На правах рукописи
ВИРЯСОВ Дмитрий Михайлович
ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ И СЖИГАНИЕ БИОТОПЛИВА
В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЯХ
05.14.01 – энергетические системы и комплексы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении «Тамбовский государственный технический университет».
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Кузьмин Сергей Николаевич.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Зейгарник Ю.А.;
кандидат технических наук
Рябов Г.А.
Ведущая организация: ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии.
.
Защита состоится “_____”__________________ 201__ г. в _____ ч. ____ мин. на заседании диссертационного совета Д 002.110.03 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур Российской академии наук по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Автореферат разослан “_____”___________201__ г.
У ченый секретарь
диссертационного совета
д.т.н. Л.Б. Директор
© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Многокомпонентный псевдоожиженный слой твердых частиц – это слой, состоящий из частиц, резко отличающихся друг от друга по размерам, форме, плотности. Такие слои образуются в нижней части топок с циркулирующим кипящим слоем, когда в слой мелких частиц эквивалентным диаметром 300-1000 мкм вводят определенное количество крупных и тяжелых частиц эквивалентным диаметром 10 мм и более для стабилизации процесса воспламенения и горения твердого топлива и увеличения времени пребывания циркулирующих частиц в придонной части циркулирующего слоя. Такой слой рассматривается как альтернатива обычному циркулирующему слою, так как в нем значительно увеличиваются скорости протекания обменных процессов. В качестве крупных частиц могут использоваться биогранулы. В этом случае, кроме выше перечисленных эффектов от введения в слой крупных частиц, можно достичь существенного снижения эмиссии парниковых газов, золы и окислов серы в атмосферу.
С другой стороны, анализ литературных данных показывает, что процессы перехода в псевдоожиженное состояние таких слоев исследованы недостаточно. Более того, известные экспериментальные методы исследования переходных процессов в системах газ – твердые частицы, в том числе методы экспериментального определения минимальной скорости псевдоожижения, для многокомпонентных систем непригодны. Также отмечается, что в кипящем слое возможно самопроизвольное формирование многокомпонентной системы при агломерации частиц, ведущей, как правило, к прекращению кипения и останову реактора. Диагностика процесса дефлюидизации представляет, таким образом, самостоятельную важную научно-техническую задачу, решение которой позволяет повысить надежность и эффективность работы реакторов с кипящим слоем. Известные методы диагностики дефлюидизации малоэффективны, поскольку не позволяют установить факт появления в слое агломератов частиц, и не проверены для условий работы реальных реакторов с кипящим слоем.
Данная работа выполнялась в соответствии с государственным контактом с Министерством образования и науки РФ № 16.516.12.6002 «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области повышения эффективности вновь разрабатываемых и существующих котлов с кипящим слоем при совместном сжигании низкосортных углей с биомассой» и государственным контрактом № 16.526.11.6010 «Разработка технологии предварительной термической обработки древесных и растительных отходов для получения биотоплива, обладающего улучшенными технико-экономическими характеристиками» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг.».
Цель работы – исследование псевдоожижения многокомпонентных, в том числе самопроизвольно формирующихся, «холодных» и «горячих» слоев, процесса сжигания в таких псевдоожиженных слоях гранулированного биотоплива с низкой температурой плавления золы.
Научная новизна работы. В области перехода многокомпонентного слоя в состояние псевдоожижения, как при комнатной температуре, так и для условий реального химико-технологического процесса при сжигании биотоплива, установ-лена связь между переходами в системе газ – твердые частицы и средне-квадратичным отклонением пульсаций перепада давления в слое, позволяющая экспериментально определить момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние и значение минимальной скорости псевдоожижения.
Предложен алгоритм определения минимальной скорости псевдоожижения многокомпонентного слоя как в «холодном», так и в «горячем» состоянии.
Разработан и экспериментально проверен метод идентификации прекра-щения ожижения, вызванного изменением гранулометрического состава слоя. Метод основан на непрерывном измерении пульсаций перепада давления в слое, определении для них безразмерной амплитуды и сопоставлении полученных результатов с пороговым значением безразмерной амплитуды, определяемым для каждого материала слоя. Полученные результаты позволили быстро и надежно отслеживать появление необратимых изменений состава слоя, приводящих к агломерации частиц и прекращению кипения – дефлюидизации.
Практическая ценность работы. Предложенный метод анализа процесса дефлюидизации может быть использован при эксплуатации аппаратов с кипящим слоем для быстрого реагирования на необратимые процессы, связанные с агломерацией материала слоя.
По результатам исследований процесса горения биотоплива в турбулентном кипящем слое спроектирован, изготовлен и испытан теплогенератор, конструкция топочного устройства которого позволяет реализовать процесс сжигания топлив с низкой температурой плавления золы в бесшлаковочном режиме. На конструкцию котла получено положительное решение о выдаче Евразийского патента на изобретение. Разработанный теплогенератор включен в технологическую схему производства биотоплива с улучшенными технико-экономическими характеристи-ками (государственный контракт № 16.526.11.6010), которое по договору о сотрудничестве между ФГБОУ ВПО «ТГТУ» и ОАО «ПРОДМАШ» от 25 января 2012 г. будет выпускаться ОАО «ПРОДМАШ» с III квартала 2013 г.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Четвёртой международной конференции по защите окружающей среды в промыш-ленных процессах (CISAP 4), 14-17 марта 2010 г., Флоренция, Италия; Между-народной выставке-конференции по возобновляемой энергии, 27 июня – 2 июля 2010 г., Йокохама, Япония; Седьмой международной теплофизической школе, 20- 25 сентября 2010 г., Тамбов; Седьмой Средиземноморской конференции по сжига-нию, 11-15 сентября 2011 г., Кальяри, Италия.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 9 печатных работах, из них: в международных зарубежных реферируемых журналах – 4 публикации, в журналах, рекомендованных ВАК РФ – 3 публикации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертационной работы составляет 87 страниц машинописного текста, содержит 44 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 63 наименования.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе работы дан обзор современных подходов к исследованию процессов перехода в псевдоожиженное состояние многокомпонентных слоев твердых частиц. Показано, что для систем газ – твердые частицы определение важнейшего технологического параметра – минимальной скорости псевдоожижения – по кривой изменения перепада давления от скорости продуваемого через слой газа невозможно. С другой стороны, предложенный метод определения минималь-ной скорости псевдоожижения по изменению численных значений статистических характеристик пульсации перепада давления в слое [1] не проверен для многокомпонентных слоев и реальных физических условий, возникающих, например, при горении твердого топлива в слое.
Изменение зависимости численных значений статистических характеристик случайного процесса пульсации перепада давления в слое от скорости газа может быть связано с изменением фракционного состава слоя в связи с появлением в нём агломератов частиц, что может привести к дефлюидизации слоя.
Мониторинг процесса дефлюидизации имеет важное прикладное значение для обеспечения надежности и эффективности работы аппаратов с кипящим слоем. Однако предложенные ранее методы мониторинга дефлюидизации имеют существенное ограничение и применимы только для слоев мелких частиц и для малых чисел псевдоожижения, а также не проверены в реальных условиях тех-нологических процессов. На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе представлена методика проведения экспериментов. Исследование переходных процессов в многокомпонентных псевдоожиженных слоях проводилось при комнатной температуре на «холодной» модели и при температуре слоя 1200 С на «горячей» модели при сжигании в слое соломенных гранул.
Для исследования переходных процессов был выбран многокомпонентный кипящий слой, состоящий из частиц угольной золы и биогранул. Выбор такого материала слоя обусловлен наблюдающимся в настоящее время интересом к исследованию процессов совместного сжигания угля и биомассы, а также строительством крупных установок с циркулирующим, в том числе многокомпонент-ным, кипящим слоем, где эти процессы реализуются. Фракционный состав угольной золы представлен в табл. 1.
Таблица 1
Фракционный состав золы
Размер частиц, мм
|
Массовая доля, %
|
до 1,0
|
20,87
|
от 1,0 до 1,2
|
61,79
|
от 1,2 до 1,5
|
5,66
|
от 1,5 до 1,7
|
2,7
|
от 1,7 до 2,0
|
1,8
|
от 2,0 до 2,5
|
1,1
|
от 2,5 до 3,0
|
0,5
|
от 3,0 до 4,0
|
4,1
|
более 4,0
|
1,5
|
Влажность частиц золы в среднем равна 5,35 %; истинная плотность частиц золы – 1680 кг/м3. Характеристики соломенных гранул приведены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики гранул
Наименование характеристики
|
Значение
|
Диаметр, мм
|
7,0
|
Средняя длина гранул, мм
|
12,03
|
Отношение диаметра гранулы к средней длине
|
0,59
|
Плотность гранулы, кг/м3
|
1190
|
Насыпная плотность гранул, кг/м3
|
487,9
|
Теплота сгорания гранул, мДж/кг
|
15,42
|
Содержание золы, %
|
4,38
|
Влажность, %
|
8,12
|
Зольность в исходном состоянии, %
|
6,87
|
Высшая теплота сгорания, МДж/кг
|
16,91
|
Низшая теплота сгорания, МДж/кг
|
15,52
|
Температура, С:
деформации золы
размягчения золы
плавления золы
жидкоплавкого состояния золы
|
940
980
1070
1300
|
Э
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
ксперименты на «холодной» модели проводились в аппарате прямоуголь-ного поперечного сечения длиной 485 мм, шириной 194 мм (отношение сторон 1:2,5) и высотой 1500 мм. Аппарат выполнен из акрилового стекла, что позволяло вести визуальные наблюдения. Аппарат опирался на воздухораспределительную решетку с долей «живого» сечения решетки 5 %. Воздух нагнетался воздуходувкой с напором 4000 Па при максимальном расходе воздуха 1350 м3/ч. Расход воздуха регули-ровался с помощью вентиля, установленного на байпасном трубопроводе. Температура воздуха составляла от 20 до 24 °С. Скорость измерялась на выходе из аппарата термоанемометром Delta-OHM HD 2103-1. В каждом опыте проводилось не менее 50 измерений скорости воздуха. Измерение перепада давления в слое производилось с помощью дифференци-ального микроманометра Testo-525. Импульсная трубка с внутренним диа-метром 0,5 мм и длиной 60 мм, разме-щалась в непосредственной близости от воздухораспределительной решетки. Циф-ровой сигнал от микроманометра Testo-525 подавался на персональный компьютер, что позволяло сохранять измеренные значения перепада давления в слое. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.
Было установлено, что без уменьшения точности измерения более чем на 10 % измерения пульсации перепада давления надо производить через каждые 0,05 с в течение 60 с. Полученное множество случайных значений перепада давления в слое подвергалось математической обработке, а именно определялись:
математическое ожидание случайного процесса (среднее значение перепада давления в слое за время наблюдения), Па:
Pc = ΣΔPj/N, (1)
где Pj – значение j-го измерения перепада давления, Па; N – число измерений;
среднеквадратичное отклонение пульсации перепада давления, Па:
σ = √(Σ(ΔPj–Pc)2/N). (2)
Опыты проводились при постоянной массе слоя 16 кг при уменьшении скорости воздуха, продуваемого через слой. Изменение состояние слоя фиксировалось видеокамерой типа Panasonic DVC30. В дальнейшем каждая секунда видеосъемки разбивалась на 25 видеокадров, что позволяло получить последовательные изображения изменения состояния слоя через каждые 0,04 с. В дальнейшем по изображениям определялась высота слоя в любой момент времени, среднее значение максимальной высоты слоя за время наблюдения, среднее значение относительной высоты слоя (Нmax/H0) в данном эксперименте и среднеквадратичное отклонение относительной высоты.
Д
ля исследования влияния температуры на процессы псевдоожижения многокомпонентных слоев был выбран процесс сжигания соломенных гранул в слое собственной золы. Известно [2], что из-за низкой температуры плавления соломенной золы при температуре 850 °С агломераты в слое начинают образовываться уже через 120 с после начала процесса их сжигания, что позволяло изучить процессы псевдоожижения в таких слоях и определить возможность диагностики процесса дефлюидизации по изменению статистических характеристик пульсаций перепада давления в слое. Для этого была разработана экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 2. Устройство воздухораспределительной решетки приведено на рис. 3.
Рис. 2. Схема «горячей» экспериментальной установки:
1 – корпус; 2 – топка; 3 – короткие дымовые трубы; 4 – длинные дымовые трубы; 5 – патрубок уходящих газов; 6 – воздухораспределитель первичного воздуха; 7 – воздуховод; 8 – коллектор первичного воздуха; 9 – патрубки подачи вторичного воздуха; 10 – коллектор вторичного воздуха; 11 – воздухораспределитель вторичного воздуха; 12 – патрубок топливоподачи; 13 – передняя дымовая коробка; 14 – задняя дымовая коробка; 15 – патрубок выхода теплоносителя; 16 – патрубок входа теплоносителя; 17 – футеровка топки
Воздухораспределительная решетка реактора имела долю «живого» сечения 5 %. Создаваемый слой имел прямоугольную форму с отношением сторон 1:2,5.
Так же, как и на «холодной» модели, для исследования переходных процессов проводились измерения пульсаций перепада давления в слое. Состав уходящих дымовых газов и их температура измерялся с помощью газоанализатора ДАГ-510, который позволяет измерять содержание О2, СО, СО2, NO, NO2 и SO2 через каждые 15 с и регистрировать полученные значения на персональном компьютере. Температура слоя гранул измеряется термопарой типа ХА, подключенной к прибору Center 306. Измерялись расход гранул, выход очагового остатка и содержание золы в нем.
а б
Рис. 3. Воздухораспределительная решётка и схема подачи воздуха:
а – продольный разрез; б – поперечный разрез
Из реактора периодически отбирались пробы содержимого слоя для контроля изменения фракционного состава слоя и зольности составляющих его частиц. Продолжительность каждого опыта составляла не менее 8 ч при разной нагрузке установки. Производительность установки регулируется за счет увеличения (уменьшения) количества гранул, подаваемых в реактор на горение.
Чтобы определить момент начала процесса образования агломератов в слое и его дефлюидизации весь период наблюдений разбивался на интервалы длительностью 60 с, после чего исследовались статистические характеристики случайного процесса пульсаций перепада давления в слое для каждого из интервалов. Полученные значения статистических характеристик случайного процесса сопоставлялись между собой. Выбор длительности интервала наблюдений обусловлен тем, что в течение 60 с заметных изменений значений перепада давления в слое (за исключением периода дефлюидизации) не происходит. При этом для каждого интервала наблюдений определялись: математическое ожидание случайного процесса (среднее значение перепада давления в слое за время наблюдения) по зависимости (1), среднеквадратичное отклонение пульсации перепада давления по зависимости (2), безразмерная амплитуда пульсации перепада давления по зависимости
δ = σ/ Pc. (3)
В третьей главе изложены результаты экспериментов. В экспериментах на «холодной» модели при содержании в смеси более 40 % частиц золы наблюдается фракционное расслоение материала слоя. Поэтому в дальнейшем анализировались только данные, полученные для смесей, содержащих 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 и 100 % (по массе) биогранул и соответствующее количество золы.
Темной полосой на графиках (рис. 4) выделен диапазон скоростей воздуха, при которых происходит процесс псевдоожижения смеси частиц гранул и угольной золы согласно визуальным наблюдениям. Величина Umf уменьшается с ростом доли частиц угольной золы в смеси: для слоя биогранул Umf равна 2,4 м/с, для слоя, содержащего 15 % частиц угольной золы – 2,1 м/с, 45 % – 1,75 м/с. С увеличением доли биогранул в смеси от 40 до 80 % наблюдается уменьшение относительной высоты слоя: слой, содержащий 80 % гранул, практически не расширяется, тогда как у слоя, содержащего 40 % гранул, рабочая высота в 2 раза превосходит высоту неподвижного слоя. С дальнейшим ростом доли гранул в смеси относительная высота слоя начинает вновь увеличиваться, т.к. в слое начинают образовываться более крупные газовые пузыри [3], которые при своем разрушении вызывают более резкие колебания верхней границы слоя и рост относительной высоты слоя. Рабо-чая высота слоя, состоящего из одних только биогранул, в 1,5 раза превышает высоту неподвижного слоя.
По графикам на рис. 4 сложно определить значение Umf. Наблюдается либо монотонный рост перепада давления с увеличением скорости воздуха, продувае-мого через слой (для слоев, содержащих от 80 до 100 % гранул), либо резкие колебания этого перепада (для слоев с меньшей концентрацией гранул). С другой стороны, графическую зависимость σ = f(U) можно использовать для эксперимен-тальной оценки Umf (рис. 5). С достижением скоростью воздуха значения Umf наблюдается резкий рост значений σ. Как следует из рис. 5, при полном псевдоожижении слоя зависимость σ = f(U) можно аппроксимировать прямой линией. При этом скорости начала перехода слоя в режим псевдоожижения может быть сопоставлена точка пересечения полученной прямой с осью абсцисс.
Отсюда следует алгоритм определения Umf:
1) измеряются пульсации перепада давления в слое при нескольких значениях скорости газа, продуваемого через слой;
2) определяются значения среднеквадратичного отклонения пульсации перепада давления при различных скоростях продуваемого газа;
3) участок, соответствующий быстрому увеличению значений средне-квадратичного отклонения, линейно аппроксимируют методом наименьших квад-ратов;
4) значение скорости газа, соответствующее пересечению полученной прямой с осью абсцисс, является скоростью полного псевдоожижения многокомпонентного слоя при комнатной температуре.
Р
ис. 4. Зависимость перепада давления в слое от скорости воздуха для смеси угольной золы и гранул (доля золы в смеси указана на поле рисунка)
Рис. 5. Зависимость среднеквадратичного отклонения пульсаций перепада давления от скорости воздуха для смеси соломенных гранул и частиц золы
(доля золы в смеси указана на поле рисунка)
Предложенный алгоритм позволяет определять значение минимальной скорости псевдоожижения многокомпонентного слоя в работающем аппарате без его остановки и осаждения слоя.
В ходе экспериментов на «горячей» модели для определения размера частиц, составляющих исследуемый слой, через 40 и 90 мин после начала опыта были отобраны и подвергнуты рассеву пробы материала слоя. Результаты анализа материала слоя представлены на рис. 6. Гранулометрический состав слоя с течением времени меняется незначительно. Зафиксированное уменьшение доли частиц размером менее 1 мм вызвано их уносом из топки котла.
а б
Рис. 6. Фракционный состав материала слоя:
а – 40 мин после начала опыта; б – 90 мин после начала опыта
На рис. 7 представлено изменение перепада давления в слое от расхода первичного воздуха, подаваемого на горение, при теплопроизводительности установки равной 50, 75 и 100 % номинальной при температуре слоя около 1200 °С. Видно, что момент перехода слоя в кипящее состояние «размыт» и судить по кривым на рис. 7 о начале псевдоожижения затруднительно. Можно предположить, что псевдоожижение слоя горящих биогранул наступает при расходе дутьевого воздуха 0,4-0,5 кг/с или скорости воздуха 2,4-3,0 м/с.
Р
ис. 7. Зависимость перепада давления в слое горящих гранул
от расхода первичного воздуха
В переходной области от неподвижного к псевдоожиженному слою наблюдается монотонное снижение среднеквадратичного отклонения пульсации перепада давления σ (рис. 8). Слой переходит сразу из неподвижного в режим турбулентного псевдоожижения [4].
а) б)
Рис. 8. Зависимость среднеквадратичного отклонения перепада давления в слое горящих гранул от расхода воздуха для работы котла:
а – в номинальном режиме; б – при 75 % нагрузки
Таким образом, при высокой температуре слоя при горении в нем биотоплива изменение численных значений статистических характеристик пульсаций перепада давления в слое, так же, как и при комнатной температуре, может быть использовано как критерий для оценки перехода из неподвижного в псевдоожиженное состояние. Как следует из рис. 8, при переходе слоя в режим турбулентного псевдоожижения зависимость σ = f(U) выражается прямой линией. Алгоритм определения Umf аналогичен алгоритму определения минимальной скорости псевдоожижения для «холодной» модели.
Можно показать, что причиной разного характера изменения зависимости σ = = f(U) при комнатной температуре и при сжигании биотоплива является изменение значений физических характеристик псевдоожижающей среды при температуре горения. Для этого была рассчитана скорость начала турбулентного псевдо-ожижения для гранулометрического состава слоя, формирующегося при сжигании соломенных гранул при температуре порядка 1200 С (см. рис. 6,б).
Р
Рис. 9. Зависимость расчетного значения Uc от температуры для слоя, состоящего из соломенных гранул и твердых продуктов их горения
асчет произведен по известной зависимости [4]. Результаты расчёта Uc для представлены на рис. 9. Расчетное значение скорости Uc для такого слоя с ростом температуры снижается. При температуре порядка 1200 С расчетные значения скорости составляет Uc = 1,4-1,5 м/с. То есть при достижении такой скорости газа слой горящих гранул должен находится в состоянии турбулентного псевдоожижения, при переходе к которому значения σ резко падают, что полностью соответствует результатам наших экспериментов.
С
Рис. 10. Зависимость расчетного значения Uc от доли гранул в смеси с частицами угольной золы при комнатной температуре
другой стороны, при комнатной температуре расчетное значение Uc (рис. 10) с ростом доли биогранул в смеси повышается, и значения Uc для такого слоя оказываются выше максимальных значений скорости воздуха, при которых велось исследование. То есть при комнатной температуре слой, состоящий из частиц угольной золы и биогранул, в исследованном диапазоне изменения скорости воздуха должен находиться в состоянии пузырькового псевдоожижения. С переходом в состояние пузырькового псевдоожижения значения δ должны расти с увеличением скорости газа, что полностью соответствует результатам наших опытов на «холодной» модели.
Переход слоя горящих гранул в псевдоожиженное состояние также сопровождается резким падением значений безразмерной амплитуды пульсации перепада давления δ (рис. 11).
С
Рис. 11. Зависимость безразмерной амплитуды пульсаций давления в слое горящих гранул от расхода первичного воздуха при различной тепловой нагрузке котла
опоставление статистических характеристик пульсаций перепада давления в слое (безразмерной амплитуды пульсации), полученных для разных периодов наблюдений за процессом, можно рассматривать как метод мони-торинга процесса образования в слое золо-шлаковых агломератов. Для процесса сжигания соломенных гранул в турбулент-ном кипящем слое установлено, что при значении δ менее 0,1 слой находится в псевдоожиженном состоянии, и дефлю-идизация в таком слое не наступает.
В дальнейшем слой продолжает находиться в состоянии турбулентного псевдоожижения, о чем свидетельствуют низкие значения безразмерной амплитуды пульсации перепада давления (рис. 12).
Эти наблюдения подтверждаются результатами фракционного анализа зольности: при увеличении продолжительности опыта зольность крупной фракции повышается примерно в 2 раза. Даже если в слое образуются мелкие агломераты, процесс горения коксового остатка в них не прекращается, что позволяет предполагать очень небольшие потери топлива от механической неполноты сгорания. Следовательно, можно говорить о бесшлаковочном сжигании соломенных гранул в турбулентном кипящем слое.
Р
ис. 12. Отрезок графика изменения безразмерной амплитуды в ходе опыта при сжигании гранул в турбулентном кипящем слое
Через 40 мин после начала опыта крупные частицы имеют зольность не более 20 % и представляют собой, очевидно, частицы коксового остатка гранул (рис. 6,а). Более мелкие частицы имеют зольность от 60 до 80% и являются практически полностью сгоревшими частицами биотоплива. При продолжении опыта зольность частиц, наполняющих слой, повышается. Практически все фракции частиц имеют зольность около 90 % и крупные частицы представляют собой мелкие агломераты спекшихся частиц соломенной золы.
Отсутствие дефлюидизации в слое подтверждается результатами измерений температуры дымовых газов за установкой, коэффициента избытка воздуха и концентрации окиси углерода в дымовых газах: наблюдаются пульсации значений этих характеристик, однако, монотонного роста, свидетельствующего о прекращении горения из-за образования крупных агломератов и дефлюидизации, не наблюдается.
В четвертой главе рассмотрены практические аспекты результатов настоя-щего исследования. Для реализации технологии турбулентного кипящего слоя, обеспечивающего бесшлаковочное сжигание биотоплив с низкой температурой плавления золы, была разработана специальная конструкция топочного устройства и теплогенератора. Экспериментальный образец теплогенератора был изготовлен ЗАО СМНУ «Воскресенское» (г. Воскресенск, Московской области) по договору № 110935 от 21 сентября 2011 г. и в настоящее время проходит испытания в соответствии с государственным контрактом № 16.516.12.6002. На конструкцию котла автором получено положительное решение Евразийского патентного ведомства на выдачу патента на изобретение (решение Евразийского патентного ведомства о выдаче патента на изобретение «Котел для совместного и раздельного сжигания угля и биогранул», заявка № 201101501/31 от 13.10.2011 г.). Данный теплогенератор будет использован при выполнении проекта по государственному контракту № 16.526.11.6010, заключенного ФГБОУ ВПО «ТГТУ» с Министерством образования и науки РФ. Теплогенератор включен в технологическую линию для химико-термической обработки биомассы с целью улучшения ее технико-экономических показателей (влагостойкости, объемного теплосодержания, сокраще-ния затрат на транспортировку и сокращения выбросов парниковых газов при производстве и транспортировке). Теплогенератор в составе линии для химико-термической обработки биомассы будет производится на ОАО «Продмаш» (Ростов-на-Дону) с третьего квартала 2013 г.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Доказана применимость метода оценки минимальной скорости псевдоожижения многокомпонентного слоя по кривой изменения среднеквадратичного отклонения пульсации перепада давления в слое от скорости воздуха, продуваемого через слой. Для «холодной» и «горячей» моделей был предложен алгоритм определения минимальной скорости псевдоожижения кипящего слоя.
Были установлены отличия в характере изменения статистических характеристик в экспериментах на «холодной» и «горячей» моделях. При высокой температуре (1200 С) происходит не рост, а снижение численных значений статистических характеристик пульсации перепада давления, свидетельствующее о переходе слоя в режим турбулентного псевдоожижения, вызванном изменением значений физических характеристик псевдоожижающего газа (плотность, вязкость).
Сопоставление значений безразмерной амплитуды пульсации давления, полученных для разных периодов наблюдений за процессом, можно рассматривать как метод мониторинга процесса образования в слое золо-шлаковых агломератов. Для процесса сжигания соломенных гранул в турбулентном кипящем слое можно утверждать, что при значении δ менее 0,1 слой находится в псевдоожиженном состоянии, и процесс дефлюидизации в слое не начинается. Отсутствие дефлюидизации в слое подтверждается результатами измерений температуры дымовых газов за установкой, коэффициента избытка воздуха и концентрации окиси углерода в дымовых газах.
Разработан и испытан опытный образец теплогенератора с топкой турбулентного кипящего слоя. В экспериментах со сжиганием топлива с низкой температурой плавления золы, склонного к образованию агломератов, КПД теплогенератора составил 78,3-89,8 % в диапазоне регулирования теплопроизводительности от 30 до 100 %. Теплогенератор в составе линии для химико-термической обработки биомассы будет производится на ОАО «Продмаш» (Ростов-на-Дону) с третьего квартала 2013 г.
ЛИТЕРАТУРА
Puncochar M., Drahos J., Cermak J., Selucky K. Evalution of minimum fluidizing velocity in gas fluidized bed from pressure fluctuations // Chemical Engineering communications. 1985. V. 35 (1-6). Pp. 81-87.
Hiltunen M., Almark M. Defluidization Time of Different Materials in Fluidized Bed Combustion // Proceeding Swedish – Finnish Flame Days 2005, Bхras, Sweden, 18-19.10.2005. Pp. 28-36.
Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидродинамические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. – Л.: Химия, 1968. C. 142.
Bi H.T., Grace J.R., Lim K.S. Transition from bubbling to turbulent fluidization // Industrial and Engineering Chemistry Research, 1995. V. 34. Pp. 4003-4008.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Вирясов Д.М., Исьёмин Р.Л., Кузьмин С.Н., Милованов О.Ю. О дефлюидизации в полидисперсном псевдоожиженном слое // Вестник ТГТУ. 2011. Т. 17. №1. C. 95-103.
Вирясов Д.М., Исьёмин Р.Л., Кузьмин С.Н., Михалев А.В., Коняхин В.В., Зайченко В.М., Акользин А.П. Котёл для бесшлакового сжигания сельско-хозяйственных отходов // Промышленная энергетика. 2011. №11. C. 55-58.
Вирясов Д.М., Антропов А.П., Исьёмин Р.Л., Кузьмин С.Н., Акользин А.П. К вопросу о повышении надёжности котлов с топками кипящего слоя, предназначенных для сжигания биомассы // Тепловые процессы в технике. 2011. №9. C. 39-44.
Viryasov D., Isemin R., Konyakhin V., Kuzmin S., Mikhalev A. Development of technology of slagless combustion of agricultural wastes (straw) and designing and manufacturing of boilers where this technology is applied // Journal of Japan Institute of Energy. 2011. V. 90. № 6. Pp. 569-572.
Virysov D.M., Isemin R.L., Kuzmin S.N. Co – fluidization of Fine Particles and Straw Pellets at Room and Elevated Temperatures // International Journal of Chemical Engineering and Applications. 2012. V. 3. № 5. Pp. 323-327.
Вирясов Д.М., Исьемин Р.Л., Кузьмин С.Н., Кондуков Н.Б., Михалев А.В. Определение режимов псевдоожижения и значений характеристических скоростей газа по пульсациям перепада давления в бикомпонентных слоях твердых частиц // Инженерно-физический журнал. 2013. Т. 86. № 2 (в печати).
Вирясов Д.М., Исьёмин Р.Л., Кузьмин С.Н., Зорин А.Т., Зайченко В.М.,Михалев А.В. О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём // Промышленная теплотехника. Международный научно-прикладной журнал. 2010. Т. 32. № 5. С. 58-62.
Viryasov D., Isemin R., Kuzmin S., Akolzin A., Zaitchenko V., Mikhalev A. Experimental analysis of new method for diagnostics of defluidization processes during fluidized bed combustion of biomass // 7th Mediterranean combustion symposium, Chia Laguna, Cagliary, Sardinia, Italy. September 11-15, 2011.
Вирясов Д.М., Исьемин Р.Л., Кузьмин С.Н., Коняхин В.В., Зорин А.Т.,Михалёв А.В. Разработка технологии безшлакового сжигания отходов сельского хозяйства и проектирование и разработка котлов, работающих по этой технологии // Седьмая международная теплофизическая школа, Тамбов, 20-25 сентября 2010 г. Т. 2. С. 246-253.
Вирясов Д.М.
ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ И СЖИГАНИЕ БИОТОПЛИВА
В МНОГОКОМНОНЕНТНЫХ СЛОЯХ
Автореферат
Подписано в печать 05.04.2013
|
Формат 60х84/16
|
Печать офсетная
|
Уч.-изд.л. 1,1
|
Усл.-печ.л. 0,97
|
Тираж 100 экз.
|
Заказ N
|
Бесплатно
|
ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр. 2
|
|
