Экспериментальное исследование сжигания отходов сельскохозяйственного производства в псевдоожиженном слое тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат технических наук Зорин, Александр Тимофеевич

• Зорин, Александр Тимофеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зорин, Александр Тимофеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. Литературный обзор и постановка задачи исследования

1.1 Использование соломы в качестве топлива для коммунальной и промышленной энергетики

1.1.1 Использование соломы и её значение

1.2 Конструкции котлов для сжигания соломы

1.3 Гранулирование соломы, котлы и технологии для сжигания соломенных гранул и гранул из других отходов растениеводства

1.4 Исследование сжигания соломы в плотном слое

1.5 Исследование процесса сжигания соломенных гранул в кипящем слое инертного материала *

1.6 Исследование процессов перехода в псевдоожиженное состояние полидисперсных слоев частиц, форма которых резко отличается от сферической

1.7 Выводы по литературному обзору и постановка задач исследования

2. Методика эксперимента и описание экспериментальной установки 43 2.1. Описание экспериментальной установки и методики эксперимента

2.2 Методика исследования горения топливных гранул в псевдоожиженном слое на «горячей» модели

2.3 Характеристики применяемых приборов и погрешности измерения

3. Результаты экспериментов

3.1 Результаты исследования процессов псевдоожижения слоев гранул на «холодной» модели

3.2 Анализ статистических характеристик случайного процесса пульсаций перепада давления в слое гранул

3.3 Обобщение полученных экспериментальных данных.

3.3.1 Получение обобщающей полуэмпирической зависимости

3.4 Результаты исследований на горячей модели

4. Практические аспекты использования результатов исследования

4.1 Расчет стоимости производства тюков из соломы

4.2 Расчет стоимости производства гранул из соломы

4.3 Сравнительные результаты расчетов стоимости доставки гранул и тюков соломы для котельной с присоединенной нагрузкой 500 кВт

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование сжигания отходов сельскохозяйственного производства в псевдоожиженном слое»

Ужесточение экологических требований к котельным установкам, высокие цены на традиционные энергоносители обуславливают интерес к использованию в качестве топлива биомассы. Ресурсы биомассы по России распределены крайне неравномерно, причем основные ее запасы сосредоточены в северных и восточных регионах с наименьшей плотностью населения и, соответственно, с меньшей потребностью в тепловой энергии, чем центральные и южные регионы. Однако, именно последние имеют наибольшие ресурсы соломы и других отходов растениеводства (лузги подсолнечника, проса, риса и т.п.), которые можно использовать для выработки тепловой энергии.

В работе проанализированы технологические и экономические аспекты использования соломы и других отходов растениеводства в качестве топлива. Показано, что из-за низкой насыпной плотности в исходном виде эти отходы как топливо использоваться не могут, а должны быть уплотнены в тюки или переработаны в брикеты или гранулы. Причем при расстоянии от места переработки соломы до места ее использования в качестве топлива более 55-57 км экономически выгодно использовать солому в виде гранул.

Анализ литературных данных показал, что сжигание соломы и подобных топлив по известным технологиям в плотном слое и кипящем слое инертного материала имеет ряд существенных недостатков:

1) низкая интенсивность горения топлива и экстремальная зависимость скорости горения от расхода дутьевого воздуха, что приводит к сужению диапазона регулирования мощности котла и ухудшению весогабаритных показателей котла,

2) не полное выгорание фиксированного углерода, снижающее КПД котла,

3) образование золо-шлаковых агломератов, затрудняющих стабильную работу топки котла.

Целью работы является: разработка технологии устойчивого и эффективного сжигания гранулированной соломы и других отходов растениеводства и связанное с этим исследование особенностей перехода в псевдоожиженное состояние слоев гранул с разным отношением диаметра гранулы к ее средней длине при комнатной температуре, а также исследование процесса воспламенения и горения гранул из соломы и других отходов растениеводства в кипящем слое, образованном самими гранулами и твердыми продуктами их горения.

По результатам исследования предложено сжигать соломенные и подобные гранулы в кипящем слое, сформированном самими гранулами и твердыми продуктами их горения (золой и частицами коксового остатка). Детально исследован процесс перехода полидисперсного слоя цилиндрических гранул в псевдоожиженное состояние, предложен новый метод оценки минимальной скорости псевдоожижения такого слоя, т.к. известные методы этой оценки для подобных слоев оказались непригодными.

Продолжительность горения одинаковых по массе порций агрогранул и древесных гранул в кипящем слое, образованном самими гранулами и твердыми продуктами их горения, близки, хотя в последних содержится в 8,76 - 19,4 раза меньше золы. Продолжительность горения порции соломенных гранул в таком кипящем слое в 3,74 - 7,01 раз меньше минимальной продолжительности горения порции резанной соломы, масса которой равна массе порции соломенных гранул. Скорость горения порции соломенных гранул в 2,5 — 4,73 превосходит максимальную скорость горения порции соломенной сечки.

При сжигании агрогранул в кипящем слое коксовый остаток имеет порошкообразную структуру, агломераты расплавившейся и спекшейся золы в нем отсутствуют. Потери топлива из-за механической неполноты сгорания при сжигании гранул в кипящем слое в 2,3 - 4,3 раза меньше этих потерь при сжигании тех же гранул в плотном слое по известной технологии.

На защиту выносятся:

- полученные автором результаты исследования процесса псевдоожижения слоев биогранул, изготовленных из соломы, лузги проса и лузги подсолнечника,

- полученные автором результаты исследования процесса сжигания в псевдоожиженном слое биогранул, изготовленных из соломы, лузги проса и лузги подсолнечника,

- предложенный автором метод экспериментальной оценки минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя цилиндрических гранул, результаты расчетов минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя биогранул и слоя, состоящего из биогранул и частиц их коксового остатка.

Результаты исследования реализованы при реконструкции котельных муниципального предприятия «Заветинские тепловые сети» Заветинского района Ростовской области в части замены антрацита класса «семечко» на биогранулы из соломы озимых культур, что, согласно предварительным расчетам, позволит снизить затраты на топливо более, чем на 1 млн. руб. в год.

Работа над диссертацией проводилась в Тамбовском государственном техническом университете.

Настоящая работа по исследованию сжигания отходов сельскохозяйственного производства является законченной самостоятельной составной частью комплекса исследований, проводимых под руководством к.т.н., доцента Милованова А.В. и к.т.н. Исьемина P.JT. Им, а также к.т.н., доценту Кузьмину С.Н., к.т.н. Михалёву А.В., инженерам Коняхину В.В. и Прокопчику А.П. автор выражает благодарность за помощь в работе.

Заключение диссертации по теме «Энергетические системы и комплексы», Зорин, Александр Тимофеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В результате выполненной работы установлено:

1. Солома и другие отходы растениеводства как топливо могут быть серьезной альтернативой ископаемым видам топливам и, в частности, могут полностью заменить дизельное топливо, которое ныне используется для сушки зерна.

2. Сжигание соломенных и других гранул, изготовленных из отходов растениеводства (агрогранул), может быть осуществлено в топках кипящего слоя, сформированного самими гранулами и твердыми продуктами их горения (зола и частицы коксового остатка).

3. Детально исследован процесс перехода в псевдоожиженное состояние полидисперсного слоя цилиндрических гранул с отношением диаметра гранулы к ее средней длине 0,39 — 0,89. При этом установлено, что известные методы непригодны для оценки значения минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя цилиндрических гранул.

4. Предложен метод оценки значения минимальной скорости псевдоожижения полидисперсного слоя цилиндрических гранул по изменению абсолютной величины безразмерной амплитуды пульсации перепада давления в слое гранул.

5. Исследован процесс горения слоя агрогранул и древесных гранул при различных числах псевдоожижения. Показано, что с увеличением расчетного числа N от 0,58 - 0,83 до 1,23 - 1,76 скорость горения древесных гранул возрастает с 0,39 до 0,78 (кг/м" с), а скорость горения гранул из соломы возрастает от 0,46 до 1,03 (кг/м с). Скорость горения гранул из лузги проса равна скорости горения древесных гранул (0,39 кг/м2 с), хотя древесные гранулы содержат в 19,4 раз меньше золы. Скорость горения соломенных гранул в кипящем слое оказалась в 4,18 - 9,36 раз выше скорости горения соломенной сечки в плотном слое. При сжигании в кипящем слое гранул, примененных в настоящем исследовании, очаговые остатки остаются порошкообразные, без агломератов шлака. Потери от механической неполноты сгорания при сжигании в кипящем слое гранул из соломы составляют 7,5 %, гранул из лузги проса - 9,0 %, гранул из лузги подсолнечника - 4,0 %, т.е. в 2,3 - 4,3 раза меньше соответствующих потерь при сжигании в плотном слое по известной технологии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зорин, Александр Тимофеевич, 2010 год

1. Олейник Е.Н. Жовмир Н.М. Чаплыгин С.М. Особенности функционально-стоимостного анализа при разработке соломосжигающего котла //Материалы V Международной конференции Проблемы промышленной теплотехники,22-26 мая, 2007, с 118-125.

2. Карпенко А.Н., Халанский В.М. Сельскохозяйственные машины — М. ВО Агропромиздат, 1989, с. 244.3. http://oilworld,ru/news.php?view=30473 12.02.08

3. Evald A. Biomass for Energy Danish Solutions. - Copenhagen: Danish Energy Agency, 1996-38 p.

4. Nikolaisen L., Nielsen C., Larsen M.G. Straw for Energy Production. Technology Environment - Economy. Aarhus: EN — TRYK 1992 — 46 p.

5. Heat Production from Grain and Rape-straw in Schleswig-Holstein // Proc. of Europ. Workshop, Neumunser, Germany, 22-23 May, 1995. Copenhagen: Energy Centre Denmark, 1995. - 35 p.

6. Гелетуха Г.Г., Железная T.A. Обзор технологий сжигания соломы с целыо выработки тепла и электроэнергии // Экотехнологии и ресурсосбережение, 1998, №6, с. 3-11

7. Справочник потребителя биотоплива (под редакцией Виллу Вареса) — Таллинн: Таллиннский технический университет, 2005, с. 35-37.

8. Гелетуха Г., Тишаев С., Куруленко В. Тепло с полей. Экономика сжигания соломы // ММ. Деньги и Технологии, 2001, июнь, с. 42-4519. http ://ww w. farm2000. со. uk/benefits .htm 11.08.2009.20.http:/www.linka.dk/25.03.2008.

9. Khor A., Ryu C., Yang Y.-B., Sharifi V.N., Swithenbank J. Straw combustion in a fixed bed combustor // Fuel, 2007, v. 86, 152-160.

10. Gilbe C, Lindstrom E, Backman R, Samuelsson R, Burvall J and Ohman M. Predicting slagging tendencies for biomass pellets fired in residential appliances: a comparison of different prediction methods/ Journal Energy & Fuels, 2008, v.22, p. 3680-3686.

11. Xiong S, Burvall J, Orberg H, Kalen G, Thyrel M, Ohman M and Bostrom D. Slagging characteristics during combustion of corn stovers with and without kaolin and calcite/ Journal Energy & Fuels, 2008, v.22, p. 3465-3470.

12. Gilbe C, Ohman M, Lindstrom E, Bostrom D, Backman R, Samuelsson R and Burvall J/ Journal Energy & Fuels, 2008, v.22, p.3536-3543.

13. Kiesewalter S., Rohricht C. Pelletierung von Stroh und Heu // In Proceeding on European Pellets Conferences, Wels, Austria, 2004, pp. 283-296

14. Lin W., Dam-Johansen K., Frandsen F. Agglomeration in bio-fuel fired fluidized combustors // Chemical Engineering Journal, 2003, v. 96, pp. 171-185.

15. Werther J., Saenger M., Hartge E.-U., Ogada Т., Siagi Z. Combustion of Agricultural Residues // Progress Energy Combustion Science, 2000, v. 26, pp. 127.

16. Vesna Barisic, Edgardo Coda Zabetta, Juha Sarkki. Prediction of agglomeration, fouling, and corrosion tendency of fuels in CFB co-combustion.//20th International conference on fluidized bed combustion.,2009,pp.416-421.

17. Gluckman M.J., Yerushalmi J., Squires A.M. Defluidization characteristics of sticky materials on agglomerating bed // in: Keaims D.L. (Ed.) Fluidization Technology, 1976, 2, pp. 395-422.

18. Sevile J.P.K., Chift R. The effect of thin liquid layers on fluidization characteristics //Powder Technology, 1984, v. 37, pp. 117-119.

19. Geldart D. Types of gas fluidization // Powder Technology, 1973, v. 7, pp. 285-292

20. Compo P., Pfeffer R., Tardos G.I. Minimum sintering temperature and defluidization characteristics of fluidizable particles // Powder Technology, 1987, v. 51, pp. 85-101.

21. Ergiidenler A., Ghaly A.E. Agglomeration of silica sand in a fluidized bed gasifier operating on wheat straw // Biomass and Bioenergy, 1993, v. 4, pp. 135-147.

22. Salour D., Jenkins В., Vafaei M., Kayhanian M. Control of in-bed agglomeration by fuel blending in a pilot scale straw and wood fuelled AFBC // Biomass and Bioenergy, 1993, v. 4, pp. 117-133.

23. Grubor B.D., Oka S.N., Ili M.S., Daki D.V., Arsi B.T. Biomass FBC combustion -Bed agglomeration problems, in: K.J. Heinschel (Ed.), Proceeding of the 13th International Conference on FBC, vol. 1, 1995, pp. 515-522.

24. Аэров М.Э., Тодес O.M. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем // JL, «Химия», 1968, с. 136.

25. Кондуков Н.Б. Гидродинамические особенности и условия подобия в переходном режиме псевдоожижения // «Инженерно-физический журнал»,1961, т. IV, №3, с. 31-38.

26. Кондуков Н.Б. Гидродинамическое сопротивление, в переходной области псевдоожижения полидисперсного слоя // «Инженерно-физический журнал»,1962, т. V, № 3, 27-32.

27. Rao T.R., Bheemarasetti J. V.R. Minimum fluidization velocities of mixture of biomass and sand // Energy, 2001, v. 26, pp. 633-644.

28. Delebarre A.B., Pavinato A., Leroy J. Fluidization and mixing of sjlids distributed in size and density // Powder Technology, 1994, v. 80, pp. 227-233.

29. Bilbao R., Lezaun J., Abanades J.C. Fluidization velocities of sand/straw binary mixtures / Powder Technology, 1987, v. 52, pp. 1-6.

30. Noda K., Uchida S., Makino Т., Kamo H. Minimum fluidization velocity of binary mixture of particles with large size ratio // Powder Technology, 1986. 46, pp. 149154.

31. Chiba S., Chiba Т., Nienow A.W., Kobayashi H. The minimum fluidization velocity, bed expansion and pressure-drop profile of binary particle mixtures // Powder Technology, 1979, v. 22, pp. 255-269.

32. Sau D.C., Mohanty S., Biswal K.S. Critical fluidization velocities and maximum bed pressure drops of homogeneous binary mixture of irregular particles in gas-solid tapered fluidized beds // Powder Technology (2008), doi: 10.1016 G,powtec.2007.12.08).

33. Formisani В., Cristofaro G.De, Girimonte R. A fundamental approach to the phenomenology of fluidization of size segregating binary mixtures of solids // Chemical Engineering Science, 2001, v. 56, pp. 109-119.

34. Abdullah M.Z., Husain Z., Yin Pong S.L. Analysis of cold fluidization test results for various biomass fuels // Biomass and Bioenergy, 2003, 24, pp. 487-494.

35. Reina J., Velo E., Puigjaner L. Predicting the minimum fluidization velocity of polydisperse mixtures of scrap-wood particles // Powder technology, 2000, v. Ill, 245-251.

36. Puncochar M., Drahos J., Cermak J., Seluclcy K. Evalution of minimum fluidizing velocity in gas fluidized bed from pressure fluctuations // Chemical Engineering communications, 1985, v. 35 (1-6), pp. 81-87.

37. Leu L.P., Lan Ch-W. Measurement of pressure fluctuations in two dimensional gas — solid fluidized beds at elevated temperatures // Journal of Chemical Engineering of Japan, 1990, v. 23, № 5, pp. 555 - 562.

38. Li Z., Kobayashi N., Nishimura A., Hasatani M. Sorption drying of soybean seeds with silica gel. 1. Hydrodynamics of fluidized bed dryer // Drying technology, 2002, 20 (6), pp. 1193-1213.

39. Li Z., Kobayashi N., Hasatani M. Characteristics of pressure fluctuations in a fluidized bed of binary mixture // Journal of Chemical Engineering of Japan, 2005, v. 38, № 12, pp. 960-968.

40. Kim J. S., Tsutsumi A., Kang Y. Influences of nano particle addition on hydrodynamics and heat transfer in gas — solids fluidized beds // Journal of Chemical Engineering of Japan, 2008, v. 41, № 7, pp. 670 - 677.

41. Kage H., Iwasaki N., Yamaguchi H., Matsuno Y. Frequency analysis of pressure fluctuations in fluidized bed plenum // Journal of Chemical Engineering of Japan, 1991, v. 24, № l,pp. 76-81.

42. Kage H., Yamaguchi H., Ishii H., Matsuno Y. Bubble behavior in bubbling fluidized beds of binary particles // Journal of Chemical Engineering of Japan, 1991, v. 24, №4, pp. 525 -531.

43. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок-М.: «энергоатомиздат», 1991,416 с.

44. ГОСТ 10.31.4-86. Паровые котлы. Программа и методы испытаний.

45. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. — JT: «Химия», 1968, с. 16.

46. Rincon J., Guardiola J., Romero A., Ramos G. Predicting the Minimum Fluidization Velocity of Multicomponent systems, Journal of Chemical Engineering of Japan, 1994, vol.27, №2, pp. 177-181.

47. Исьёмин Р.Л., Кузьмин C.H., Коняхин B.B., Зорин А.Т., Милованов А.В. Об использовании соломы в качестве топлива для котлов коммунальной энергетики//Промышленная энергетика, 2007, №6, с. 40-43.

48. Исьёмин Р.Л., Кузьмин С.Н., Коняхин В.В., Зорин А.Т

49. Улучшение экологических показателей работы коммунальных угольных котельных путем совместного сжигания биомассы и низкосортных углей. // Промышленная энергетика. Производственно-технический журнал, № 12, Москва, НТФ «Энергопрогресс», 2005, с. 35-38

50. Kuzmin S.N., Budkova E.V., Isemin R.L., Konjakhin V.V.

51. Development of combustion technology in semi-fluidized bed for some East Donbass coals as applied to heating boilers with capacity up to 1 MWt // Book of abstracts European combustion meeting ECM 2003 / Orleans, France October 2528, 2003 p. 20.

52. Кузьмин C.H., Будкова E.B., Исьёмин Р.Л., Коняхин В.В.,Кондуков Н.Б.

53. О сжигании низкореакционных рядовых углей в отопительных котлах малой мощности // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Технические науки № 1(125), 2004, с. 19-22.

54. Isemin R.L, IConjahkin V.V., Kuzmin S.N., Budkova E.V. Kondukov N.B Features of fluidization and burning of mixes of anthracite culm and biogranul // World Sustainable Energy Days (Proceedings), Wels/Austria 28.2.-2.3.2007.

55. Исьёмин P.Л., Кузьмин C.H., Будкова E.B., Коняхин В.В., Зорин А.Т.109

56. Research of co-combustion of Anthracite and Biopellets in The High Temperature Fluidized Bed // Swedish Finnish Flame Days 2005 (Proceedings), Boras/Sweden 18-19 October, 2005, p. 143-149.

57. Исьемин P.JL, Коняхин В.В., Кузьмин С.Н., Зорин А.Т., Будкова Е.В.

58. Kuzmin S.N., Isemin R.L., Konjahkin V.V., Panfilova O.V.,Zorin A.T.,

59. Stern T. D. Co-combustion of Coal and Bio-pellets in the high temperature Fluidized Bed // 19th international Conference on Fluidized Bed Combustion, Vienna, Austria May 21-24, 2006.