Технология сжигания древесных отходов с применением многократной циркуляции топлива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Жуков, Евгений Борисович

• Жуков, Евгений Борисович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жуков, Евгений Борисович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология сжигания древесных отходов с применением многократной циркуляции топлива»

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.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Жуков, Евгений Борисович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жуков, Евгений Борисович, 2005 год

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.