или сланцам (Ог, берез = 12304 кДж/кг). По другим свойствам - зольности (Аг=0,5-Ч ,5%), содержанию серы (8Г=0,155%) и т.п - древесина является лучшим из всех видов твёрдых топлив. Сжигание древесных отходов, не оказывает существенного влияния на экологическую обстановку, так как в этом случае имеют место очень низкие выбросы окислов серы, азота, фурановых соединений и диоксинов. с,%

100

200

300

400

500

600

700 1 „с 800

Рисунок 1 - Состав газов при термическом разложении березы.

Решить проблему организации устойчивого топочного процесса для альтернативных топлив без инициирующего зажигания при помощи мазутной или газовой горелки поможет более глубокий анализ физико-химических свойств данного топлива.

Во втором разделе приведены результаты исследований процессов сушки, термического разложения и горения древесных отходов.

При использовании древесных отходов в качестве топлива большое значение имеет их состав (см. таблицу 2), так как характеристика этих отходов определяет необходимую степень их подготовки к сжиганию, сложность топочного оборудования и систем очистки дымовых газов. Несмотря на то, что древесные отходы являются легкодоступным источником энергии, использование их на практике в качестве энергетического топлива связано с рядом существенных проблем. И одна из них - это высокая влажность, порой достигающая 57 % и выше.

Таблица 2 - Топливные характеристики древесной щепы.

Древесная шепа Для разных пород

Бук Сосна Ель

Углерод С,% 50 49.3 51 50.9

Водород Н,% 6.2 58 6 1 58

Кислород о,% 43 43 9 42 3 41.3

Азот н% 03 0.22 0.1 039

Сера Б, % 0.05 0 04 0 02 0.06

Хлор С1, % 0.02 0 01 0.01 0 03

Зола А, % 1 07 0.5 1.5

Летучие вещества V,0/» 81 83.8 81.8 80

Теплота сгорания <3, МДж/кг 19.4 18 7 19.4 19.7

Типичная влажность )У,% 35-45

Теплота сгорания (3, МДж/кг 9.7-11 7

В данном разделе описаны проведенные автором работы по исследованию физико-химических и кинетических свойств древесных отходов направленных, прежде всего, на изучение и анализ недостаточно изученных свойств данного вида топлива.

Имея предварительное описание процессов происходящих в исследуемом топливе [2, 4], был разработан экспериментальный комплекс (рис.2) для исследования кинетических характеристик древесных отходов в процессах сушки, разложения и горения.

На экспериментальной установке выполнено исследование поведения различных видов древесного топлива в процессе горения, сушки и термического разложения. Данная установка (рис. 3) позволяла фиксировать массу частицы, температуру внутри частицы и на её поверхности, динамику сушки, выхода летучих, выгорания древесных отходов. Получены графические зависимости изменения массы горящей частицы от времени пребывания её в зоне высоких температур (рис. 5) и скорости выгорания, дифференцированные по времени, при различных температурах нагревания.

Термопара;

Рисунок 3 - Экспериментальная установка для исследования процессов горения частиц древесного топлива с применением ЭВМ и платы АЦП.

В широких сериях опытов установлена зависимость выхода летучих древесных опилок (рис. 7, 8) и древесной коры (рис.6) от температуры разложения, определена температура максимального выхода летучих. Выявлена зависимость выхода летучих от температуры бертенирования. По опытным данным построен график корреляции теплоты сгорания каждой аналитической пробы от температуры бертенирования древесных отходов.

Результаты эксперимента по выходу летучих для проб древесных опилок при разных температурах бертенирования и определению их теплоты сгорания представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 - График зависимости теплоты сгорания древесных отходов (сосновых опилок) от температуры бертенирования.

При интенсифицированной сушке и пиролизе древесины, происходит деформация углеродного скелета. Возникает большое количество центров повреждений молекулярной решетки углерода, которые и являются активными центрами реагирования.

Процесс горения любого топлива может быть разделен на три фазы: нагревание и высушивание топлива; термическое разрушение и выделение летучих компонентов; непосредственное горение летучих, а затем и коксового остатка. Однако едва ли можно разделить эти фазы во времени или пространстве, так как они имеют место более или менее одновременно.

Во время процесса просушивания (рис. 9), прежде всего, испаряется свободная, несвязанная вода. На это расходуется тепло, выделяющееся в процессе горения, и впоследствии это тепло, как правило, больше не может быть использовано как полезная энергия. По этой причине тепловая ценность топлива в большей степени зависит от содержания воды в древесине. Кроме этого, низкую калорийность древесного топлива объясняв? высокое' содержание химически уже связанного кислорода (около 44%).

На рисунке 5 представлен график характеризующий динамику изменения массы частицы березы при термическом разложении. 10

ш, грамм

т, сек

Рисунок 5 - Динамика термического разложения частицы березы при температуре 500°С

I -Верхняя часть ствола; 2-Нижняя часть ствола; 1', Т - - интенсивность выхода

летучих.

Рисунок 6 - Выход летучих сосновой коры В реальных процессах подготовки и сжигания любых видов топлив их свойства непрерывно изменяются. Гранулометрический состав древесных отходов существенно изменяется в процессах сушки и термического разложения за счет усадочных явлений. Изменяются размеры частиц, поверхность реагирования. В процессах сушки и термического разложения непрерывно меняется плотность частиц топлива. В результате вторичных процессов изменяются и кажущиеся кинетические характеристики горения частиц. Для расчетов процессов необходимо знать свойства не только исходного топлива, но и динамику изменения этих свойств в процессах.

Для сокращения времени выгорания частицы топлива, оценены

факторы, влияющие на интенсивность процессов сушки, термического разложения и горения углеродного остатка древесных отходов.

Рисунок 7 - Графическая зависимость выхода летучих древесных опилок в интегральной форме.

Рисунок 8 - Графическая зависимость выхода летучих древесных опилок от температуры в дифференциальной форме

Исходя из более глубокого анализа теплофизических свойств нетрадиционных топлив, можно дать некоторые рекомендации по оптимизации конструкций топочных устройств для сжигания древесного

топлива:

• Невозможно достаточно эффективное применение воздушно-газовой сушки при использовании древесных отходов в качестве топлива. Топочная камера

должна обладать

высокой теплоёмкостью, чтобы обеспечить быструю сушку и термическое разложение древесины. • Часгицы древесного

Рисунок 9 - Динамика сушки частицы берем топлива, как И

притечперагуре печи 500°С древесного кокса,

обладают высокой

парусностью и легко выносятся из топки. Поэтому для достижения более полного выгорания топлива такая топка должна обладать

высокими сепарационными свойствами, обеспечивающими более длительное пребывание частиц в камере горения. В третьем разделе на основании расчетов длительности процессов горения и времени пребывания частиц древесины в существующих топочных камерах сделан вывод о необходимости применения для

сжигания древесных отходов топочных устройств с многократной циркуляцией частиц топлива. Предложен профиль топочной камеры (рис.10), в котором удержание частичек полифракционного топлива, обладающих высокой парусностью и низкой плотностью, основывается на инерционном принципе сепарации.

Математически доказана возможность удержания парусных частиц внутри топочной камеры до их выгорания.

Проведен анализ инерционной сепарации частиц в топочной камере с плоской криволинейной струёй.

Предложена методика расчета предельных размеров сепарируемых частиц золы и топлива. Рассчитаны зависимости эффективности улавливания частиц от радиуса кривизны струи , средней скорости газов , коэффициента тонины опилок и золовых частиц ш, ширины струи Ь и т.д.

Предельный размер сепарируемой из струи частицы равен:

Рисунок 10 - профиль топочной камеры

5 =

(го+Ь-0

1п

1 + -

203■V• р^

■о у

Ь-^.р*

0.

1п

1 + -^- |-203ур*

где 9К - угол поворота струи, = —— относительный радиус струи,

Ь

С, = — - начальное положение частицы, (£о+1-^„) - относительная

ь

толщина слоя сепарации.

Уравнение эффективности сепарации имеет вид:

?0+1

л- J

(Cp+l-Cjb3 в.

1

lnl 1+^-1203-v-pr

wcPi

•f3

So

Эффективность улавливание после интегрирования:

+ D +

2-21 3 31 n nl

Рисунок 11 - Траектория движения частиц опилок: 1-S=50mkm; 2-S=150MKM;

По предложенной методике представлены результаты машинного расчета траекторий движения частиц (рис. 11) в зависимости от различных факторов, влияющих на сепарационные способности топочной камеры.

В четвёртом разделе предложены общие представления необходимые в разработке научных основ технологии вихревого сжигания

древесных отходов.

Из-за необходимости моделирования данных процессов в лабораторных условиях, была создана аэродинамическая модель топочной камеры (рис. 12).

На экспериментальном стенде исследованы аэродинамические свойства предложенного топочного устройства с целью выявления характеристик движения газовых потоков в топке, влияние на движение газовых потоков конструктивных элементов топочной камеры, таких как угол наклона решетки, размеры сопла, размеры выходного окна. Стенд представлял собой профиль топки котла мощностью 1 МВт, выполненный в реальном масштабе 1:1. (искл. ширина - 250 мм) В модели учитывалось соотношение критерия Rer д ля газового потока и Re4 для частицы движущейся в потоке. Часть передней стенки выполнена в виде

съемной застекленной рамы. Модель выполнена из метала. На выходе газов из аэродинамического стенда установлен вихревой золоуловитель, к.п.д. на фракции 10-15мкм. За золоуловителем установлен дымосос. Модель топочного устройства соединена с выходом

Рисунок 12 - Модель топочной камеры

имеющий высокий

вентилятора каналом прямоугольного сечения, который служит измерительным участком для

определения расхода воздуха (рис. 13).

На изотермической воздушной модели методом визуализации вихревых потоков и течений, исследовалась аэродинамика топочного устройства с целью отыскания

оптимальной конфигурации стенок и скоростей.

Модель топочной камеры имела достаточно высокую эффективность улавливания при небольшом аэродинамическом сопротивлении (рис. 14).

Рисунок 13 - Экспериментальный стенд топочной камепы.

1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

5, мкм

Рисунок 14 - Фракционный к.п.д топочной камеры.

Более точную картину сепарационной способности вихревой топочной камеры дала серия экспериментов по определению уноса из модели топки при разном количестве оборотов вихря. Скорость вращения вихря составляла 2 оборота в секунду. После каждого промежутка времени: 1 сек., 5 сек., 10 сек., 15 сек., 20 сек. вылетевшие из модели опилки подвергались рассевке (рис.15).

о/ID -¡л jBMTe it

!

loos uoo ::co 1300

S, mkm

Рисунок 15 - Интегральные кривые распределения опилок до и после каждого

опыта.

На основе полученных экспериментальных данных

оптимизирован геометрический профиль топочной камеры, определено рациональное

расположение сопел первичного и вторичного дутья.

Как показывают

математические расчеты, и результаты эксперимента

предложенный профиль топочной камеры с реализованным в нем принципом инерционной сепарации не обеспечивает улавливание особо мелкой 5<100мкм фракции топлива. Для повышения к.п.д. котлоагрегата необходимо удержание и более мелких частиц древесного кокса внутри топочной камеры до их выгорания.

В соавторстве с доцентом кафедры КиРС АлтГТУ Симановым В.И. предложен универсальный профиль топочный камеры, габаритные размеры которого можно менять в зависимости от требуемой мощности котельного агрегата и вида используемого топлива. Топочная камера 16

Рисунок 16 - Упрощенная схема циркуляционного контура топочной камеры при стационарном режиме

конструктивно просто вписывается в профиль котла, не увеличивая его габаритов и соответственно не увеличивая общую стоимость котельного агрегата. Подобный котлоагрегат не сложен в изготовлении, и в достаточной степени прост в эксплуатации.

Заключение

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Оценена эффективность использования в малой энергетике древесных отходов как альтернативного топлива на примере Алтайского края. Энергетический потенциал древесных отходов Алтайского края составляет приблизительно 6932215100 МДж/год, что эквивалентно 304045 тоннам угля. Экономический эффект может составить 300 млн.руб./год.

2. Проведено экспериментальное исследование процессов горения древесного топлива, изучено его поведение на всех стадиях процесса. Исследованы теплофизические свойства древесины, необходимые для расчетного анализа процессов горения и для расчетов топочных устройств. Пик выхода летучих для большинства древесных топлив приходится на 350-370°С. Оценена зависимость времени прогрева частицы, выхода летучих и выгорание коксового остатка от температуры, и фракционного состава топлива.

3. Проведено исследование внутренней структуры коксовых частиц древесины после пиролиза. Доказана высокая активность коксовых частиц йодным методом (до 60%), т.е. внутренняя поверхность частиц достигает 400—500 м2/гр. При горении мелких коксовых частиц (<1-10"3м) в кинетической и промежуточной областях реагирования в горении участвует и внутренняя поверхность кокса, поэтому изменяются не только наружные размеры, но и кажущуюся плотность частиц кокса, что влияет на эффективность сепарации в топке.

4. На основании расчетов длительности процессов горения и времени пребывания частиц древесины в существующих топочных камерах сделан вывод о необходимости применения для сжигания древесных отходов топочных устройств с многократной циркуляцией частиц топлива.

5. Выполнен теоретический анализ эффективности применения инерционной и фильтрационной сепарации частиц древесины и кокса в топке. Получены критериальные уравнения движения и сепарации частиц топлива, зависимость коэффициента сопротивления от числа Ле. Предложена методика расчета предельных размеров сепарируемых частиц золы и топлива.

6. Проведены экспериментальные исследования инерционной сепарации на аэродинамической модели. Результаты экспериментов

имеют хорошую сходимость с результатами машинных расчетов, полученных по предложенной методике. Топочная камера обеспечивает улавливание частиц кокса 5<200мкм. Получены фракционные к.п.д. топки при разных режимах работы топочной камеры.

7. Предложена технология организации топочного процесса и разработаны рекомендации по конструированию топочных устройств для сжигания древесных отходов с многократной циркуляцией топлива.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Иващенко И.П., Жуков Е.Б., Симанов В.И., Фурсов И.Д. Исследование процессов новых технологий сжигания органических топлив// Материалы межвузовской научно-практической конференции «Проблемы качества в XXI веке»/ АлтГТУ - Барнаул, 2001г.

2. Жуков Е.Б., Симанов В.И., Фурсов И.Д. Разработка котлов малой мощности нового поколения на твердых топливах// Материалы докладов региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. «Наука, Техника, Инновации» в 5 частях. Новосибирск, издательство НГТУ 2002 (часть 2, 222стр.), с.180.

3. Жуков Е Б., Фурсов И.Д., Использование альтернативных видов топлив в малой энергетике. /http:|//edu/secna.ro/mam/review/TopH30HTbi образования. 2003. в.5/ Юбилейная 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава, посвящённая 60-летию АлтГТУ. Часть 10. Энергетический факультет.

4. Жуков Е.Б., Симанов В.И., Фурсов И.Д., Голубев В.А. Исследование свойств и процессов горения нетрадиционных топлив// Материалы III семинара вузов Сибири и Дальнего Востока по тепло физике и теплоэнергетике / Алт.гос.тех.ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2003.

5. Жуков Е.Б., Капустин А.П., Кац И.С., Терехов Е.В. Исследование теплофизических свойств нетрадиционных топлив// Материалы Всероссийской научно - практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности» /Алт.гос.тех.ун-т им.И.И Ползунова.-Барнаул: Изд-во АлтГТУ,2003.-229с.

6. Жуков Е.Б. Исследование свойств и процессов горения нетрадиционных топлив// Материалы докладов региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых НТИ-2003. «Наука, Техника, Инновации» в 5 частях. Новосибирск, издательство НГТУ 2003 (часть 6, стр.77), с.133.

7. Жуков Е.Б., Симанов В.И. Создание топочного устройства, позволяющего использовать альтернативные виды топлив в малой энергетике// Заявка на соискание гранта ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ АСПИРАНТОВ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ по направлению Энергетика и электротехника. Барнаул - 2003г. 15с.

8. В.АГолубев, Е.Б. Жуков, В.И Симанов, И.Д Фурсов, И.С Кац, Е.В. Терехов. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВ «АЛТАЙСКОГО КРАЯ» В МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ// Сборник статей Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности Сибири».

9. Жуков Е.Б. Альтернативные виды топлив в малой энергетике и разработка нового топочного устройства, позволяющего использовать их. //Материалы Всероссийской научно - практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности» /Алт.гос.тех.ун-т им. И.И. Ползунова.-Барнаул: Изд-во АлтГТУ,2003.-229с.

10. Жуков Е.Б., Дьяконова A.B. Решение больших проблем малой энергетики./ Специализированный журнал для технических специалистов «Оборудование. Регион» №10, Новосибирск, 2005.

I 0 4 1

11. Жуков Е.Б. Модернизация котельных ЖКХ/ Специализированный журнал для технических специалистов «Оборудование. Регион» №11, Новосибирск, 2005.

12. Жуков Е.Б., Симанов В.И., Фурсов И.Д., Голубев В А. Технология сжигания древесных отходов в малой энергетике./ «Ползуновский альманах» Алт.гос.тех.ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005.

РНБ Русский фонд

2006-4 28992

Подписано в печать 26.11.2005 г. Формат 60><84 1/16 Печать - ризография. Усл.п.л. 1,16 Тираж 80 экз. Заказ 2005 - 128

Отпечатано в типографии АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД № 28-35 от 15.07.1997 г.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ХАРАКТЕРИСТИКА ДРЕВЕСИНЫ КАК ТОПЛИВА.

1.1 Виды древесины и древесных отходов.

1.2 Энергетический потенциал древесных отходов.

1.2.1 Химические состав и свойства древесины.

1.2.2 Зависимость теплоты сгорания древесных отходов от влажности.

1.2.3 Термическое разложение древесных отходов.

1.2.4 Физические свойства.

1.2.5 Парусность и скорость витания частиц.

1.2.6 Плотность древесных отходов.

1.2.7 Усадочные явления.

1.2.8 Динамика изменений плотности древесного топлива в процессах сушки и термического разложения.

1.3 Выводы к разделу 1.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ, ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ, ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ.

2.1 Недостатки в изучении свойств древесного топлива и задачи исследований.

2.2 Анализ процессов происходящих при нагревании древесных отходов.

2.3 Исследование процессов сушки древесных отходов.

2.3.1 Кинетика сушки.

2.3.2 Усадка и изменение плотности при сушке.

2.3.3 Экспериментальное исследование кинетики сушки.

2.4 Исследования процессов термического разложения древесных отходов.

2.4.1 Исследование стадийности разложения.

2.4.2 Исследования древесного топлива, основанные на термических методах анализа.

2.4.3 Бертенирование древесных отходов.

2.4.4 Исследование кинетики реакций термического разложения древесины.

2.5 Исследование горения древесного топлива.

2.5.1 Теоретические исследования макрокинетики горения древесного топлива.

2.5.2 Экспериментальное исследование горения частиц древесного топлива.

2.5.3 Динамика выгорания древесного топлива.

2.6 Экспериментальный комплекс для исследования кинетических характеристик древесного топлива в процессах сушки, разложения и горения.

2.7 Выводы в разделу

3 АНАЛИЗ ИНЕРЦИОННОЙ СЕПАРАЦИИ.

3.1 Исходные предпосылки.

3.2 Исследование аэродинамических характеристик частиц древесного топлива.

3.3 Анализ инерционной сепарации вихревой топки.

3.3.1 Обоснование конструкции топочной камеры.

3.3.2 Исходные предпосылки к исследованию аэродинамики топочной камеры.

3.3.3 Методика исследования аэродинамики топочного устройства.

3.3.4 Течение газовых потоков в топочной камере.

3.3.5 Аэродинамическое сопротивление топочной камеры.

3.3.6 Анализ эффективности инерционной сепарации частиц в топочной камере с плоской криволинейной струёй.

3.4 Выводы в разделу 3.

4 СТЕНДОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОДИНАМИКИ ВИХРЕВОЙ

ТОПОЧНОЙ КАМЕРЫ С ИНЕРЦЕОННОЙ СЕПАРАЦИЕЙ.

4.1 Обоснование профиля топочной камеры.

4.2 Экспериментальный стенд.

4.3 Экспериментальные исследования модели топочной камеры.

4.3.1 Методика стендовых испытаний.

4.3.2 Результаты экспериментального исследования эффективной сепарации топочной камеры.

4.3.3 Влияние неизотермичности потока на движение в вихревой камере

4.4 Анализ характеристики контура циркуляции частиц и фильтрационной сепарации топочной камеры.

4.4.1 Теоретический анализ накопления частиц в контуре циркуляции.

4.4.1.1 Анализ нестационарного режима.

4.4.1.2 Анализ стационарного режима.

4.4.2 Система уравнений процессов, сопровождающих выгорание топлива в вихревой топочной камере.

4.4.3 Влияние пограничного слоя на теплообмен в вихревой топочной камере.

4.4.4 Анализ фильтрационной сепарации топочной камеры.

4.5 Выводы в разделу 4.

Актуальность работы. Древесная растительность всегда играла значительную роль на Земле как аккумулятор солнечной энергии, поглотитель С02 из атмосферы и генератор кислорода. До середины XIX века дерево было основным видом топлива, и только бурное развитие производств привело к широкому использованию других ископаемых топлив. Однако потребление древесины продолжало увеличиваться за счет её использования в качестве «деловой». Масштабы потребления деловой древесины достигли таких размеров, что отходы при её производстве создали проблему их утилизации.

Наиболее эффективно происходит утилизация древесных отходов при использовании их в качестве топлива для отопительных и производственных котельных. При росте цен на ископаемые топлива, древесные отходы становятся альтернативным топливом, снижающим расходы на производство тепловой энергии. К тому же это возобновляемый источник энергии, при производстве которой происходит минимальное воздействие на атмосферу.

Для сжигания древесных отходов существует большое количество котельных агрегатов: от котлов с топками со свободно-залегающим слоем и наклонной колосниковой решеткой до топок с низкотемпературным кипящим слоем, высокотемпературным кипящим слоем (ВЦКС), вихревых топочных устройств и топок скоростного горения ЦКТИ системы В.В. Померанцева с «зажатым» слоем.

Однако при нагрузках, близких к номинальным, в большинстве существующих схем утилизации древесных отходов наблюдается значительный вынос частиц топлива из зоны горения. Вследствие большой парусности и малого удельного веса частицы древесного кокса с размерами 5 мм и меньше легко подхватываются дымовыми газами и уносятся за пределы котельных агрегатов. Этот унос угольных частиц приводит, во-первых, к потерям тепла от механической неполноты сгорания и, во-вторых, коксовые частицы загрязняют окружающие территории.

Данная работа посвящена анализу причин выноса топлива за пределы котельного агрегата и разработке рекомендаций по снижению выноса при сжигании древесных отходов.

Известно, что эффективное выгорание топлива обеспечивается при условии, что время пребывания частицы топлива в топочной камере больше, либо равно времени выгорания частицы. Для создания оптимального топочного устройства необходимо реализовать два основных условия:

• Увеличение времени пребывания частицы в топочной камере;

• Уменьшение времени выгорания частицы.

Существующие на данный момент технологии сжигания древесных отходов имеют целый ряд недостатков, не позволяющих полностью использовать заложенную в них энергию. Применение в энергетике альтернативных видов топлив затруднено недостаточной изученностью свойств этих топлив и их поведения в топочных процессах.

Целью данной работы является разработка оптимальной технологии сжигания древесных отходов, повышающей эффективность использования топлива, и разработка рекомендаций по проектированию топочных устройств для сжигания древесных отходов.

Для достижения указанной цели решаются задачи:

• исследование физико-химических и кинетических свойств древесных отходов, направленное, прежде всего, на изучение и анализ недостаточно изученных свойств данного вида топлива, необходимых для расчетного анализа процессов горения и для расчетов топочных устройств;

• исследование аэродинамики и сепарационной способности вихревой топочной камеры;

Научная новизна работы: исследовано поведение различных видов древесных отходов в процессе сушки, термического разложения и горения на специально созданной лабораторной установке. Выполнены расчетные и стендовые модельные исследования аэродинамики топки и движения древесных частиц в вихревой топочной камере. Выполнен теоретический анализ работы вихревой топочной камеры, исследованы инерционная и фильтрационная сепарация топки.

Практическая ценность работы: разработаны рекомендации по конструированию и расчету топочного устройства для сжигания древесного топлива. Результаты исследований данной диссертационной работы используются при проектировании топочных камер и вспомогательного оборудования котлов, работающих на древесных отходах.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в [3,4,6-8,11-13,46], докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова в 2001-2004 гг. (г. Барнаул), на III семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности Сибири», на региональных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых НТИ-2002, НТИ-2003 «Наука, Техника, Инновации» в 2002 и 2003 гг (г.Новосибирск).

Разработанные в диссертации методические положения по расчету сепарационной способности вихревой топочной камеры используются конструкторским бюро ЗАО «Сибтепломонтаж» и ЗАО «Новосибирский котельный завод» при проектировании вихревых котлов нового поколения, использующих древесные отходы.

Результаты исследований свойств древесного топлива, полученные в данной работе, могут быть использованы для анализа котельно-топочных процессов при сушке, термическом разложении и горении древесных отходов.

Публикации. По материалам диссертации и результатам проведенных исследований автором опубликовано 12 статей и запатентовано 3 полезные модели.

Диссертационная работа выполнена на стендах по исследованию процессов горения топлив лаборатории топочных процессов и на аэродинамическом стенде вихревой топочной камеры лаборатории кафедры Котло и реакторостроения АлтГТУ им. И.И.Ползунова.

Диссертация выполнена на основе работ д.т.н. Шершнева А.А., д.т.н. Померанцева В.В. по применению многократной циркуляции топлива в топочных устройствах. Использовались работы д.т.н. Рундыгина Ю.А., д.т.н. Шестакова С.М. по исследованию свойств и процессов горения древесных отходов. Большую и всестороннюю помощь, и консультации при разработке и написанию диссертации оказал доцент кафедры КиРС АлтГТУ Симанов В.И. В разработке топочного устройства с многократной циркуляцией частиц топлива использовался опыт широкого применения на электростанциях инерционных сепараторов пыли.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату технических наук, заведующему кафедрой КиРС Энергетического факультета АлтГТУ, профессору Фурсову Ивану Дмитриевичу, а также доценту кафедры КиРС Симанову Виктору Ивановичу за постоянные консультации в процессе выполнения работы и возможность практического внедрения разработок, и всему коллективу кафедры Котло и реакторостроения Энергетического факультета АлтГТУ.

Специальное спасибо заведующему лабораториями кафедры КиРС АлтГТУ Александру Петровичу Глатких, с его помощью были созданы все научно-исследовательские установки и экспериментальные стенды, используемые в данной диссертационной работе.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Оценена эффективность использования в малой энергетике древесных отходов как альтернативного топлива на примере Алтайского края. Энергетический потенциал древесных отходов Алтайского края составляет приблизительно 6932215100 МДж/год, что эквивалентно 304045 тоннам угля. Экономический эффект может составить 300 млн.руб./год.

2. Проведено экспериментальное исследование процессов горения древесного топлива, изучено его поведение на всех стадиях процесса. Исследованы теплофизические свойства древесины, необходимые для расчетного анализа процессов горения и для расчетов топочных устройств. Пик выхода летучих для большинства древесных топлив приходится на 350-370°С. Оценена зависимость времени прогрева частицы, выхода летучих и выгорание коксового остатка от температуры, и фракционного состава топлива.

3. Проведено исследование внутренней структуры коксовых частиц древесины после пиролиза. Доказана высокая активность коксовых частиц йодным методом (до 60%), т.е. внутренняя поверхность частиц достигает

2 3

400-^-500 м /гр. При горении мелких коксовых частиц (<1-10" м) в кинетической и промежуточной областях реагирования в горении участвует и внутренняя поверхность кокса, поэтому изменяются не только наружные размеры, но и кажущуюся плотность частиц кокса, что влияет на эффективность сепарации в топке.

4. На основании расчетов длительности процессов горения и времени пребывания частиц древесины в существующих топочных камерах сделан вывод о необходимости применения для сжигания древесных отходов топочных устройств с многократной циркуляцией частиц топлива.

5. Выполнен теоретический анализ эффективности применения инерционной и фильтрационной сепарации частиц древесины и кокса в топке. Получены критериальные уравнения движения и сепарации частиц топлива, зависимость коэффициента сопротивления от числа Re. Предложена методика расчета предельных размеров сепарируемых частиц золы и топлива.

6. Проведены экспериментальные исследования инерционной сепарации на аэродинамической модели. Результаты экспериментов имеют хорошую сходимость с результатами машинных расчетов, полученных по предложенной методике. Топочная камера обеспечивает улавливание частиц кокса 8<200мкм. Получены фракционные к.п.д. топки при разных режимах работы топочной камеры.

7. Предложена технология организации топочного процесса и разработаны рекомендации по конструированию топочных устройств для сжигания древесных отходов с многократной циркуляцией топлива.

Заключение

1. Кнорре Г.Ф., Арефьев К.М., Блох А.Г., Нахапетян Е.А. Теория топочных процессов.// «Энергия», Москва-Ленинград, 1966, 491с. с рис.

2. Померанцев В.В., Арефьев К.М., Рундыгин Ю.А., Шестаков С.М. Основы практической теории горения// Учебное пособие. Л., «Энергия», 1973.

3. Беньямовский Д.Н. Термические методы обезвреживания твёрдых бытовых отходов// Охрана окружающей среды, М.: Стройиздат, 1979 192 с.

4. Жуков Е.Б., Иващенко И.П., Симанов В.И., Фурсов И.Д. Исследование процессов новых технологий сжигания органических топлив// Материалы межвузовской научно-практической конференции «Проблемы качества в XXI веке»/ АлтГТУ Барнаул, 2001г.

5. Симанов В.И., Рукавцова В.Е. Исследование физико-химических, кинетических свойств углей восточных месторождений// Отчет о НИР. НПО ЦКТИ, Ленинград 1988г. 128с.

6. Шестаков С.М. Исследование выгорания частиц древесного топлива в топочном объёме слоевой топки// Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ленинград 1970г.

7. Отс А.А. Процессы в парогенераторах при сжигании сланцев и Канско-Ачинских углей//М. «Энергия», 1977 312 с. с ил.

8. Горбис З.Р. Теплообмен дисперсных сквозных потоков.- М. -Л., издательство "Энергия", 1964, 296 с. с ил.

9. Хзмазлян Д.М. Теория топочных процессов// Уче.пособие для вузов. Москва 1990-352с.

10. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). — М.: Энергия, 1998,- 295 с.

11. Симанов В.И., Рукавцова В.Е. О повышении качества сепарации твердых частиц в потоке газов// Труды АПИ, №36, Барнаул, 1974.

12. Лыков А.В. Теория сушки// «Энергия», Москва, 1968г. 472с. с илл.

13. Справочник по пыле и золоулавливанию/ М.И. Биргер, А.Ю. Вальдберг, Б.И. Мягков и др.; Под общ. ред. А.А. Русанова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 312 е., ил.

14. Доклад ОАО «Белэнергомаш», семинар «Малая и нетрадиционная энергетика. Состояние и перспективы».

15. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения.// Издательство «Химия», Москва 1967г. 664с.

16. Пузырев Е.М., Стропус В.В., Сидоров A.M., Ильин Ю.М. Реконструкция котлов для сжигания угля в циркулирующем слое. // «Теплоэнергетика», №9, 1993 г., с. 14-16.

17. Краснощёков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче: Учеб. Пособие для вузов.- 4-е изд., перераб. М.: Энергия, 1980. - 288 е., ил.

18. Расчеты аппаратов кипящего слоя: Справочник/ Под ред. И. П. Мухленова, Б. С. Сажина, В. Ф. Фролова. Л.: Химия, 1986.

19. Жуков Е.Б., Симанов В.И. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Основы физико-химических процессов производства тепловой энергии» для студентов направления 552700 "Энергомашиностроение"

20. Померанцев В.В. Освоение сжигания немолотого топлива в парогенераторах большой мощности// Информационный листок 26. ЦНТИ, Иркутск, 1979.

21. Николаев В.И. Поведение частицы твердого топлива в процессе горения.// М.-Л. Госэнергоиздат, 1948.

22. Кацнельсон Б.Д., Мароне И.Я. О воспламенении и горении угольной пыли.//Теплоэнергетика. 1961г. №1.

23. Финаев Ю.А. К вопросу о кинетике выхода летучих в процессе горения натурального твердого топлива.// Материалы 3-й всесоюзн.конф. по горению твердого топлива. Новосибирск. 1969.

24. Кузнецов А.П., Оренбах М.С. К вопросу о летучих веществах углей, коксов и их топливных остатков.// Теплоэнергетика. 1968г. №5.

25. Бухман С.В., Крылова Н.П. Время выхода летучих при горении частиц натурального твердого топлива.// Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Алма-Аты. 1965.

26. Чжен П. Отрывные течения. Мир, М, 1973.

27. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Машиностроение, Л, 1969.

28. Бетчелор Д. Введение в динамику жидкости. Мир, М, 1973.

29. Материалы III Международного симпозиума по охране окружающей среды. . Режим доступа: http://sciteclibrary.ru/rus/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

30. Физические свойства древесины. Центролес. Режим доступа: http://www.centroles.ru//, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.

31. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ. Журнал Российский уголь. Режим доступа: http://www.rosugol.ru//, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.

32. Свойства древесных отходов. Портал Wood Режим доступа: http://www.wood.ru/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

33. G. Grassi, Т. Bridgwater. Biomass for energy and environment, agriculture and industry in European strategy for the Future. Commission of European Communities, 1995, 24 p.p.

34. Вопросы аэродинамики и теплопередачи в котельно-топочных процессах.// Сборник статей под редакцией Г.Ф.Кнорре. Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1958г. 330с.

35. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. Энергоатомиздат, Москва 1986г. 207с.

36. Уендландт. Термические методы анализа, изд. «Мир», М. 1978.

37. Демидов П.Г., Щеглов П.П. Горение и свойства горючих веществ. // Химия, Москва 1981г.

38. Расчет и проектирование пылеприготовительных установок котельных агрегатов, (нормативный метод). — Л.: Энергия, 1971.

39. Гордон Л.В., Скворцов Л.В., Лисов В.И. Технология и оборудование лесохимических производств//Москва, 1988г.

40. Слоевые методы энергохимического использования топлив// Госэнергоиздат. Моска-Ленинград, 1962г.

41. Корякин В.И., Нимвицкий А.А. Технология пирогенетической переработки древесины// Гослесбумиздат, 1954г.

42. Стернин Б.Б. Котлоагрегаты с сушилками для торфа и древесных отходов// Энергомашиностроение, 1961г. N7

43. Химическая энциклопедия т.З Пиролиз древесины// изд. «Большая Российская Энциклопедия», Москва, 1992г.

44. Симанов В.И., Рукавцова В.Е. Разработка и исследование рабочих характеристик инерционного струйного сепаратора// Издательство АПИ, № гос.регистрации Б752864, Барнаул, 1977.

45. Корякин В.И. Термическая переработка древесины// Гослестехиздат, 1948г.